12
1 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18 1. PENDAHULUAN Pembakaran batubara dengan teknologi oxy-fuel telah dikenal sebagai salah satu teknologi pembakaran batubara yang bersih dan ramah lingkungan dengan emisi CO 2 nol. (Wall,T,dkk., 2009). Pembakaran oxy-fuel adalah pembakaran yang menggunakan medium gas O 2 dan CO 2 . Pada PLTU batubara, gas O 2 diambil dari udara ambien kemudian dipisahkan dengan gas N 2 menggunakan Air Separation Unit. Gas CO 2 KARAKTERISASI PEMBAKARAN BATUBARA HALUS DALAM LINGKUNGAN UDARA DAN OXY-FUEL Cahyadi, Dwika Budianto, Adi Surjosatyo, Yulianto S.Nugroho Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Depok 16424. Email: [email protected] Abstract One of promising technology with zero CO 2 emission at pulverized coal fired power plant is oxy-fuel combustion technology. In oxy-fuel combustion technology, the coal is burned in a mixture of pure oxygen and recycled flue gas with high content of CO2 gas. Burning the coal in oxy-fuel combustion with O 2 and CO 2 environment will affect the combustion performance compare with air (O 2 /N 2 ) environment. Based on previous researches indicated that oxygen concentration is required to be increased, so that the combustion behavior similar as in air environment. This paper discusses the characteristics of coal ignition and combustion in oxy-fuel combustion applying Drop Tube Furnace (DTF). Three different Indonesian coal ranks of lignite, sub-bituminous and bituminous have been used as coal samples. Coal combustion test in DTF has been supplied with compressed air for air environment and mixing gas cylinder of 21%O 2 /CO 2 for oxy-fuel environment. Experimental results indicated that the ignition time delay occurs in oxy-fuel combustion for all coal samples. Char combustion rate in oxy-fuel environment take longer time compared with in air environment. The different in physical gas properties influence on coal ignition and combustion characteristics. Keywords: pulverized coal, coal ignition, coal combustion, oxy-fuel combustion Abstrak Salah satu teknologi dengan emisi CO 2 nol pada pembangkit listrik tenaga uap dengan batubara halus adalah teknologi pembakaran oxy-fuel. Didalam teknologi pembakaran oxy-fuel, batubara dibakar dalam campuran oksigen murni dan resirkulasi gas buang dengan kandungan gas CO 2 yang tinggi. Pembakaran batubara didalam lingkungan O 2 dan CO 2 akan mempengaruhi kinerja pembakaran dibandingkan dengan lingkungan udara (O 2 /N 2 ). Berdasarkan beberapa penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa konsentrasi oksigen perlu dinaikkan sehingga kinerja pembakarannya sama dengan dilingkungan udara. Pada makalah ini dibahas tentang karakteristik penyalaan batubara dan pembakaran batubara didalam lingkungan oxy-fuel menggunakan Drop Tube Furnace (DTF). Tiga jenis batubara Indonesia dengan peringkat lignit, sub-bituminus dan bituminus telah digunakan sebagai sampel batubara. Pengujian pembakaran batubara didalam DTF telah disuplai dengan udara tekan untuk lingkungan udara dan campuran gas 21%O 2 /79CO 2 untuk lingkungan oxy-fuel. Hasil pengujian menunjukkan bahwa pelambatan penyalaan batubara terjadi dalam pembakaran oxy-fuel pada ketiga sampel tersebut. Laju pembakaran char didalam lingkungan oxy-fuel mengambil waktu lebih lama dibandingkan dalam lingkungan udara. Perbedaan dalam sifat fisik gas mempengaruhi penyalaan batubara dan karakteristik pembakaran. Kata kunci: batubara halus, penyalaan batubara, pembakaran batubara, pembakaran oxy-fuel

Jurnal Teknologi Oxy- Fuel

  • Upload
    ymd14

  • View
    264

  • Download
    10

Embed Size (px)

DESCRIPTION

MATERI TENTANG GAS

Citation preview

  • 1 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18

    1. PENDAHULUAN Pembakaran batubara dengan teknologi oxy-fuel telah dikenal sebagai salah satu teknologi pembakaran batubara yang bersih dan ramah lingkungan dengan emisi CO2 nol.

    (Wall,T,dkk., 2009). Pembakaran oxy-fuel adalah pembakaran yang menggunakan medium gas O2 dan CO2. Pada PLTU batubara, gas O2 diambil dari udara ambien kemudian dipisahkan dengan gas N2 menggunakan Air Separation Unit. Gas CO2

    KARAKTERISASI PEMBAKARAN BATUBARA HALUS DALAM LINGKUNGAN UDARA

    DAN OXY-FUEL

    Cahyadi, Dwika Budianto, Adi Surjosatyo, Yulianto S.Nugroho

    Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Depok 16424.

    Email: [email protected]

    Abstract One of promising technology with zero CO2 emission at pulverized coal fired power plant is oxy-fuel combustion technology. In oxy-fuel combustion technology, the coal is burned in a mixture of pure oxygen and recycled flue gas with high content of CO2 gas. Burning the coal in oxy-fuel combustion with O2 and CO2 environment will affect the combustion performance compare with air (O2/N2) environment. Based on previous researches indicated that oxygen concentration is required to be increased, so that the combustion behavior similar as in air environment. This paper discusses the characteristics of coal ignition and combustion in oxy-fuel combustion applying Drop Tube Furnace (DTF). Three different Indonesian coal ranks of lignite, sub-bituminous and bituminous have been used as coal samples. Coal combustion test in DTF has been supplied with compressed air for air environment and mixing gas cylinder of 21%O2/CO2 for oxy-fuel environment. Experimental results indicated that the ignition time delay occurs in oxy-fuel combustion for all coal samples. Char combustion rate in oxy-fuel environment take longer time compared with in air environment. The different in physical gas properties influence on coal ignition and combustion characteristics. Keywords: pulverized coal, coal ignition, coal combustion, oxy-fuel combustion Abstrak Salah satu teknologi dengan emisi CO2 nol pada pembangkit listrik tenaga uap dengan batubara halus adalah teknologi pembakaran oxy-fuel. Didalam teknologi pembakaran oxy-fuel, batubara dibakar dalam campuran oksigen murni dan resirkulasi gas buang dengan kandungan gas CO2 yang tinggi. Pembakaran batubara didalam lingkungan O2 dan CO2 akan mempengaruhi kinerja pembakaran dibandingkan dengan lingkungan udara (O2/N2). Berdasarkan beberapa penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa konsentrasi oksigen perlu dinaikkan sehingga kinerja pembakarannya sama dengan dilingkungan udara. Pada makalah ini dibahas tentang karakteristik penyalaan batubara dan pembakaran batubara didalam lingkungan oxy-fuel menggunakan Drop Tube Furnace (DTF). Tiga jenis batubara Indonesia dengan peringkat lignit, sub-bituminus dan bituminus telah digunakan sebagai sampel batubara. Pengujian pembakaran batubara didalam DTF telah disuplai dengan udara tekan untuk lingkungan udara dan campuran gas 21%O2/79CO2 untuk lingkungan oxy-fuel. Hasil pengujian menunjukkan bahwa pelambatan penyalaan batubara terjadi dalam pembakaran oxy-fuel pada ketiga sampel tersebut. Laju pembakaran char didalam lingkungan oxy-fuel mengambil waktu lebih lama dibandingkan dalam lingkungan udara. Perbedaan dalam sifat fisik gas mempengaruhi penyalaan batubara dan karakteristik pembakaran. Kata kunci: batubara halus, penyalaan batubara, pembakaran batubara, pembakaran oxy-fuel

  • 2 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18

    diambil dari resirkulasi sebagian gas buang (lihat gambar 1). Dengan pembakaran oxy-fuel ini diharapkan emisi gas buang didominasi gas CO2 sehingga memudahkan dalam proses penangkapan gas CO2.

    Gambar 1. PLTU batubara dengan teknologi oxy-fuel dengan emisi CO2 nol. Pada studi pendahuluan yang telah dilakukan sebelumnya (Buhre, B.dkk, 2005), (Wall,T., dkk., 2009), (Kiga, T.,dkk, 1997), (Toftegaard, M.B., dkk, 2010), Khatami, R., dkk, 2012) dan (Wang G, dkk, 2014) telah didapatkan beberapa pengertian tentang pembakaran batubara dalam kondisi oxy-fuel. Kecendrungan adanya pelambatan (delay) pada penyalaan partikel batubara pada kondisi oxy-fuel telah diketahui apabila dibandingkan dengan pembakaran dalam kondisi udara. Pengaruh penukar panas telah dievaluasi dan pelambatan penyalaan dan pembakaran disebabkan subtitusi gas CO2 terhadap gas N2 yang memiliki perbedaan dari kapasitas panas dan difusi. Pada studi yang dilakukan oleh Khatami, R.,2012) menunjukkan karakteristik penyalaan partikel tunggal batubara dalam kondisi O2/N2 dan O2/CO2 didalam DTF pada temperatur 1000

    oC.

    Hasilnya menunjukkan bahwa batubara peringkat tinggi menyala secara homogenus dalam lingkungan O2/N2 dan semua jenis batubara menyala secara heterogenus dalam lingkungan O2/CO2. Lingkungan oxy-fuel sangat berbeda dengan lingkungan udara. Pada pembakaran dalam lingkungan oxy-fuel, gas CO2 menggantikan gas N2 dan konsentrasi oksigen dapat diatur dengan mengubah rasio resirkulasi gas buang. Gambar 2 a menunjukkan densitas, panas spesifik pada volume konstan,dan konduktivitas panas gas CO2 terhadap gas N2. Perbedaan sifat fisik antara gas CO2 dan N2 adalah menjadi penyebab utama dalam

    (a) sifat gas CO2 dan N2

    (b) sifat gas lingkungan udara dan oxy-fuel Gambar 2. Perbandingan rasio perbedaan

    sifat fisik pada temperatur 800oC,

    1 atm. (Wang C. Et.al. 2012) perbedaan karakteristik pembakaran dalam lingkungan udara dan oxy-fuel. Gambar 2(b) merupakan perbedaan sifat fisik lingkungan udara dan oxy-fuel. Perbedaan sifat panas spesifik dan difusi panas menjadi penyebab perubahan proses perpindahan panas gas. Proses transportasi gas O2 ke permukaan partikel batubara akan mengubah difusi oksigen ke gas disekitar partikel. Berdasarkan perhitungan menunjukkan bahwa perbedaan densitas, panas spesifik dan difusi oksigen akan berkurang dari konsentrasi oksigen pembakaran oxy-fuel dengan naiknya konsentrasi O2 dari 21% hingga 50%. Perbedaan konduktifitas panas meningkat dengan bertambahnya konsentrasi oksigen. Viskositas gas pada konsentrasi oksigen 30% lingkungan oxy-fuel akan sama dengan lingkungan udara. Pada penelitian ini menggunakan tiga jenis batubara Indonesia yaitu: lignit, sub-bituminus dan bituminus. Ukuran batubara yang digunakan adalah 74-149 um sesuai dengan ukuran yang biasa digunakan PLTU batubara halus. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan investigasi karakteristik penyalaan

  • 3 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18

    dan pembakaran batubara Indonesia menggunakan udara (21%O2 dan 79%N2) dan juga campuran gas 21%O2 dan 79%CO2 yang disebut dalam lingkungan oxy-fuel. Pengujian pembakaran batubara ini menggunakan DTF dengan karakteristik yang sama dengan penelitian lainnya. Karakteristik penyalaan dan pembakaran batubara Indonesia perlu dikonfirmasi apakah sama dengan batubara lainnya. Hasil pengujian ini diharapkan bermanfaat untuk aplikasi teknologi oxy-fuel di PLTU batubara yang menggunakan batubara Indonesia. 2. BAHAN DAN METODE 2.1 Batubara Tabel 1 menunjukkan karakteristik batubara sampel dengan 3 jenis batubara Indonesia yaitu: lignit, sub-bituminus dan bituminus. Analisa proksimat, ultimat dan nilai kalor ditentukan mengikuti standar prosedur analisa ASTM-D-3172, ASTM D-3174, ASTM D-3176 dan ASTM D-5865. Batubara sampel dipersiapkan dalam ukuran 74-149 um menggunakan ayakan mesh. Tabel 1. Analisa kimia batubara

    Jenis Analisa Jenis Batubara

    Analisis Proksimat

    Lignit Sub-bituminus

    Bituminus

    MC (%, adb) 37.01 20.76 11.82

    Ash (%,adb) 2.67 2.13 5.80

    VM (%,adb) 31.30 43.07 38.29

    FC (%adb) 29.02 34.04 44.10

    Analisi Ultimat

    MC (%, adb) 37.01 20.76 11.82

    Ash (%, adb) 2.67 2.13 5.8

    C (%, adb) 42.63 53.17 61.18

    H (%, adb) 2.9 4.03 4.41

    N (%, adb) 0.39 1.24 1.07

    S (%, adb) 0.67 0.12 0.81

    O (%, adb) 13.73 18.55 14.91

    Nilai kalor (kcal/kg, adb)

    3917 5224 6236

    2.2 Drop Tube Furnace Drop Tube Furnace (DTF) sudah banyak digunakan dalam penelitian pembakaran batubara. DTF mempunyai diameter dalam 7

    cm dan panjang pipa keramik 120 cm. Pipa keramik ini dipanaskan oleh pemanas listrik yang target temperaturnya dapat dikontrol melalui panel. DTF dilengkapi dengan sistem pengumpan batubara yang menggunakan screw feeder. Putaran motor screw feeder dapat diatur dengan mengatur frekuensi suplai listrik ke motor. Kalibrasi umpan batubara halus dilakukan sebelum pengujian. Udara primer dan sekunder dipanaskan menggunakan pemanas listrik hingga temperatur 180

    oC. Drop Tube Furnace

    dipanaskan hingga mencapai temperatur 1000 oC dengan mengatur unit kontrol DTF.

    Gambar 3 menunjukkan test rig DTF dan gambar 4 menunjukkan diagram skema pengujian menggunakan DTF.

    Gambar 3.Test rig Drop Tube Furnace

    Gambar 4 Diagram skema pengujian dengan

    Drop Tube Furnace

  • 4 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18

    2.3 Gas analyzer Gas analyser digunakan untuk mendeteksi gas buang (O2, CO, CO2, NOx, SO2) menggunakan sensor elektrokimia. Kisaran pengukuran gas analyser berbeda antara gas satu dengan lainnya seperti ditunjukkan tabel 2. Kalibrasi gas analyser menggunakan tabung gas standar dilakukan sebelum pengujian. 2.4 Sistem Pemantauan Temperatur Temperatur gas diukur menggunakan thermocouple tipe K, Omega, 1370

    oC, dengan

    ketidakpastian pengukuran +/-1%. Temperatur tungku listrik menggunakan termokopel tipe R hingga 1550

    oC yang digunakan untuk

    mengontrol temperatur tungku. Kontrol temperatur DTF memiliki 3 unit kontroller yang mengontrol masing-masing 3 zona. Tabel 2. Spesifikasi peralatan gas analyser

    2.5 Metode Penelitian Batubara halus yang telah dipersiapkan diumpankan menggunakan screw feeder dengan laju 0.045 kg/jam. Udara primer dan sekunder dipanaskan hingga 180

    oC. Laju alir

    udara primer dan sekunder adalah masing-masing 3 lpm dan 4 lpm. Sampling gas dan temperatur dilakukan menggunakan sampling probe yang dimasukkan melalui bagian bawah tungku DTF. Skema pengujian dapat dilihat pada gambar 4. Tabel 1. Kondisi operasi pembakaran

    21%O2/79%N2 Kondisi operasi

    Reaktan Laju alir Temp (C)

    O2 (%vol.)

    N2 (% vol.)

    Kondisi pembakaran

    udara

    Batubara 0.045 kg/jam

    30 - -

    Udara primer

    3 lpm 180 21 79

    Udara sekunder

    4 lpm 180 21 79

    Tabel 2. Kondisi operasi pembakaran 21%O2/79%CO2

    Kondisi operasi

    Reaktan Laju alir Temp (C)

    O2 (%vol.)

    CO2 (% vol.)

    Kondisi pembakaran

    oxy-fuel

    Batubara 0.045 kg/jam

    30 - -

    Udara primer

    3 lpm 180 21 79

    Udara sekunder

    4 lpm 180 21 79

    3. HASIL DAN DISKUSI 3.1 Hasil Pengujian Drop Tube Furnace Hasil pengujian pembakaran batubara menggunakan DTF dalam lingkungan udara dan oxy-fuel ditunjukkan dalam gambar 5, 6, dan 7 untuk masing-masing jenis batubara lignit, sub-bituminus dan bituminus. Pada gambar tersebut ditunjukkan profil temperatur gas dan gas CO ( karbon monoksida). Pada lingkungan oxy-fuel, menunjukkan bahwa

    Gambar 5. Profil temperatur dan gas CO

    pembakaran batubara lignit dalam lingkungan udara dan oxy-fuel

    500

    600

    700

    800

    900

    1000

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

    Jarak dari burner tip (m)

    Gas

    Te

    mp

    (o

    C)

    74-149um udara

    74-149um oxyfuel

    0

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    3

    3.5

    4

    4.5

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4Jarak dari burner tip (m)

    gas

    CO

    %

    74-149um udara

    74-149um oxyfuel

    Jenis gas

    /Temp

    Kisaran Akurasi Sensitivitas

    O2

    CO

    CO2

    SO2

    NO

    Temp

    0-20,9%

    0-8000 ppm

    0-25 %*

    0-4000 ppm

    0-4000 ppm

    0-2200 F

    + 2.0 %

    + 2.0 %

    + 2.0 %

    + 2.0 %

    + 2.0 %

    + 2.0 %

    0.1%

    1.0 ppm

    1.0 ppm

    1.0 ppm

    1.0 ppm

    1.8 F

  • 5 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18

    konsentrasi gas CO lebih tinggi dibandingkan dalam lingkungan udara. Hal ini juga ditunjukkan oleh penelitian lain yang dilakukan oleh Wang G. et al (2014) menggunakan DTF dengan batubara bituminus. Konsentrasi gas CO pada kondisi oxy-fuel juga ditunjukkan dari hasil penelitian skala laboratorium dengan TGA-FTIR. Selcuk (2011), menggunakan batubara lignit dan Cahyadi et.al. (2012) menggunakan sampel batubara yang sama dengan penelitian ini. Reaksi gasifikasi CO2 dengan char batubara pada temperatur gas diatas 600

    oC juga turut menaikkan

    konsentrasi gas CO. Secara umum, temperatur maksimum gas pembakaran dalam lingkungan udara lebih

    tinggi dari lingkungan oxy-fuel. Selain sifat fisik gas yang berbeda, reaksi gasifikasi CO2 dengan char batubara yang merupakan reaksi endothermik turut dalam kontribusi menurunkan temperatur pembakaran dalam lingkungan oxy-fuel. Berdasarkan profil temperatur dan gas CO, batubara lignit, sub-bituminus dan bituminus menunjukkan penyalaan homogenus pada kondisi udara, sedangkan pada kondisi oxy-fuel menunjukkan penyalaan secara heterogenus. Hal ini sesuai dengan penelitian sebelumnya (Khatami, R.,dkk, 2012) yang menggunakan batubara bituminus US dan lignit US. Howard & Essenhigh (1967) mendifinisikan ukuran diameter kritis partikel, dc, dimana

    Gambar 6. Profil temperatur dan gas CO pembakaran batubara sub-bituminus dalam lingkungan udara dan oxy-fuel

    500

    600

    700

    800

    900

    1000

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

    Jarak dari burner tip (m)

    Gas

    Te

    mp

    (o

    C)

    74-149um udara

    74-149um oxyfuel

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4Jarak dari burner tip (m)

    gas

    CO

    %

    74-149um udara

    74-149um oxyfuel

    Gambar 7. Profil temperatur dan gas CO pembakaran batubara bituminus dalam lingkungan udara dan oxy-fuel

    500

    600

    700

    800

    900

    1000

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

    Jarak dari burner tip (m)

    Gas

    Te

    mp

    (o

    C)

    74-149um udara

    74-149um oxyfuel

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4Jarak dari burner tip (m)

    gas

    CO

    %

    74-149um udara

    74-149um oxyfuel

  • 6 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18

    apabila ukuran partikel lebih kecil daripada diameter kritis (d

  • 7 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18

    homogenus dengan mekanisme reaksi GRI (Gas Research Institute) versi 3.0 (Ianni J, 2014) dan pemodelan devolatalisasi batubara menggunakan pendekatan Loison and Chauvin, (Santos, M, 2005). Gambar 9, 10 dan 11 menunjukkan hasil simulasi kinetik pada masing-masing batubara lignit, sub-bituminus dan bituminus. Pada gambar tersebut dapat dilihat adanya pelambatan waktu penyalaan 2,5 ms pada batubara lignit, 2,4 ms pada batubara sub-bituminus dan 2,3 ms pada batubara bituminus. Pelambatan ini sesuai dengan perhitungan hasil pengujian pada ketiga sampel batubara. Pelambatan penyalaan dapat dijelaskan secara teoritis melalui pendekatan Law (Law,

    C.K,2006). Pelambatan penyalaan dapat dipengaruhi oleh sifat termal gas reaktan, yaitu:

    (2)

    Persamaan (2) mengindikasikan bahwa pelambatan penyalaan homogenus bergantung pada kapasitas panas molar gas campuran, Cv, reaksi pelepasan panas qc, reaktivitas batubara dan juga kondisi operasi ( temperatur awal To dan fraksi massa awal batubara YFO).

    a. lingkungan udara

    b. lingkungan oxy-fuel

    Gambar 9 Hasil simulasi reaksi kinetik devolatalisasi

    dan penyalaan batubara sub-bituminus dalam lingkungan udara dan oxy-fuel

    a. lingkungan udara

    b. lingkungan oxy-fuel

    Gambar 10. Hasil simulasi reaksi kinetik

    devolatalisasi dan penyalaan batubara bituminus dalam lingkungan udara dan oxy-fuel

  • 8 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18

    Dalam penelitian ini, temperatur DTF dan laju umpan batubara telah dijaga sama untuk pembakaran ketiga sampel batubara. Pelambatan penyalaan pada penelitian ini disebabkan adanya perbedaan kapasitas panas molar gas lingkungan udara dan oxy-fuel. Pada gambar 2(b) ditunjukan perbedaan nilai Cv adalah 1,18. Hasil penelitian ini sesuai dengan penelitian (Khatami, R., dkk, 2012) yang menggunakan DTF dan melakukan pengamatan dengan kamera berkecepatan tinggi untuk melihat fenomena penyalaan partikel tunggal batubara secara visual. (Shadix dan Molina, 2009) juga menunjukkan adanya pelambatan penyalaan yang diamati menggunakan DTF dan CCD camera menunjukkan pelambatan semakin berkurang dengan bertambahnya konsentrasi oksigen.

    Pelambatan ini juga dapat dideteksi dengan peralatan TG-DTA (Thermogravimetrik-Differential Thermal Analysis) dengan sampel batubara yang sama yang dijelaskan pada makalah lain (Cahyadi, dkk. , 2012 dan 2013). 3.3 Analisis Pembakaran Char

    Partikel char didefinisikan sebagai bola partikel homogenus yang memiliki lapisan gas dipermukaannya dan proses pembakaran terjadi dalam kondisi quasi-steady dalam lingkungan gas yang stagnan yaitu O2/N2 atau O2/CO2. Difusi oksigen terjadi pada partikel char melalui pencampuran gas dengan N2 pada lingkungan udara dan CO2 pada lingkungan oxy-fuel, untuk bereaksi menghasilkan gas CO dan CO2. Pengamatan gas CO pada penelitian ini berdasarkan pertimbangan bahwa rasio CO2/CO pada pembakaran char adalah kurang dari 0.1 pada temperatur pembakaran normal (Tognotti, dkk, 1991). Pada penelitian ini menggunakan model pembakaran char untuk melihat pengaruh perpindahan massa dalam lingkungan udara dan oxy-fuel. Studi pada karbon menggunakan Single Film Model (SFM) dan Double Film Model (DFM) telah diusulkan untuk menjelaskan perpindahan panas dan massa didalam lapisan permukaan disekitar partikel char. Adapun reaksi kesetimbangan panas pada permukaan char terhadap pelepasan panas dari permukaan char dan kesetimbangan panas konduksi dan radiasi ditunjukkan dengan persamaan sebagai berikut (Chen L, dkk, 2012):

    (3)

    dimana gradien temperatur pada permukaan partikel diberikan oleh persamaan:

    (4)

    kg konduktivitas panas gas, r radius partikel, konstatnta Stevan Boltzmann, emisivitas, Ts temperatur permukaan dan Tsur temperatur sekitar. Hukum Fick digunakan pada perpindahan massa O2 dipermukaan partikel, yaitu:

    (5)

    a. lingkungan udara

    b. lingkungan oxy-fuel

    Gambar 11. Hasil simulasi reaksi kinetik

    devolatalisasi dan penyalaan batubara lignit dalam lingkungan udara dan oxy-fuel

  • 9 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18

    dimana D (cm2/s) adalah koefisien difusi biner

    O2 baik N2 atau CO2, vO2 adalah rasio oksigen

    terhadap massa bahan bakar. densitas bahan bakar (kg/cm

    3), YO2 fraksi massa O2.

    Laju pembakaran char dapat diestimasi menggunakan reaksi permukaan orde pertama, yaitu:

    (6)

    dimana tekanan parsial oksigen pada permukaan partikel adalah:

    (7)

    sedangkan laju reaksi kinetik char-O2 dengan permukaan adalah (Field, M.A. dkk, 1969):

    (8)

    Persamaan (3), (5) dan (6) diselesaikan secara bersamaan untuk mendapatkan laju konsumsi char mc, temperatur permukaan char Ts dan fraksi massa oksigen pada permukaan YO2s. Pada gambar 12 menunjukkan hasil perhitungan waktu karbon habis terbakar (burn out time) dibandingkan dengan pemodelan dua film (DFM). Adanya pelambatan pada pembakaran char terlihat pada lingkungan oxy-fuel. Waktu penyalaan semakin lama dengan semakin tinggi peringkat batubara. Berdasarkan pendekatan model dua film menunjukkan bahwa perbedaan difusi lingkungan oxy-fuel 0.7 dari lingkungan udara mempengaruhi laju massa

    oksigen ke permukaan batubara sehingga waktu karbon terbakar akan lebih lama dibandingkan lingkungan udara. Penelitian lainnya dalam DTF (Wang G, dkk, 2014) juga menunjukkan bahwa pembakaran batubara dalam lingkungan oxy-fuel terjadi pelambatan pada persentasi pembakaran partikel (particle burnout) pada jarak yang sama dengan lingkungan udara. 4. KESIMPULAN Pengujian pembakaran batubara dengan tiga jenis batubara Indonesia telah dilakukan menggunakan DTF dengan ukuran 74-149 um didalam lingkungan udara (21%O2/79%N2) dan kondisi oxy-fuel (21%O2 dan 79%CO2) pada temperatur 1000

    oC. Karakteristik

    pembakaran batubara dalam kondisi udara dan oxy-fuel telah didapat. Beberapa kesimpulan yang dapat diambil adalah:

    Ketiga jenis batubara Indonesia terbakar dengan dua tahap yaitu penyalaan homogenus diikuti dengan pembakaran volatile dan pembakaran char secara heterogenus dalam lingkungan udara, sedangkan dalam kondisi oxy-fuel pembakaran terjadi dalam satu tahap.

    Temperatur maksimal pembakaran batubara lebih rendah pada lingkungan oxy-fuel, dan ini terjadi pada ketiga jenis batubara.

    Pelambatan pada waktu penyalaan batubara pada ketiga jenis batubara terjadi dalam lingkungan oxy-fuel. Perbedaan kapasitas panas lebih besar 1.18 pada lingkungan oxy-fuel memberikan kontribusi dalam pelambatan ini.

    Pelambatan pada waktu habis terbakar pada ketiga jenis batubara juga terjadi dalam lingkungan oxy-fuel. Perbedaan difusi lebih rendah 0.7 pada lingkungan oxy-fuel menghambat suplai oksigen ke

    permukaan partikel batubara. UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini dilakukan pada Laboratorium Karakterisasi Pembakaran Batubara Bidang Energi Fosil di Balai Besar Teknologi Energi, BPPT, Puspiptek, Serpong, Tangerang.

    Gambar 12. Hasil simulasi DFM model dan

    hasil pengujian untuk waktu karbon habis terbakar

  • 10 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18

    DAFTAR PUSTAKA

    Buhre B., Elliott LK., Sheng, R.P. Gupta, Wall

    T.F., 2005, Oxy-fuel combustion technology for coal-fired power generation; Progress in Energy and Combustion Science; Vol.31 p.283307.

    Cahyadi, Adi Surjosatyo, Yulianto S. Nugroho, 2012, Behaviour of pulverized coal combustion in air and in O2/CO2 condition; J Applied Mechanics and Material, Vol. 229-231, p.2804-2808.

    Cahyadi, Adi Surjosatyo, Yulianto S. Nugroho, 2013, Predicting behaviour of coal ignition in oxy-fuel combustion, International Green house Gas Control Technology ke-11, Jurnal Energy Procedia Vol 37, Science Direct Elsevier, Belanda.

    Chen, L., Yong, S.Z., Ghoniem A.F., 2012, Oxy-fuel combustion of pulverized coal: Characteization, fundamentals, stabilization and CFD modelling, Progress in Energy and Combustion Science, Vol 38,p.156-214.

    Essenhigh R.H., Misra M.K, Shaw, D.W.,1989, Ignition of Coal Particle: A Review; Journal of Combustion and Flame. Vol. 77. p 3-30.

    Field, M.A., 1969, Rate of combustion of size graded fractions of char from a low rank coal between 1200

    oK and 2000

    oK,

    Combustion and Flame, 13: 237-52. Howard J.B., Essenhigh, R.H., 1969,

    Mechanism of solid particle combustion with simultaneous gas-phase volatile combustion, Symposium (International) on combustion.

    Ianni, J. 2014, Kintecus Manual release 5.0. Kee, R.J., Rupley F.M, Miller J.A., 2004,

    Chemkin release 4.0, San Diego, CA, Reaction Design, Inc.

    Khatami R, Stivers C, Levendis Y, 2012, Ignition characteristics of single coal particles from three different ranks in O2/N2 and O2/CO2 atmospheres; Combustion and Flame.

    Kiga T, Takano S, Kimura N, Omata K, Okawa M, Mori T, 1997, Characteristics of pulverized-coal combustion in the system of oxygen/recycled flue gas combustion; Energy Conversion Management ;38(Suppl. 1):12934.

    Law, C.K., 2006, Combustion physics, New York, Cambridge University Press.

    Rantham R.K., Elliot L.K., Wall T.F., Liu Y., Mogtaderi B., 2009, Fuel Processing Technology Vol.90, p. 797-802.

    Santos, M.L.S, 2005, Solid Fuels Combustion and Gasification Modeling, Simulation, and Equipment Operation, Marcel Dekker, Inc., New York, US.

    Shaddix and Molina, 2009, Particle imaging of ignition and devolatalization of pulverized coal during oxy-fuel combustion, Proceeding of Combustion Institute; 32: 2091-8.

    Toftegaard MB, Brix J, Jensen PA, Glarborg P, Jensen AD., 2010, Oxy-fuel combustion of solid fuels; Prog Energy Combust Sci;36(5):581625.

    Tognotti, L., Longwell, J.P., Sarofim, A.F.,1991, The product of high temperature oxidation of a single char particle in a electrodynamic balance. Symposium (International) on Combustion.

    Turns S, 2000, An introduction to combustion: concept and applications, 2nd edition; Mc. Graw Hill.

    Wall T, Liu Y, Spero C, Elliott L, Khare S, Rathnam R., 2009, An overview on oxy-fuel coal combustion state of the art research and technology development; Chem Eng Res., 87(8):100316.

    Wang C., Zhang X., Liu Y., Che D, 2012, Pyrolysis and combustion characteristics of coals in oxy-fuel combustion; Applied Energy, Elsevier.

    Wang, G., Zander, R.,Costa, M., 2014, Oxy-fuel combustion characteristics of pulverized-coal in a drop tube furnace, Fuel, Vol.115, p.452-460.

  • 11 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18

  • 12 Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 10, No. 1, Juni 2014 hlm 11-18