## INFOMATEK
Volume 23 Nomor 1 Juni 2021

## SIMULASI CFD ANALISA PENAMBAHAN TEMPERATUR PADA PEMBAKARAN OXY-FUEL BOILER DENGAN BAHAN BAKAR GAS ALAM
Ihsan Budiman*, Reza Setiawan, Oleh
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik – Universitas Singaperbangsa Karawang
Abstrak : Sumber terbesar yang menghasilkan emisi Karbon Dioksida (CO 2 ) dipercaya berasal dari pembangkit daya yang menggunakan bahan bakar fosil. Efek rumah kaca dan pemanasan global, merupakan dampak yang dihasilkan  oleh  emisi  CO 2 .  Berikut  adalah  beberapa  teknologi  yang  berfungsi  untuk  menangkap  CO 2 pada industri utilitas. Dalam hal ini teknologi penangkapan gas karbon diantaranya pre-combustion, post-combustion, dan oxy-fuel  combustion .  Hanya  saja  ada  keterbatasan  pengalaman  dalam  penggunaan oxy-fuel dalam pembakaran  gas  alam  dan  batu  bara  pada  dunia  industri,  untuk  itu  digunakan  metode  numerik  seperti Computational  Fluid  Dynamics (CFD)  dalam  membantu  menyelesaikan  tantangan  teknis  seperti  perpindahan panas didalam Boiler. Berdasarkan hasil simulasi didapat temperatur maksimum pada pembakaran konvensional sebesar  1860 celcius sementara  pada  pembakaran oxy-fuel sebesar  2840 celcius. Dengan  ini  maka  dapat disimpulkan  pembakaran oxy-fuel selain  mengurangi  emisi  gas  CO 2 juga  menghasilkan  temperatur  yang  lebih tinggi untuk dimanfaatkan dalam pembuatan steam pada Boiler.
Kata kunci: Boiler , Computational Fluid Dynamic,Oxy-Fuel, Gas Alam

## I. PENDAHULUAN 1
Sumber  terbesar  yang  menghasilkan  emisi Karbon  Dioksida  (CO 2 )  dipercaya  berasal  dari pembangkit  daya  yang  menggunakan  bahan bakar  fosil.  Efek  rumah  kaca  dan  pemanasan global,  merupakan  dampak  yang  dihasilkan oleh  emisi  CO 2 .  Dilaporkan  oleh International Energy  Agency ,  penggunaan  bahan  bakar fosil  secara  global  mencapai  80%  dari  total kebutuhan  energi.  Sementara  40%  penyebab
*) 1610631150057@student.unsika.ac.id
Pertama diterima: 5 Desember 2020 Direvisi: 9 Desember 2020 Disetujui untuk publikasi: 17 Mei 2021
emisi  CO 2 dihasilkan  oleh  pembangkit  listrik, yang  mana  30%  nya  menggunakan  bahan bakar fosil.  Berikut adalah  beberapa  teknologi yang  berfungsi  untuk  menangkap  CO 2 pada industri  utilitas.  Dalam  hal  ini  teknologi penangkapan  gas  karbon  diantaranya pre- combustion,  post-combustion, dan oxy-fuel combustion . (Ibrahim B. Mansir [1]).
Oxy  fuel  combustion merupakan  teknologi carbon  capture  and  storage (CCS)  yang muncul untuk sistem pembangkit listrik dimana bahan  bakar  tidak  dicampur  dengan  udara,
melainkan  dengan  oksigen  dan  campuran recirculate  flue  gas (RFG).  Gas  buang  yang muncul  nantinya  akan  mengandung  CO 2 dan uap  air  yang  setelah  pemurnian  dapat dikompresi  dan  dimanfaatkan,  misalnya  untuk meningkatkan perolehan minyak. Pada akhirnya,  mengkombinasikan  teknologi oxy fuel dengan  pembakaran  biomasa  dapat mengurangi emisi gas buang dengan menghilangkan  800  milliar  ton  CO 2 dari atmosfer  setiap  tahunnya.  Hanya  saja  ada keterbatasan  pengalaman  dalam  penggunaan oxy  fuel dalam  pembakaran  gas  alam  dan batu  bara  pada  dunia  indsutri,  untuk  itu digunakan metode numerik seperti Computational  Fluid  Dynamics (CFD)  dalam membantu  menyelesaikan  tantangan  teknis seperti  perpindahan  panas  didalam  boiler.  (A. Pranzitelli [2]).
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. [2].
Tujuan dari simulasi ini adalah membandingkan temperatur pembakaran pada boiler yang menggunakan udara pembakaran  biasa  dengan  pembakaran oxy- fuel.

## II. METODOLOGI

## 2.1. Alur Penelitian
Sebelum memulai penelitian kita perlu mempersiapkan  data-data  yang  dibutuhkan dalam  simulasi  seperti  data  geometri  boiler, laju  aliran massa bahan bakar, dan  laju  aliran masa  udara  pembakaran.    Selanjutnya  data yang  telah  dikumpulkan  diolah  menggunakan software
CFD (Computational Fluid Dynamics). Pada software  CFD data-data
tersebut diolah dan diatur sehingga menyerupai  kondisi  operasional  boiler  yang sebenarnya seperti tipe aliran (laminar/turbulen),  jenis  bahan  bakar  dan kandungannya,
kandungan udara pembakaran  yang  mana  pada  pembakaran konvensional  kandungan  oksigen  sebesar 21%  sementara  pada  pembakaran oxy-fuel , oksigen  pada  udara  pembakarannya  sebesar 95%  hingga  100%.  Selanjutnya  dilakukan verifikasi  data  antara  data  desain  temperatur pembakaran  dengan  data  hasil  simulasi CFD untuk  melihat  seberapa  besar eror yang didapat. Selanjutnya didapat hasil dari
temperatur pembakaran antara udara konvensional dan pembakaran oxy-fuel sehingga dapat  dianalisa  perbedaan  diantara
keduanya.  Diagram  alir  penelitian  ditunjukkan seperti pada Gambar 1.
Mulai
Pengumpulan Data
Pengolahan Data Pembakaran
Konvensional Pembakaran Oxy-fuel Hasil
Hasil Validasi Valid? Kesimpulan Selesai Y T Gambar 1 Diagram Alir Penelitian 2.2. Tahapan CFD
Software yang  digunakan  pada  simulasi  ini adalah Ansys Fluent 17.0. Terdapat beberapa tahapan  untuk  mendapatkan  hasil  simulasi diantaranya:
a. Pre-processing, yakni mendefinisikan geometri, kondisi batas, variabel yang akan dimasukkan , fenomena  fisik  seperti  jenis
aliran (laminar/turbulen), dan lain-lain.
b. Processing, hal
yang perlu
dipertimbangkan  dalam  tahap processing
adalah  kualitas  perhitungan  dan  lama waktu perhitungan.
c. Post-processing, pada  tahap  ini,  hasil simulasi  dapat  ditampilkan  dalam  bentuk 1D  berupa  plot  atau  diagram,  bentuk  2D berupa  kontur,  dan  bentuk  3D  berupa animasi.
d.  Verifikasi  dan  Validasi,  pada  tahap  ini dapat  dilakukan  dengan  berbagai  cara diantaranya pemeriksaan kode CFD, memeriksa konvergensi residu hasil, membandingkan  hasil  simulasi  dengan data desain, dan lain-lain.
Gambar  2  memperlihatkan  diagram  alir  dari CFD.
Mulai Selesai Pre-Processing  Desain Geometri  Meshing  Setup Solution Post-Processing  Visual 2 Dimensi Processing  Perhitungan Iterasi Konvergen? Y T Gambar 2 Diagram Alir CFD

## III. ANALISIS DAN PEMBAHASAN

## 3.1. Desain Boiler
Spesifikasi  boiler  yang  akan  digunakan sebagai berikut sebagai berikut: a.  Jenis Boiler  : Package Boiler
b. Tipe Boiler : Water Tube Wall
c.  Dimensi  Utama  (p×l×t):  10.698  ×  5156  × 6486mm
d.  Jumlah Burner : 2 set
Hasil  desain  geometri  boiler  ditunjukkan  oleh Gambar 3.
Gambar 3 Desain Packaged Boiler untuk simulasi CFD

## 3.2. Setup Solution
Setup  solution pada  simulasi  ini  ditunjukkan pada tabel berikut.
Tabel 1 Setup solution Model Keterangan Energy Equation On Viscous (Turbulen) K-ε, RNG
Radiation
On Species Species Transport
Energy equation berfungsi untuk menggunakan algoritma CFD dalam perhitungan perpindahan panas pada
simulasi.  Sementara  K- ε Renormalization
Group, berfungsi untuk perhitungan pada jenis aliran turbulen dan berpusar. Species Transport, untuk  menentukan  jenis  bahan bakar dan reaksi kimia yang terjadi.

## 3.3. Kondisi Batas
Kondisi  batas  pada  simulasi  ditentukan berdasarkan kondisi operasional boiler sebenarnya  yang  ditunjukkan  oleh  tabel sebagai berikut.
Tabel 2 Data Operasional No Lokasi Tekanan (Pa) Mass Flow Rate (Kg/s) Temperatur (Celcius) 1 Inlet Udara 4952,3582 31,19722 35 2 Inlet Bahan Bakar 142196,4 1,755833 - 3 Outlet 677,640 32,9530 727,9 3.4. Hasil Simulasi Pembakaran konvensional Hasil dari simulasi pada pembakaran menggunakan  udara  konvensional  sebagai berikut.
Tabel 3 Persentase Error Pada Hasil Simulasi Data Desain (Celcius) Hasil Simulasi (Celcius) Error 1820 1860 2,15%
Untuk menampilkan kontur
distribusi temperatur  pada  hasil  simulasi,  dibuatkan plane sebagai berikut.

## Gambar 4
Kontur Distribusi Temperatur Pembakaran Konvensional
Pada  pembakaran  udara  konvensional,  nilai heat  reaction maksimum  berdasarkan  hasil simulasi  didapat  sebesar  14900  watt  yang ditunjukkan pada kontur sebagai berikut.
Gambar 5
Kontur Heat Reaction Pada Pembakaran Konvensional
3.5. Hasil Simulasi Pembakaran Oxy-fuel Perbandingan  temperatur  antara  pembakaran konvensional dan pembakaran oxy-fuel ditunjukkan pada tabel berikut.
Tabel 4 Penambahan Temperatur Konvensional (Celcius) Oxy-fuel (Celcius) Persentase Penambahan 1860 2840 34,26%
Kontur distribusi temperatur pada pembakaran oxy-fuel ditunjukkan oleh gambar berikut.
Gambar 6 Kontur Distribusi Temperatur Pembakaran Oxy-fuel
Perbandingan heat reaction pada pembakaran konvensional dan pembakaran oxy-fuel ditunjukkan pada tabel berikut.
Tabel 5 Perbandingan Heat Reaction Konvensional (Watt) Oxy-fuel (Watt) Persentase Penambahan 14900 16100 7,45%
Kontur heat  reaction pada  pembakaran oxy- fuel ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 7
Kontur Heat Reaction Pada Pembakaran Oxy-fuel

## IV. KESIMPULAN
Kesimpulan  yang  dapat  diambil  dari  hasil simulasi diatas sebagai berikut:
1.  Pada  simulasi  pembakaran  menggunakan udara  biasa, temperatur  maksimal  sebesar 1860 Celcius, sementara pada data desain temperatur  pembakaran  sebesar  1820 Celcius.  Dari  hasil  tersebut,  didapat  nilai error sebesar 2,15%.
2.  Untuk pembakaran
oxy-fuel , nilai temperatur maksimum sebesar 2840
Celcius.  Dengan  begitu  pengaplikasian oxy-fuel pada  pembakaran  didalam  Boiler
selain  mengurangi  emisi  CO 2 juga  dapat meningkatkan temperatur temperatur pembakaran sebesar 34,26%.
3.  Nilai heat  reaction pada  pembakaran menggunakan udara konvensional sebesar 14900 watt dan pada pembakaran oxy-fuel sebesar  16100.  Dengan  begitu  terjadi peningkatan sebesar 7,45%.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Ibrahim B. Mansir., Rached Ben- Mansour., Mohamed A. Habib., “ Oxy-fuel
Combustion    in  a  Two-pass    Oxygen Transport  Reactor  for  Fire  Tube  Boiler Application, 2018.
[2]  A. Pranzitelli., S. Black., J. Szuhanszki., L. Ma.,  P.J.  Stranger.,  D.B.  Ingham.,  M. Pourkashanian., “ Effect of Firing Coal and
Biomass  Under  Oxy-fuel  Condition  in  a Power  Plant  Boiler  Using  CFD  Modelling,
2013.