Politeknik Negeri Malang Disetujui: 16 April 2018 Jl. Soekarno-Hatta No. 9, Malang, Indonesia © 2018 Politeknik Negeri Malang
E-mail: m.agungindra.i@gmail.com
Studi Fluidisasi dan Pembakaran Batubara Polydisperse di Dalam Fluidized Bed Berbasis Simulasi CFD

## ( Computational Fluid Dynamic )
Mochammad Agung Indra Iswara 1,* , Tantular Nurtono 2 , Sugeng Winardi 2
1 Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri Malang, Malang 65141 Indonesia
2 Jurusan Teknik Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya 60111 Indonesia
* E-mail : m.agungindra.i@gmail.com

## ABSTRAK
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  fenomena  pembakaran  batubara  dimana  dimensi  alat,  distribusi ukuran  partikel,  dan  jenis  kualitas  batubara  menggunakan  validasi  dari penelitian  Wang.  Penelitian  ini mengarahkan  pada  simulasi  berbasis  CFD.  Kondisi  operasi  pada  saat  simulasi  pembakaran  dilakukan  pada kecepatan  bubbling.  Metode  yang  digunakan  sebelum  melakukan  simulasi  pembakaran  merupakan  kelanjutan dari  simulasi  fluidisasi  dimana  masih  menggunakan  geometri  2-D  fluidized  bed  lalu  dilakukan  meshing, selanjutnya memasukkan persamaan  energi.  Geometri fluidized  bed yang digunakan  berbentuk tabung dengan panjang silinder fluidized bed 1370 mm, diameter silinder 152 mm. Bahan yang digunakan pada penelitian ini berupa pulverized coal dengan jenis batubara Bituminous dimana ukuran partikel dianggap polydisperse dengan ukuran partikel 1 mm dan 1,86mm yang masing-masing sebesar 50% fraksi massa dengan kecepatan 0,2 Kg/s dan  suhu  1200  K,  dan  udara  luar  yang  diinjeksikan  dengan  kecepatan  0,8  m/s  dan  suhu  300  K.  Analisa pengambilan  data  adalah  berupa  kontur  fase  padatan,  kontur  temperatur  pada  fase-1  dan  fase  padatan,  fraksi massa produk pembakaran, massa padatan  awal dan  akhir simulasi  dengan time step sebesar 0,0001 detik dan number of  time  step sebesar 300000. Selanjutnya data tersebut diplot  menjadi grafik  temperatur terhadap time step dan disajikan dalam setiap 1 menit simulasi selama 5 menit simulasi.
Kata kunci : batubara , combustion, computational fluid dynamic, fluidized bed, hidrodinamika.

## ABSTRACT
This  research  aims  to  determine  coal  combustion’s  phenomenon,  where  the  device’s  dimension,  particle  size distribution,  and  the  quality  of  rank  coal    which  validated  Wang’s  reseach.  This  reseach  leads  on  CFD simulation.  The  operation  condition  has  did  in  bubbling  velocity.  This  method  is  a  continuation  from fluidization  simulation  which  is  use  2-D  Geometry  and  then  used  the  meshing  method,  and  enter  the  energy equation. The geometry of fluidized bed used was tubular cylinder with 1370 mm length and 152 mm. Materials used  in  this  study  was  pulverized  coal  with  Bituminous  coal  type  which  the  particle  size  was  considered  as monodispers  with  particle  size  was  1.43  mm  and  polydispersed  with  particle  size  was  1  mm  with  50%  mass fraction and 1.86 mm with 50% mass fraction with flow rate 0,2 Kg/s and the temperature is 1200 K, and the outside air are injected in 0,8 m/s and 300 K. The analysis of data retrieval is solid phase contour, temperature contours in phase-1 and solid phase, mass fraction of combustion product, initial solid mass and final solid mass simulation  with  time  step  0,0001  s  and  the  numberof  time  step  300000.  Then  the  data  is  plotted  into  a  graph temperature vs time step and presented in 1 minute simulation for 5 minute simulation.
Keywords : coal , combustion, computational fluid dynamic, fluidized bed, hidrodynamic.

## 1.  PENDAHULUAN
Di  era  globalisasi  sekarang  ini,  kebutuhan energi  fosil  semakin  meningkat,  misalnya minyak  bumi,  gas  alam,  dan  batubara. Penggunaan  energi  fosil  digunakan  sebagai bahan  bakar  penggerak  mesin,  dan  sumber panas  di  dalam  furnace.  Namun  karena
ketersediaan  bahan  bakar  fosil  semakin menipis,  mendorong  industri  besar  untuk menciptakan  suatu  cara  alternatif  dalam menggunakan energi fosil ini. Salah satunya dengan  cara  memperlakukan  bahan  bakar fosil yang berbeda, seperti diketahui  bahwa energi  fosil  berbentuk  fluida  sangat  mudah
untuk  di- treatment yaitu  diubah  menjadi spray/  disemburkan,  dan  diubah  menjadi gelembung/ droplet. Sedangkan bahan bakar padat  perlu  penanganan  khusus,  biasanya bongkahan  bahan  bakar  padat  misalnya batubara  langsung  dimasukkan  ke  dalam furnace atau  diubah  menjadi  briket  atau digasifikasi. Baru – baru ini seorang peneliti Wang [1] dan Levy dkk. [2] mempresentasikan  fluidisasi  batubara  yang sebelumnya  di- pulverized terlebih  dahulu kemudian batubara dibakar di dalam kolom, selanjutnya  batubara  yang  baru  masuk  ke dalam  kolom  fluidisasi  secara  kontinyu. Keunggulan sistem fluidisasi  batubara adalah  fleksibilitas  batubara  yang  tinggi, emisi  NOx  dan  SOx  rendah,  tidak  terjadi slagging dan korosi, suhu seragam di dalam unggun,  kontak  langsung  partikel  dengan perubahan  panas  dan  massa  secara  intensif, keefektifan pengaturan suhu bed oleh suplai bahan bakar dan panas.
1.1 Fluidized-Bed Combustion Fluidized-Bed Combustion menurut Ragland dkk.  [3]  adalah  alat  pengembangan  dari conventional  stokers  dan  pulverized-fuel combustion.  Pada  umumnya  digunakan untuk  aplikasi  furnace,  seperti  pada  proses produksi  gas  panas  untuk  pengeringan. Untuk  mengurangi  suhu  pengeringan  gas, dilakukan  penambahan  udara  berlebih  atau resirkulasi flue gas.
Mekanisme kerja Fluidized Bed Combustion menurut  Rozzainee  dkk.  [4]  adalah  udara primer disemburkan oleh blower dari bawah ruang  pembakaran,  lalu  udara  sekunder membawa  bahan  bakar  padat  masuk  ke dalam  sisi  samping  ruang  pembakaran, sementara  burner  terpasang  di  sisi  samping berdekatan dengan udara primer. Selanjutnya bahan bakar padat terbakar oleh burner.  Kelemahan  dari  sistem  pembakaran dengan  bahan  bakar  padat  adalah  memiliki densitas  kecil,  sehingga  tidak  semua terbakar  oleh  burner.  Sedangkan  bahan bakar  padat  memiliki  densitas  tidak  sama, densitas kecil akan terbang keluar dari ruang pembakaran,  dan  densitas  besar  akan  jatuh
membentuk  aglomerasi,  sehingga  terjadi pembakaran yang tidak sempurna.
Fitur  -  fitur  di  dalam fluidized  bed combustion (FBC)  menurut  Oka  [5]  adalah kontak  langsung  partikel  dengan  perubahan panas  dan  massa  secara  intensif,  suhu seragam di dalam Fluidized Bed Combustion ,  kapasitas  panas  yang  tinggi pada Fluidized  Bed  Combustion yang  mana fuel  terbakar  dengan  kualitas  rendah,  dan keefektifan pengaturan suhu bed oleh suplai bahan bakar, udara dan ekstraksi panas.
Dalam Fluidized-Bed  Combustion ,  Hossain [6]    menyebutkan  parameter  yang  paling penting  dalam  FBC  atau  packed  adalah kecepatan  dimana  fluida  melewati  bagian atas  penahan  bed  partikel.  Kedua  unggun dipasang  di  dalam vessel dengan porous base dimana  fluida  dimasukkan  ke  dalam bed,  yang  disebut  distributor.  Kemudian ditambah  gas  pembersih  dalam  sistem tersebut,  yaitu cyclone  separator .  Selain  itu juga  terdapat  fan  atau  kompresor  sebagai alat  untuk  fluidisasi.  Selanjutnya  komponen yang penting adalah fuel feeder . Secara garis besar Fluidized-Bed terdiri  atas combustor , alat  pengumpul  partikel,  alat  fluidisasi,  alat pengumpan bahan bakar.
1.2 CFD ( Computational Fluid Dynamic ) CFD  ( Computational  Fluid  Dynamics )  [7] adalah  teknik  numerik  untuk  penyelesaian persamaan  pengaturan  aliran  fluida  didalam aliran  fluida  tertentu.  Aliran  fluida  dapat digambarkan dengan menggunakan persamaan
Navier’s stoke . Menurut Versteeg  dan  Malalasekera  [8],  kode  CFD tersusun  atas  algoritma-algoritma  numerik yang  dapat  menyelesaikan  permasalahan aliran fluida. Suatu kode CFD [9] terdiri dari tiga  elemen  utama  yaitu pre-processor , solver ,  dan post-processor. Persamaan kontinuitas  untuk  suatu  fluida compresible pada  aliran steady  state dalam  notasi  dapat ditulis sebagai berikut :
∂ρ/∂t+div(ρu)=0 (1)
Untuk  aliran incompresible , nilai densitas ρ adalah konstan dan persamaan (1) menjadi
Div (u) = 0 (2)
Selanjutnya persamaan momentumnya adalah
∂(ρu i ) ∂t + ∂(ρu i u j ) ∂x j = − ∂p ∂x i + ∂ ∂x j [μ ( ∂u i ∂x j + ∂u j ∂x i − 2 3 ∂u k ∂x k δ ij )] + ρg i + F i 𝑖 (3)
dan  k-  ɛ  turbulent  model  terdiri  dari turbulent  kinetic  energy  dan  energy  rate  of dissipation
∂ ∂t (ρk) + ∂ ∂x i (ρku i ) = ∂ ∂x j [(μ + μ t σ k ) ∂ k ∂ xj ] + G k + G b − ρɛ − Y m + S k (4) ∂ ∂t (ρɛ) + ∂ ∂x i (ρɛu i ) = ∂ ∂x j [(μ + μ t σ ɛ ) ∂ ɛ ∂ xj ] + C 1ɛ ɛ k (G k + C 3ɛ G b ) − C 2ɛ ρ ɛ 2 k + S ɛ (5)
penyelesaian  bentuk  persamaan  energi menurut  Marshall  dan  Bakker  [10]  adalah sebagai berikut
∂(ρE) ∂t + ∂ ∂x i (u i (ρE + p)) = ∂ ∂x i [k eff ∂T ∂x i − ∑ h j′ J j ′ ,i j′ + u j (τ ij ) eff ] + S h (6)
Persamaan  turbulensi  yaitu  menggunakan standard k-ε model
𝜕 𝜕𝑡 (𝜌𝑘) + 𝜕 𝜕𝑥 𝑖 (𝜌𝑘𝑢 𝑖 ) = 𝜕 𝜕𝑥 𝑗 [(𝜇 + 𝜇 𝑡 𝜎 𝑘 ) 𝜕 𝑘 𝜕 𝑥𝑗 ] + 𝐺 𝑘 + 𝐺 𝑏 − 𝜌ɛ − 𝑌 𝑚 + 𝑆 𝑘 (7) 𝜕 𝜕𝑡 (𝜌ɛ) + 𝜕 𝜕𝑥 𝑖 (𝜌ɛ𝑢 𝑖 ) = 𝜕 𝜕𝑥 𝑗 [(𝜇 + 𝜇 𝑡 𝜎 ɛ ) 𝜕 ɛ 𝜕 𝑥𝑗 ] + 𝐶 1ɛ ɛ 𝑘 (𝐺 𝑘 + 𝐶 3ɛ 𝐺 𝑏 ) − 𝐶 2ɛ 𝜌 ɛ 2 𝑘 + 𝑆 ɛ (8)

## 1.3 Reaksi yang Terjadi
Di  dalam  simulasi  pembakaran  batubara terdapat dua reaksi, yaitu reaksi pembakaran dan reaksi devolatilisasi. Reaksi pembakaran tersebut  hanya  melibatkan  karbon  dan oksigen sehingga dengan asumsi pembakaran sempurna menghasilkan karbon dioksida. Menurut Alganash dkk. [11] reaksi pembakaran tersebut adalah reaksi eksoterm sehingga  reaksi  berlangsung  secara  cepat. Sehingga  reaksi  pembakaran  ini  jika dihubungkan  dengan  pendekatan  Euler- Euler,  laju  pembakaran  dari  arang  (char) diasumsikan  dibatasi  oleh  kinetika  kimia karena  dimana  satu-satunya  spesies  reaktif yang termasuk di dalam fase gas merupakan oksigen  (O 2 ).  Oleh  karena  itu  laju  reaksi  r a didefinisikan sebagai
r a = k a . 𝐶 𝑐(𝑠) . 𝐶 𝑂 2 (9)
sedangkan  k a adalah  konstanta  laju  reaksi yang  diperoleh  dari  persamaan  Arrhenius modifikasi
k a = A 𝑇 𝛽 exp( − 𝐸 𝑅𝑇 ) (10)
dimana  A  adalah  pre-exponensial,  T  adalah suhu,  β  adalah  suhu  eksponen,  E  adalah energi aktivasi, dan R adalah konstanta gas. Dalam  kasus  simulasi  pembakaran  ini, terdapat beberapa mekanisme reaksi heterogen.  Ketika  batubara  dibakar  oleh udara panas terdapat 4 langkah proses kimia untuk  menghasilkan  abu,  langkah  pertama adalah pengeringan, devolatilisasi, pembakaran  volatil,  dan  oksidasi  char. Batubara diinjeksi di dalam ruang pembakaran kemudian mengalami penguapan  kadar  moisture,  lalu  langkah selanjutnya  mengalami  devolatilisasi  dan pembakaran  volatil,  yaitu  perubahan  wujud coal-volatile yang berbentuk padat dari fase- 2  ke  dalam  bentuk  gas.  Kandungan  gas  di dalam  batubara  mengalami  volatilisasi kemudian  mengalami  reaksi  pembakaran terlebih  dahulu.  Pada  umumnya  gas  yang terkandung  di  dalamnya  adalah  senyawa
rantai
karbon, reaksi devolatilisasi berlangsung di  dalam suhu 800°C  -  1400°C dan  reaksi  yang  terjadi  adalah  sebagai berikut
Coal → volatile(α) + char (1-α)       (R1)
α adalah koefisien distribusi sedangkan reaksi pembakaran volatil adalah sebagai berikut
Volatle  matter  +  1.706O 2 →  1.543CO 2 + H 2 O
Menurut ANSYS Theory Guide [9],  nilai A sebesar  1.1E+05  dan  Ea  sebesar  8.86E+07 kJ/kmol.
Reaksi selanjutnya adalah reaksi pembakaran batubara, reaksi tersebut meliputi  reaksi  pembakaran  sempurna  yang menghasilkan  CO 2 dan  reaksi  gasifikasi yang  menghasilkan  CO  dimana  reaksi  yang terjadi sebagai berikut.
C (s) + O 2 → CO 2 (R2) C (s) + 0.5O 2 → CO (R3)
C
(s) + CO 2 → 2CO (R4)
C (s) + H 2 O → CO + H 2 (R5) CO + 0.5O 2 → CO 2
(R6)
H 2 + 0.5O 2 → H 2 O (R7)

## 2.  METODE PENELITIAN
Pada simulasi pembakaran batubara menggunakan software ANSYS ® 15 berlisensi, untuk pemodelan geometri digunakan Design Modeler ® dengan penentuan jumlah grid dan node menggunakan Meshing ® . Perhitungan iterasi simulasi  CFD  menggunakan  FLUENT ® . Selanjutnya  dimensi  yang  digunakan  adalah 2  dimensi  dengan  perpotongan  di  tengah kolom.
Gambar  1. Bentuk  geometri  dan meshing fluidized bed coal 2D
Selanjutnya  bahan  yang  digunakan  adalah batubara pulverized  coal dengan  dua  jenis diameter yaitu 0,001 m dan 0,00186 m yang diasumsikan sebagai mixture coal dan udara yang  diasumsikan  sebagai air yang  bersuhu 298  K  dengan  kandungan mixture  coal sebagai carbon-solid,  volatile  matter,  H 2 O sebagai moisture  content, dan abu/  ash. Sementara  kandungan  analisa  proximate pada  batubara  tersebut  adalah  sebagai berikut.
Tabel 1. Komposisi analisa proximate
Analisa Proximate Kandungan (% massa) Fixed Carbon 54,1 Volatile Matter 41,8 Moisture Content 2,6 Ash 1,5
Selain  batubara,  dalam  simulasi  ini  juga diinjeksikan air sebagai  udara,  dimana komposisi air terdiri  dari:  Oksigen  (O 2 ), Uap  air  (H 2 O l ),  Nitrogen  (N 2 ),  Karbon Dioksida  (CO 2 ),  Tar,  Karbon  Monoksida (CO).

## 2.1 Kondisi Batas
Kondisi  batas  ( boundary  condition )  pada simulasi ini digunakan untuk mendefinisikan bagian-bagian  dari  geometri  model  untuk pembacaan  pada  saat running di fluent . Kondisi batas yang digunakan pada simulasi ini adalah sebagai berikut.
Tabel 2. Kondisi Batas
Kondisi Batas Keterangan Inlet Tipe : velocity inlet Kecepatan : 0,8 m/s (arah sumbu-Y) Temperatur : 1200 K Inlet Coal Tipe : mass-flow inlet Laju alir : 0,2 Kg/s (arah sumbu-X) Temperatur : 300 K Outlet Tipe : pressure outlet Temperatur : 1144 K Wall Tipe : interior

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  yang  diperoleh  pertama  adalah semakin besar waktu simulasi maka pressure drop yang dihasilkan semakin naik, namun  pada  gambar  tersebut  diperoleh grafik  yang  fluktuatif  yaitu  meningkat  lalu menurun  pada  menit  keempat  dan  kelima.
Pada  awal  hingga  menit  pertama  simulasi massa  unggun  menurun  drastis  sehingga mengakibatkan  tekanan  di  dalam  kolom menurun,  kemudian  pada  saat  menit  kedua kolom  unggun  terisi  kembali  sehingga mengakibatkan  tekanan  di  dalam  kolom meningkat,  lalu  pada  menit  ketiga  hingga kelima  massa  unggun  tidak  mengalami kenaikan  dan  penurunan  secara  signifikan akan  tetapi  grafik  tekanan  di  dalam  unggun mengalami  penurunan,  hal  ini  diakibatkan ketidakstabilan antara laju alir batubara yang masuk dengan laju alir pembakaran batubara.
Sesuai  dengan  persamaan  Ergun  bahwa tekanan  di  dalam  kolom  dipengaruhi  oleh fraksi  volume  unggun,  ketika  fraksi  volume semakin besar maka tekanan yang dihasilkan  semakin  besar.  Pada  umumnya ketika  massa  unggun  tersebut  besar  maka fraksi  volume  juga  besar,  sebaliknya  pada saat  massa  unggun  menyusut  maka  fraksi volume  juga  mengecil.  Sehingga  ketika terjadi  penyusutan  massa  unggun  maka tekanan  yang  dihasilkan  oleh  partikel menjadi kecil.
Gambar  2. Grafik  pressure  drop  terhadap waktu simulasi fluidisasi pembakaran batubara polydisperse pada kecepatan superfisial 0,8 m/s.
Pada Gambar  3  (a) merupakan  kontur fraksi  volume  batubara  pada  kecepatan  0,8 m/s  dimana  tinggi  unggun  dari  menit pertama hingga kelima memiliki konsentrasi yang  hampir  sama.  Pada  menit  pertama  di dalam  kontur  terdapat  gelembung,  dimana ditandai  dengan  adanya  kontur  warna  biru
gelap  di  dalam  unggun.  Selanjutnya  pada menit kedua gelembung partikel menghilang, partikel yang memiliki konsentrasi yang tinggi seolah-olah mengalami  segregasi,  hal  ini  dikarenakan unggun  terdiri  atas  dua  ukuran  partikel batubara, sehingga partikel yang berdiameter  besar  berada  di  bagian  dasar kolom  sedangkan  partikel  berdiameter  kecil sedikit  terangkat.  Selanjutnya  pada  menit ketiga  masih  terlihat  mengalami  segregasi dan  menit  keempat  partikel-partikel  mulai bercampur.  Kemudian  pada  menit  kelima partikel-partikel  memisah  kembali  dan sebagian  terfluidisasi  bersama  partikel  yang berkonsentrasi rendah.
Kontur  fraksi  temperatur  fase  gas  pada Gambar 3 (b) menit pertama belum terlihat tinggi, temperatur kolom masih terlihat tidak rata di sepanjang kolom, namun pada bagian unggun  temperatur  sudah  terlihat  merata, selanjutnya  pada  bagian  inlet  samping temperatur  terlihat  masih  rendah  dibanding pada bagian lain karena pada menit pertama jumlah massa partikel lebih kecil dibandingkan  sebelumnya,  sehingga  pada saat  terjadi  reaksi  pembakaran  diasumsikan temperatur  terdistribusi  tidak  rata.  Pada menit  kedua  temperatur  mulai  meningkat dan merata pada bagian dasar kolom hingga tengah  kolom,  namun  pada  bagian  atas hingga  keluaran  terdapat  area  dimana temperatur sangat tinggi.
Pada menit ketiga sampai keempat temperatur  pada  bagian  unggun  masih konstan,  namun  pada  bagian  tengah  hingga keluaran  pada  kolom  menurun  dibanding menit kedua, hal ini diakibatkan karena pada menit  ketiga  terjadi  kestabilan  antara  laju alir  batubara  yang  masuk  dengan  batubara yang  bereaksi.  Sementara  sifat  api  yang dihasilkan  lebih  kecil  namun  memanjang hingga  ke  tengah  kolom,  temperatur  yang dihasilkan lebih menurun dibanding sebelumnya.
Selanjutnya  pada  menit  kelima  temperatur tidak merata disebabkan karena pada bagian masukan  dari  samping  laju  alir  udara sekunder sepuluh kali lebih besar dibanding
bagian  masukan  dari  bawah,  dengan temperatur 300 K tanpa mengalami pre- heat terlebih  dahulu  maka  terjadi  transfer  panas yang  mengakibatkan  temperatur  atas  kolom lebih  besar  dibanding  di  bawah.  Selain  itu dikarenakan  sifat  dari  batubara  adalah isolator,  sehingga  panas  yang  dihasilkan tidak  merata  pada  bagian  unggun  sampai atas unggun.
Selanjutnya  untuk  kontur  fraksi  massa  O 2 pada Gambar 3 (c) kandungan  O 2 semakin bertambah  kemudian  berkurang,  hal  ini terlihat  pada  menit  pertama  kontur  fraksi massa  O 2 hingga  menit  kelima.  Pada  menit pertama  fraksi  O 2 terlihat  membesar  pada bagian  samping,  udara  mengalir  dari  dua arah,  pertama  dari  inlet  bawah  mengalir keatas  kemudian  bereaksi  habis  dengan batubara,  sehingga  kontur  fraksi  mol  O 2 terlihat  sedikit  pada  gambar  tersebut.  Pada aliran yang kedua konsentrasi O 2 membesar karena  pada  menit  tersebut  massa  partikel unggun  mengalami  penurunan,  sehingga  O 2 terlihat  berlebih  pada  menit  pertama  dan tidak  melakukan  reaksi  pembakaran.  Pada menit kedua konsentrasi O 2 menurun, karena pada  menit  kedua  massa  unggun  di  dalam kolom mengalami kenaikan, sehingga konsentrasi O 2 di dalam kolom terlihat kecil dengan  asumsi  bahwa  O 2 di  dalam  kolom terkonsumsi  semua  oleh  reaksi  pembakaran batubara  tersebut.  Selain  itu  konsentrasi udara samping mengalami penurunan dikarenakan adanya reaksi terhadap senyawa CO  dan  CO 2 hasil  dari  reaksi  devolatilisasi. Selanjutnya  pada  menit  ketiga  laju  alir  O 2 konstan  hingga  menit  kelima,  dimana konsentrasi O 2 tidak mengalami penambahan  atau  perubahan  warna  kontur. Sehingga  diasumsikan  setelah  menit  kelima reaksinya  menjadi  konstan,  untuk  udara yang  keluar  dari  bawah  O 2 bereaksi  habis dengan  partikel  batubara,  sedangkan  udara samping  terlihat  sedikit  mengalami excess dan  kemungkinan  bereaksi  dengan  hasil senyawa volatile pada batubara yang masuk dari samping kolom.
Pada  bagian  dasar  kolom  seolah-olah  fraksi massa  O 2 tidak  terlihat  di  dalam  kontur,
dikarenakan  laju  alir  udara  sebesar  0,015 kg/s.  Karena  fraksi  massa  O 2 sebesar  0,79 sehingga  massa  O 2 yang  tersedia  sebesar 0,05  kg.  Sedangkan  massa  unggun  sebesar 34  kg,  sehingga  dalam  1  detik  reaksi pembakaran  char,  senyawa  O 2 habis  pada reaksi  pembentukan  CO.  Pada  reaksi  kedua pembentukan CO 2 kebutuhan O 2 mengalami defisit,  namun  karena  reaksi  berlangsung secara kontinyu maka reaksi kedua terbentuk  lebih  lama  dibanding  reaksi pembentukan  CO.  Sehingga  dapat  dilihat seolah-olah  tidak  ada  fraksi  massa  O 2 dari dasar kolom.
Sementara  pada  simulasi  ini  diperoleh produk  dari  reaksi  pembakaran  batubara, yaitu CO, CO 2 , dan H 2 O . Untuk fraksi massa CO 2 seperti pada Gambar 3 (d) pada menit pertama  sudah  terbentuk  senyawa  CO 2 dimana  ditandai  kontur  warna  merah  pada bagian  tengah  kolom,  untuk  dinding  kolom sebelah  kiri  tidak  terdapat  senyawa  CO 2 karena  daerah  tersebut  merupakan  berkas aliran  udara  dari  samping,  selanjutnya  pada menit  kedua  konsentrasi  tertinggi  bergerak menuju  bagian  keluaran  kolom,  kandungan CO 2 lebih banyak dibanding menit pertama, karena  unggun  terisi  kembali  dan  produk yang dihasilkan lebih besar dibanding menit pertama.  Berkas  aliran  udara  semakin tertutup  yang  artinya  senyawa  O 2 banyak bereaksi dengan char dan senyawa CO untuk menghasilkan  CO 2 .  Lalu  pada  menit  ketiga senyawa CO 2 keluar dari dalam kolom, pada menit  keempat  dan  kelima  CO 2 terbentuk kembali  dan  konsentrasi  meningkat  pada bagian keluaran kolom.
Pada menit pertama hingga kelima konsentrasi CO 2 pada bagian unggun sangat rendah terutama di bagian dasar kolom, atau dengan  kata  lain  daerah  unggun  sangat miskin  kandungan  CO 2 jika  dibanding dengan  bagian  atas  kolom.  Penyebab  dari berkurangnya  kandungan  CO 2 adalah  pada bagian  kolom  adalah  batubara  bereaksi dengan  udara  panas  sehingga  menghasilkan CO  dan  CO 2 kemudian  senyawa  CO bereaksi kembali dangan udara menghasilkan  CO 2 kemudian  senyawa
tersebut  mengalir  keatas  dan  keluar  dari kolom pembakaran. Sehingga dapat diasumsikan  reaksi  pembentukan  senyawa CO 2 terjadi  di  bagian  unggun  dan  sebagian produk  senyawa  CO  bereaksi  lagi  dengan udara  dan  sebagian  lagi  senyawa  CO  tidak bereaksi  lagi  dan  mengalir  ke  atas  menuju keluaran kolom.
Sedangkan  untuk  kontur  fraksi  massa  CO pada Gambar  3  (e) terlihat  pada  menit pertama,  konsentrasi  terbesar  terlihat  pada bagian  bawah  kolom,  kemudian  pada  menit kedua  konsentrasi  CO  semakin  meningkat hingga  pada  menit  ketiga  konsentrasi  CO konstan  sampai  pada  menit  kelima.  Jika dibandingkan dengan kontur fraksi mol CO 2 konsentrasi  CO  lebih  besar  dibanding konsentrasi  CO 2 ,  hal  ini  dikarenakan  pada bagian  unggun  terutama  bagian  dasar diasumsikan  batubara  telah  terbakar  tidak sempurna  dan  terjadi  reaksi  devolatilisasi yang  menghasilkan  CO  pada  menit  pertama dan  batubara  yang  baru  memasuki  kolom dari  inlet  samping  kemudian  terbakar  oleh udara  panas  dari  bawah,  selanjutnya  pada bagian  atas  unggun  konsentrasi  CO  lebih sedikit  dibanding  bagian  bawahnya,  dimana diasumsikan bahwa sebagian besar senyawa CO  telah  bereaksi  lagi  dengan  udara  panas dan  menghasilkan  CO 2 .  Sehingga  reaksi  ini merupakan  reaksi  pembakaran  sempurna, karena pada bagian keluaran kolom menghasilkan  senyawa  CO 2 lebih  banyak dibanding CO.
Hasil produk pembakaran selanjutnya adalah uap  air  (H 2 O),  kandungan  uap  air  di  dalam kolom seperti yang terlihat pada Gambar 3 (f) sangat tinggi pada menit pertama hingga kelima. Namun semakin  ke atas konsentrasi uap  air  semakin  berkurang,  pada  menit kedua  kandungan  uap  air  dalam  unggun berkurang,  karena  pada  menit  kedua  massa unggun  terlihat  sedikit  sehingga  produk yang  dihasilkan  juga  sedikit,  termasuk  uap air. Kemudian pada menit ketiga konsentrasi H 2 O  meningkat  pada  bagian  unggun  dan terlihat konstan hingga menit kelima.
Sementara untuk produk Tar, tar merupakan produk  samping  dari  hasil  pembakaran
batubara  yang  berwarna  hitam  kental dimana  terdapat  senyawa  kompleks  seperti rantai  panjang  hidrokarbon,  senyawa  fenol, heterosiklik,  dan  lain-lain.  Senyawa  tar terbentuk  dari  reaksi  kandungan  volatile matter  dengan  oksigen  atau  nitrogen,  pada umumnya senyawa tar diperoleh dari proses gasifikasi  atau  devolatilisasi.  pada Gambar 3  (g) kontur  fraksi  volumenya  sama  seperti uap  air,  konsentrasi  tertinggi  terletak  pada bagian  unggun.  Pada  menit  pertama  sudah terbentuk  Tar  dan  mengumpul  di  bagian unggun,  selanjutnya  pada  menit  kedua konsentrasinya berkurang karena pada menit pertama  hingga  kedua  terjadi  penurunan jumlah  massa  batubara  dalam  unggun. Kemudian  pada  menit  ketiga  hingga  kelima kuntur  fraksi  molnya  terlihat  konstan. Semakin banyak karbon yang terbakar maka semakin  banyak  pula  produk  CO,  CO 2 ,  dan H 2 O yang terbentuk. (a) (b)
(c) (d)
(e) (f)

## (g)
Gambar  3. Kontur  (a)  Fraksi  Volume Batubara,  (b)  Fraksi  Temperatur  Gas,  (c) Fraksi  massa  O 2 ,  (d)  Fraksi  Massa  CO 2 ,  (e) Fraksi Massa CO, (f) Fraksi Massa H 2 O, (g) Fraksi Massa Tar dalam 5 Menit Simulasi.

## 4. KESIMPULAN
Simulasi  pembakaran  batubara  dimana kecepatan  superfisial  0,8  m/s  dengan  waktu simulasi  selama  10  detik  dan  laju  alir batubara  dari  samping  kolom  adalah  0,2 kg/s. Massa unggun mula-mula sebesar 34,6 kg, setelah 5 menit massa unggun berkurang sebesar  34,25  kg.  Pada  menit  pertama volatile matter mulai bereaksi menghasilkan CO,  CO 2 ,  H 2 O,  dan  Tar  selanjutnya  diikuti char  batubara  sebagian  ada  yang  bereaksi menghasilkan  CO 2 dan  sebagian  terbawa keluar.
Temperatur  yang  terjadi  di  dalam  simulasi pembakaran  batubara  tidak  merata  pada bagian  atas  unggun  hingga  keluaran  kolom yaitu  dengan  ditandai  kontur  temperatur yang  tidak  seragam  yaitu  diatas  1200  K. Sedangkan  temperatur  pada  bagian  unggun mengalami  kenaikan  dari  300  K  menjadi 1300  K,  kontur  temperatur  juga  dapat menjelaskan  tentang  bentuk  api  dan  sifat yang  memanjang  dan  tidak  terdistribusi merata  di  seluruh  area  kolom,  hal  ini dikarenakan  adanya  udara  sekunder  yang masuk  dari  samping  sebesar  0,2  kg/s  dan bertemperatur 300 K.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  W. -C. Wang, Laboratory Investigation of  Drying  Process  of  Illinois  Coals, Powder Technology , vol. 225, hal. 72- 85, 2012.
[2]  E.  K.  Levy,  N.  Sarunac,  H.  Bilirgen, H. Caram, Use Coal Drying to Reduce Water  Consumed  in  Pulverized  Coal Power  Plants,  Final  Report,  Lehigh University, USA, 2006.
[3]    K.  W.  Ragland,  K.  M.  Bryden, Combustion Technology, 2nd ed., New York: Taylor and Francis Group, 2011.
[4]  M. Rozainee, S. P. Ngo, A. A. Salema, K.  G.  Tan,  Computational  Fluid Dynamics  Modeling  of  Rice  Husk Combustion  in  a  Fluidised  Bed Combustor, Powder  Technology ,  vol. 203, no. 2, hal. 331-347, 2010.
[5]   S. N. Oka, Fluidized Bed Combustion, New York: Marcel Dekker Inc., 2003.
[6]  A.  N.  Hossain,  Combustion  of  Solid Fuel  in  a  Fluidized  Bed  Combustor, Master  Thesis,  Ohio  University,  USA, 1998.
[7]  ANSYS Inc., Tutorial Guide for Ansys Fluent 15.0; Modelling Heterogeneous Reactions with Eulerian-Granular Flow, 2010.
[8]  H.  K.  Versteeg,  W.  Malalasekera,  An Introduction  to  Computational  Fluid Dynamics: The Finite Volume Method, 2nd ed., New Jersey: Prentice Hall, 2007.
[9]  ANSYS  Inc., Theory  Guide for  Ansys Fluent 14.5, 2011.
[10]  E. M. Marshall, A. Bakker, Computational Fluid  Mixing,  in: Handbook of Industrial Mixing: Science and Practice, New York: John Wiley and Sons, Inc., 2003.
[11]  B. Alganash, M. C. Paul, I. A.Watson, Numerical Investigation of the Heterogeneous  Combustion  Processes of  Solid  Fuels , Fuel ,  vol.  141,  hal. 236-249 2015.