i

TUGAS AKHIR (Konversi Energi) – RM 1542

ANALISA DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA TUMPUKAN BATU BARA DENGAN MENGGUNAKAN METODE BEDA HINGGA UNTUK MENCEGAH TERJADINYA PENYALAAN SENDIRI

HERMI SRI WITARSIH2105 100 139

Dosen PembimbingProf.Dr.Ir. Djatmiko Ichsani, M. Eng

JURUSAN TEKNIK MESINFakultas Teknologi IndustriInstitut Teknologi Sepuluh NopemberSurabaya 2009

ii

FINAL PROJECT– RM 1542

TEMPERATURE DISTRIBUTION ANALIZE ON STOCKPILE OF COAL USING FINITE DIFFERENCE METHODE TO PREVENT SELF IGNITION.

HERMI SRI WITARSIH2105 100 013

SupervisorProf.Dr.Ir. Djatmiko Ichsani, M. Eng

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENTIndustrial Faculty of TechnologySepuluh Nopember Institute of TechnologySurabaya 2009

vii

ANALISA DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA TUMPUKAN BATU BARA DENGAN MENGGUNAKAN

METODE BEDA HINGGA UNTUK MNECEGAH TEJADINYA PENYALAAN SENDIRI.

Nama Mahasiswa : HERMI SRI WITARSIH.NRP : 2105100139.Jurusan : Teknik Mesin-FTI ITS.Dosen Pembimbing : Prof.Dr.Ir. Djatmiko Ichsani, M.Eng.

ABSTRAK

Tumpukan cadangan (stock pile) batu bara dapat menjadi panas dengan sendirinya. Penyebabnya adalah terjadinya proses oksidasi batu bara yang bersinggungan dengan udara luar. Proses tersebut akan meningkatkan temperatur batu bara sehingga kebakaran dapat terjadi dengan sendirinya (self ignition) bila panas hasil dari reaksi oksidasi tidak dapat dikeluarkan.

Studi kasus penentuan distribusi temperatur telah dilakukan pada tumpukan batubara di PT. PJB unit pembangkitan Paiton. Tumpukan batubara dimodelkan secara matematik berbentuk trapezium, perhitungan distribusi temperatur diselesaikan dengan menggunakan metode beda hingga (finite difference) yang diturunkan dari persamaan perpindahan panas tiga dimensi dengan heat generation dan kondisi transien. Syarat batas dan initial value disesuaikan dengan kondisi kenyataan di lapangan. Syarat batas yang digunakan berupa konveksi bebas, dan konveksi paksa.

Hasil yang diperoleh bahwa temperatur pada permukaan luar akan meningkat dan menuju steady state berfluktuasi dari 27ÄC menuju 80 dan 110ÄC, ketika tumpukan berumur 5 hari untuk bagian bawah luar, dan berumur 10 hari untuk bagian luar tengah. Namun pada titik dalam temperatur akan naik terus mencapai sekitar 200ÄC. Ketika tumpukan berumur 20 hari pada saat itu tumpukan mulai membara. Bila tumpukan didiamkan

viii

temperatur bagian dalam dapat mencapai sekitar 500ÄC ketika berumur 60 hari. Hasil perhitungan telah divalidasi terhadap hasil pengukuran dengan error negatif sekitar 0,21.

Kata Kunci : batu bara, peyalaan sendiri, distribusi temperatur

ix

TEMPERATURE DISTRIBUTION ANALIZE ON STOCKPILE OF COAL USING FINITE DIFFERENCE

METHODE TO PREVENT SELF IGNITION

Nama Mahasiswa : HERMI SRI WITARSIH.NRP : 2105100139.Jurusan : Teknik Mesin-FTI ITS.Dosen Pembimbing : Prof.Dr.Ir. Djatmiko Ichsani, M.Eng.

ABSTRAK

Stockpile of coal can be heating by it self. The cause of oxidation reaction between coal surface and the atmosphere. This process will be increasing the temperature of coal so the exploitation can be occur (self ignition) if the heat result of oxidation reaction can not be released.

Case study of temperature distribution determine have be done on stockpile of coal in PT. PJB Paiton. Stockpile of coal is modeled mathematically, temperature distribution determine be solved using finite difference method that can be defined from three dimention of heat transfer equation with heat generation and transient condition. The boundary condition and initial valueare determined based of real condition. The boundary condition that used is free convection and force convection.

The result from this research is known that temperature on exterior surface will be increasing and to become fluctuation steady state from 27ÅC to 80 and 110ÅC, when the stockpile is 5 days in bottom external surface, and 10 days in mid external surface. When the stockpile is 20 days the coal is beginning self ignition. If there is no treatment on stockpile, the temperature in internal can reached 500ÅC when it is 60 days. The result shown that negative error from this research is about 0,21

Key word: coal, self ignition, temperature distribution

xi

KATA PENGANTARAlhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT yang tak

henti-hentinya mencurahkan rahmat dan hidayah-Nya. Kasih sayang-Nya yang tak terkira membuat penulis mampu untuk menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul:

ANALISA DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA TUMPUKAN BATU BARA DENGAN MENGGUNAKAN METODE BEDA HINGGA UNTUK MENCEGAH TERJADINYA PENYALAAN SENDIRI.

Tugas akhir ini disusun untuk memenuhi syarat kelulusan pendidikan Sarjana S-1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

Penulis menyadari keberhasilan dalam penyelesaian Tugas Akhir ini tidak lepas dari bantuan dan kerjasama berbagi pihak. Untuk itu pada kesmpatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada:

1. Kedua orang tua, ibu, bapak, yang selalu memberikan dukungan, doa, motivasi, perhatian, kasih sayang

2. Prof.Dr.Ir. Djatmiko ichsani, M.Eng selaku dosen pembimbing yang dengan kesabarannya selalu meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan ilmu yang tak ternilai harganya, baik masalah perkuliahan maupun di luar perkuliahan, sehingga terselesaikannya Tugas Akhir ini.

3. Dr.Eng.Ir. Prabowo, M.Eng., Dr.Bambang Sudarmanta, ST, MT., Ary Bachtiar Krisna P. ST, MT. PhD., selaku dosen penguji proposal dan Ir. Budi Utomo Kukuh W,ME., selaku dosen penguji tugas akhir, atas semua kritik dan saran demi kesempurnaan Tugas Akhir.

4. Pak Ali dosen Teknik Kimia atas saran dan masukannya.

xii

5. Mbak Heni, dinar dan mas Erik, orang rumah yang ada disaat penulis mengerjakan tugas akhir, dan selalu mendoakan untuk kesuksesan penyelesain tugas akhir ini.

6. Partner Tugas akhirku mbak Mami Arin, dalam mendaki tumpukan batubara yang panas dan terik, yang menemaniku di saat sidang ditunda dan sehari di Jogja demi tandatangan.

7. Pak Yogi, Pak Herman, dan Pak Wawan terimakasih Pak tas motivasi dan semangatnya, Pak Arif Wahyudi dan Pak Bambang Pramujati selaku dosen wali.

8. Keluarga Mbak Mami, Tante, Om, Oik yang sudah mau menampung diriku selama mengerjakan TA.

9. Mas Aris UI, Maman Kahima UI, Farida Tekkim dan Akbar M51 yang telah membantu download jurnal,diskusi dan bantu gambar model.

10. Arek-arek kos Keputih 3D/1A, khususnya Rizky Temen sekamar yang selalu ku repotin.

11. Temen-temen M48 atas senasib sepenanggungan.12. Teman-teman lab perpan atas tragedy praktikum.13. Harik dan Zaki yang telah ikhlas jadi ojek waktu di Jogja.14. Semua pihak yang telah banyak membantu dalam

pengerjaan Tugas Akhir ini yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

Penulis menyadari bahwa dalam Tugas Akhir ini terdapat banyak kekurangan, untuk itu saran dan kritik yang membangun sangat diharapkan demi kesempurnaan Tugas Akhir ini. Akhir kata semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi kita sekalian. Amien.

Surabaya, Agustus 2009

Penulis

xiii

(Halaman ini sengaja dikosongkan)

xv

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL ...................................................................... iLEMBAR PENGESAHAN........................................................ vABSTRAK .............................................................................. viiKATA PENGANTAR .............................................................. ixDAFTAR ISI ........................................................................... xvDAFTAR GAMBAR .............................................................. xixDAFTAR TABEL................................................................... xxiBAB IPENDAHULUAN …………………………………………….. 1

1.1 Latar Belakang ……………………………………. 11.2 perumusan Masalah ………………………………. 21.3 Tujuan ……………………………………….......... 21.4 Batasan Masalah ………………………………..… 31.5 Manfaat …………………………………………… 31.6 Sistematika Penulisan …………………...…...…… 4

BAB IIDASAR TEORI ……………………………………….....……. 7

2.1 Batu Bara …………………………………...…..… 72.1.1 Klasifikasi Batu Bara …………..……….…... 72.1.2 Penyimpanan Batu Bara ……………………... 92.1.3 Pemanasan Sendiri Dan Pembakaran

Spontan …………………………………… 10 2.1.5 Oksidasi Natural Pada Batu Bara dan

Reaksi Kimia …………………………….… 112.1.6 Reaksi Kimia ………………………….…… 12

2.2 Dasar Teori Perpindahan Panas …………….…… 122.2.1. Metode Beda Hingga ……………………... 122.2.2 Konduktifitas Thermal Pada

Medium Berporousity ………………….…... 202.2.3 Kriteria Stabilitas …………………………... 212.2.4 Perpindahan Panas Konveksi …………..…... 22

xvi

2.2.4.1 Konveksi Paksa (ForceConvection) ……………………......... 24

2.2.4.2 Konveksi Bebas (Free Convection)…………………………... 25

2.3 Dasar Teori Perpindahan Massa…………..……… 252.3.1 Perpindahan Massa Oksigen yang

Bereaksi……………………………….…….. 262.3.2 Perpindahan Massa pada Porousity……….... 262.3.3 Perpindahan Massa Uap Air di Permukaan

Batu Bara….……………………….............. 272.4 Perhitungan Energi Bangkitan………………….… 28

BAB IIIMETODOLOGI ………………………………………...…….. 29

3.1 Alur Pikir Proses Perhitungan Dan Analisa ……… 303.2 Prosedur Pengambilan Data ……………………… 313.3 Diagram Alir Pengolahan Data ………...………… 323.4 Lokasi Pengambilan Data ………………..………. 343.5 Data ………………………………….…………… 36

BAB IVPERHITUNGAN DAN ANALISA ………………………..…. 39

4.1 Kondisi Batas Perpindahan Panas ……………...… 394.1.1 Perpindahan Panas Konveksi …….........…… 394.1.2 Konduktifitas Thermal pada Media

Porous............................................................. 494.1.3 Kriteria Stabilitas…………………………. 51

4.2 Perhitungan Energi Bangkitan …………………. 614.3 Kondisi Batas Perpindahan Massa …………….… 65

4.3.1 Perhitungan Evaporasi …………….………. 654.4 Analisa Dan Pembahasan …………….………….. 69

4.4.1 Analisa Distribusi Temperatur ….…….…… 694.4.2 Analisa Validasi ………………………….... 91

4.5 Fenomena yang terjadi …………….…………….. 94BAB IVKESIMPULAN DAN SARAN ……………………………… 97

5.1 Kesimpulan…………………….………………….. 97

xvii

5.2 Saran ………………………………….……………..97DAFTAR PUSTAKA..................................................................99LAMPIRAN A……………………………………..………….101LAMPIRAN B……………………………………….………..105LAMPIRAN C……………………………………….………..107LAMPIRAN D………………………………………..……….131LAMPIRAN E…………………………………………….... 135

xviii

(Halaman ini sengaja dikosongkan)

xix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Tahapan pembentukan batu bara ……………...…. 7Gambar 2.2 Tahapan pembakaran sendiri pada batu bara …... 10Gambar 2.3 Pemodelan beda hingga pada batu bara……......... 13Gambar 2.4 Kondisi batas 1 pada eksterior point……….... ….. 15Gambar 2.5 Kondisi batas 2 pada eksterior point ……………...17Gambar 2.6 Kondisi batas 3 pada eksterior point ………..…… 19Gambar 3.1 Alur pikir proses perhitungan dan analisa……..… 30Gambar 3.2 Diagram alir pengolahan data…………………… 32Gambar 3.3 Lokasi pengambilan data……………………….... 34Gambar 3.4 Batu bara yang keluar dari konveyor……………. 35Gambar 3.5 Batu bara yang diratakan oleh buldoser…………. 35Gambar 3.6 model matematik dari stockpile…………………. 36Gambar 4.1 Bentuk geometri model stockpile........................... 39Gambar 4.2 Flowchart perhitungan Biot 1……………………. 41Gambar 4.3 Flowchart perhitungan Biot 2……………………...43Gambar 4.4 Flowchart perhitungan Biot 3……………………...45Gambar 4.5 Flowchart konduktifitas termal efektif.................... 50Gambar 4.6 Model sistem untuk titik 1........................................51Gambar 4.7 Model sistem untuk titik 32......................................53Gambar 4.8 Model sistem untuk titik 33......................................54Gambar 4.9 Model sistem untuk titik 64......................................56Gambar 4.10 Model sistem untuk titik 327..................................58Gambar 4.11 Model sistem untuk titik 294..................................59Gambar 4.12 Flowchart menghitung energi bangkitan................61Gambar 4.13 Flowchart perpindahan massa uap air di permukaan stockpile ..................................................................................... 66Gambar 4.14 Skema titik eksterior bawah dengan kondisi batas konveksi bebas……………………………………………….....69Gambar 4.15 Grafik distribusi temperatur di titik pojok bawah dengan kondisi batas konveksi bebas………………………… 70Gambar 4.16 Skema titik eksterior tengah dengan kondisi batas konveksi bebas………………………………………………... 73

xx

Gambar 4.17 Grafik distribusi temperatur di titik eksterior tengah dengan kondisi batas konveksi bebas………………….……… 74Gambar 4.18 Skema titik eksterior pojok atas dengan kondisi batas konveksi Bebas………………………….……………… 75Gambar 4.19 Grafik distribusi temperatur di titik eksterior pojok atas dengan kondisi batas konveksi bebas……………………. 76Gambar 4.20 Skema titik eksterior pojok bawah dengan kondisi batas konveksi paksa………………………………………….. 79Gambar 4.21 Grafik distribusi temperaturdi titik eksterior pojok bawah dengan kondisi batas konveksi paksa…………………. 80Gambar 4.22 Skema titik eksterior tengah dengan kondisi batas konveksi paksa………………………………………………... 81Gambar 4.23 Grafik distribusi temperatur di titik eksterior tengah dengan kondisi batas konveksi paksa…………………………. 82Gambar 4.24 Skema titik eksterior tengah dengan kondisi batas konveksi paksa………………………………………………... 84Gambar 4.25 Grafik distribusi temperatur di titik eksterior pojok atas dengan kondisi batas konveksi paksa……………………. 85Gambar 4.26 Skema titik interior bawah……………………... 87Gambar 4.27 Grafik distribusi temperatur di titik interior……. 88Gambar 4.28 Grafik terjadinya penyalaan sendiri……………. 89Gambar 4.29 Timbulnya asap pada batu bara……………….... 90Gambar 4.30 Penyalaan sendiri pada batu bara………………. 90Gambar 4.31 Skema titik 77 yang akan divalidasi……………. 91Gambar 4.32 Grafik validasi temperatur di titik 77 dalam waktu 6 hari…………………………………………………… 92Gambar 4.33 Grafik validasi temperatur di titik 77 dalam waktu 3 hari…………………………………………………… 92Gambar 4.34 Grafik eror titik 77……………………………... 94

xxi

DAFTAR TABEL

Table 3.1 Data aktual titik eksterior hari Rabu 77-185 ……… 37Table 3.2 Data aktual titik eksterior hari Rabu 221-281 …… …37Table 3.3 Data aktual titik interior hari Rabu 473-573……….. 38Table 4.1 Nilai Biot untuk tiap kondisi batas…………………. 48Tabel 4.2 Eror titik validasi 77………………………………… 93

xxii

(Halaman ini sengaja dikosongkan)