Available via license: CC BY-SA 4.0
Content may be subject to copyright.
JURNAL PERANCANGAN, MANUFAKTUR, MATERIAL, DAN
ENERGI (JURNAL PERMADI)
ISSN 1570009926
184
Vol. 4., No. 3, September 2022, pp. 184 – 190
https://permadi.nusaputra.ac.id/index
Odi Akhyarsi
Universitas Nusa Putra, Jl. Raya Cibolang No.21, Kabupaten Sukabumi, 43152
E-mail: odi.akhyarsi@nusaputra.ac.id
ABSTRACT
This study analyzes the case of wall layer damage in the bullnose area of a cement plant's
grate cooler, proposes alternative design modifications, and evaluates the design alternatives.
The case analysis and design evaluations were conducted using Computational Fluid Dynamics
(CFD) approach. The results for the actual grate cooler indicate that the air flow temperature
around the bullnose surface is very high, approximately 1500K, and the bullnose surface is
exposed to air flow with a velocity of 4-5 m/s. The combination of high flow temperature and
velocity is suspected to be the cause of erosion on the grate cooler wall surface. Two design
alternatives were proposed and considered: Design A, where the right-angle forming the
bullnose is eliminated, and Design B, where the bullnose position is shifted back by 13 meters
and tertiary air channel are integrated with the kiln hood. Design A was found to reduce the air
flow temperature around the bullnose surface by 100K. The best results were obtained with
Design B, where the air flow temperature around the bullnose surface could be significantly
reduced by approximately 400K, to 1000K. In both designs, the air velocity near the bullnose
could be lowered to 2-4 m/s. This study recommends Design B as a solution to prevent recurring
damage to the wall layer in the bullnose area of the grate cooler.
KEYWORDS
Keywords: CFD; analysis; grate
cooler, modification; design..
ABSTRAK
Studi ini menganalisis kasus kerusakan lapisan dinding di area bullnose sebuah grate
cooler pabrik semen, mengusulkan alternatif modifikasi desain, dan mengevaluasi alternatif
modifikasi desain tersebut. Analisis kasus dan evaluasi desain tersebut dilakukan dengan
pendekatan Computational Fluid Dynamics (CFD). Hasil studi untuk grate cooler aktual
mengindikasikan bahwa temperatur aliran udara di sekitar permukaan bullnose sangat tinggi,
yaitu sekitar 1500K, dan permukaan bullnose dilewati oleh udara dengan kecepatan 4-5 m/s.
Kombinasi temperatur dan kecepatan aliran udara tinggi ini diduga menjadi penyebab
terjadinya erosi terhadap permukaan dinding grate cooler. Terdapat dua alternatif desain yang
diusulkan dan dipertimbangkan, yaitu desain A dimana sudut siku yang membentuk bullnose
dihilangkan dan desain B dimana posisi bullnose dimundurkan sejauh 13 meter dan saluran
udara tersier digabungkan dengan kiln hood. Desain A ditemukan dapat mengurangi
temperatur udara di sekitar permukaan bullnose sebesar 100K. Hasil terbaik diperoleh dengan
desain B, dimana temperatur udara di sekitar permukaan bullnose dapat dikurangi secara
signifikan, sekitar 400K, menjadi 1000K. Pada kedua desain, kecepatan udara yang melewati
bullnose dapat diturunkan menjadi 2-4 m/s. Studi ini merekomendasikan Desain B sebagai
solusi untuk mencegah kerusakan berulang lapisan di area bullnose pada grate cooler.
KEYWORDS
Kata kunci: CFD; analisis; grate
cooler; modifikasi; desain.
This is an open-access article under the CC–BY-SA license
1. Pendahuluan
Grate cooler adalah salah satu perangkat penting dalam produksi semen, yang berfungsi untuk
mendinginkan klinker panas yang keluar dari kiln, dengan temperatur sekitar 1400oC, menjadi sekitar
200oC. Grate cooler biasanya beroperasi secara terus menerus selama proses produksi. Kinerja yang
optimal pada grate cooler penting untuk menjaga kontinuitas produksi dan kualitas produk semen yang
dihasilkan. Informasi dari sejumlah pabrik semen mengindikasikan bahwa terdapat beberapa kerusakan
yang sering terjadi pada grate cooler, yang diantaranya adalah kerusakan pada lapisan dinding di area
bullnose yang merupakan material pelindung panas dengan nilai ekonomi tinggi. Kerusakan tersebut
mengganggu dan bahkan mengakibatkan berhentinya proses produksi.
JURNAL PERANCANGAN, MANUFAKTUR, MATERIAL, DAN
ENERGI (JURNAL PERMADI)
ISSN 1570009926
185
Vol. 4., No. 3, September 2022, pp. 184 – 190
https://permadi.nusaputra.ac.id/index
Penelitian mengenai grate cooler sudah banyak dilakukan, terutama mengenai proses pendinginan
[1] dan analisis energi dan emisinya secara umum [2,3]. Namun, studi yang mendalam mengenai kasus-
kasus aktual kerusakan grate cooler, apalagi kasus aktual di Indonesia, sangat sulit ditemukan dan oleh
karenanya perlu untuk dilakukan. Hasil-hasil studi tersebut diharapkan dapat menemukan penyebab
terjadinya kerusakan dan dapat menjadi dasar untuk modifikasi desain. Masalah berikutnya adalah studi
yang melibatkan pengukuran parameter-parameter fisik secara in-situ di dalam grate cooler pada
kondisi operasinya sangat sulit dilakukan. Kesulitan tersebut diantaranya adalah karena kondisi yang
ekstrim di dalam grate cooler dan proses pengukuran dapat mengganggu proses dan jadwal produksi.
Pendekatan yang lebih feasible untuk mempelajari kasus kerusakan grate cooler adalah melalui
simulasi numerik, yaitu dengan Computational Fluid Dynamics (CFD).
CFD adalah proses pemodelan fenomena fisik sistem-sistem yang melibatkan aliran fluida [4] dan
perpindahan panas, dengan berdasarkan persamaan Navier-Stokes, yang kemudian diselesaikan secara
numerik menggunakan bantuan komputer berspesifikasi tinggi. CFD telah menjadi alat bantu untuk
penelitian dan pengembangan di dunia akademik maupun industri [5,6], tidak terkecuali pada pabrik
semen. CFD dipercaya dapat menjadi alat bantu dalam memahami perilaku aliran fluida dan distribusi
panas di dalam grate cooler secara lebih baik serta mensimulasikan perubahan perilaku aliran fluida
dan distribusi temperatur untuk desain grate cooler yang dimodifikasi.
Penelitian ini menganalisis kasus kerusakan lapisan dinding di area bullnose sebuah grate cooler
pabrik semen, mengusulkan alternatif modifikasi desain, serta mengevaluasi alternatif modifikasi
desain tersebut. Analisis kasus dan evaluasi desain tersebut dilakukan dengan memanfaatkan CFD.
2. Metodologi
Objek penelitian ini adalah sebuah grate cooler aktual yang terpasang di salah satu pabrik
semen di Indonesia. Data geometri dan kondisi operasi dikumpulkan selengkap mungkin dari lembar
spesifikasi, laporan, dan pengukuran lapangan, yang kemudian direpresentasikan menjadi model 3
dimensi (seperti terlihat pada Gambar 1) dan tabel kondisi operasi (lihat Tabel 1). Grate cooler tersebut
terdiri dari inlet tempat masuknya klinker bertemperatur tinggi (bagian kiri di Gambar 1), grate yang
bergerak membawa klinker dan dialiri aliran udara dingin dari rangkaian kipas berkapasitas besar di
bawahnya, saluran dan outlet udara sekunder, saluran dan outlet udara tersier, saluran dan outlet udara
panas, saluran dan outlet udara berlebih, serta outlet klinker.
Gambar 1. Model geometri grate cooler pabrik semen
Tabel 1. Kondisi operasi grate cooler pabrik semen aktual
JURNAL PERANCANGAN, MANUFAKTUR, MATERIAL, DAN
ENERGI (JURNAL PERMADI)
ISSN 1570009926
186
Vol. 4., No. 3, September 2022, pp. 184 – 190
https://permadi.nusaputra.ac.id/index
No
Parameter
Nilai
1
Temperatur klinker di inlet
1450oC
2
Debit klinker
353 ton/jam
3
Massa jenis klinker
1190 kg/m3
4
Ketebalan klinker
70 cm
5
Lebar grate
4,95 m
6
Rasio debit udara sekunder : udara tersier : udara berlebih
15% : 25% : 60%
7
Debit udara dari bawah grate
214 m3/s
8
Temperatur udara masuk dari bawah grate
35oC
Klinker panas hasil pembakaran di kiln memasuki grate-cooler dengan temperatur 1450oC dan debit
353 ton per jam. Klinker dengan massa jenis 1190 kg/m3 tersebut kemudian membentuk lapisan dengan
ketebalan kurang lebih 70 cm dan lebar 4,95 m. Untuk pendinginan, udara dengan temperatur 35oC
dihembuskan dengan debit 214 m3/s. Rasio debit udara pada outlet udara sekunder : outlet udara tersier
: outlet udara berlebih adalah 15% : 25% : 60%.
Model geometri dan kondisi operasi di atas digunakan lebih lanjut untuk pemodelan CFD, yang
dilakukan menggunakan Openfoam. Openfoam [7,8] merupakan perangkat lunak CFD berbasis open
source yang banyak digunakan di dunia industri dan akademik untuk pemodelan fenomena-fenomena
mekanika fluida dan perpindahan panas. Perangkat keras yang digunakan dalam studi ini adalah sebuah
server komputasi dengan 2 buah prosesor 6 inti 2,2 GHz dan total memori sebesar 48 GB.
Model geometri diproses untuk pembuatan domain komputasi beserta mesh-nya. Gambar 2
menunjukkan domain komputasi tiga dimensi beserta mesh komputasi pada penampang melintang grate
cooler. Untuk menjaga konvergensi dan keakuratan hasil komputasi, mesh di bagian grate dibuat
memiliki resolusi tinggi. Data-data kondisi operasi digunakan sebagai referensi dalam penentuan dan
pengaturan sejumlah kondisi batas dan kondisi awal simulasi. Persamaan Navier-Stokes diselesaikan
menggunakan solver yang dimiliki oleh Openfoam berdasarkan domain, mesh, kondisi batas, kondisi
awal, model turbulen, dan metode numerik yang ditentukan.
Gambar 2. Domain komputasi 3 dimensi (abu-abu) dan mesh pada penampang melintang grate cooler (biru tua)
Validitas dan akurasi domain, mesh, kondisi batas, kondisi awal, model turbulen, dan metode
numerik tersebut diuji dengan membandingkan hasil simulasi dengan data lapangan, dimana
diantaranya terkonfirmasi bahwa perbedaan tekanan antara area kiln hood dengan outlet udara berlebih
hasil simulasi sesuai dengan hasil pengukuran di lapangan, yaitu 150 Pa. Profil tekanan, kecepatan
udara, dan temperatur di dalam grate cooler juga mengindikasikan kondisi yang realistis. Simulasi
dijalankan sampai mencapai kondisi konvergen dan hasilnya kemudian diekstrak untuk mendapatkan
distribusi kecepatan aliran dan distribusi temperatur di dalam grate cooler. Distribusi-distribusi tersebut
kemudian dijadikan sebagai rujukan menemukan fenomena yang mengakibatkan kerusakan lapisan
dinding di area bullnose dan sekaligus rujukan dalam mengusulkan modifikasi desain untuk mengurangi
resiko kerusakan serupa di kemudian hari.
3. Hasil dan pembahasan
3.1 Hasil Simulasi Grate Cooler Aktual
JURNAL PERANCANGAN, MANUFAKTUR, MATERIAL, DAN
ENERGI (JURNAL PERMADI)
ISSN 1570009926
187
Vol. 4., No. 3, September 2022, pp. 184 – 190
https://permadi.nusaputra.ac.id/index
Gambar 3 menunjukkan hasil analisis CFD berupa distribusi temperatur udara di sekitar permukaan
dalam grate cooler dilihat dari arah inlet klinker dan distribusi temperatur udara pada penampang
melintang grate cooler beserta profil kecepatan udaranya. Hasil ini mengindikasikan bahwa temperatur
udara di sekitar permukaan bullnose sangat tinggi (1500K), direpresentasikan dengan warna jingga.
Profil kecepatan udara mengindikasikan bahwa permukaan bullnose dilewati oleh udara dari arah
bawah, dengan kecepatan 4-5 m/s. Kombinasi tingginya temperatur dan kecepatan udara di sekitar
bullnose diduga menjadi penyebab terjadinya erosi terhadap lapisan dinding di area tersebut.
Gambar 3. Distribusi temperatur udara di sekitar permukaan dalam grate cooler dilihat dari arah inlet klinker (atas) dan
distribusi temperatur udara pada penampang melintang grate cooler beserta profil kecepatan udaranya (bawah).
Hal tambahan yang dapat ditunjukkan oleh distribusi temperatur di Gambar 3 adalah bahwa
semakin ke hilir temperatur akan semakin rendah, sesuai dengan kondisi aktual yang wajar. Profil
kecepatan udara di Gambar 3 menunjukkan bahwa separasi antara udara yang mengalir menuju ke kiln
dan udara yang menuju ke outlet udara tersier terjadi di area di bawah bullnose, sedangkan separasi
antara udara yang mengalir menuju outlet udara tersier dan outlet udara berlebih terjadi di area bawah
bagian ujung belakang outlet udara tersier.
3.2 Desain Modifikasi Geometri Grate-Cooler
Dengan indikasi bahwa penyebab terjadinya erosi terhadap lapisan dinding di area bullnose pada
grate cooler aktual adalah temperatur dan kecepatan udara tinggi, maka perlu diusulkan alternatif
solusinya. Solusi yang diusulkan melalui studi ini adalah dengan memodifikasi geometri grate cooler
aktual sedemikian rupa agar penyebab-penyebab yang disebut di atas bisa diminimalisasi. Terdapat 2
usulan modifikasi geometri, yang dinamakan Desain Modifikasi A (atau disingkat Desain A) dan
Desain Modifikasi B (Desain B), untuk dievaluasi lebih lanjut dan kemudian ditentukan desain mana
yang paling baik untuk direkomendasikan.
JURNAL PERANCANGAN, MANUFAKTUR, MATERIAL, DAN
ENERGI (JURNAL PERMADI)
ISSN 1570009926
188
Vol. 4., No. 3, September 2022, pp. 184 – 190
https://permadi.nusaputra.ac.id/index
Pada Desain A, bentuk bullnose diubah sedemikian rupa sehingga sudut siku bullnose dihilangkan
dengan cara membuat geometri berbentuk diagonal, seperti terlihat di Gambar 4 sebelah kiri. Hipotesis
dari desain ini adalah penghilangan siku tersebut diharapkan dapat mengurangi luas bidang yang
berjarak dekat dengan klinker panas di bagian hulu grate cooler dan aliran udara yang menuju kiln
menjadi lebih streamline dan tidak lagi menumbuk bullnose.
Hal yang diusulkan melalui Desain B adalah lokasi bullnose dimundurkan sampai ke posisi dimana
klinker pada grate cooler aktual memiliki temperatur sekitar 1050K, yaitu posisi dengan jarak 13 meter
dari ujung kiln, dan outlet udara tersier dipindahkan menjadi bergabung dengan kiln hood (lihat Gambar
4 sebelah kanan). Hipotesis dari desain ini adalah ketinggian atap di atas klinker panas pada bagian hulu
grate cooler menjadi maksimum dan bullnose berada di area bertemperatur dan berkecepatan udara
relatif rendah.
Simulasi CFD dilakukan terhadap kedua desain di atas dengan menggunakan data kondisi operasi,
kondisi batas, kondisi awal, model turbulen, dan metode numerik yang konsisten dengan yang
digunakan pada simulasi grate cooler aktual.
Gambar 4. Desain modifikasi A dimana bentuk bullnose diubah (kiri) dan desain modifikasi B dimana lokasi bullnose
dimundurkan dan outlet udara tersier dipindah dan digabung dengan kiln hood
3.3 Hasil Simulasi Grate Cooler Desain Modifikasi A
Gambar 5 menunjukkan hasil analisis CFD berupa distribusi temperatur dan kecepatan udara pada
penampang melintang grate cooler Desain Modifikasi A. Distribusi temperatur menunjukkan bahwa
temperatur udara di sekitar daerah bullnose adalah 1400 K, atau 100K lebih rendah disbanding kondisi
di grate cooler aktual. Kecepatan udara di daerah bullnose menjadi relatif lebih rendah, yaitu sekitar 2-
4 m/s. Hasil-hasil ini mengindikasikan bahwa potensi erosi bisa sedikit dikurangi dengan Desain A.
Gambar 5. Distribusi temperatur udara (kiri) dan kecepatan udara (kanan) untuk Desain Modifikasi A
JURNAL PERANCANGAN, MANUFAKTUR, MATERIAL, DAN
ENERGI (JURNAL PERMADI)
ISSN 1570009926
189
Vol. 4., No. 3, September 2022, pp. 184 – 190
https://permadi.nusaputra.ac.id/index
Gambar 6. Distribusi temperatur udara (kiri) dan kecepatan udara (kanan) untuk Desain Modifikasi B beserta profil vektor
kecepatan udara
3.4 Hasil Simulasi Grate Cooler Desain Modifikasi B
Hasil simulasi CFD Desain B yang diperlihatkan melalui Gambar 6 mengindikasikan bahwa
temperatur udara di daerah bullnose menjadi cukup rendah (1000K), dengan kecepatan udara di daerah
bullnose juga relatif rendah, yaitu sekitar 2-4 m/s. Kondisi ini dinilai sangat baik dan lebih optimal
dibandingkan hasil Desain A dalam menurunkan potensi erosi pada lapisan dinding di area bullnose.
Dengan demikian, modifikasi B (lokasi bullnose berada 13 meter dari ujung kiln dan outlet udara tersier
dipindahkan ke kiln hood) direkomendasikan sebagai solusi untuk mencegah kerusakan berulang
lapisan dinding di area bullnose pada grate cooler.
Pabrik semen pemilik dan operator grate cooler objek penelitian ini diharapkan dapat
menindaklanjuti dan mengimplementasikan Desain B dan melakukan rangkaian studi lanjutan untuk
mengevaluasi keefektifan dan keandalannya. Modifikasi Desain B juga dinilai dapat lebih optimal jika
disertai dengan peningkatan debit udara pendingin di bagian hulu grate cooler. Evaluasi peningkatan
debit udara pendingin grate cooler ini juga menarik untuk dijadikan sebagai studi berikutnya.
4. Kesimpulan
Penelitian ini berhasil menganalisis fenomena fisik yang terjadi di dalam sebuah grate cooler
pabrik semen menggunakan pendekatan Computational Fluid Dynamics (CFD), dalam kaitannya
dengan kasus kerusakan lapisan dinding di area bullnose pada grate cooler. Hasil simulasi
mengindikasikan bahwa temperatur udara di sekitar permukaan bullnose sangat tinggi, yaitu 1500K,
dan permukaan bullnose dilewati oleh udara dari arah bawah dengan kecepatan 4-5 m/s. Kombinasi
tingginya temperatur dan kecepatan udara tersebut diduga menjadi penyebab terjadinya erosi terhadap
lapisan dinding di area bullnose. Dalam upaya meminimalisasi terjadinya kondisi temperatur dan
kecepatan udara yang tinggi tersebut, dan mencegah terjadinya kerusakan lapisan dinding di area
bullnose, studi ini mengusulkan dua modifikasi desain. Pada Desain A, bentuk bullnose dihilangkan,
sedangkan pada Desain B posisi bullnose dimundurkan ke arah hilir grate cooler serta outlet udara
tersier diintegrasikan dengan kiln hood. Hasil evaluasi menyimpulkan bahwa walau Desain A dapat
mengurangi temperatur udara di sekitar permukaan bullnose sebesar 100K, hasil terbaik diperoleh
dengan desain B, dimana temperatur udara di sekitar permukaan bullnose dapat dikurangi secara
signifikan menjadi 1000K. Kecepatan udara yang melewati bullnose juga dapat diturunkan menjadi 2-
4 m/s. Studi ini merekomendasikan Desain B sebagai solusi untuk mencegah kerusakan berulang
lapisan di area bullnose pada grate cooler.
Referensi
[1] Wei Shao, Zheng Cui, Xiao-teng Ma, “Experimental research on cement grate cooler system and
numerical simulation of its clinker cooling process”, Applied Thermal Engineering, Volume 181, 2020.
JURNAL PERANCANGAN, MANUFAKTUR, MATERIAL, DAN
ENERGI (JURNAL PERMADI)
ISSN 1570009926
190
Vol. 4., No. 3, September 2022, pp. 184 – 190
https://permadi.nusaputra.ac.id/index
[2] T. J. B. Taweel et al., “Energy and Exergy Analysis of Clinker Cooler in the Cement Industry, IOP
Conference Series: Materials Science and Engineering”, Volume 463, Issue 3, 2018.
[3] Adem Atmaca and Recep Yumrutas, “The effects of grate clinker cooler on specific energy
consumption and emissions of a rotary kiln in cement industry”, International Journal of Exergy, Vol.
18, No. 3, 2015.
[4] Howard H. Hu, “Chapter 10 - Computational Fluid Dynamics, Fluid Mechanics (Fifth Edition),
Academic Press, 2012
[5] Odi Akhyarsi et al., “Characteristics of Gaseous and Liquid Fuel Combustion in Laboratory-scale
Furnaces”, Journal of Environment and Engineering 5 (1), 157-167, 2010.
[6] W. F. Lima and R. Huebner, “Optimization of Air Distribution in a Baghouse Filter Using
Computational Fluid Dynamics”, Eng. Technol. Appl. Sci. Res., vol. 9, no. 4, pp. 4452–4456, 2019.
[7] Beaudoin, M. and Jasak, H., “Development of a generalized grid interface for turbomachinery
simulations with OpenFOAM”, Open Source CFD International Conference, 2008.
[8] Hrvoje Jasak, “OpenFOAM: Open source CFD in research and industry”, International Journal of
Naval Architecture and Ocean Engineering, Volume 1, Issue 2, 2009.
