BOILER Circulating Fluidized Bed (CFB)

CIRCULATING FLUIDIZED BED (CFB) BOILER

1.      Keuntungan Boiler CFB Boiler:

a.       Memiliki kemampuan membakar pada bahan bakar kalori rendah (low rank coal), seperti bahan bakar yang mengandung kadar abu (ash) yang tinggi dan bahan bakar yang mengandung kadar air (water) yang tinggi, bahkan campuran beberapa bahan bakar juga bisa digunakan.

b.       Emisi NOx yang rendah, karena temperatur pembakaran yang relatif lebih rendah yaitu sekitar 850-900 C sehingga oksidasi nitrogen termal sangat kecil sekali.

c.       Emisi Sox yang rendah, karena menggunakan limestone untuk mengikat Sox. Tahap pertama merupakan pembentukan Lime (CaO) dan tahap kedua pembentukan Calsium Sulfat (CaSO₄)

CaCO₃ → CaO + CO₂

SO₂ + CaO + ½ O₂ → Ca SO₄

Gbr.1 Efektifitas pengikatan sulfur

2.      Karakteristik pembakaran CFB Boiler

a.       Dalam proses pembakaran, bahan bakar dibakar pada furnace (tungku) yang berisi bed material (material pembentuk bed yang bersifat inert). Udara pembakaran membuat  proses fluidisasi. Dengan kondisi panas fluidisasi campuran bahan bakar dan bed material akan lebih mudah terbakar.

b.       Bed material yang digunakan adalah jenis material yang inert (tidak bereaksi terhadap pembakaran dan mampu mempertahankan kandungan panas) biasanya dipilih pasir, alumina, atau juga bottom ash (abu berat) hasil dari pembakaran batubara. Limestone (batu kapur) berfungsi sebagai pembentuk bed material dan juga sebagai sorbent (pengikat sulfur). Temperatur pembakaran dijaga sekitar 850 ^oC untuk mengurangi emisi NOx. Dengan temperatur tersebut efisiensi pembakaran akan tercapai dengan residence time (waktu tinggal) bahan bakar di ruang bakar lebih lama.

3.      Sistem pembakaran Fluidized Bed

a.       Bubling Fluid Bed (BFB) menggunakan kecepatan yang rendah dan ukuran partikel yang relatif lebih besar (kasar) dengan konsentrasi solid yang lebih seragam dan padat sehingga sedikit partikel solid yang terbawa flue gas.

b.       Circulating Fluid Bed (CFB) menggunakan kecepatan yang lebih tinggi dan ukuran partikel yang relatif lebih kecil (halus) dengan konsentrasi solid kurang seragam dan terdifusi bervariasi terhadap ketinggian ruang bakar sehingga banyak partikel yang terbawa flue gas

Gbr.2 Perbandingan beberapa system pembakaran

4.      Mekanisme perpindahan panas pada Fluidized Bed Boiler

Perpindahan panas yang pada Boiler Fluidized Bed terdiri dari tiga mekanisme yang terjadi bersamaan yaitu konveksi gas, radiasi, dan partikel konveksi. Koefisien perpindahan panas menjadi:

H_o = H_gc + H_rad + H_pc

                                                 H_o = total koefisien perpindahan panas

                                                 H_gc = koefisien konveksi gas (0 – 2 Btu/hr-ft²-^oF)

                                                 H_rad = koefisien radiasi partikel dan gas (8 – 12 Btu/hr-ft²-^oF)

                                                 H_pc = koefisien konveksi partikel (30 – 50 Btu/hr-ft²-^oF)

Gbr.3 Komponen perpindahan panas dan profil konsentrasi bed material

5.      Sistem Circulating Fluidized Bed Boiler

a.       Bahan bakar batubara (coal) yang telah dihancurkan dan limestone diumpankan secara mekanik atau pnematik ke bagian bawah ruang bakar melalui coal feeder (berfungsi untuk mengatur jumlah aliran bahan bakar) ke saluran yang terdapat pada dinding depan. Udara primer (primary air PA) dialirkan ke bagian bawah melewati nozzle-nozzle sebagai distributor udara untuk membentuk proses fluidisasi. Udara sekunder (secondary air SA) diumpankan melalui saluran udara yang biasanya terdiri dari dua atau tiga level elevasi pada bagian bawah ruang bakar. Udara primer juga dialirkan melewati saluran batubara untuk membantu pemasukan bahan bakar. Limestone diinjeksi melalui saluran udara sekunder pada elevasi yang lebih rendah. Udara yang memasuki ruang bakar sudah dipanaskan di air heater.

Gbr.4 Sketsa Sistem CFB Boiler

b.       Pembakaran terjadi pada ruang bakar yang diisi dengan bed material. Flue gas dan solid meninggalkan ruang bakar dan memasuki satu atau lebih cyclone dimana solid akan dipisahkan dan jatuh menuju sealpot. Dari sealpot solid akan dikembalikan ke ruang bakar sebagai bed material dengan bantuan udara dari FA blower yang melewati nozzle-nozzle di sealpot

c.       Temperatur solid bed diusahakan seragam dan dijaga pada level yang optimum untuk proses pengikatan sulfur dan efisiensi pembakaran. Flue gas yang meninggalkan cyclone akan melewati convective backpass yang terdiri dari superheater, economizer, dan air heater.

d.       Burner berfungsi memanaskan solid bed material pada waktu start-up. Setelah temperatur untuk pembakaran batubara tercapai maka coal feeder dioperasikan dan burner mulai dikurangi perlahan sampai burner distop sesuai dengan prosedur operasi.

e.       Ash screw berfungsi untuk mengeluarkan solid bed material. Peralatan ini dilengkapi dengan air pendingin untuk menjaga temperatur material. Pengeluaran solid bed ini dilakukan untuk mengendalikan kuantitas dan kualitas solid bed material.

f.        Flue gas dialirkan melewati baghouse yang berfungsi untuk memisahkan fly ash. Fly ash tersebut dipisahkan di dua lokasi. Yang pertama di air heater dan yang kedua di baghouse.

g.       Pada CFB boiler biasanya dilengkapi dengan wingwall tube (superheater dan evaporator) untuk meningkatkan efisiensi transfer panas. Daerah kritis dimana tingkat abrasi yang tinggi dilapisi dengan refraktori untuk mencegah percepatan kerusakan material tube.

6.      Proses Fluidisasi pada CFB Boiler

a.       Fluidisasi adalah proses dimana material solid mengambang atau mengalir bebas layaknya aliran fluida. Gas atau udara mengalir melewati tumpukan partikel solid (bed). Aliran gas tersebut memiliki gaya sehingga mampu memisahkan partikel-partikel tersebut. Semakin besar gaya aliran maka semakin banyak juga partikel-partikel yang terpisah dan dan mengalir seperti gas, sehingga proses fluidisasi tercapai.

Gbr.5 Proses fluidisasi bed material

b.       Proses fluidisasi dari fixed bed ke fluid bed membuat plot drop tekanan terhadap kecepatan aliran. Pada kondisi fixed bed, drop tekanan proporsional terhadap kuadrat kecepatan. Jika kecepatan meningkat maka bed menjadi terfluidisasi. Proses dimana bed terfluidisasi disebut sebagai V_mf (kecepatan minimum fluidisasi).

c.       Kecepatan minimum fluidisasi V_mf tersebut dipengaruhi oleh ukuran diameter partikel, berat jenis partikel, bentuk kebulatan partikel, berat jenis dan viskositas gas, serta fraksi partikel. Drop tekanan yang melewati bed setelah V_mf menjadi konstan dan bisa disebut sebagai jumlah berat partikel solid per satuan luas.

7.      Ketentuan parameter proses CFB

a.       Kondisi fluidisasi CFB tercapai setelah melewati fasa bubling dengan kecepatan lebih besar dari 3 m/s nilai nilai tengah distribusi ukuran partikel 500μm. Perbatasan antara dense bed (konsentrasi solid bed tinggi) dengan freeboard (konsentrasi solid bed rendah) tidak bisa didefinisikan dengan jelas. Drop tekanan antara bawah dan atas furnace dengan gradien yang menurun sesuai dengan kenaikan elevasi

b.       Dalam CFB dikenal tingkat sirkulasi (recycle) internal dan external. Tingkat sirkulasi internal hanya bersirkulasi didalam ruang bakar dan sirkulasi external bersirkulasi di luar ruang bakar (cyclone). Tingkat sirkulasi yang tinggi akan menghasilkan pencampuran solid-gas yang baik sehingga menghasilkan tingkat efisiensi yang tinggi.

c.       Perbedaan bahan bakar akan menyebabkan perbedaan volume gas per unit energi bahan bakar. Untuk efisiensi yang maximum maka pembakaran dilakukan pada kondisi optimum untuk pengikatan sulfur dan efisiensi pembakaran. Sebagai contoh bahan bakar tingkat rendah seperti kayu akan menghasilkan volume gas yang lebih besar, sedangkan untuk bahan bakar batubara jenis anthracite akan menghasilkan volume gas yang relatif lebih sedikit. Oleh karena itu untuk untuk variasi penggunaan bahan bakar akan memberikan kondisi optimum yang berbeda pula seperti temperatur, excess udara.

d.       Ukuran dan fraksi partikel bahan bakar sangat penting untuk operasi. Jika bahan bakar yang masuk ke ruang bakar terlalu kasar (ukuran besar) maka akan terjadi kekurangan material yang bersirkulasi sehingga akan menyebabkan berkurangnya proses pembakaran efektif dan proses perpindahan panas tidak efisien serta konsumsi limeston akan semakin banyak.

e.       Pada kondisi ekstrim dimana tingkat sirkulasi sangat rendah dengan ukuran butir yang sangat kasar akan menyebabkan temperatur yang tinggi pada bagian bawah ruang bakar dan akan menyebabkan terbentuknya clinker dan defluidisasi

f.        Umumnya untuk bahan bakar yang memiliki kandungan ash sangat tinggi seperti anthracite harus dihancurkan relatif lebih kecil karena sulit untuk membakar sampai pecah (dekrepitasi). Alasan yang kedua adalah karbon akan terbungkus oleh ash sehingga banyak karbon yang tidak terbakar.

8.      Analisa faktor penyebab atau yang berpengaruh terhadap kebocoran tube pada CFB Boiler

Gbr.6 Diagram faktor penyebab erosi tube pada CFB Boiler

9.      Faktor umum penyebab erosi yang berhubungan aliran pada CFB Boiler

a.       Pola aliran yang melewati tube yaitu berupa impak, gesekan, dsb

b.       Adanya kecepatan aliran yang meningkat pada satu area, sehingga distribusi tekanan tidak merata.

c.       Perubahan bentuk geometri aliran akan menghasilkan erosi yang seragam (regular).

d.       Sirkulasi internal dimana aliran bed material turun pada dinding furnace dan aliran gas pada sisi tengah furnace.

e.       Kecepatan aliran udara yang terlalu besar disebabkan oleh setting udara dan dimensi nozzle yang tidak sesuai.

f.        Nozzle yang buntu atau yang tererosi akan mempengaruhi keseragaman aliran sehingga menjadi penyebab kenaikan kecepatan.

10.  Faktor umum penyebab kerusakan Refractory pada CFB Boiler

1.       Kerusakan stud atau angkur.

2.       Retak dan runtuhnya refractory karena seringnya mengalami termal stress yang diakibatkan frekuensi trip tube bocor yang cukup tinggi.

3.       Abrasive karena tumbukan bed material

4.       Pemilihan material refracting kurang tepat.

5.       Teknik pemasangan yang kurang baik.

6.       Refractory Cyclone Target Wall merupakan area refractory yang menerima beban relatif lebih besar, sehingga frekuensi kerusakan refractory di area tersebut relatif tinggi.