Sde tm6

SIKLUS ENERGI MESIN TENAGA
&
TEKNOLOGI BATUBARA BERSIH
Kuliah 6

Siklus energi & teknologi batubara bersih
• Siklus energi mesin tenaga
– Siklus tenaga uap (PLTU)
– Siklus tenaga gas (PLTG)
– Siklus tenaga diesel (PLTD)
• Teknologi batubara bersih
– Fluidezed bed combustion
– Coal gasification
– Coal liquifaction

Spring 2010 3
Tiga gelombang perkembangan teknologi
• Gelombang Pertama :  Revolusi Agraria ; kira-kira terjadi 10 ribu
tahun yang lalu.
– Manusia nomaden  menetap disuatu tempat, berternak, bercocok
tanam, bertani, membentuk suatu lingkungan masyarakat . Penggerak
utama tenaga otot terutama otot binatang
• Gelombang Kedua :  Revolusi Industri ; kira-kira abad 18
– Penggunaan batubara untuk pemanasaan
– Penemuan mesin uap untuk industri & transportasi
– Tenaga otot digantikan dengan tenaga mesin
• Gelombang Ketiga :  Revolusi Komunikasi dan Informasi ; kira-kira
pertengahan abad 20 (Alfin Tofler : The Third Wave)
– Berkembanganya teknologi elektronika yang mengawali teknologi
komputer, ruang angkasa, informasi hingga ke bioteknologi
– Peranan energi menjadi semakin besar
– Kecerdasan buatan peranannya menjadi semakin besar.

Spring 2010 4
Obyektif penelitian & pengembangan teknologi
• Obyektif ekonomi
– Penelitian dan pengembangan untuk dapat bersaing di pasar
– Membuat produk yang lebih efisien, lebih handal, lebih murah, dll.
• Obyektif lingkungan
– Produk-produk yang dibuat harus semakin ramah lingkungan, yang
didukung dengan perrturan-peraturan perlindungan lingkungan.
– Meskipun produk yang dihasilkan lebih mahal, namun perlu untuk
melestarikan lingkungan
• Obyektif terobosan
– Produk lebih baik, biaya produksi lebih murah.
– Menambah kenyamanan bagi penggunanya
– Misal nuklir, semikonduktor, bahan-bahan superkonduktor, dll.

Spring 2010 5
Siklus dan perkembangan mesin energi
• Tiga tingkatan kematangan teknologi suatu produk :
• Taraf Pertama :  Kematangan Teknik
– Secara teknis telah dapat berfungsi dengan baik seuai dengan tujuan
dari teknologi tsb.
– Misal suatu mesin dengan teknologi baru, harus dapat bekerja dan
berfungsi sebagaimana yang diharapkan
• Taraf Kedua :  Kematangan Ekonomi
– Harus cukup murah sehingga dapat bersaing di pasaran dengan
produk lainya
• Taraf Ketiga :  Kematangan Lingkungan
– Produk tersebut tidak mengganggu lingkungan

Spring 2010 6
Siklus Carnot
• Energi sebagai suatu arus panas dapat berasal dari pembakaran
bahan bakar fosil, radiasi surya atau reaksi nuklir.
• Energi yang berupa panas ini dapat dikonversikan menjadi energi
mekanikal sehingga menjelma menjadi “Kerja”.
• Pada pembangkit listrik termal, mengubah energi panas menjadi
energi mekanikal dan elektrikal melalui siklus konversi energi.
• Suatu siklus konversi energi, menerima sejumlah energi panas pada
suhu tertentu, mengubah sebagian energi panas menjadi “kerja
yang bermanfaat” dan membuang/ meneruskan selebihnya pada
lingkungan atau penerima panas sebagai “rugi-rugi panas” pada
tingkat suhu yang lebih rendah.
• Siklus Carnot merupakan siklus konversi energi panas yang ideal,
dimana pada saat terjadi konversi energi panas menjadi kerja
dianggap terjadi pada suhu yang konstan. Energi panas masuk dan
keluar sistem pada suhu yang konstan. Dalam praktek nyata hal ini
manyalahi hukum termodinamika.

Spring 2010 7
Siklus Carnot
H
L
H
LH
T
T
T
TT
1
Carnot Cycle
Process Description
1-2 Isothermal heat addition
2-3 Isentropic expansion
3-4 Isothermal heat rejection
4-1 Isentropic compression
Diagram siklus Carnot Ideal :
Pada P-V diagram
Luas 1-2-3-4 = jumlah kerja yang dihasilkan
pada siklus tertutup  W
Pada T-S diagram
Luas 1-2-3-4 = jumlah energi yang masuk
pada siklus sistem  Q
Pada suatu siklus energi W = Q
Efisiensi termal siklus Carnot

8
SIKLUS CARNOT
P-v and T-s diagrams of a
Carnot cycle.A steady-flow Carnot engine.
Siklus Carnot terdiri dari 4 proses reversible : isothermal
heat addition, isentropic expansion, isothermal heat
rejection, and isentropic compression.
Untuk siklus ideal dan nyata: Thermal efficiency naik
dengan naiknya temperatur rata-rata dimana panas
masuk kedalam sistem atau dengan menurunnya
temperatur rata-rata dimana panas keluar dari sistem

Siklus Rankine pada PLTU
• Merupakan siklus panas teoritis paling sederhana yang menpergunakan
uap sebagai medium kerja.
• Pada siklus panas PLTU komponen utamanya adalah : Boiler, turbin uap
dan kondenser
• Jumlah energi panas dari bahan bakar (batubara/minyak/gas/nuklir, dll)
yang masuk boiler adalah Ein.
• Sedangkan enerfi efektif yang tersedia/ keluar dari poros turbin uap
adalah energi kerja Ek.
• Energi yang terbuang melalui kondenser adalah Eb.
• Dengan asumsi semua rugi-rugi panas terbuang pada Eb, maka :
Ein = Ek + Eb
• Dengan efisiensi kerja :
in
bin
in
k
E
EE
E
E

Spring 2010 10
Siklus Rankine (PLTU)

Spring 2010 11
Siklus Rankine (PLTU)
Diagram siklus Rankine Ideal : Gambar (a) P-V diagram ; Gambar (b) T-S diagram
Garis 1-2-3-4-B-1 = garis siklus saturated steam
Garis 1’-2’-3-4-B-1’ = garis siklus superheated steam
CP = critical point

Siklus Rankine modifikasi
• Untuk menghindari adanya dua phase fluida dalam siklus, dapat
dilakukan dengan mengkondensasikan seluruh uap yang keluar dari
turbin menjadi cairan yang saturated liquid sebelum ditekan oleh pompa.
T
s
• Ketika uap saturated masuk ke turbin, temperatur dan tekanannya turun
dan titik-titik air akan terbentuk karena kondensasi. Titik-titik air ini akan
menyebabkan kerusakan pada sudu turbin karena korosi. Salah satu
metoda untuk menyempurnakan proses adalah : superheating terhadap
uap. Dampaknya dapat menaikkan efisiensi termal dari siklus.
3
41
2

13
SIKLUS RANKINE : Siklus Ideal untuk PLTU
Banyak hal tidak praktis terkait dengan siklus Carnot dapat dieliminasi dengan proses
superheating terhadap uap dalam boiler dan proses kondensasi secara keseluruhan
dalam condenser. Siklus yang dihasilkan adalah Siklus Rankine , yang merupakan siklus
ideal untuk pembangkit listrik tenaga uap. Siklus ideal Rankine tidak melibatkan adanya
internal irreversibilities.
The simple ideal Rankine cycle.

Siklus pemanasan ulang
• Pada siklus pemanasan ulang, dilakukan dengan menaikkan
tekanan boiler tanpa menurunkan kualitas uap yang keluar
turbin
• Berdampak pada neiknya thermal efisiensi dari siklus

Siklus Regeneratif
• Melakukan pemanasan awal uap yang masuk boiler
menggunakan feedwater heater, guna menaikkan
efficiency
– Also deaerates the fluid and reduces large volume flow
rates at turbine exit.

21
AN OVERVIEW OF RECIPROCATING ENGINES
Nomenclature for reciprocating engines.
• Spark-ignition (SI) engines
• Compression-ignition (CI) engines
Compression ratio
Mean effective
pressure

22
OTTO CYCLE: THE IDEAL CYCLE FOR SPARK-IGNITION
ENGINES
Actual and ideal cycles in spark-ignition engines and their P-v diagrams.

Siklus Turbin Gas
Brayton Cycle
The Brayton cycle is the air-standard ideal cycle approximation for the gas-turbine engine.
This cycle differs from the Otto and Diesel cycles in that the processes making the cycle
occur in open systems or control volumes. Therefore, an open system, steady-flow
analysis is used to determine the heat transfer and work for the cycle.
We assume the working fluid is air and the specific heats are constant and will consider
the cold-air-standard cycle.

27
The closed cycle gas-turbine engine

28
Process Description
1-2 Isentropic compression (in a compressor)
2-3 Constant pressure heat addition
3-4 Isentropic expansion (in a turbine)
4-1 Constant pressure heat rejection
The T-s and P-v diagrams are

Siklus kombinasi (Combine cycle)

36
COMBINED GAS–VAPOR POWER CYCLES
• The continued quest for higher thermal efficiencies has resulted in rather innovative
modifications to conventional power plants.
• A popular modification involves a gas power cycle topping a vapor power cycle, which is
called the combined gas–vapor cycle, or just the combined cycle.
• The combined cycle of greatest interest is the gas-turbine (Brayton) cycle topping a
steam-turbine (Rankine) cycle, which has a higher thermal efficiency than either of the
cycles executed individually.
• It makes engineering sense to take advantage of the very desirable characteristics of the
gas-turbine cycle at high temperatures and to use the high-temperature exhaust gases
as the energy source for the bottoming cycle such as a steam power cycle. The result is a
combined gas–steam cycle.
• Recent developments in gas-turbine technology have made the combined gas–steam
cycle economically very attractive.
• The combined cycle increases the efficiency without increasing the initial cost greatly.
Consequently, many new power plants operate on combined cycles, and many more
existing steam- or gas-turbine plants are being converted to combined-cycle power
plants.
• Thermal efficiencies over 50% are reported.

38Combined gas–steam power plant.
Siklus kombinasi (Combine cycle)

39
COGENERATION
A simple process-heating plant.
Many industries require energy input in the form of heat, called process heat.
Process heat in these industries is usually supplied by steam at 5 to 7 atm and
150 to 200°C. Energy is usually transferred to the steam by burning
coal, oil, natural gas, or another fuel in a furnace.
Industries that use large amounts of
process heat also consume a large
amount of electric power.
It makes sense to use the already-
existing work potential to produce
power instead of letting it go to
waste.
The result is a plant that produces
electricity while meeting the process-
heat requirements of certain
industrial processes (cogeneration
plant)
Cogeneration: The production of more than one useful form of energy (such as
process heat and electric power) from the same energy source.

40
An ideal cogeneration plant.
Utilization
factor
• The utilization factor of the
ideal steam-turbine
cogeneration plant is 100%.
• Actual cogeneration plants
have utilization factors as high
as 80%.
• Some recent cogeneration
plants have even higher
utilization factors.

Teknologi batubara bersih
Persoalan dalam pembakaran batubara :
• Pembakaran yang tidak sempurna akan menghasilkan CO yang bersifat
merugikan bagi kesehatan
• Semakin banyak batubara dibakar, CO2 juga semakin banyak dilepas diudara.
• Pada proses fotosintesis sinar matahari bersama CO2 yang ada di udara oleh
chlorofil daun diubah dan disimpan dalam kayu, yang dalam proses berjuta
tahun akan menjadi batubara.
• Keseimbangan CO2 diudara tercapai bila jumlah yang dilepas oleh pembakaran
batubara/ kayu sama dengan jumlah CO2 yang diserap oleh tanaman dalam
proses fotosintesis.
• Dalam kenyatannya batubara semakin banyak dibakar sementara hutan
semakin banyak ditebang sehingga jumlah komposisi CO2 di udara semakin
banyak yang berdampak pada pemanasan global.
• Kandungan Sulfur pada batubara juga dapat menyebabkan persoalan yang
serius. Sulfur yang terlepas dari cerobong asap di udara akan bersenyawa
membentuk H2SO4.
• Bila kandungan asam belerang ini banyak di udara dan terbawa oleh hujan
akan menjadi hujan asam (acid rain) yang dapat mematikan kehidupan di
tanah, sungai, danau.
• Sementara jumlah batubara kualitas baik semakin sedikit, maka yang banyak
dibakar adalah batubara kualitas rendah.

Fluidized bed combustion :
• Untuk menghilangkan masalah batubara dengan kandungan sulfur
tinggi
• Batubara digiling hingga ukuran butiran beras dan diletakkan dalam
wadah/ kisi berlubang, dimana udara pembakaran dilewatkan dari
bawah ke atas.
• Kecepatan udara yang mengalir di atur shingga butir-butir batubara
tsb agak sedikit terangkat dan bebas bergerak sehingga butir=butir
tsb dapat habis terbakar.
• Proses pembakaran dilakukan pada suhu yang agak rendah
sehingga pembentukan NOx juga berkurang.
• Pada waktu pengisian butir-butir batubara dimasukkan pula unsur
kapur (Calcium, Ca) yang akan bersenyawa dengan sulfor oksida
menbentuk kalsium sulfat (CaSO4) yang akan jatuh kebawah
bersama abu sisa pembakaran.

Fluidized bed combustion bertekanan :
• Proses pembakaran dilaksanakan dengan udara yang
ditekan, sehingga perpindahan panas pada generator uap
akan meningkat.
• Keuntungan lain, gas buangan setelah dibersihkan dapat
dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin gas. Sehingga
efisiensi seluruh siklus meningkat

Gasifikasi batubara
• Batubara selain dapat langsung dibakar untuk menghasilkan
listrik juga dapat diproses menjadi gas guna kebutuhan
pemanasan.
• Pada awal abad 20, dikenal adanya gas kota yang merupakan
hasil dari proses gasifikasi batubara. Dikenal sebagai gas kota,
karena gas yang dihasilkan dialirkan melalui pemipaan
sehingga dapat digunakan untuk kebutuhan pemanasan dan
memasak di perumahan.
• Pada pertengahan abad 20 dengan mulai ditemukan dan
dialirkannya gas alam serta semakin mahalnya penambangan
batubara, maka pabrik gas kota banyak ditutup digantikan gas
alam.

Gasifikasi batubara  Pembuatan gas Methan
• Untuk dapat mengubah kandungan carbon batubara (C) menjadi gas
Methan (CH4), perlu ditambah unsur hidrogen (H). Unsur hidrogen ini
terdapat secara berlimpah di air (H2O). Proses pembuatannya adalah
sesuai dengan reaksi berikut :
2C + 2H2O ------ CH4 + CO2
panas
• Selanjutnya gas Methan ini dapat dimanfaatkan untuk pembakaran sbb :
CH4 + 2O2  2H2O + CO2 + energi panas
Gasifikasi Penggunaan
CH4
energi
panas
2C
2H2O
CO2
2O2 CO2
2H2Oproduksi konsumsi

Gasifikasi batubara  Pembuatan gas Methan dengan proses uap (steam
gasification process)
• Dengan meraksikan batubara + uap air akan dihasilkan hidrogen dan carbon
monoksida. Selanjutnya melalui proses katalitik akan dihasilkan gas Methan (CH4)
dan carbon dioksida (CO2)
• Proses pembuatannya adalah sesuai dengan reaksi berikut :
2C + S + 2H2O ------------- 2CO + 2H2 +(H2S)
energi uap
--------- CH4 + CO2 + (H2S)
katalis
Gasifikasi
uap
KonversiPembersihan
Energi uap
2C
2H2O
2CO
2CO
CO2
H2S + Abu
Katalisis
CH4
2H2
2H2
H2SS

Gasifikasi batubara  Pembuatan gas Methan dengan proses
gasifikasi hidrogenasi batubara
• Dalam proses ini gas methan dihasilkan langsung dari carbon dan
hidrogen. Hidrogen yang diperlukan diperoleh dengan kracking (cracking)
sebagian dari gas methan yang dihasilkan menjadi hidrogen dan carbon
monoksida dengan menambah air dan energi.
2C + S + 5H2------ 2 CH4 + H2S
CH4 + H2O kracking ------- 3H2 + CO
3H2 +CO + H2O --------- CO2 + 4H2

• Proses gasifikasi hidrogenasi batubara
Konversi Kracking
CO
2C
CO2
3H2
H2O
Hidrogenasi
Pembersihan
2CH4
2C
H2S
H2S + Abu
CH4
CH4
H2O
4H2
S

Gasifikasi batubara  Pembuatan gas Methan dengan siklus
kombinasi gasifikasi batubara (uap &
hidrogenasi)
• Dalam proses ini proses uap dan proses hidrogenasi digabung. Dari segi
operasi lebih ekonomis.
2C + 2S + 4H2 -------- C + CH4 + H2S + abu
2C + S + 2H2O ------- H2 + 2CO + H2S
H2 +CO + H2O --------- CO2 + 2H2

• Proses gasifikasi kombinasi batubara (uap & hidrogenasi)
Gasifikasi Konversi
CO
CO2
3H2
H2O
Hidrogenasi
Pembersihan
2CH4
2C H2S
H2S + Abu
CH4
CH4
H2O
C
S
S
2H2
H2
H2S
H2S + Abu

Pemanfaatan gas methan hasil Gasifikasi batubara
• Sebagai gas dengan nilai kalor tinggi dapat digunakan sebagai gas buatan
(synthetic natural gas SNG) atau bahan bakar buatan, misalnya methanol.
• Sebagai gas dengan nilai kalor menengah atau rendah untuk keperluan
industri atau pembangkit listrik
• Pembuatan gas methan dengan nilai kalor rendah untuk pembangkit listrik
dapat digabungkan dengan instalasi pembangkit listrik itu sendiri
• Dalam proses gasifikasi batubara untuk pembangkit listrik, gas methan
yang dihasilkan diperoleh dari batubara yang dialiri udara. Gas yang
dihasilkan dibersihkan dahulu, selanjutnya dilewatkan kompresor untuk
dimasukkan ke boiler sebagai bahan bakar
• Panas yang terjadi pada instalasi gasifikasi dapat juga digunakan untuk
menghasilkan uap air dengan memasang pipa boiler didalamnya. Sehingga
generator gas berfungsi juga sebagai generator uap.
• Dengan cara seperti ini efisiensi pembangkit menjadi lebih tinggi.
• Efisiensi dapat ditingkatkan bilamana gas yang dihasilkan selain digunakan
untuk boiler juga untuk memutar turbin gas (combine cycle)

Gasifikasi batubara bawah tanah (in-situ gasification)
• Proses gasifikasi dilakukan langsung di tambang Batubara.
• Teknologi ini sudah digunakan sejak 1868, terutama di Rusia,
Inggris dan Amerika.
• Dalam teknologi ini digunakan dua macam sumur yaitu sumur
injeksi dan sumur produksi. Sumur injeksi diletakkan hingga
lapisan terbawah batubara sedang sumur produksi di lapisan
atasnya.
• Gas methan yang dihasilkan adalah merupakan gas dengan
kalori rendah yang digunakan untuk pembangkit listrik.

Pencairan batubara (coal liquifaction)
• Batubara mengandung berbagai bahan kimia (S,N,O) dan air.
• Rasio hidrogen : carbon dalam batubara adalah 0,8 sedangkan pada
minyak bumi 2 dan pada gas alam 4. sehingga dalam proses
pencairan batubara perlu peningkatan jumlah hidrogen.
• Absorbsi hidrogen oleh batubara juga perlu penyisihan unsur-unsur
lain menjadi sulfida, amonia dan air yang juga memerlukan
peningkatan pemakaian hirogen
• Secara garus besar terdapat 4 kelompok proses pen cairan batubara
:
• Pirolisa (cracking termal batubara)
• Hidorgenasi langsung
• Ekstraksi batubara
• Metode sistesis

Pencairan batubara (coal liquifaction)  Pirolisa
• Merupakan cara pencairan batubara paling sederhana sejak satu
abad yg lalu
• Dalam proses ini batubara mengalami cracking untuk menghasilkan
gas, minyak dan kokas
Pencairan batubara (coal liquifaction)  Hidrogenasi langsung
• Pada proses ini batubara mula-mula digiling, kemudian mengalami
hidrogenasi katalitik pada suhu dan tekanan yang tinggi.
• Proses hidrogenasi menghasilkan produk cair yang rendah kadar
sulfurnya yang menyerupai minyak bakar berat.
• Untuk menghasilkan jenis minyak lain yang lebih ringan dapat
dilakukan dengan proses penyulingan biasa

Pencairan batubara (coal liquifaction)  Ekstraksi batubara
• Ekstraksi batubara dilakukan dengan bantuan solvent donor H, yang
juga bertindak sebagai minyka sluri bagi batubara yang dihancurkan
• Suhu yang diprlukan untuk konversi adalah 400 oc dengan tekanan
hingga 100 bar
• Produk yang dihasilkan bebas abu serta dengan kandungan sulfur
rendah, namun bentuk cairnya hanya terjadi pada suhu 150 – 200
oC
Pencairan batubara (coal liquifaction)  Metode sintesis
• Merupakan metoda yang dikembangkan di Jerman sejak tahun
1920, namun akhirnya ditutup karena produknya tidak bisa bersaing
dengan harga minyak bumi
• Proses sintesis dilakukan dengan menggunakan katalis dalam
sebuah reakor bertekanan atmosfir.

Pembriketan batubara
• Komsumen batubara pada umumnya perusahaan listrik atau
industri-industri besar.
• Sebenarnya masih ada konsumen lain seperti rumah
tangga, industri batu bata dan industri kecil lainnya, yang
membutuhkan batubara dalam bentuk yang mudah dipakai
dan ditransportasikan.
• Konsumen tersbut dapat dilayani dengan proses pmbriketan
batubara
• Terdapat 3 teknologi pembriketan batubara :
• Teknologi tanpa karbonasi
• Teknologi dengan karbonasi
• Teknologi kombinasi (antara)

Pembriketan batubara  tanpa karbonasi
• Digunakan batubara jenis antrasit dengan sedikit preparasi, denga proses
pada tekanan s/d 400 kg/cm2.
• Bila digunakan batubara jenis uap (steam coal) perlu dicampur dengan
biomas seperti serbuk gergaji, ampas tebu atau sekam padi. Namun untuk
ini diperlukan proses dengan tekanan tinggi s/d 25000 kg/cm2
Pembriketan batubara  dengan karbonasi
• Batubara langsung dicetak menjadi briket kemudian di karbonasi dan
dibutuhkan tekanan s/d 2000 kg/cm2
• Cara kedua, batubara di karbonasi dulu sebelum dilakukan
pembriketan, tekanan yang diperlukan s/d 400 kg/cm2
Pembriketan batubara  teknologi kombinasi
• Karbonasinhanya dilakukan terhadap sebagian batubara, yaitu hanya
bagian permukaan yang sdh menjadi briket.
• Masih terdapat komponen zat terbang dibagian dalam briket namun tidak
akan menjadi abu karena akan cepat terbakar sempurna

Peningkatan nilai kalor batubara muda (upgraded brown
coal)
• Batubara yang terdapat di Indonesia sebagian besar adalah
jenis batubara muda (brown coal) atau lignite dengan nilai
kalor rendah sekitar 4000 kcal/kg, karena moisture content
yang tinggi hingga 40 % atau lebih.
• Batubara jenis ini tidak dapat dikirimkan keluar dan harus
digunakan didekat tambang, hal ini dilakukan dengan
membakarnya pada pembangkit listrik didekat mulut tambang
yang dikenal dengan PLTU Mulut Tambang.
• Mutu batubara muda ini dapat ditingkatkan sehingga dapat
ditransportasikan karena moisture contentnya dapat
diturunkan hingga 1% dan nilai kalornya dapat ditingkatkan
hingga 6000 kcal/kg

Penghalusan Pemisahan
minyak
Pemisahan
air
aspal
Bbara
Air buangan Bahan buangan lain
Batubata
Calori
tinggi
muda
Pembuatan
sluri
minyak

Energy Ventures Analysis Inc
Clean Coal Technologies
• Generation Technologies
• Environmental Control Technologies

Clean Coal Generation Technologies
• Pulverized Coal
• Fluid Bed Combustion
• Integrated Coal Gasification Combined Cycle

Pulverized Coal Accounts for Most of the
92,033 MW Announced New Clean Coal
Projects
64%
14%
19%
3%
PC
CFB
IGCC
Unknown
150 Projects as of 10/06

Clean Coal
Pulverized Coal Combustion
• Dominate coal generation technology
• Two types: subcritical & supercritical
• Most energy efficient coal technology in US today
• 84 announced new coal projects– Low technology risk,
competitive cost
– 40 Supercritical projects (31,420 MW)-Weston#4, Elm Road #1-2
– 20 Subcritical projects (10,252 MW)- Columbia Energy
• Advancements in materials, controls and temperature mixing
led to improved performance and reliability

PULVERIZED COAL BOILER LAYOUT
Source: Supercritical Boiler Technology Matures Richardson et al 2004 (Hatachi)

Subcritical vs. Supercritical
Subcritical Supercritical
Heatrate Efficiency 34-37% HHV 36-44% HHV
Boiler Capital Cost Base 0-9% Higher
Plant Capital Cost Base 1-6% Higher
Non-Fuel O&M Base 0-2% Higher
Fuel Cost Base Lower
Controlled Emissions Base Lower- Higher
Efficiency
US Operating Units 1,338 Units 117 Units
Source: Supercritical Plant Overview
Ron Ott, Black & Veatch 2/04

Pulverized Coal Technology
Conditions Net Energy
Efficiency
Heatrate
HHV
Subcritical 2,400 psig 35% 9,751 Btu/kWh
Supercritical 3,500 psig 37% 9,300 Btu/kWh
Advanced
Supercritical
->4,710 psig 42% 8,126 Btu/kWh
Ultra-
Supercritical
5,500 psig 44% 7,757 Btu/kWh
Source: Supercritical Plant Overview
Ron Ott, Black & Veatch 2/04

Fluid Bed Combustion
Source: US DOE

Fluid Bed Combustion
• Conventional technology
– 104 Boilers-8,900 MW in operation
– 33 Projects- 12,897 MW of announced projects-
including Mantiwoc and Nelson Dewey
– Up to 320 MW size range offered
• Greater fuel flexibility–(waste coals, pet coke,
fuels,..)
• Lower heatrate efficiency vs. pulverized coal
• Inherent low NOx rates from lower combustion
temperatures (0.370.07#NOx/MMBtu)

Fluid Bed Combustion Technology
Changes
• Fluid Bed Size
– Boiler size designs have been expanding increasing unit
output (up to 320 MW)
• Improved sulfur capture performance
– Improved mixing to lower Ca:S ratios and increased bed
capture rate (up to 97%)
– Some designs added FGD controls to further decrease
emissions (0.13-0.15#SO2/MMBtu)
• Increase steam cycle pressure

Fluid Bed Combustion Technology Sizes Have
Been Increasing
1981 Great Lakes
1986 Scott Paper 1x65MW
1987 Ultrasystems 15-43MW
1988 Shawnee (Repower) 1x150 MW
1989 Thames/Shady Point 75 MW
1990 TNP One 2x155 MW
1993 Warrior Run 210 MW
1996 Provence, KEPCO 220-250MW
1998 Red Hills 2x250 MW
2001 Enel 320 MW

What Is Gasification?
Conversion of any carbonaceous fuel to a gaseous
product with a useable heating value.
The feed for Gasification can be
Gas (e.g., Natural gas)
Liquid (e.g., Light or Heavy oils)
Solid (e.g., Petroleum Coke, Coal, Lignite or
Biomass).

Combustion v/s Gasification
Combustion Gasification
Operating temperature Lower Higher
Operating pressure Usually atmospheric Often high pressure
Ash condition Often dry Often slagging
Feed gases Air Steam, oxygen
Product gases CO2, H2O CO, H2, CH4, CO2, H2O
Gas cleanup Postscrubbing Intermediate scrubbing
Pollutants SO2, NO2 H2S, HCN, NH3, COS
Char reaction rate Fast (with O2) Slow (with CO2, H2O)
Oxidizer In excess (Oxidizing) Deficient (Reducing)
Tar production None Sometimes
Purpose High-temperature gas Fuel-rich gas

Types of Gasifiers
1) Moving/Fixed bed e.g., Lurgi
Counter-current
Co-current
2) Fluidized bed e.g., Winkler/KBR/U-GAS
3) Entrained flow
Dry pulverized solid fuel e.g., Shell/Prenflo/Siemens
Fuel slurry e.g., GE/Conoco-Philips
Atomized liquid fuel e.g., GE/Shell

Types of Gasifier
Coal (3-30 mm)
Gas
Fly Ash
Steam +Air / O2
Steam + O2
Coal (0.1 mm)
Gas
Coal (0.1 mm)
Steam + O2
Slag
Gas
Coal (1-5 mm)
Fly Ash
Moving Bed
(400-1,1000
C, 10-100 bar) Fluidised
(800-1,0500
C, 10-25 bar)
Entrained
(1,200-1,6000
C, 25-40 bar)
Steam +Air / O2

Temperature Profile of Gasifiers
FLUIDIZED BED GASIFIER
(800 – 10500C, 10 to 25 bar)
MOVING BED GASIFIER
(400-1100 0 C, 10 to 100 bar)
ENTRAINED FLOW GASIFIER
(1200-16000C, 25 to 80 bar)

Integrated Gasification Combined Cycle
• 117 plants with 385 Gasifiers in operation in 2004. These
facilities produce mostly chemicals (37%), gas (36%) or power
(19%)
• Multiple Gasification process technologies
– Entrained flow (Shell, GE (Texaco)- Polk Co, Conoco-Phillips
(Dow/Destec)- Wabash River)
– Fixed bed (Lurgi, EPIC)- Dakota Gasification Corp
– Fluidized bed (Southern Co- Staunton, KRW-Pinon Pine)
• Current IGCC power technology applications focus on producing
CO rich syngas that can be burned in turbines.
• Future IGCC technologies maybe developed to produce
hydrogen rich syngas with maximum carbon capture (aka “zero
emission” IGCC).
• 27 Proposed IGCC power projects—17,296 MW
Including Elm Road #3

IGCC Overview

Sde tm6

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (20)

Similar to Sde tm6

Similar to Sde tm6 (20)

Sde tm6