Bab 4 Perancangan dan Pembuatan Pembakar (Burner) Gasifikasi
4.1
Pertimbangan Awal Pembakar (burner) adalah alat yang digunakan untuk membakar gas hasil
gasifikasi. Di dalam pembakar (burner), gas dicampur dengan udara agar gas memperoleh oksigen untuk melakukan proses pembakaran. Hal ini menyebabkan ketika campuran gas dan udara tersebut dipantik (diberikan api), gas tersebut akan terbakar. Dalam perancangan sebuah pembakar (burner), pemasukan udara yang baik harus diperhatikan. Bukaan yang disediakan untuk pemasukkan udara harus mampu membuat udara pembakaran masuk dalam jumlah yang berlebih untuk memastikan semua gas terbakar habis. Selain itu, gas hasil gasifikasi harus dapat tercampur dengan baik di dalam pembakar (burner) agar dapat tercapai pembakaran sempurna. Hal ini dapat dilakukan dengan memperhatikan letak pemasukan udara. Sebagai bahan perbandingan awal dan pertimbangan awal masukan untuk data rancangan pembakar (burner) yang baru, digunakan pembakar (burner) milik Willy Adriansyah sebagai pembakar (burner) acuan. Seperti yang terlihat pada gambar 4.1, pembakar (burner) dirancang cukup panjang yaitu 400 mm dengan diameter 95 mm. Pembakar (burner) dibuat panjang agar diperoleh waktu yang cukup bagi gas untuk bercampur dengan udara pembakaran. Perancangan pembakar (burner) yang baru akan dilakukan dengan memakai bantuan perangkat lunak FLUENT 6.2 untuk memudahkan dalam perancangan. Selain itu, terlebih dahulu dilakukan beberapa kali percobaan proses pembakaran gasifikasi sekam padi menggunakan pembakar (burner) gasifikasi sekam padi milik Willy Adriansyah. Kemudian pembakar (burner) gasifikasi sekam padi yang sudah ada tersebut dianalisa kembali dengan menggunakan perangkat lunak FLUENT.
35
Kekurangan dan kelebihan dari pembakar (burner) milik Willy Adriansyah dipakai sebagai bahan dasar perbandingan dan masukan untuk data perancangan pembakar (burner) yang baru. Pada perancangan pembakar (burner) yang baru, akan diperhatikan untuk membuat gas dan udara berada dalam keadaan turbulen sehingga akan benar-benar terbentuk campuran gas dan udara. Pembuatan aliran turbulen ini akan dilakukan dengan perancangan sistem saluran masuk udara dan gas yang berbeda. Selain itu, pembuatan aliran turbulen dapat juga dilakukan dengan menggunakan bantuan swirler. Selain itu, pembakar (burner) akan dirancang menjadi lebih panjang agar aliran dapat menjadi turbulen sempurna sehingga diharapkan proses pencampuran oksigen dan bahan bakar yang terjadi akan lebih baik.
4.2
Data-Data Acuan
4.2.1 Data Reaktor Gasifikasi Pengujian terhadap reaktor gasifikasi yang akan dipakai telah dilakukan dengan menggunakan bahan bakar sekam padi. Data-data yang didapatkan dapat dilihat pada tabel 4.1.
4.2.2 Data Pembakar (Burner) Acuan Kedua pengujian yang dilakukan menggunakan pembakar (burner) yang sama, yaitu pembakar (burner) milik Willy Adriansyah. Pembakar (burner) tersebut memiliki bentuk dan ukuran seperti yang terdapat pada Gambar 4.1, sedangkan data hasil pengujian dapat dilihat pada tabel 4.1. Satuan yang digunakan dalam gambar 4.1 adalah mm. Bagian yang ditebalkan pada tabel 4.1 adalah yang akan dibandingkan dengan rancangan dari pembakar (burner) yang baru.
36
Gambar 4.1 Dimensi dari Pembakar (Burner) Acuan
Tabel 4.1 Data Hasil Gasifikasi Sekam Padi
Sifat Sekam Padi Massa jenis 0.7415 kg/m3 Viskositas kinematik 3.4372E-06 m2/s Kecepatan masuk gas 14 m/s Kecepatan udara masuk 3 m/s LHV gas 2532.6 kJ/kg Temperatur gas masuk 500 K Temperatur burner 900 K Fraksi Mol: CH4 0.020242 CO 0.160854 H2 0.05096 N2 0.578547 O2 0.021583 CO2 0.167814 Efisiensi burner 33 % Daya keluaran burner 8.348 kW Warna Api Biru Kemerah-merahan
37
4.3
Pemodelan
4.3.1 Pemodelan Pembakar (Burner) Acuan 4.3.1.1 Pemodelan dengan GAMBIT Pembakar (burner) acuan ini didesain dengan menggunakan GAMBIT dengan batas (boundary) seperti yang terdapat pada Gambar 4.2
Gambar 4.2 Rancangan pada GAMBIT dengan Tiap Batas
Sedangkan kondisi batas (boundary conditions) yang dipilih untuk masing-masing batas adalah: • Udara Masuk: Mass Flow Inlet, karena fluida kerja adalah zat kompresibel (udara) dengan laju aliran diketahui. • Gas Masuk: Mass Flow Inlet, karena fluida kerja adalah zat kompresibel (gas) dengan laju aliran diketahui.
38
• Keluaran: Pressure Outlet, karena yang diketahui hanyalah tekanan statik pada sisi keluaran. Setelah menentukan masing-masing kondisi batas, volume kemudian dilakukan mesh dengan metode top down, yaitu dengan langsung melakukan meshing volume. Meshing yang dilakukan adalah dalam bentuk Tet/Hybrid dengan interval size 4. Hasil meshing dapat dilihat pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3 Hasil Meshing
4.3.1.2 Pemodelan dengan FLUENT Setelah tiap-tiap kondisi batas didefiniskan, langkah selanjutnya adalah melakukan pemodelan pembakaran dengan FLUENT. Kondisi-kondisi yang perlu diperhatikan: • Aktifkan energy equation.
39
• Pilih model model turbulensi k – standar, karena aliran diasumsikan turbulen. • Pilih parameter solver segregated dengan keadaan waktu steady. • Model pembakaran yang dipilih adalah species transport dengan metode eddydissipation, karena merupakan pembakaran gas. Bila menggunakan composition PDF transport, komputer tidak akan mampu untuk memproses karena keterbatasan memori. • Pemilihan material (fluida). Untuk jenis species transport, pemilihan material akan tampak seperti pada gambar 4.4
Gambar 4.4 Tampilan Material untuk Species Transport
-
Pada bagian species, masukkan gas hasil gasifikasi, yaitu: CH4, CO, H2, H2O, O2, CO2 N2.
-
Pada bagian reaction, masukkan reaksi pembakaran yang akan terjadi, yaitu: 1. CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 2. CO + 0,5 O2 + 1,88 N2 CO2 + 1,88 N2 3. 2 H2 + O2 + 3,76 N2 H2O + 3,76 N2
40
-
Pada bagian density, masukkan ideal gas karena fluida (udara/gas) diasumsikan adalah gas ideal, tetapi tidak kompresibel.
-
Pada bagian Cp, masukkan mixing-law, yaitu sesuai prinsip proses pembakaran/pencampuran.
• Pemilihan Kondisi Batas (Boundary Condition): 1. Untuk gas masuk: -
Masukkan harga laju aliran massa (mass flow inlet) sebesar: 0,7415
0,035 . . 14 0,01 3 4
-
Masukkan masing-masing fraksi massa gas
-
Masukkan arah aliran menjadi normal to boundary (searah sumbu)
-
Masukkan temperatur gas 500 K
-
Masukkan Intensitas turbulensi menjadi: I = 0,16 (Re) −1 / 8 [%] dengan: Re =
!
$ %
"# .&,&'()
$+ %
&,&&&&'#'*
14255
I = 4,8% -
Masukkan diameter hidrolik 3,5 cm
2. Untuk udara masuk -
Masukkan harga laju aliran massa (mass flow inlet) sebesar: ./
1,1641 )' . -
&,&(()+ #
)
. 2 0 0,0055
./ 0
Masukkan masing-masing fraksi massa udara dengan komposisi 0.23 untuk O2, 0,76 untuk N2, 0,005 masing-masing untuk H2O dan CO2 (Udara standar).
-
Masukkan arah aliran menjadi normal to boundary (searah sumbu)
-
Masukkan Intensitas turbulensi menjadi: I = 0,16 (Re) −1 / 8 [%] dengan 41
Re =
:
!
$ %
.&,&(() &,&&&"1
$+ %
6920
I =5,3% -
Masukkan Diameter Hidrolik sebesar 5,5 cm
3. Untuk keluaran -
Asumsikan jika ada aliran balik (backflow), temperaturnya 1500 K
-
Asumsikan arah aliran balik adalah ke segala arah (Sumbu x,y,dan z)
-
Asumsikan intensitas turbulensi aliran balik adalah sebesar 7% (Lebih besar daripada gas masuk dan udara masuk)
-
Masukkan diameter hidrolik (hydraulic diameter) sebesar 9,5 cm
Setelah semua parameter telah dimasukkan, langkah selanjutnya adalah dengan melakukan iterasi dan setelah konvergen, akan didapatkan hasil yang akan digunakan sebagai evaluasi.
4.3.2
Evaluasi Hasil Pemodelan Pembakar (Burner) Acuan Hasil dari pemodelan pembakar (burner) dapat dilihat pada Gambar 4.5. Pada
gambar, terlihat bahwa pembakar (burner) tersebut kurang efektif karena temperatur yang tinggi terdapat pada daeah awal saja, bahkan temperatur cenderung menurun hingga ujung temperatur menjadi berkisar antara 600-700 K dan bervariasi. Kekurangan dari rancangan ini adalah turbulensi yang terjadi tidak maksimum, karena pola aliran pembakaran tidak memusar (swirl) seperti yang terlihat pada Gambar 4.5.a. Karena itu, perlu dirancang suatu mekanisme agar aliran dapat menjadi lebih turbulen serta gas dan udara dapat tercampur secara sempurna. Dengan kata lain, perlu dirancang mekanisme seperti premixed burners. Salah satu caranya adalah pembakar (burner) perlu dirancang lebih panjang sehingga campuran gas dan udara dapat terbentuk sebelum dipantik. Selain itu,bisa juga ditambahkan swirler untuk memusar aliran. 42
(a)
(b) Gambar 4.5 Hasil Pemodelan. (a) Pola Aliran (b) Pola Temperatur (z = 0)
43
4.3.3
Pemodelan Pembakar (Burner) Baru Setelah mengevaluasi kinerja pembakar (burner) acuan berdasarkan hasil
pemodelan, maka dipilih beberapa perbaikan: 1. Pembakar (burner) dirancang lebih panjang (120 cm) dan memiliki diameter lebih besar (12 cm). 2. Pemisahan antara saluran masuk udara dan saluran gas, tidak saling menghimpit agar udara dapat berpusar dan menghasilkan campuran yang baik ketika bertemu gas. Saluran gas masuk dengan menggunakan pipa diameter 3,5 cm, sedangkan udara masuk melalui ujung depan saluran pembakar (burner). 3. Pembakar (burner) ditambahkan swirler. 4. Kecepatan gas masuk dinaikkan 16 m/s menjadi agar terjadi dorongan yang cukup serta dapat menghisap udara, dan tidak terjadi backflow karena ukuran pembakar (burner) yang panjang.
Dengan memperhitungkan pertimbangan tersebut, terdapat 3 alternatif perancangan, yaitu: 1. Pembakar (burner) tidak menggunakan swirler (Gambar 4.6a). Pembakar (burner) memiliki panjang 120 cm dan diameter 12 cm. Pipa masukan gas tetap berdiameter 35 cm, diletakkan di tengah diameter pipa masukan udara. Pipa masukan gas terletak 40 cm dari depan sisi pipa masukan udara. Diharapkan udara sudah dapat memusar karena terbentur pipa masukan gas 2. Pembakar (burner) menggunakan swirler di belakang gas masukan (Gambar 4.6.b). Pipa masukan gas terletak di depan pipa masukan udara sejauh 30 cm dan jarak antara swirler dan pipa masukan gas adalah 25 cm. Swirler di sini berfungsi untuk mencampurkan antar gas dan udara sebelum dipantik. 3. Pembakar (burner) menggunakan swirler di depan pipa gas masukan (Gambar 4.6.c). Swirler terletak di depan pipa masukan udara sejauh 30 cm dan jarak
44
antara swirler dan pipa masukan gas adalah 25 cm. Swirler di sini hanya berfungsi sebagai pemusar untuk udara saja sebelum bercampur dengan gas.
Gambar 4.6 Rancangan Baru (a) Tanpa Swirler (b) Swirler di Belakang (c) Swirler di Depan
4.3.3.1 Pemodelan dengan GAMBIT Gambar 4.6 adalah model geometri keseluruhan yang terdapat pada perancangan gambit, sedangkan gambar 2.6 adalah model geometri dari swirler yang dirancang. Batas tiap rancangan adalah sama, seperti dicontohkan oleh rancangan swirler di belakang pada Gambar 4.7. Untuk udara masuk, gas masuk, dan keluaran, jenis batas adalah sama dengan pada pemodelan pembakar (burner) acuan. Swirler sendiri didefinisikan sebagai wall (dinding).
Gambar 4.7 Contoh Batas pada GAMBIT
45
4.3.3.2 Pemodelan dengan FLUENT Pemodelan pada pembakar (burner) rancangan baru adalah sama dengan pada pembakar (burner) acuan, kecuali untuk kondisi batas (boundary conditions) karena adanya perbedaan diameter. Pemilihan Boundary Condition: 1. Untuk gas masuk: -
Masukkan harga laju aliran massa (mass flow inlet) sebesar: 0,7451
0,035 . . 16 0,011 3 4
-
Masukkan masing-masing fraksi massa gas
-
Masukkan arah aliran menjadi normal to boundary (searah sumbu)
-
Masukkan temperatur gas 500 K
-
Masukkan Intensitas turbulensi menjadi: I = 0,16 (Re) −1 / 8 [%] dengan: Re =
!
$ %
"1 .&,&'() $+ %
&,&&&&&'#
16470
I = 4,8% -
Masukkan diameter hidrolik 3,5 cm
2. Untuk udara masuk -
Masukkan harga laju aliran massa (mass flow inlet) sebesar: ./
1,1641 )' .
&.")+ #
./ 0
-
Masukkan masing-masing fraksi massa udara dengan komposisi:
-
Masukkan arah aliran menjadi normal to boundary (searah sumbu)
-
Masukkan intensitas turbulensi menjadi: I = 0,16 (Re) −1 / 8 [%] dengan
:
)
. 2 0 0,026
Re =
!
$ %
.&,")
$+ %
&,&&&&&"1
46
15099
I =5% - Masukkan Diameter Hidrolik sebesar 12 cm
4. Untuk keluaran -
Asumsikan jika ada aliran balik (backflow), temperaturnya 1500 K
-
Asumsikan arah aliran balik adalah ke segala arah (Sumbu x,y,dan z)
-
Asumsikan intensitas turbulensi aliran balik adalah sebesar 7% (Lebih besar daripada gas masuk dan udara masuk)
-
Masukkan Diameter hidrolik sebesar 12 cm
4.3.4 Pemilihan Pembakar (Burner) Baru yang Akan Dibuat Setelah dimodelkan dengan FLUENT, harus dipilih salah satu dari ketiga model yang ada yang mana yang memiliki kinerja terbaik dan akan dibuat. Dari hasil pemodelan FLUENT, terlihat bahwa pada Gambar 4.8 pola aliran yang dimiliki masing-masing rancangan berbeda. Untuk yang tidak memakai swirler (Gambar 4.8.a), terlihat bahwa pola aliran walaupun memusar, tetapi tidak menjadi satu pusaran yang baik, karena masih terlihat terbagi menjadi 2 pusaran. Hal ini menunjukkan pencampuran belum terlalu baik. Berarti, engharapkan turbulensi hanya dari pipa masuk tidak terlalu baik. Temperatur keluaran dari pembakar (burner) tanpa swirler tidak seragam dan berkisar antara 900-1000 K. Untuk pembakar (burner) dengan swirler di depan (Gambar 4.8.b), terlihat bahwa pusaran berbentuk lebih jelek dari pembakaran dengan tanpa swirler. Hal ini menunjukkan swirler malah memperburuk campuran. Hal ini karena udara akan mengalami hambatan dari swirler di depan saluran. Hambatan tersebut akan mengurangi kecepatan udara pada saluran sehingga pada akhirnya suplai udara akan kurang. Pada rancangan ini, terlihat ada satu daerah dingin pada keluaran, yaitu sekitar 700-800 K. Hal ini menunjukkan pembakaran yang terjadi tidak seragam. Untuk pembakar (burner) dengan swirler di belakang (Gambar 4.8.c), terlihat bahwa pusaran sudah menjadi satu. Hal ini menunjukkan bahwa udara dan gas telah 47
tercampur dengan sempurna. Selain itu, rancangan ini memiliki temperatur yang seragam pada sisi keluaran, yaitu sekitar 1000-1200 K dan memiliki temperatur yang paling tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa pembakaran telah berlangsung secara baik. Untuk lebih pasti, dapat dilakukan pengecekan dengan menampilkan fraksi massa dari masing-masing bahan bakar (CH4, CO, dan H2) yang dapat dilihat pada gambar 4.10. Terlihat bahwa semua bahan bakar telah terbakar habis (tidak ada yang tersisa), ini berarti pembakaran telah berlangsung dengan baik. Pola aliran untuk O2 dan N2 dapat dilihat pada lampiran C. Karena pertimbangan ini, dipilihlah untuk dibuat rancangan dengan swirler di depan.
(a)
(b)
(c)
Gambar 4.8 Pola Aliran: (a) Tanpa Swirler (b) Swirler di Depan (c) Swirler di belakang
(a) Gambar 4.9 Pola Temperatur (z = 0) (a) Tanpa Swirler (b) Swirler di Depan (c) Swirler di Belakang
48
(b)
(c) Gambar 4.9 (Lanjutan)
49
(a)
(b)
(c) Gambar 4.10 Pola Fraksi Massa (z = 0) (a) CH4 (b) CO (c) H2
50
4.4
Proses Pembuatan Pembakar (Burner) Tabung saluran pembakar (burner) berawal dari proses pengerolan pelat baja
berukuran 400 x 1200 x 2 mm3 sehingga membentuk silinder berongga. Kemudian silender berongga tersebut dilas agar tidak ada lubang tempat gas tidak bisa keluar. Untuk pipa saluran gas masuk, dipilih pipa dengan diameter 35 mm. Bagian belok dari pipa berasal dari 2 buah pipa yang menjadi satu dari potongan pipa yang membentuk sudut 600. Kemudian saluran dilubangi untuk tempat masuk dari saluran pipa gas masuk, dan kemudian dilas lagi untuk mencegah bocor. Swirler sendiri dibuat dari pengelasan 6 buah pelat ukuran 4 x 50 x 60 mm3 yang dilas menjadi satu dengan sudut antara masing-masing pelat sebesar 600. Kemudian bentuk melengkung dari swirler dilakukan secara manual dengan menggunakan tang. Gambar 4.11 menunjukkan gambar dari pembakar (burner) yang dibuat. Satuan yang digunakan dalam gambar 4.11 adalah cm.
(a)
(b). Gambar 4.11 Gambar Pembakar (Burner) yang Dibuat (a) Keseluruhan (b) Swirler Sebelum Dibengkokkan dengan Tang
51
