Analisis komputasi perbandingan temperatur pembakaran boiler menggunakan udara pembakaran konvensional dan pembakaran oxy-fuel
Ihsan Budiman 1 , Reza Setiawan 2 , Najmudin Fauji 2
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang
2 Staf Pengajar, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang Jl. H. S. Ronggowaluyo, Telukjambe Timur, Karawang 41361 Email korespondensi: reza.setiawan@staff.unsika.ac.id

## Abstrak
Pembakaran bahan bakar fosil merupakan penyebab emisi Karbon Dioksida (CO 2 ) terbesar di dunia saat ini. Emisi CO 2 sendiri menyebabkan efek rumah kaca dan pemanasan global. 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 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. 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  1917ᵒC  sementara  pada  pembakaran  oxy-fuel  temperatur  yang  dihasilkan sebesar 1857ᵒC. 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 sebesar 7,8ᵒC pada dinding furnace bagian kiri, 7,7ᵒC pada dinding bagian bawah, 6,6ᵒC pada dinding bagian atas dan 6,2ᵒC pada dinding bagian belakang.
Kata kunci : boiler, computational fluid dynamics, gas alam, oxy-fuel.

## Abstract
The burning of fossil fuels is the cause of the largest carbon dioxide (CO 2 ) emissions in the world today. CO 2 emissions may cause the greenhouse effect and global countermeasures. Boilers are steam generators that use fossil fuels such as coal and natural gas in their environment. The boiler itself is 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 (N 2 ) gas in ordinary air reaches 79% which dissolves CO 2 gas in the exhaust gas, so that the CO 2 gas is carried into the atmosphere. Several technologies that aim to reduce CO 2 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  1917ᵒC  originating  from  the  combustion  system,  the  resulting  temperature  is 1857ᵒC. 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 temperature of 7.8ᵒC on the left side of the furnace wall, 7.7ᵒC on the bottom wall, 6.6ᵒC on the top wall and 6.2ᵒC on the back wall.
Keywords: boiler, computational fluid dynamics, natural gas, oxy-fuel.

## 1. Pendahuluan
Pembakaran  bahan  bakar  fosil  merupakan  penyebab emisi karbondioksida (CO 2 ) terbesar di dunia saat ini. Emisi CO 2 sendiri adalah penyebab utama efek rumah kaca  dan  pemanasan  global.  Menurut  Badan  Energi Internasional,  dari  seluruh  kebutuhan  energi  dunia, 80%  menggunakan  bahan  bakar  fosil,  yang  mana penyebab  emisi  CO 2 40%  berasal  dari  pembangkit listrik yang 30% nya menggunakan bahan bakar fosil Error! Reference source not found. .
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 Error!  Reference  source not found. . 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 Error! Reference  source  not  found. .  Maka  dari  itu, dicetuskanlah  beberapa  teknologi  guna  menangkap CO 2 pada  industri  utilitas.  Beberapa  diantaranya adalah pre-combustion,  post-combustion, dan oxy- fuel  combustion Error!  Reference  source  not found. .
Oxy-fuel  combustion adalah  teknologi  yang  muncul dalam sistem pembangkit daya, di mana 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 Error! Reference source not found. .
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 di mana 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 Error! Reference source not found. .
Kajian  ini  bertujuan  untuk  menganalisa  dan membandingkan perbedaan temperatur pada dinding boiler antara  pembakaran  menggunakan  udara konvensional dengan pembakaran oxy-fuel

## 2. Metode
Objek  dari  kajian  ini  adalah  sebuah package boiler kapasitas  100  ton/jam  yang  menggunakan  bahan bakar  gas  alam,  dan  diolah  menggunakan software ANSYS Fluent R17.0.

## Pembuatan Geometri
Proses  pembuatan  geometri boiler menggunakan software Design  Modeler  yang  terdapat  pada Workbench ANSYS. Spesifikasi desain dari packaged boiler 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 boiler untuk simulasi CFD.
Gambar  1  menunjukkan  hasil  pembuatan  geometri boiler  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 di dalam 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. Desain 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 efektivitas  waktu  perhitungan  dan  akurasi  hasil
perhitungan.  Pada  tahap  ini  juga  ditentukan inlet, wall, dan outlet pada objek simulasi.
Gambar 3. Meshing boiler.
Gambar 4. Meshing burner.

## 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)

## 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 1917ᵒC, sementara pembakaran oxy-fuel menghasilkan  temperatur  lebih rendah yaitu sebesar 1857ᵒC. Distribusi temperaturnya ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 5. Kontur distribusi temperatur pembakaran konvensional.
Gambar 6. Kontur distribusi temperatur pembakaran oxy- fuel.
Dari  gambar  kontur  di  atas,  perbedaan  distribusi temperatur pembakaran konvensional dan pembakaran oxy-fuel terdapat  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 7. Grafik perbandingan temperatur dinding furnace bagian kiri.
Berdasarkan grafik yang ditunjukkan pada Gambar 7, temperatur  dinding furnace bagian  kiri  pada pembakaran oxy-fuel memiliki  grafik  yang  lebih tinggi  dibandingkan  pembakaran  konvensional. Temperatur  dinding  rata-rata  yang  dihasilkan pembakaran oxy-fuel sebesar  1384ᵒC,  sementara temperatur  dinding  bagian  kiri  rata-rata  pada pembakaran konvensional sebesar 1376,2ᵒC.
Gambar 8. Grafik perbandingan temperatur dinding furnace bagian bawah.
Pada  dinding furnace bagian  bawah,  temperatur dinding  rata-rata  pada  pembakaran oxy- fuel  sebesar 1381,8ᵒC,  sementara  temperatur  dinding  rata-rata pada pembakaran konvensional sebesar 1374,1ᵒC.
Gambar 9. Grafik perbandingan temperatur dinding furnace bagian atas.
Sementara  pada  dinding  bagian  atas,  temperatur dinding  rata-rata  pada  pembakaran oxy-fuel sebesar
1396,2ᵒC
dan pembakaran konvensional menghasilkan temperatur sebesar 1389,6ᵒC.
Gambar 10. Grafik perbandingan temperatur dinding furnace bagian belakang.
Dan  pada  dinding furnace bagian  belakang, temperatur dinding pada pembakaran oxy-fuel sebesar
1442,4 ᵒC dan pembakaran konvensional menghasilkan temperatur rata-rata sebesar 1436,2 ᵒC.
Berdasarkan grafik yang ditunjukkan dari Gambar di atas. Dapat dilihat keunggulan dari pembakaran oxy- fuel dibandingkan  pembakaran  konvensional.  Di mana  terjadi  penambahan  temperatur  pada  masing- masing dinding furnace .

## 4. 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 1917ᵒC  sementara  pada  pembakaran oxy-fuel temperatur maksimum yang dicapai sebesar 1857ᵒC. 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  dibuat  pada masing-masing dinding furnace , pembakaran oxy-fuel menghasilkan penambahan temperatur sebesar    7,8ᵒC pada dinding furnace bagian kiri, 7,7ᵒC pada dinding bagian  bawah,  6,6ᵒC  pada  dinding  bagian  atas  dan 6,2ᵒC pada dinding bagian belakang .

## Daftar Pustaka
[1] G  International  Energy  Agency.  (2016). Decoupling  of  global  emissions  and  economic growth confirmed. IEA Press Release, March.
[2] El-Wakil,  M.  M.  (1985).  Power  Plant Technology.  In  McGraw-Hill  Electrical  and Mechanical Engineering series.
[3] 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
[4] 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
[5] 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