TESIS
ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI UPDRAFT DENGAN VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA DAN OKSIGEN
I Gede Hendra Gunawan
PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2016
TESIS
ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI UPDRAFT DENGAN VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA DAN OKSIGEN
I Gede Hendra Gunawan (1191961004)
PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2016
ANALISIS PERFORMANSI REKTOR GASIFIKASI UPDRAFT DENGAN VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA DAN OKSIGEN
Tesis Untuk Memperoleh Gelar Magister Pada Program Magister, Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana
I Gede Hendra Gunawan NIM 1191961004
PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA 2016
ii
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN UNIVERSITAS UDAYANA PROGRAM PASCA SARJANA PROGRAM MEGISTER TEKNIK MESIN Basement Floor, Gedung Pasca Sarjana, Kampus Sudirman, Denpasar Bali Telp. +62-361-241390, Fax. +62-361-241390 Email:
[email protected] atau
[email protected] website: http://www.pps.unud.ac.id/ind/program-magister-teknik-mesin
Lembar Pengesahan
TESIS INI TELAH DISETUJUI PADA TANGGAL, JANUARI 2016
Dosen Pembimbing II
Dosen Pembimbing I
Prof. I Nym. Suprapta Winaya, ST, MASc, PhD NIP. 19691231 199412 1 001
Dr. Eng. Made Sucipta, ST, MT NIP. 19741114 200012 1 001
Mengetahui, Ketua Program Megister Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana
Direktur Program Pascasarjana Universitas Udayana
Prof.Dr.Ir. I Gusti BagusWijaya Kusuma NIP. 19700607 199303 1 002
iii
Prof.Dr.Made Budiarsa,M.A. Nip.195301071981031002
Tesis Ini Telah Diuji Pada Tanggal 14 Januari 2016
Panitia Penguji Tesis Berdasarkan SK Rektor Universitas Udayana, No : 0277/UN14.4/HK/2016
Ketua
: Dr. Eng. Made Sucipta,ST,MT
Anggota
: 1. Prof. I Nyoman Suprapta Winaya, ST.,MASc.,PhD 2. Prof. Dr. Ir. I Gusti Wijaya Kusuma 3. I Made Widiyarta, ST., Msc.,PhD 4. Dr. I KG Sugita
SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT
NAMA
: IGEDE HENDRA GUNAWAN
NIM
:1191961004
PROGRAM STUDI
: PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS UDAYANA
JUDUL
PROPSAL TESIS
:
ANALISIS
PERFORMANSI
REAKTOR
GASIFIKASI
UPDRAFT
DENGAN
VARIASI
CAMPURAN
RASIO
UDARA
DAN OKSIGEN Dengan ini menyatakan bahwa proposal karya ilmiah ini bebas plagiat. Apabila di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan perundang – undangan yang berlaku
Denpasar,18 Agustus 2016 Yang membuat pernyataan
(IGede Hendra Gunawan)
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa, karena atas Berkat-Nya penulis dapat menyelesaikan Tesis ini dengan baik. Tesis ini dengan judul “Analisis Performansi Reaktor Gasifikasi Updrfat Dengan Variasi Rasio Campuran oksigen Dan Udara”. Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan untuk memperoleh gelar Master pada Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana. Dalam penyusunan Tesis ini penulis banyak mendapat bantuan serta bimbingan dari berbagai pihak sehingga pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada, Ketua Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana, Pembimbing Akademik, Dosen Pembimbing I, Dosen Pembimbing II, Keluarga yang slalu memberikan dukungan, Temanteman mahasiswa Megister Teknik Mesin Universitas Udayana dan semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dalam penulisan Tesis ini. Penulis menyadari bahwa dalam Tesis ini masih banyak kekurangannya baik dalam isi maupun pengkajiannya oleh karena itu kritik dan saran sangat penulis harapkan agar menjadi lebih baik.
Denpasar , Januari 2016 Penulis
iv
ABSTRAK ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI UPDRAFT DENGAN VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA DAN OKSIGEN
Tempurung kelapa dapat dengan mudah didapatkan karena jumlahnya melimpah dan untuk sekarang ini hanya dimanfaatkan sebagai arang saja. Dengan mengetahui komposisi dan kandungan kimia yang terdapat di dalam tempurung kelapa, bahan tersebut dapat dijadikan sumber energi alternatif melalui proses gasifikasi. Ada beberapa jenis gasifikasi Fixed Bed yaitu : Gasifikasi Updraft, Downdraft dan Crossdrfat. Pada penelitian ini tempurung kelapa dapat dijadikan bahan bakar gas melalui proses gasifikasi menggunakan gasifikasi updraft. Proses gasifikasi dilakukan dengan menggunakan reaktor updraft yang dibuat 2 inlet tempat masuknya udara dan oksigen murni sebagai agen gasifikasi. Variasi I (100% udara) dengan laju aliran masa agen 37 lpm, Variasi II(75% udara dan 25% oksigen murni) dengan laju aliran pada masing -masing inlet 23 lpm untuk udara dan 0,5 lpm untuk oksigen, variasi III(50% udara dan 50 % oksigen) dengan laju aliran pada masing – masing inlet 12 lpm untuk udara dan1,5 lpm untuk oksigen,variasi IV (25% udara dan 75% oksigen murni) dengan laju aliran masa padamasing –masing inlet 4 lpm untuk udara dan 2 lpm untuk oksigen serta variasi V (menggunakan 100% oksigen murni) dengan laju aliran masa 2 lpm. Dimensi reaktor yang digunakan dalam penelitian, dengan tinggi reaktor dari dasar penyangga sampai bagian atas 70 cm dan diameter 6 inch, Dari hasil penelitian FCR aktual untuk 100% udara = 9,716 kg/jam, FCR dengan ditambahkan 25% oksigen = 5,787 kg/jam, FCR dengan ditambahkan 50% oksigen = 3,133 kg/jam, FCR dengan ditambahkan 75% = 2,84 kg/jam, FCR dengan 100% oksigen = 2,09 kg/jam, dari masing – masing penelitian akan menghasilkan energi masing – masing variasi : variasi I= 5,91 MJ/kg, variasi II=4,41 MJ/kg, variasi III=10,12 MJ/kg,variasi IV=12,5 MJ/kg dan variasi V=13,4 MJ/kg. Efisiensi gas yang dihasilkan sebesar 28,8%, 21,5%, 49,5%, 60,9% dan 65,4%. Dengan penambahan oksigen murni akan mempengaruhi efisiensi gasifikasi akan menghasilkan efisiensi dan energi gas yang lebih tinggi Kata Kunci : Gasifikasi Updraft, Variasi agen gasifikasi, Tempurung kelapa
ABSTRACT GASIFICATION REACTOR PERFORMANCE ANALYSIS UPDRAFT WITH VARIATION RATIO AIR AND OXYGEN MIXTURE Coconut shell can be easily obtained because of abundant and for now it is only used as charcoal only. By knowing the chemical composition and content contained in coconut shell, the material can be used as a source of alternative energy through a gasification process. There are several types of gasification Fixed Bed namely: Gasification updrafts, Downdraft and Crossdrfat. In this study coconut shell can be used as fuel gas through a gasification process using updraft gasification. Gasification process is performed by using the updraft created 2 reactor inlet where the entry of air and pure oxygen as the gasification agent. Variations I (100% air) with a flow rate of 37 lpm agent period, the variation II (75% air and 25% pure oxygen) with the flow rate at each -masing inlet for air 23 lpm and 0.5 lpm of oxygen, variation III ( 50% air and 50% oxygen) with a flow rate on each - each inlet for air dan1,5 12 lpm lpm to oxygen, variation IV (25% air and 75% pure oxygen) with a flow rate padamasing period -masing inlet 4 lpm for air and 2 lpm of oxygen as well as the variation V (using 100% pure oxygen) to the mass flow rate of 2 lpm. Dimensions reactor used in the study, with a high reactor from the bottom of the buffer to the upper 70 cm and a diameter of 6 inches, From the research to 100% of actual FCR air = 9.716 kg / h, FCR with added 25% oxygen = 5.787 kg / h, FCR with added 50% oxygen = 3.133 kg / h, FCR with added 75% = 2.84 kg / hours, FCR with 100% oxygen = 2.09 kg / hour of each - each study will produce energy each - each variation: variation of I = 5.91 MJ / kg, variation II = 4.41 MJ / kg, variation III = 10.12 MJ / kg, IV variation = 12.5 MJ / kg and variations of V = 13.4 MJ / kg. The efficiency of the gas produced by 28.8%, 21.5%, 49.5%, 60.9% and 65.4%. With the addition of pure oxygen will affect the efficiency of gasification will generate energy efficiency and higher gas Keywords: Gasification updrafts, Variation gasification agent, coconut shell
RINGKASAN ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI UPDRAFT DENGAN VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA DAN OKSIGEN I Gede Hendra Gunawan., Dr. Eng. Made Sucipta, ST, MT, Pembimbing I., dan Prof. I Nyoman Suprapta Winaya, ST, MASc,PhD, Pembimbing II.
Dalam penelitian ini bahan yang dugunakan pada proses gasifikasi adalah tempurung kelapa, dimana tempurung kelapa sangat mudah di dapatkan khususnya Indonesia. Selama ini tempurung kelapa hanya dimanfaatkan untuk arang saja. Pada proses gasifikasi digunakan metode gasifiaksi updraft karena disain yang sederhana dan tidak memiliki batasan jenis bahan bakar yang digunakan. Pada penelitian ini bahan yang digunakan dalam pembuatan reaktor adalah pipa black steel dengan ukuran diameter 17 cm (6”) dan variasi campuran agen gasifikasi antara udara dan oksigen yang bertujuan untuk mendapatkan energi yang terbaik dan efisiensi gas yang paling tinggi. Variasi campuran agen gasifikasi yang digunakan antara udara dan oksigen, variasi I 37 lpm udara lingkungan, variasi II 23 lpm : 0,5 lpm, variasi III 12 lpm : 1,5 lpm, variasi IV 4 lpm : 2 lpm dan variasi V 2 lpm oksigen murni Dari hasil penelitian efisiensi gas yang paling tinggi dihasilkan adalah menggunakan 100% oksisgen murni dengan energi yang dihasilkan 13,4 MJ/kg, dengan komposisi gas yang dihasilkan. CH4 = 1,73%, N2 = 5,04% ,CO = 19,68%, O2 = 3,79%, CO2 = 64,98%, H2 = 4,20 bahan bakar dan efisiensi yang dihasilkan. Dari hasil gas gasifikasi yang didapatkan proses lebih mengacu pada sisitem pembakaran dimana kompsisi dari CO2 yang relative sangat tinggi
DAFTAR ISI
SAMPUL DALAM ..................................................................................................
i
PRASARAT GELAR .............................................................................................. ii LEMBAR PENGESAHAN ..................................................................................... iii PENETAPAN PANITIA PENGUJI....................................................................... iv SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT........................................................
v
KATA PENGHANTAR .......................................................................................... vi ABSTRAK ................................................................................................................ vii ABSTRACT.............................................................................................................. viii RINGKASAN ...........................................................................................................
x
DAFTAR ISI ............................................................................................................ xi DAFTAR TABEL .................................................................................................... xii
BAB I PENDAHULUAN.........................................................................................
1
1.1 Latar Belakang .........................................................................................
1
1.2 Rumusan Masalah ....................................................................................
4
1.3 Batasan Masalah ......................................................................................
5
1.4 Tujuan Masalah........................................................................................
5
1.5 Manfaat Penelitian ...................................................................................
5
BAB II KAJIAN PUSTAKA ...................................................................................
7
2.1 Biomasa ...................................................................................................
7
2.2 Komposisi Biomasa ................................................................................
8
2.3 Tempurung Kelapa .................................................................................
9
2.4 Produk Biomasa ......................................................................................
9
2.5 Gasifikasi Biomasa .................................................................................. 10 2.4.1 Gasifikasi Udara ............................................................................. 13 2.4.2 Steam Gasification .......................................................................... 13 2.4.2 Oxygen Gasification ........................................................................ 14 2.4.3 Hydrogen Gasification ..................................................................... 14
xi
2.6 Reaktor Gasifikasi.................................................................................... 15 2.6.1 Fixed Bed Gasifier .......................................................................... 15 2.6.1.1 Updraft Gasifier .................................................................. 15 2.6.1.2 Downdraft Gasifier ............................................................. 16 2.6.1.3 Croosdraft Gasifier ............................................................. 18 2.6.2 Fluidized Bed .................................................................................. 19 2.6.3 Reaktor Entrained Flow ................................................................. 20 2.7 Dasar – Dasar Proses Gasifikasi .............................................................. 22 2.7.1 Zona Pengeringan ........................................................................... 22 2.7.2 Zona Pirolisa ................................................................................... 23 2.7.3 Zona Oksidasi ................................................................................ 24 2.7.4 Penambahan Udara Sekunder ........................................................ 25 2.7.5 Zona Reduksi ................................................................................. 24 2.8 Parameter – Parameter Penting Dalam Gasifikasi ................................... 26 2.9 Pembakaran Bahan Bakar ...................................................................... 30 2.9.1 Jumlah Udara Dalam Pembakaran ................................................. 30 2.10 Masa Jenis Biomasa .............................................................................. 31 2.11 Karakteristik Nyala Api ......................................................................... 31 2.12 Efisiensi Gasifikasi ................................................................................ 34 BAB III KERANGKA BERPIKIR, KONSEP DAN HIPOTESIS ..................... 37 3.1 Kerangka Berpikir.................................................................................... 37 3.2 Konsep ..................................................................................................... 38 3.3 Hipotesis .................................................................................................. 39 BAB IV METODE PENELITIAN ........................................................................ 40 4.1 Rancangan Alat Uji .................................................................................. 40 4.2 Waktu dan Tempat Penelitian .................................................................. 42 4.3 Ruang Lingkup Penelitian ...................................................................... 43 4.4 Variabel Penelitian ................................................................................... 44 4.4.1 Perancangan Detail ......................................................................... 45 4.4.2 Menghitung Fuel Consumtion Rate (FCR) ..................................... 48 4.4.3 Menghitung Air Fuel Rate (AFR) Dan Oxigen Fuel Rate (OFR) .. 49 4.4.4 Diameter Reaktor ............................................................................ 53
xii
4.4.5 Tinggi Reaktor ................................................................................ 53 4.5 Penentuan Sumber Data ........................................................................... 54 4.6 Bahan Penelitian ...................................................................................... 55 4.7 Instrumen Peneletian................................................................................ 57 4.8 Prosedur Penelitian .................................................................................. 58 4.9 Analisis Data ............................................................................................ 62 4.10 Selesai .................................................................................................... 62 4.11 Penutup ................................................................................................... 62 BAB V HASIL PENELTIAN ................................................................................. 63 5.1 Data Pengujian Awal ............................................................................... 64 5.1.1 Hasil Analisa Proximate Dan Ultimate Tempurung Kelapa ........... 65 5.1.2 Waktu Operasional Dan Masa Arang ............................................. 63 5.2 Distribusi Temperatur Reaktor ................................................................ 65 5.3 Perhitungn Fuel Consumtion Rate Aktual (FCRa) .................................. 75 5.3.1 Perhitungaan SA dan SO aktual...................................................... 77 5.3.2 Perhitungan Gas Gasifikasi ............................................................. 79 5.3.3 Perhitungan Afisiensi Gasifikasi .................................................... 82 BAB VI PEMBAHASAN ....................................................................................... 87 6.1 Analisis Data ........................................................................................... 87 6.1.1 Analisis Reaktor Gasifikasi ........................................................... 87 6.1.2 Analisis Perbandingan Temperatur Variasi Agen Gasifikasi ......... 89 6.1.3 Analisis Perbandingan Variasi Campuran Agen GasifikasiTerhadap Efisiensi Gasifikasi ......................................................................... 91 BAB VII SIMPULAN DAN SARAN .................................................................... 93 7.1 Simpulan ................................................................................................. 93 7.1 Saran ....................................................................................................... 93
DAFTAR PUSTAKA
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Gasification Proces and Their Products ................................................. 12 Gambar 2.2 Updraft Gasifier ..................................................................................... 15 Gambar 2.3 Downdraft Gasifier ................................................................................ 17 Gambar 2.4 Crossdraft Gasifier ................................................................................. 19 Gambar 2.5 Flidized Bed Gasifier ............................................................................. 20 Gambar 2.6 Reaktor Entrained Flow ......................................................................... 21 Gambar 2.7 Nyala Api ............................................................................................... 33 Gambar 2.8 Perubahan Api Laminer dan Torbulen Terhadap Flow Velocity........... 34 Gambar 4.1 Penempatan Termokopel Pada Tabung Reakor Gasifier ...................... 40 Gambar 4.2 Skema Reaktor Gasifikasi ...................................................................... 41 Gambar 4.3 Diagram Alir .......................................................................................... 60 Gambar 4.5 Diagram Alir .......................................................................................... 61 Gambar 5.1 Bahan Bakar Yang Digunakan............................................................... 63 Gambar 5.2 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 100% Udara Lingkungan ................................................................................................... 66 Gambar 5.3 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 75% Udara dan 25% Oksigen Murni……………………………………………………….... 67 Gambar 5.4 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 50% Udara dan 50% Oksigen …………………………………………………………………. 69 Gambar 5.5 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 25% Udara dan 75% Oksigen Murni …...……………………………………………………. 70 Gambar 5.6 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 100% Oksigen Murni……………………………………………………………………. 72 Gambar 5.7 Grafik Perbandingan Temperatur Agen Gasifikasi Terhadap Temperatur Rata – Rata Reaktor...................................................................................... 73 Gambar 6.1 Tar Yang Dihasilkan Pada Proses Gasifikasi......................................... 87 Gambar 6.2 Persentase Gas Yang Dihasilkan .......................................................... 88
xiv
Gambar 6.3 Distribusi Temperatur Reaktor Gasifikasi ........................................... 89 Gambar 6.4 Persentase CO2 Yang Dihasilkan .......................................................... 90 Gambar 6.5 Grafik Efisiensi Gas Yang Dihasilkan .................................................. 91
xv
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Ultymate Analysis Biomasa ......................................................................
8
Tabel 2.2 Higher Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV) ............. 36 Tabel 4.1 Jadwal Penelitian ....................................................................................... 43 Tabel 4.2 Menentukan laju Aliran Masa Yang Masuk Ke Reaktor........................... 48 Tabel 4.4 Pencatatan Data Untuk Bahan Bakar Dari Tempurung Kelapa................. 54 Tabel 5.1 Hasil Pengujian Ultimate dan Proximate Analisis Tempurung Kelapa..... 64 Tabel 5.2 Kebutuhan Udara Untuk Proses Gasifikasi ............................................... 64 Tabel 5.3 Variasi Dengan 100% Udara ..................................................................... 65 Tabel 5.4 Variasi dengan Proses dengan 25% Oksigen :75 % Udara ....................... 67 Tabel 5.5 Variasi dengan Proses dengan 25% Oksigen :75 % Udara ....................... 67 Tabel 5.6 Variasi 3 Proses dengan 50% Oksigen :50 % Udara ................................. 68 Tabel 5.7 Variasi 4 Proses dengan 75% Oksigen :25 % Udara ................................. 68 Tabel 5.8 Variasi 5 Proses dengan 100% Oksigen .................................................... 71 Tabel 5.9 Ditribusi Rata – Rata Temperatur Reaktor Gasifikasi ............................... 73 Tabel 5.10 Data Hasil Pengujian Abudnace Gas Gasifikasi ...................................... 75 Tabel 5.11 Hasil Perhitungan FCR Aktual ................................................................ 77 Tabel 5.12 Kebutuhan Oksigen Bahan Bakar ............................................................ 79 Tabel 5.13 Persentase Kandungan Hasil Gasifikasi .................................................. 81 Tabel 5.14 Persentase Kandungan Gas CO, CH4 dan H2 .......................................... 82 Tabel 5.15 Produksi N ............................................................................................... 84 Tabel 5.16 Energi Syngas dan Efisiensi Yang Dihasilkan ........................................ 85
xvi
