JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
1
Studi Numerik Karakteristik Pembakaran Natural Gas di dalam Boiler Furnace dengan Variasi Sudut Swirl Vanes pada Radially Stratified Flame Core Burners Senna Septiawan dan Atok Setiyawan Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected]
Abstrak—Turbulensi merupakan salah satu parameter yang menentukan optimasi suatu proses pembakaran. Turbulensi dapat dihasilkan melalui adanya swirl pada sistem suplai udara pembakaran. Penelitian ini mengambil studi kasus mengenai pembakaran natural gas di dalam boiler furnace PLTU unit 1, PT. PJB UP Gresik, dimana sistem pembakaran di dalamnya menggunakan Radially Stratified Flame Core (RSFC) burner. RSFC burner beroperasi untuk membakar bahan bakar dengan sistem non-premixed, dimana terdapat tiga swirl combustion air yang menyelimuti bahan bakar. Untuk mengoptimasi turbulensi pembakaran, dapat dilakukan pengaturan sudut swirl vanes pada primary dan tertiary combustion air. Penelitian dilakukan melalui simulasi berdasarkan studi numerik computational fluid dynamics (CFD) menggunakan software ANSYS Fluent 14. Penyelesaian untuk persamaan continuity, momentum, energy, combustion species, radiation, dan pollutant NO dilakukan untuk memperoleh hasil temperatur, fraksi massa komponen pembakaran, serta emisi nitrogen oxide (NOx). Kondisi operasional boiler pada 85 MWe dan terdapat sembilan susunan burner dengan arah swirl yang berbeda. Simulasi ditinjau pada variasi sudut swirl vanes untuk tertiary air combustion terhadap karakteristik pembakaran yang dihasilkan, diantaranya temperatur rata-rata dan temperatur tertinggi di dalam boiler furnace, serta temperatur rata-rata, emisi NOx, fraksi massa methane (CH4) dan oxygen (O2) pada sisi furnace outlet. Besar sudut swirl vanes pada keseluruhan burner diatur pada nilai yang sama. Dari hasil simulasi, diketahui bahwa pengaturan sudut swirl vanes 25% untuk tertiary combustion air pada keseluruhan burner, menghasilkan karakteristik pembakaran yang lebih optimum dibandingkan pengaturan 37.5% dan 50%, dengan hasil temperatur pembakaran rata-rata 1456.30 °C, sisa CH4 0.52%, sisa O2 2.41%, pembentukan carbon dioxide (CO2) 12.75%, dan pembentukan emisi total NOx 456.76 dry-ppm. Kata Kunci—boiler furnace, burner, combustion air, natural gas, non-premixed, swirl.
I. PENDAHULUAN
D
alam memenuhi kebutuhan energi listrik di Indonesia, PT. Pembangkitan Jawa Bali (PT. PJB) sebagai badan usaha milik negara yang berperan dalam usaha pembangkitan, memiliki beberapa unit pembangkitan yang tersebar di wilayah Pulau Jawa, salah satunya adalah Unit Pembangkitan Gresik (UP Gresik). PT. PJB UP Gresik memiliki tiga jenis pembangkitan diantaranya pembangkit listrik tenaga gas (PLTG), pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), dan pembangkit listrik tenaga gas-uap (PLTGU). PLTU yang pertama kali dioperasikan adalah PLTU unit 12, dimana pada awal operasionalnya, boiler PLTU unit 1-2 didesain untuk beroperasi dengan fuel oil. Namun, seiring melimpahnya pasokan fuel gas, dilakukan retrofit pada
sistem pembakaran di dalam boiler dengan mengganti burner dengan jenis RSFC burner sehingga dapat beroperasi dengan fuel oil atau fuel gas. Namun, selama masa operasional menggunakan fuel gas, PLTU unit 1 mengalami derating akibat kurang optimumnya proses pembakaran yang terjadi, sehingga hanya dapat menghasilkan daya 85 MWe dari kapasitas daya maksimum 100 MWe. Untuk mengoptimalkan proses pembakaran, dapat dilakukan dengan mengatur turbulensi pembakaran dengan mengatur swirl vanes dari RSFC burner untuk memberikan pengaruh turbulensi yang berbeda akibat swirl pada primary dan tertiary combustion air. Studi CFD telah banyak digunakan dalam memberikan prediksi fenomena dan karakteristik pembakaran mendekati kondisi aktual sistem, sehingga lebih efektif dan efisien melalui hasil simulasi. Habib. dkk (2008) melakukan simulasi pembakaran natural gas di dalam boiler berkapasitas 160 MWe dengan variasi air to fuel ratio (AFR), temperatur air inlet, serta sudut swirl untuk mengetahui karakteristik temperatur dan emisi NOx yang dihasilkan. Dai-fei, dkk (2009) melakukan simulasi pembakaran natural gas di dalam gas suspension calcinations (GSC) furnace dengan variasi kecepatan dan temperatur udara pembakaran, serta kecepatan bahan bakar, untuk mengetahui karakteristik distribusi temperatur dan kuantitas emisi dari NOx, carbon monoxide (CO), dan CO2 di dalam GSC furnace tersebut. II. MODEL BOILER FURNACE DAN BURNER Simulasi dilakukan pada daerah furnace dari boiler jenis water-tube, dengan sistem pembakaran non-premixed berbahan bakar natural gas, secara three-dimensional (3D). Boiler digunakan untuk menghasilkan superheated steam dengan laju aliran massa feedwater 301.98 T/h. Tekanan dan temperatur feedwater di dalam waterwall yang terletak pada dinding boiler furnace yakni 105 kgf/cm2 dan 310 °C. Luas efektif pemanasan waterwall yakni 875 m2. Terdapat sembilan burner yang memiliki konfigurasi arah swirl counter clockwise (CCW) untuk burner A1, A3, B2, C1, dan C3, sedangkan arah swirl clockwise (CW) untuk burner A2, B1, B3, dan C2. Natural gas diinjeksikan ke dalam furnace melalui 16 nozzle dengan diameter 10.4 mm pada tiap fuelgun burner. Cap fuel gun burner memiliki diameter luar 165 mm. Diameter luar untuk laluan primary air 360 mm, untuk secondary air 518 mm, dan tertiary air 862 mm. Swirl vanes pada secondary air merupakan fixed vanes sehingga tidak dapat dilakukan perubahan sudut. Untuk geometri boiler furnace dapat dilihat pada gambar 1.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
2
3.2 Boundary Conditions dan Solutions Tahapan pembuatan domain dari boiler furnace dan burner di dalamnya menggunakan software GAMBIT 2.4.6 meliputi pembuatan geometri, penentuan boundary conditions, serta melakukan meshing pada domain yang telah dibuat. Penetuan boundary conditions dan hasil pembuatan domain dapat dilihat pada gambar 2 dan 3. Dari hasil meshing, domain memiliki jumlah nodes sebanyak 1853917 nodes, dengan pemilihan mesh jenis hexahedron pada sebagian besar domain, serta mesh jenis polyhedron pada domain dari burner throat.
Gambar 1. Geometri boiler furnace (satuan : meter) III. MODEL DAN METODE PENYELESAIAN Penelitian ini dilakukan berdasarkan studi CFD dengan adanya simulasi pembakaran menggunakan bantuan software GAMBIT 2.4.6 dan ANSYS Fluent 14. 3.1 Model Penyelesaian Beberapa model persamaan matematis yang digunakan dalam simulasi diantaranya : Turbulence model Dalam penyelesaian persamaan konservasi massa, momentum, dan energi, serta mendukung akurasi akibat pengaruh swirl terhadap proses pembakaran, digunakan model turbulensi k-ε renormalization group (RNG) sesuai yang digunakan oleh Habib, dkk (2008). Combustion model Pada penelitian ini, bahan bakar natural gas dan udara pembakaran memasuki furnace pada aliran yang berbeda sehingga tidak terjadi mixing sebelum terjadinya proses pembakaran. Oleh karena itu, digunakan model pembakaran non-premixed sesuai yang digunakan oleh Dai-fei, dkk (2009). Radiation model Untuk memperoleh hasil simulasi dengan adanya pengaruh radiasi dari pembakaran, digunakan model radiasi P-1. Dai-fei, dkk (2009) menggunakan model radiasi P-1 karena model radiasi tersebut dapat memberikan hasil yang cukup relevan dari proses pembakaran. NOx pollutant model Terdapat tiga mekanisme pembentukan NOx, diantaranya thermal, prompt, dan fuel NOx. Karena hasil analisis natural gas yang digunakan pada penelitian ini memiliki kandungan nitrogen (N2) cukup rendah, model polutan NOx yang dipilih hanya mekanisme thermal dan prompt, untuk mengetahui pembentukan NOx pada temperatur tinggi dan pada kondisi pembakaran fuel-rich, sesuai yang digunakan oleh Habib, dkk (2008) dan Dai-fei, dkk (2009).
Gambar 2. Domain pemodelan boiler furnace dan burner
Gambar 3. Penetuan boundary conditions pada inlet burner Persamaan untuk konservasi massa, momentum, energi, serta besaran skalar lainnya seperti turbulensi dan reaksi kimia, diselesaikan berdasarkan least square cell based. Penyelesaian tekanan dan kecepatan menggunakan semiimplicit method for pressure-linked equations consistent (SIMPLEC). Pada penelitian ini, kriteria konvergensi di bawah 10-5 untuk residual error parameter continuity, P-1, dan pollutant NO. Pengaturan arah inlet akibat sudut swirl menggunakan local cylindrical, dengan nilai yang dapat dilihat pada tabel 1. Namun, swirl untuk primary air ditentukan pada swirl 50% untuk keseluruhan variasi tertiary air swirl. Dan nilai input pada boundary conditions untuk tiap burner dapat dilihat pada tabel 2. Tabel 1. Komponen Swirl pada Koordinat Local Cylindrical Swirl
Low (25%)
Medium (37.5%)
High (50%)
Axial component
0.9239
0.8315
0.7071
Tangential component *
0.3827
0.5556
0.7071
* bertanda negatif (-) untuk arah swirl CW dan bertanda (+) positif untuk arah swirl CCW
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
3
Tabel 2. Nilai Input pada tiap Boundary Conditions Boundary Conditions
Variable
Unit
Value
MWe
Load Gas inlet @ burner
Air inlet @ burner
Furnace outlet Furnace Wall
85
Pressure
Pa g
168674
Temperature
K
Mass flow rate
kg/s
0.4487
Pressure
Pa g
5499
Temperature
K
292
483
Primary
kg/s
1.5675
Secondary
kg/s
1.0276
Tertiary
kg/s
4.8728
Pressure
Pa g
4397
Temperature
K
Mass flow rate
Gambar 4. Kontur distribusi temperatur tiap elevasi burner
1700 2
Heat flux
W/m
Thickness
m
-123313 0.004
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk mengetahui keakuratan hasil proses simulasi, dilakukan validasi terhadap data aktual pengoperasian boiler PLTU unit 1, PT. PJB UP Gresik. Proses validasi ditinjau pada nilai furnace draft yang terukur oleh measuring tap di dalam boiler furnace. Data aktual diambil dari hasil performance test pada bulan April 2013. Validasi hasil simulasi terhadap data aktual dapat dilihat pada tabel 3. Karena dari hasil simulasi dari masing-masing variasi tertiary swirl memiliki error sekitar 1% terhadap data aktual, maka hasil simulasi dapat dikatakan relevan terhadap kondisi aktual pembakaran natural gas yang terjadi.
Data kuantitatif temperatur pembakaran pada tiap elevasi dapat dilihat pada gambar 5. Dari gambar 5 tersebut diketahui bahwa variasi persentase sudut swirl vanes untuk udara pembakaran tersier lebih berpengaruh signifikan terhadap temperatur rata-rata pada elevasi burner row A dan B, namun kurang berpengaruh signifikan terhadap temperatur rata-rata pada elevasi burner row C dan measuring tap. Pada elevasi burner row A dan B, temperatur rata-rata tertinggi sekitar 1415 °C terjadi pada pengaturan swirl 37.5%, sedangkan pada elevasi burner row C, pengaturan swirl 25% dan 37.5% menghasilkan temperatur rata-rata tertinggi yang hampir sama, yakni sekitar 1360 °C. Dan pada elevasi measuring tap menuju furnace outlet, temperatur rata-rata tertinggi sekitar 1500 °C terjadi pada pengaturan swirl 37.5%.
Tabel 3. Perbandingan Data Aktual dan Hasil Simulasi Variable
Unit
Act
Tertiary Swirl 25%
Tertiary Swirl 37.5%
Tertiary Swirl 50%
Furnace draft
Pa g
4397
4449.46
4448.58
4444.35
Error
%
1.1931
1.1592
1.0643
4.1 Analisa Distribusi Temperatur Fenomena temperatur pembakaran dapat diketahui pada gambar 4, dimana pengaturan swirl 25% untuk tertiary combustion air cenderung menghasilkan flame yang lebih panjang karena udara pembakaran kurang mampu untuk mengolak aliran natural gas sehingga flame dapat mengenai rear wall. Pengaturan swirl 37.5% cukup memberikan pengaruh olakan aliran yang lebih baik namun yang perlu diperhatikan adalah flame dari burner B1 yang mengarah pada side wall serta flame dari burner A2 dan C2 yang masih dapat mengenai rear wall. Dan pada pengaturan swirl 50% lebih memberikan pengaruh olakan paling besar sehingga lebih mampu untuk membelokkan arah flame. Namun perlu diperhatikan juga bahwa flame dari burner B1, C2, dan C3 masih dapat mengenai rear wall.
Gambar 5. Grafik perbandingan temperatur rata-rata tiap elevasi 4.2 Analisa Fraksi Massa O2 Fenomena pengaruh variasi sudut swirl vanes untuk tertiary combustion air terhadap reduksi O2 selama proses pembakaran dapat diamati pada gambar 6, dimana pada elevasi burner row A, terlihat bahwa dengan pengaturan tertiary air swirl 37.5% dan 50% dominasi sisa fraksi massa O2 lebih sedikit daripada pengaturan tertiary swirl air 25%. Sedangkan pada elevasi burner row B, pengaturan tertiary air swirl 37.5% menghasilkan sisa fraksi massa O2 paling rendah. Dan sisa fraksi massa O2 paling rendah pada elevasi burner row C, terjadi dengan pengaturan tertiary air swirl 25%.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
4
Sebagaimana diketahui sebelumnya bahwa CO2 merupakan komponen utama hasil proses pembakaran, sehingga dengan terbentuknya CO2 pada nilai fraksi massa yang lebih tinggi menunjukkan bahwa pada daerah tersebut terjadi proses oksidasi antara natural gas dan O2 pada komposisi yang stoichiometric. Selain itu, dapat diketahui juga bahwa dengan variasi pengaturan tertiary air swirl yang berbeda menghasilkan kontur fraksi massa CO2 yang hampir sama.
Gambar 6. Kontur fraksi massa O2 tiap elevasi burner Untuk mengetahui sisa fraksi massa O2 dari daerah tengah furnace menuju furnace outlet secara kuantitatif dapat diamati pada gambar 7, dimana dapat diketahui bahwa dengan pengaturan tertiary air swirl 37.5% dan 50% pada elevasi burner row A menghasilkan sisa fraksi massa O2 terendah sekitar 0.05. Pada elevasi burner row B sisa fraksi massa O2 terendah 0.052 terjadi dengan pengaturan tertiary air swirl 37.5%. Dan pada elevasi burner row C, sisa fraksi massa O2 terendah sekitar 0.061 terjadi dengan pengaturan tertiary air swirl 25%. Namun, pada daerah measuring tap, keseluruhan pengaturan sudut swirl vanes untuk tertiary combustion air menghasilkan akumulasi sisa fraksi massa yang hampir sama sekitar 0.05.
Gambar 9. Grafik perbandingan fraksi massa CO2 rata-rata tiap elevasi Untuk mengetahui pembentukan CO2 dari daerah tengah furnace menuju furnace outlet secara kuantitatif dapat diamati pada gambar 9 dimana dapat diketahui bahwa pembentukan CO2 yang lebih besar pada elevasi burner row A dan B terjadi dengan pengaturan tertiary air swirl 37.5%, sedangkan pada elevasi burner row C pembentukan CO2 sedikit lebih besar dengan pengaturan tertiary air swirl 25%. Dan pada daerah measuring tap, akumulasi CO2 yang terbentuk hampir memiliki fraksi massa yang sama besar untuk keseluruhan variasi pengaturan tertiary air swirl, yakni pada nilai fraksi massa sekitar 0.11. 4.4 Analisa Emisi NOx
Gambar 7. Grafik perbandingan fraksi massa O2 ratarata tiap elevasi 4.3 Analisa Fraksi Massa CO2
Gambar 10. Kontur emisi NOx tiap elevasi burner
Gambar 8. Kontur fraksi massa CO2 tiap elevasi burner
Pembentukkan emisi NOx mencapai nilai yang lebih tinggi pada daerah sekitar rear wall dan pada daerah mendekati furnace outlet, yang ditunjukkan pada gambar 10 dengan adanya kontur warna hijau muda sampai merah tua pada rentang 810 – 1800 dry-ppm. Pembentukkan emisi NOx yang lebih tinggi diakibatkan tercapainya temperatur pembakaran
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) tertinggi dan kurangnya proses pendinginan oleh udara pembakaran, sehingga pengurangan emisi NOx hanya berlangsung pada daerah tengah furnace tepatnya pada daerah mixing pembakaran. Dari pembahasan mengenai distribusi temperatur, telah diketahui bahwa pada pengaturan tertiary air swirl 50% menghasilkan temperatur maksimum pembakaran yang lebih tinggi, sehingga pembentukkan emisi NOx juga berpotensi lebih tinggi. Hal tersebut dapat diamati dari kontur warna kuning sampai merah tua yang menunjukkan nilai sekitar 1170 – 1800 dryppm, sedangkan pada pengaturan tertiary air swirl 37.5% menghasilkan emisi NOx yang lebih rendah pada nilai sekitar 720 – 1080 dry-ppm dengan kontur warna hijau pupus sampai kuning tua. Dan pembentukkan emisi NOx terendah pada pengaturan tertiary air swirl 25%, yang hanya ditunjukkan dominasi warna biru muda dan hijau pupus pada nilai 360 – 630 dry-ppm.
5
4.5 Optimasi Pembakaran pada Furnace Outlet Untuk mengetahui optimasi pembakaran yang terjadi, dapat ditinjau pada komponen sisa unburnt fuel dan oksidan yang terbakar, serta akumulasi pembentukan CO2 dan emisi NOx pada sisi furnace outlet. Dari tabel 4, dapat diketahui bahwa dengan memperbesar persentase tertiary air swirl pada keseluruhan burner, akan menurunkan optimasi pembakaran yang terjadi. Hal tersebut dapat diamati bahwa pada pengaturan tertiary air swirl 50%, sisa CH4 dan O2, serta emisi total NOx pada furnace outlet semakin besar, sedangkan pembentukan CO2 menurun, dibandingkan pada pengaturan tertiary air swirl 25% dan 37.5%. Pembakaran yang optimum terjadi dengan pengaturan tertiary air swirl 25% pada keseluruhan burner, menghasilkan sisa CH4 terendah 0.52%, sisa O2 terendah 2.41%, pembentukan emisi total NOx terendah 456.76 dry-ppm, serta pembentukan CO2 tertinggi 12.75%. Tabel 4. Optimasi Pembakaran pada Furnace Outlet
Gambar 11. Grafik perbandingan emisi NOx ratarata tiap elevasi Untuk mengetahui pembentukan emisi NOx secara kuantitatif mulai dari daerah pembakaran pada tiap elevasi burner menuju furnace outlet dapat diamati pada gambar 4.15 mengenai grafik perbandingan emisi total NOx pada tiap elevasi. Selanjutnya, dapat diketahui bahwa pada elevasi burner row A dan B, pembentukkan emisi total NOx terendah sekitar 210 dry-ppm pada pengaturan tertiary air swirl 25%, dimana dengan adanya swirl yang lebih rendah dapat memberikan pendinginan yang lebih merata pada proses pembakaran. Sedangkan pada elevasi burner row C, pengaturan tertiary air swirl 25% dan 37.5% memberikan pengaruh pendinginan yang hampir sama, sehingga pembentukkan emisi total NOx terendah pada elevasi tersebut, yakni sekitar 255 dry-ppm. Dan pada daerah menuju furnace outlet, pengaturan tertiary air swirl 37.5% dan 50% mengakibatkan pembentukkan NOx yang lebih tinggi sekitar 450 dry-ppm, dibandingkan pada pengaturan tertiary air swirl 25% yang menghasilkan emisi NOx sekitar 400 dry-ppm. Pada elevasi burner row B dan C, serta measuring tap, pengaturan tertiary air swirl 50% rata-rata menghasilkan emisi total NOx tertinggi dibandingkan pengaturan tertiary air swirl 25% dan 37.5%. Dengan adanya swirl yang lebih besar, pendinginan oleh udara pembakaran kurang merata hingga ujung flame sehingga pembentukkan emisi total NOx lebih tinggi pada daerah ujung flame.
Tertiary air swirl [%]
CH4 [%]
O2 [%]
CO2 [%]
Total NOx [dry-ppm]
25
0.5197
2.4111
12.745
456.7644
37.5
0.5434
2.575
12.6201
475.6702
50
1.0045
3.5034
11.8196
511.031
V. KESIMPULAN/RINGKASAN Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa dengan memperbesar persentase sudut swirl vanes untuk tertiary combustion air pada keseluruhan burner, dapat menurunkan optimasi pembakaran natural gas yang terjadi. Pembakaran natural gas yang optimum terjadi pada pengaturan swirl 25% untuk tertiary combustion air pada keseluruhan burner, dengan hasil pada sisi furnace outlet diantaranya sisa CH4 0.52%, sisa O2 2.41%, pembentukan CO2 12.75%, dan pembentukan emisi NOx 456.75 dry-ppm. PENGHARGAAN Dalam penyelesaian penelitian ini, penulis mengucapkan terima kasih atas adanya bantuan dan kerjasama dari PT. PJB UP Gresik dan PT. Angkasa Pura II. DAFTAR PUSTAKA ABB C-E Instruction Manual Indonesia Naval Base Complex PLN Gresik units 1 and 2, ABB C-E Services Inc., Ujung, Surabaya, Indonesia, Windsor, Connecticut, USA; 1997. ANSYS FLUENT 14 Theory Guide, ANYS Inc., Southpointe, 275 Technology Drive, Canonsbrug, PA 15317, USA; 2011. ANSYS FLUENT 14 User’s Guide, ANYS Inc., Southpointe, 275 Technology Drive, Canonsbrug, PA 15317, USA; 2011. Dai-fei L, Feng-qi D, Hong-liang Z, Wen-bo Z. Numerical Simulation of High Temperature Air Combustion in Aluminum Hydroxide Gas Suspension Calcinations. J Trans. Nonferrous Met. Soc. China 2009; 19 : 259-266. Habib MA, Elshafei M, Dajani M. Influence of Combustion Parameters on NOx Production in an Industrial Boiler. J Computers & Fluids 2008; 37 : 12-23. Project Completion Report on the Project for Rehabilitation of Gresik Steam Power Plant units 1 and 2 The Republic of Indonesia, Tokyo Electric Power Services Co. Ltd., Tokyo, Japan; 2001.
