Boiler pada PLTU didesain untuk menggunakan batu bara dengan nilai kalor tinggi. Salah satu komponen subsystem boiler adalah pulverizer, pulverizer berfungsi untuk menghaluskan batu bara sebelum masuk boiler, biasanya dipasang standby pulverizer untuk menggantikan pulverizer yang mengalami kerusakan. Penggunaan low range coal akan berdampak terhadap pasokan batu bara dimana dibutuhkan lebih banyak batu bara untuk memenuhi kapasitas boiler, yang artinya pulverizer digunakan secara maksimum, akibatnya reliability turun. Untuk itu diperlukan suatu teknologi pengeringan untuk membantu kinerja dari pulverizer. Dalam proses pengeringan akan melibatkan perpindahan panas dan massa. Proses ini akan didefinisikan dalam suatu studi eksperimen yaitu swirling fluidized bed coal dryer. Percobaan dilakukan dengan cara pengambilan sample. Kecepatan udara konstan , temperatur udara pengering 55˚C, total waktu pengeringan 30 menit dan beban yang digunakan adalah 600 gram. untuk mengetahui efek dari proses pengeringan pada setiap sample, dilakukan dengan cara di oven selama 3 jam menurut standart ASTM D5142, (American Standart Testing and Material). Pada eksperimen ini divariasikan sudut blade yaitu 10˚, 20˚dan ,30˚. Penelitian ini menghasilakn kesimpulan nilai drying rate pada sudut kemiringan 10˚memiliki laju pengeringan paling cepat, Sedangkan pada diagram psychrometric menunjukkan proses yang terjadi pada udara pengering bahwa sudut 10˚ menghasilkan nilai relative humidity yang paling tinggi yang artinya laju perpindahan massanya paling besar. Dari kedua kesimpulan tersebut dapat dinyatakan variasi sudut 10˚ memberikan laju pengeringan yang paling efisien.

Kata Kunci : Swirling Bed Coal Dryer, Perpindahan panas dan Massa, Laju pengeringan.

I. PENDAHULUAN

embangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah salah satu sumber energi utama di Indonesia. Agar dapat menghasilkan listrik secara optimal dan efisien, maka

suatu PLTU batubara didesain untuk menggunakan batubara dengan kadar air (moisture) rendah dan nilai kalor (heating value) tinggi. Jika digunakan batubara dengan kadar air dan nilai kalor di bawah spesifikasi pembangkit, maka akan berpengaruh pada performa dan emisi yang dihasilkan. Kadar air tinggi batubara yang dipakai sebagai bahan bakar PLTU dapat mengakibatkan kesulitan fuel handling. Secara spesifik pemakaian batubara dengan kelembaban 25% sd 40 % akan menyebabkan rendahnya heating value, effisiensi

pembangkit turun, berkurangnya kapasitas mill, serta naiknya biaya pemeliharaan.

Penelitian ini dilakukan berdasarkan dari penelitian sebelumnya Levy dkk (2006). Dalam penelitiannya yang berjudul “Use Of Coal Drying To Reduce Waterconsumed In Pulverized Coal Power Plants” levy melakukan penelitian terhadap efek pengeringan batubara dalam upaya untuk mengurangi kandungan air dalam batubara. Pengujian alat eksperimen dilakukan dalam naungan Riset Energi Center Fluidized Bed Laboratory. Ruang pengeringan bertipe fluidized bed dengan diameter 6 inchi. Udara pemanas dirancang mencapai suhu 1500 F dengan kecepatan mencapai 1.6 m/s. Penelitian ini juga mengacu pada penelitian yang dilakukan oleh Mohd Faizal Mohideen, dkk (2011). dengan judul: Drying of Oil Palm Frond via Swirling Fluidization Technique. Yaitu penelitian tentang karakteristik pengeringan daun sawit menggunakan prinsip swirling fuidized bed dryer.

Proses penurunan kadar moisture pada batu bara

dilakukan dengan proses pengeringan. Proses ini menggunakan udara yang telah dipanaskan dengan menggunakan dua buah heat exchanger, temperatur dijaga konstan. Proses pengeringan dilakukan dengan variasi sudut blade pada alat pengeringan. Dengan demikian pemanfaatan sumber energi batu bara semakin efektif dan efisien.

II. METODOLOGI

A. Swirrling Fluidized Bed Coal Dryer

Gambar 1. (a)water tank and water heater, (b) Heat exchanger, (c) sentrifugal blower, (d) swirling fludized bed

coal dryer

Studi Eksperimen Karakteristik Pengeringan Batubara Terhadap Variasi Sudut Blade Pada

Swirling Fluidized Bed Coal Dryer Ahmad Sefriko dan Prabowo

Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

E-mail: prabowo@me.its.ac.id

P c d

a

b

Pada gambar 1. adalah skema alat swirling fluidized bed coal dryer terdiri dari empat komponen utama diantaranya, Drying chamber, sentrifugal blower, heat exchanger, water tank and water heater. Drying chamber berfungsi sebagai tempat untuk terjadinya proses pengeringan, dimana pada chamber terdapat blade dengan kemiringan tertentu. Sentrifugal blower berfungsi sebagai pemasok udara pengering, pengaturan debit dilakukan dengan voltage regulator. Heat exchanger berfungsi sebagai penghasil udara panas yang digunakan sebagai udara pengering, untuk menghasilkan udara pengering digunakan dua buah heat exchanger dirangkai seri. Water tank and water heater berfungsi sebagai pemasok flusida kerja untuk heat exchanger, fluida dialirkan dengan menggunakan pompa yang sudah terintegrasi langsung pada water tank and water heater.

Gambar 2. Drying chamber

Gambar 3. Peralatan penghasil udara pengering

Untuk menghasilkan udara pengering digunakan dua buah radiator seperti terlihat pada gambar 3, dimana temperatur air yang disirkulasikan didalam radiator dijaga konstan, sehingga temperature udara pengeringan dapat ditentukan. Temperatur yang digunakan untuk mengeringkan batu bara adalah 55˚C. dengan kecepatan 12,5m/s untuk beban pengeringan 600gram, untuk penempatan alat ukur dapat dilihat pada gambar 4 dibawah.

Gambar 4. Posisi alat ukur

B. Analisa Perpindahan Panas Analisa yang digunakan untuk menghitung proses

perpindahan panas antara udara pengering dan batu bara adalah:

𝑞" = ℎ ∙ 𝐴. (𝑇𝑠 − 𝑇∞) (1) Nusselt number antara batu bara dengan udara

pengering, dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

k

hLNuL = (2)

Prandlt number antara batu bara dengan udara pengering

dirumuskan sebagai berikut:

ανµ

==k

c pPr (3)

C. Analogi perpindahan Panas dan Perpindahan Massa Dari ketiga perumusan diatas maka perpindahan

massanya dapat diketahui, perumusan yang digunakan adalah dengan membandingkan Nu dan Sh pada sebuah proses konveksi, sehingga didapatkan persamaan :

ℎ𝑚 = ℎ∙𝐷𝐴𝐵∙𝐿𝑒𝑛

𝑘 (4)

Dari persamaan di atas , Maka perpindahan massa yang

terjadi dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

).( ,,"

∞−= AsAmA hn ρρ (5)

D. Variasi Parameter Pada penelitian ini yang divariasikan adalah sudut

kemiringan dari blade dengan variasi 10˚, 20˚, dan 30˚ dengan overlapping angel sebesar 6˚, total blade yang

digunakan adalah 30. Diameter luar chamber 190mm dan diameter dalam chamber 110mm. kecepatan udara konstan terhadap waktu.

Gambar.5 Geometri Blade

E. Psychrometric chart

Gambar 6. Psychrometric chart Psychrometric chart adalah grafik yang

menggambarkan tentang kondisi campuran udara dengan uap air (gambar 6). Analisa diagram psychrometric digunakan untuk mengetahui proses yang dialami oleh udara saat bersinggungan batu bara.

Untuk menghitung ratio kelembaban pada proses pengeringan adalah:

ud

airuapud m

mW =

(6)

Kelembaban relatif (relative humidity) adalah perbandingan antara fraksi molekul uap air (tekanan uap air) di dalam udara basah terhadap fraksi molekul uap air jenuh (tekanan jenuh uap air, dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

PsPuap=θ

(7)

Fraksi massa merupakan perbandingan antara massa uap air yang terkandung di dalam udara dengan massa uap air

tersebut ditambah dengan massa udara itu sendiri. Fraksi massa dapat dihitung dengan persamaan:

𝑌 = 𝑚𝑢𝑎𝑝 𝑎𝑖𝑟

𝑚𝑢𝑎𝑝 𝑎𝑖𝑟+𝑚𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 (8)

Moisture content basis basah didefinisikan masa air didalam produk dibagi dengan massa produk basah.

MC(% ) wb = mp,basah −mp,kering

mp,basah X 100% (9)

F. Materials and method Untuk messing batu bara dilakukan dengan ayakan besar

10mm dan ayakn kecil sebesar 5mm, batu bara diasumsikan berbentuk granular dengan dimensi ± 6mm.

Gambar 7. (a) Batu bara , (b) Batu bara ± 6mm.

G. Prosedur eksperimen

Penelitian dilakukan dengan suhu pengeringan 55˚C, dengan sudut pengeringan 10˚, 20˚ dan 30˚, dan beban total pengeringan 600 gram. Pengering dioperasikan tanpa produk selama 30 menit untuk mendapatkan kondisi pengering dalam kondisi stabil. Percobaan dilakukan selama sekitar 30 menit. Untuk mengetahui perubahan kadar air selama proses pengeringan diambil sampel dengan interval waktu yang berbeda beda, untuk 5 menit pertama interval waktu setiap 1menit, 2 menit setelahnya sebanyak 3 kali, dan interval 5menit sampai menit ke 30, setiap sample di timbang, kemudian untuk mengetahui perbedaan perubahan moisture tiap pengambilan sample setiap waktu, dilakukan dengan cara sample di oven selama 3 jam dengan temperature 105˚C selama 3 jam menurut standart ASTM ( American Standart Testing and Materials) dan hasil setelah dilakukan proses tersebut sample kemudian di timbang kembali untuk mengetahui perbedaannya. dari penelitian didapatkan massa batu bara kering , massa batu bara basah, TDB dan Relative humidity serta kecepatan tiap variasi sudut blade.

III. ANALISA DAN PEMBAHASAN

Pada ekperimen yang telah dilakukan pada cyclone fluidized bed dryer, menghasilkan beberapa data. Data tersebut diolah menjadi sebuah nilai drying rate, data diagram psychrometric dan kapasitas sebuah pengeringan. Proses pengeringan merupakan proses pernyerapan atau perpindahan massa uap air dari batubara menuju udara

a b

pengering. Jumlah batubara yang dikeringkan mengindikasikan banyaknya uap air yang harus diuapkan.

A. Relative humidity

Gambar 8. perubahan relative humidity terhadap waktu dengan variasi sudut blade

Pada gambar 8. menunjukkan besarnya nilai relatif humidity pada udara pengering dengan sudut blade 10˚ 20˚ dan 30˚, pada sudut blade 10˚ memiliki relative humidity lebih besar dari sudut kemiringan lainnya. pada periode pertama trend grafik mengalami Penurunan relative humidity yang tajam, Tingginya nilai relative humidity menandakan semakin banyaknya kandungan uap air pada udara. Disamping itu, dengan semakin besar kecepatan, kadar air terakhir dari pengeringan akan semakin rendah. Kondisi-kondisi tersebut disebabkan oleh beberapa hal yaitu : pertama, dengan kecepatan yang besar akan membantu pemerataan distribusi akhir suhu di dalam chamber demikian juga distribusi RH, kedua, dengan kecepatan yang besar akan menaikan transfer massa ke ruang di dalam chamber dan dengan kecepatan sirkulasi yang besar akan menaikan koefisen perpindahan massa (kadar air).

B. Grafik drying rate

Gambar 9. Grafik Drying rate fungsi waktu

Pada gambar 9. trend line dari laju proses pengeringan mengalami penurunan moisture content. Dari trend tersebut terlihat pengaruh kecepatan udara pengeringan. Hal ini bisa diamati dengan membandingkan kurva, pada sudut 10˚ dengan kecepatan 12,5 m/s, mempunyai gradien paling curam jika dibandingkan dengan kurva lainnya (20 ˚ dan 30˚), artinya laju pengeringannya paling cepat. Disamping itu, dengan semakin besar kecepatan, kadar air terakhir dari pengeringan akan semakin rendah Mc% 10˚= 2,590%, Mc% 20˚= 2,72%, Mc 30% = 4,087%.

C. Psychrometric chart.

Gambar 10. Proses pengeringan pada psychrometric chart

Pada gambar 10. Adalah proses yang terjadi dalam psychrometric chart pada sudut kemiringan 10˚, 20˚, dan 30˚ untuk proses pengeringan pada 5 menit pertama.

1. Proses pertama : Proses pengeringan (cooling dan humidifying) dimana terjadi penyerapan moisture content batu bara yang diikuti dengan naiknya nilai humidity ratio dan turunnya temperature udara pengering, kecepatan perpindahan moisture content batu bara ke udara pengering terjadi akibat relative humidity dari udara lebih kecil dibandingkan batu bara. (Garis 0-1)

2. Proses kedua : Proses (Heating dan demihumidifying) dimana terjadi peningkatan temperatur udara pengering dengan diikuti menurunnya nilai humidity ratio dalam udara pengering. Hal ini disebabkan semakin berkurangnya moisture content yang terkandung didalam batu bara. ( garis 1–3 ).

3. Proses ketiga : Proses ini sama dengan proses kedua (Heating dan demihumidifying) yaitu terjadi peningkatan temperatur udara pengering dengan diikuti menurunnya nilai humidity ratio secara signifikan berubah. Proses ini menunjukkan sebuah karakteristik dari sebuah pengeringan. Semakin lama, udara pengering akan bertambah jenuh sehingga penyerapan moisture content semakin sedikit. dimana tidak terjadi perubahan moisture conten dalam jumlah yang cukup besar ( garis 3-5 ).

D. Distribusi perpindahan massa

Gambar 11. Pengaruh sudut terhadap laju perpindahan

massa Pada gambar 11. menunjukkan laju perpindahan massa

tiap variasi sudut, trend line dari grafik terlihat menurun seiring dengan pertambahan nilai dari sudut kemiringan blade. dari trend grafik dapat dilihat bahwa variasi sudut 10˚ memiliki laju perpindahan massa paling tinggi dibandingkan variasi sudut lainnya, hal ini dikarenakan pengaruh kecepatan yang lebih tinggi pada variasi tersebut.

Kecepatan berhubungan langsung dengan reynolds number, semakin tinggi bilangan reynolds maka koefisien konveksinya akan semakin tinggi (h), koefisien konveksi berbanding lurus dengan koefisien perpindahan massa konveksi dimana: ℎ𝑚 = ℎ∙𝐷𝐴𝐵∙𝐿𝑒𝑛

𝑘 dengan naiknya nilai

koefisien perpindahan massa konveksi maka laju perpindahan massanya juga akan semakin tinggi, seperti dijabarkan pada rumus di bawah ini: 𝑛𝐴 = ℎ𝑚 .𝐴. (𝜌𝐻2𝑂,𝑐𝑜𝑎𝑙 − 𝜌𝐻2𝑂,𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡) .

IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Berdasarkan analisa dan pembahasan pada bab

sebelumnya, maka dalam penelitian studi eksperimen karakteristik laju pengeringan batubara terhadap variasi sudut blade 10˚, 20˚ dan 30˚ diambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Variasi sudut blade pada drying chamber dengan kapasitas jumlah batubara yang sama, menghasilkan sudut 10˚ memiliki nilai relative humidity tertinggi.

2. Laju Pengeringan yang memiliki laju yang paling baik dan waktu proses paling singkat yaitu sudut kemiringan 10˚ , kemudian 20˚ dan 30˚.

3. Seiring dengan pertambahan waktu udara pengeringan akan bertambah jenuh sehingga tidak dapat membawa air lagi pada batu bara, hal ini akan berakibat pada drying rate yang semakin lama semakin menurun.

4. Proses pengeringan (cooling and humidifying) terjadi saat udara mengalami penurunan temperatur dan naiknya humidity rasio, akibat adanya perpindahan moisture content dari batubara ke udara pengering.

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih sebanyak-banyaknya

kepada Dr.Eng. Prabowo, M.Eng, selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberi masukan dan bimbingan selama proses pengerjaan tugas akhir ini. Dan juga penulis berterima kasih pula terhadap Prof.Ir. Sutardi., M.Eng,PhD, Dr. Vivien Suphandani, M.Eng, dan Dedi Zulhidayat ST.MT,PhD selaku dosen pembahas tugas akhir, atas masukan dan saran terhadap tugas akhir ini.

DAFTAR PUSTAKA [1] PLN Puslitbang Ketenagalistrikan. 2011. Proses

pengeringan menggunakan gas buang (flue gas). [2] Tim Kajian Batubara Nasional. 2006. Batubara

Indonesia. Pusat Litbang Teknologi Mineral dan Batubara. Indonesia.

[3] Direktorat Jendral Mineral Batubara. 2011. Pasokan Batubara (2004-2012). Indonesia.

[4] Stoecker, Wilbert F., Jones. 1982. Refrigeration and Air Conditioning, 2nd Edition. McGraw-Hill Inc. Urbana-Champaign.

[5] Incropera, Frank P., DeWitt, Bergman, Lavine. 2007. Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6th Edition. John Wiley & Sons Inc. New York.

[6] Levy, Edward K., Sarunac, Bilirgen, Caram. 2006. Use of Coal Drying To Reduce Water Consumed in Pulverized Coal Power Plants. Energy Research Center Lehigh University. Bethlehem.

[7] Mohd Faizal Mohideen dkk. 2011. Drying of Oil Palm Frond via Swirling Fluiization Technique. Universiti Tun Hussein Onn.Malaysia.

[8] M.F.M Batcha and V.R Raghavan 2011. Experiment stidies pn a Swirling Fluidized Bed with Annular Distributor, Universiti Tun Hussein Onn.Malaysia.

[9] Ferio Septian Putra. 2012. Studi Numerik karakteristik pengeringan batu bara terhadap variasi temperatur air heater pada flidized bed coal dryer dengan tube heater tersusun aligned dengan ST/D = 3,397 SL/D = 3,937 .ITS Surabaya, Indonesia.

[10] Munir, Misbakul, 2008, “ Studi Numerik Karakteristik Pengeringan vakum dengan variasi tekanan operasi, temperature heater dan metode pemberian panas”, Jurusan Teknik Mesin. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya. Indonesia