AME(Aplikasi Mekanika dan Energi): Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 (2) , pp 91-96
Simulasi CFD Perbandingan Temperatur Pembakaran Boiler Menggunakan Udara Pembakaran Konvensional Dan Pembakaran Oxy-Fuel
Ihsan Budiman 1* , Reza Setiawan 1 , Najmudin Fauji 1
1 Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang, Indonesia, 41361

## ABSTRAK
Boiler merupakan pembangkit uap yang menggunakan bahan bakar fosil seperti batu bara dan gas alam dalam pengoperasiannya. Boiler sendiri umum digunakan pada pembangkit uap utilitas dan pembangkit uap industri. Dalam operasinya, boiler konvensional berbahan bakar gas alam menggunakan udara untuk pembakaran yang mana kandungan gas nitrogen (N 2 ) pada udara biasa mencapai 79%. Udara ini melarutkan gas CO 2 pada gas pembuangan  sehingga  gas  CO 2 tersebut  terbawa  ke  atmosfer.  Beberapa  teknologi  yang  bertujuan  untuk mengurangi  emisi  CO 2 diantaranya pre-combustion,  post-combustion, dan oxy-fuel  combustion .  Metode numerik  seperti Computational  Fluid  Dynamics  (CFD) digunakan  karena  teknologi oxy-fuel memiliki keterbatasan dalam penggunaannya di dunia industri dan utilitas serta membutuhkan biaya pengadaan yang besar.  Berdasarkan  hasil  simulasi  didapat  temperatur  maksimum  pada  pembakaran  konvensional  sebesar 1917 o C sementara pada pembakaran oxy-fuel temperatur yang dihasilkan sebesar 1857 o C. Meskipun begitu, distribusi temperatur pada pembakaran oxy-fuel lebih merata dibandingkan pembakaran konvensional sehingga penyerapan panasnya akan lebih baik. Hal ini dibuktikan melalui grafik perbandingan temperatur pada masing- masing dinding furnace . Hasilnya terjadi penambahan temperatur pada dinding furnace sebesar  5 o C hingga 20 o C.
Kata kunci :  boiler; computational fluid dynamics; gas alam; oxy-fuel.

## ABSTRACT
The  boiler  commonly  used  in  power  plants  and  industrial  steam  generators.  In  its  operation, conventional  boilers  fueled  by  natural  gas  use  air  for  the  combustion  system  where  the  content  of Nitrogen (N2) gas in ordinary air reaches 79% which dissolves CO2 gas in the exhaust gas, so that the CO2 gas is carried into the atmosphere. Several technologies that aim to reduce CO2 emissions include pre-combustion,  post-combustion  and  combustion  of  oxygen  fuel.  Numerical  methods  such  as Computational Fluid Dynamics (CFD) are used because the oxy-fuel technology has limited use in the industrial and utility world, and requires large procurement costs. Based on the simulation results, the combustion  temperature  in  the  fire  system  in  1917 o C  originating  from  the  combustion  system,  the resulting temperature is 185 o C. Even so, the temperature distribution in the oxy-fuel combustion system is more even in the combustion system so that the combustion system will be better. This is evidenced by the comparison of temperature comparison graphs on each furnace wall. The result was an increase in the temperature of the wall furnace by 5 o C to 20 o C.
Keywords : boiler; computational fluid dynamics; natural gas; oxy-fuel.

## PENDAHULUAN
Pembakaran  bahan  bakar  fosil  merupakan penyebab  emisi  Karbon  Dioksida  (CO 2 )  terbesar  di dunia  saat  ini.  Emisi  CO 2 sendiri  adalah  penyebab utama  efek  rumah  kaca  dan  pemanasan  global.
* Penulis korespondensi Email: 1610631150057@student.unsika.ac.id
Diterima 20 April 2021; Disetujui 25 Mei 2022
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi): Jurnal Ilmiah Teknik Mesin  2022
Menurut  Badan  Energi  Internasional,  dari  seluruh kebutuhan  energi  dunia,  80%  nya  menggunakan bahan  bakar  fosil,  yang  mana  penyebab  emisi  CO 2 40%  berasal  dari  pembangkit  listrik  yang  30%  nya menggunakan bahan bakar fosil (International Energy Agency, 2016).
Volume 8 Nomor 2 September 2022 pp 91-96 Website: http://ejournal.uika-bogor.ac.id/index.php/ame/index
Boiler  merupakan  pembangkit  uap  yang menggunakan bahan bakar fosil seperti batu bara dan gas  alam  dalam  pengoperasiannya.  Boiler  sendiri umum  digunakan  pada  pembangkit  uap  utilitas  dan pembangkit  uap  industri  (El-Wakil,  1985).  Dalam operasionalnya, boiler konvensional berbahan bakar gas  alam  menggunakan  udara  untuk  pembakaran yang mana kandungan gas nitrogen (N 2 ) pada udara biasa mencapai 79% yang melarutkan gas CO 2 pada gas pembuangan, sehingga gas CO 2 tersebut terbawa ke  atmosfer  (Buhre  et  al.,  2005). Maka dari  itu, dicetuskanlah  beberapa  teknologi  guna  menangkap CO 2 pada  industri  utilitas.  Beberapa  diantaranya adalah pre-combustion,  post-combustion, dan oxy- fuel combustion (Mansir et al., 2018).
Oxy-fuel  combustion adalah  teknologi  yang muncul  dalam  sistem  pembangkit  daya,  dimana bahan bakar tidak di campur dengan udara, melainkan dengan  oksigen  (O 2 )  dan Recirculate  Flue  Gas (RFG). Gas  buang  yang  dihasilkan  dari oxy-fuel combustion akan  mengandung  CO 2 dan  H 2 O  yang jika  dilakukan  pemurnian  dapat  dikompresi  dan dimanfaatkan untuk meningkatkan perolehan minyak. Tujuan utama mengkombinasikan teknologi oxy-fuel dengan  pembakaran  biomasa  yaitu  dapat menghilangkan  800  miliar  ton  CO 2 pada  atmosfer setiap tahunnya. (Black et al., 2013).
Metode  numerik  seperti Computational  Fluid Dynamics  (CFD) digunakan  karena  teknologi oxy- fuel memiliki keterbatasan dalam penggunaannya di dunia industri dan utilitas, serta membutuhkan biaya pengadaan yang besar. CFD merupakan  alat desain yang  dapat  digunakan  untuk  mempelajari  boiler, seperti  bidang  aliran  pada  boiler,  temperatur  dan distribusi bahan kimia yang dimana akan sulit apabila dilakukan  eksperimen  secara  langsung. CFD untuk pembakaran  sudah  pernah  diaplikasikan  pada pembakaran  udara-batu  bara,  udara-gas  alam,  dan pembakaran  campuran  udara-gas  alam-batu  bara. Maka  dari  itu CFD digunakan  untuk  mempelajari efek  pepindahan  panas  seperti  konduksi,  konveksi dan radiasi dalam proses pembakaran gas  alam  dan batu bara (Black et al., 2013).
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa dan membandingkan perbedaan temperatur pada dinding
boiler  antara  pembakaran  menggunakan  udara konvensional dengan pembakaran oxy-fuel .

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  menggunakan  metode  simulasi numerik. Data operasi yang dimasukkan berdasarkan data sheet dari sebuah package boiler.

## Alat
Alat  yang  digunakan  pada  penelitian  ini adalah software  ANSYS  Fluent  R17.0 dan hardware menggunakan laptop dengan spesifikasi Intel  Core  I5  Gen  2,  RAM  6  GB. Proses pembuatan geometri boiler menggunakan software  Design  Modeler yang  terdapat  pada Workbench ANSYS.

## Input Variabel
Beberapa variabel yang dimasukkan pada setup fluent yaitu laju aliran massa udara pembakaran dan bahan  bakar,  temperatur  udara  pembakaran  dan bahan  bakar,  serta  kandungan species udara pembakaran dan bahan bakar. Selain itu dimasukkan juga data material pada dinding boiler seperti densitas, specific heat, dan thermal conductivity .

## Prosedur Simulasi
Tahap simulasi menggunakan ANSYS Fluent diantaranya pembuatan geometri, proses meshing, setup solution , dan yang terakhir adalah post  processing untuk  menampilkan  hasil simulasi.

## Pembuatan Geometri
Packaged  boiler yang  digunakan  pada simulasi  ini  memiliki  spesifikasi  desain  sebagai berikut :
1. Dimensi utama - Panjang : 10.698 mm - Lebar : 5156 mm - Tinggi : 6486 mm 2. Jumlah Burner : 2 set 3. Diameter Burner : 1061 mm
Gambar 1 Desain geometri packaged boiler untuk simulasi CFD
Gambar  1  menunjukkan  hasil  pembuatan geometri boiler yang terdiri dari burner, furnace, tube  wall,  steam  drum,  water  drum dan outlet. Udara  pembakaran  dan  bahan  bakar  akan  di injeksikan  oleh burner, selanjutnya  terjadi pembakaran didalam furnace yang menghasilkan gas buang dengan temperatur yang tinggi. Setelah itu  gas  buang  akan  mengalir  menuju outlet dengan  melewati  jajaran tube  wall diantaranya riser wall, feeder wall, dan down comer wall.
Gambar 2. Burner
Burner pada packaged boiler memiliki 3 bagian, yaitu inlet bahan  bakar  yang  berfungsi menginjeksikan  bahan  bakar, inlet udara  utama yang  menginjeksikan  35%  udara  pembakaran
serta  menghasilkan  pusaran (swirling) ,  dan inlet udara  kedua  yang  menginjeksikan  65%  udara pembakaran.

## Meshing
Meshing bertujuan  untuk  menerjemahkan geometri  yang  telah  dibuat  agar  dapat  dibaca  oleh algoritma CFD. Jenis meshing yang  digunakan adalah tetrahedron dengan maximum  sizing 0,2030  m  dan  menghasilkan  jumlah  elemen 491.354. Hal yang perlu dipertimbangkan dalam proses meshing adalah efektifitas waktu perhitungan dan  akurasi  hasil  perhitungan.  Pada tahap  ini  juga  ditentukan inlet,  wall, dan outlet pada objek simulasi.
Gambar 3. Meshing burner
Gambar 4. Meshing geometri boiler

## Setup Solution
Pada setup  solution, dilakukan  model penyelesaian  kasus,  seperti  menentukan  jenis aliran,  reaksi  kimia  pembakaran,  kondisi  batas, dan metode penyelesaian komputasi.

## Tabel 1. Pemodelan
Model Keterangan Energy equation On Viscous K-e Realizable Radiation Surface 2 surface Species Species transport
Energy  equation berfungsi  untuk  penyelesaian model  perpindahan  panas.  Viskositas realizable k-e digunakan  dalam  penyelesaian  aliran turbulen.  Model  radiasi surface  to  surface digunakan  dalam  menyelesaikan  permasalahan radiasi antara suatu permukaan ke permukaan lain dengan mengabaikan penyerapan radiasi, sehingga  tidak  memakan waktu komputasi  yang lama. Pada species transport ditentukan kandungan  dari  bahan  bakar  yaitu  gas  metana (CH 4 ),  etana  (C 2 H 6 )  dan  propana  (C 3 H 8 ).  Untuk pembakaran konvensional kandungan O 2 sebesar 20,99%  dan  kandungan  gas  N 2 sebesar  79,01%. Sementara  pembakaran oxy-fuel kandungan  O 2 nya  masih  sama,  hanya  saja  kandungan  gas  N 2 digantikan oleh CO 2 yang didapat dari recirculate
flue gas. Persamaan reaksi stoikiometri pembakarannya sebagai berikut.
𝐶𝐻 4 + 2𝑂 2 = 𝐶𝑂 2 + 2𝐻 2 𝑂 (1)
𝐶 2 𝐻 6 + 3,5𝑂 2 = 2𝐶𝑂 2 + 3𝐻 2 𝑂 (2)
𝐶 3 𝐻 8 + 5𝑂 2 = 3𝐶𝑂 2 + 4𝐻 2 𝑂 (3)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Temperatur  pembakaran  hasil  simulasi numerik  dari packaged  boiler dengan  bahan bakar  gas  alam  dilakukan  validasi  dengan membandingkan  dengan  temperatur  pada data sheet , hasilnya didapat error sebagai berikut.
Tabel 2. Validasi temperatur
Data desain ( o C) Hasil simulasi ( o C) Error 1820 1917 5,32%

## Distribusi Temperatur
Temperatur maksimum yang dihasilkan oleh pembakaran  konvensional  sebesar  1917 o C, sementara  pembakaran oxy-fuel menghasilkan temperatur  lebih  rendah  yaitu  sebesar  1857 o C. Distribusi  temperaturnya  ditunjukkan  pada gambar berikut.
(a) (b)
Gambar 5. Kontur distribusi temperatur (a) pembakaran konvensional (b) pembakaran oxy-fuel
Dari Gambar 5, tidak begitu terlihat perbedaan yang signifikan  antara  distribusi  temperatur  pembakaran konvensional  dan  pembakaran oxy-fuel .  Hanya  saja pada  bagian furnace, distribusi  temperatur  pada pembakaran oxy- fuel lebih merata jika dibandingkan pembakaran
konvensional, dengan begitu maka penyerapan panas pada  dinding  boiler  akan  lebih  baik.  Untuk membuktikan  hal  tersebut,  akan  disajikan    gambar grafik perbandingan temperatur pada  dinding boiler yang  diamati  dari  sumbu  Z center dan  X center sebagai berikut.
Gambar 6. Grafik perbandingan temperatur dinding furnace
Berdasarkan grafik yang ditunjukkan dari Gambar 6. Dapat  dilihat  keunggulan  dari  pembakaran oxy-fuel dibandingkan  pembakaran  konvensional.  Terjadi penambahan temperatur pada masing-masing dinding furnace dari 5 o C hingga 20 o C.

## KESIMPULAN DAN SARAN

## Kesimpulan
Dari  hasil  simulasi  numerik  terhadap  sebuah package boiler dengan membandingkan pembakaran menggunakan  udara  konvensional  dan  pembakaran oxy-fuel , dapat ditarik kesimpulan bahwa temperatur maksimum yang dicapai pada pembakaran konvensional memiliki nilai yang lebih tinggi yakni 1917 o C  sementara  pada  pembakaran oxy-fuel temperatur maksimum yang dicapai sebesar 1857 o C. Meskipun  begitu,  distribusi  temperatur  pada pembakaran oxy-fuel lebih  merata  sehingga penyerapan  panas  pada  dinding  boiler  akan  lebih baik. Hal ini dibuktikan dari grafik yang di buat pada masing-masing  dinding furnace ,  pembakaran oxy- fuel menghasilkan  penambahan  temperatur  sebesar 5 o C  hingga  20 o C  pada  masing-masing  dinding furnace .

## Saran
Untuk  penelitian  kedepannya,  diharapkan memiliki  data  operasional  yang  lebih  memadai  dari boiler yang akan diteliti untuk memperoleh nilai error yang  lebih  kecil,  sehingga  hasil  simulasi  numerik dapat  mendekati  kondisi  aktual  dilapangan  dan diperlukan  penambahan  kandungan  oksigen  pada pembakaran oxy-fuel misalnya  menjadi  25%  atau 30%.

## REFERENSI
Black, S., Szuhánszki, J., Pranzitelli, A., Ma, L., Stanger,  P.  J.,  Ingham,  D.  B.,  & Pourkashanian, M. (2013). Effects of firing coal and biomass under oxy-fuel conditions in  a  power  plant  boiler  using  CFD modelling . 113 (x), 780–786.
https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.03.075
Buhre, B. J. P., Elliott, L. K., Sheng, C. D., Gupta, R.  P.,  &  Wall,  T.  F.  (2005).  Oxy-fuel combustion technology for coal-fired power generation. Progress  in  Energy  and
Combustion  Science , 31 (4),  283–307. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2005.07.001
El-Wakil, M. M. (1985). Power Plant Technology. In McGraw-Hill Electrical and
Mechanical Engineering series .
International Energy Agency. (2016). Decoupling of  global  emissions  and  economic  growth confirmed. IEA Press Release , March . Mansir, I. B., Ben-Mansour, R., & Habib, M. A.
(2018). Oxy-fuel combustion in a two-pass oxygen transport reactor for fire tube boiler application. Applied  Energy , 229 (April), 828–840. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.08.
057