BAB IV PENGUJIAN DAN PENGAMBILAN DATA

BAB IV PENGUJIAN DAN PENGAMBILAN DATA

IV. 1 SKEMATIKA ALAT PENGUJIAN Pengembangan studi gasifikasi batubara dengan fixed bed downdraft gasifier tak dapat terpisahkan dari pengujian laboratorium. Pengujian tersebut berada pada kondisi tekanan atmosfer 1 atm dan temperatur ruang ± 270C-350C. Proses pengujian dilakukan di kandang laboratorium gasifier di daerah pelataran parkir Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

Gambar 4.1 Laboratorium Termodinamika Proyek Gasifikasi

IV. 2 METODOLOGI PENGUJIAN DAN PENGAMBILAN DATA Untuk melaksanakan pengujian dan pengambilan data, diperlukan beberapa tahapan. Di antaranya adalah tahapan persiapan seperti set up bahan bakar, alat pengujian dan instrumentasi pengambilan data atau pengukuran. Kemudian tahapan pengujian dan pengambilan data.

Pengembangan dan studi karakteristik..., Fiki Tricahyandaru, Yudho Danu Priambodo, FT UI, 2008

IV. 3. PERSIAPAN PENGUJIAN IV. 3. 1. Set Up Bahan Bakar Penggunaan bahan bakar terdiri atas arang yang terdiri jenis kayu dan kelapa, batok kelapa dan sabutnya, batubara jenis sub-bituminus dengan spesifikasi pada tabel 4.1, serta minyak tanah. Arang dan batok kelapa merupakan bahan bakar promotor pembakaran awal atau ignisi. Sedangkan minyak tanah sebagai pemercepat proses pembakaran tahap selanjutnya, terutama setelah batubara dimasukkan ke dalam gasifier.

Tabel 4.1 Proximate dan Ultimate Analysis Batubara Sub-Bituminus dari Stockpile Tanjung Priuk asal Batu Licin, Kalimantan Selatan [24] Analisis Unit Basis Value Standard Methods Free Moisture % ar 18.02 ASTM D.2013-03 Total Moisture % ar 22.75 ASTM D.3302-02a PROXIMATE Moisture % adb 12.33 ASTM D.3171-04 Volatile Matter % adb 45.14 ASTM D.3175-04 Fixed Carbon % adb 40.20 ASTM D.3172-04 Ash % adb 2.33 ASTM D.3174-04 Total Sulphur % adb 0.13 ISO 351 CALORIFIC VALUE Cal/gr adb 5669 ASTM D.5865-04 ULTIMATE Carbon % daf 72.65 Hydrogen % daf 4.71 Nitrogen % daf 0.74 Sulphur % daf 0.15 Oxygen % daf 21.66

Penjelasan : ar = as-receiver basis. Dalam basis ini, kandungan sampel didasarkan pada kondisi saat diterima di laboratorium, jadi kandungan air total yang terdapat pada sampel diperhitungkan. adb = as analysed basis. Komposisi dalam kandngan kondisi sampel digerus hingga ukuran tertentu, lalu dikeringkan pada suhu dan jangka waktu tertentu sehingga air yang tersisa pada sampel adalah air sisa. daf = dry ash free. Pada basis ini batubara dikeringkan sehingga kandungan ainya tidak ada.


Tabel 4.2 Referensi Pembanding Proximate Batubara Dengan Calorific Value 5585 (cal/gr adb), Berasal Dari PT. Adaro Indonesia Daerah Tutupan UtaraSelatan, Kalimantan Selatan [25] Analisis Unit Basis Value Total Moisture % Ar 25.00 PROXIMATE Moisture % Adb 18.00 Volatile Matter % Adb 40.00 Fixed Carbon % Adb 41.00 Ash % Adb 1.00 Total Sulphur % Adb 0.10 CALORIFIC VALUE Cal/gr Adb 5585 KETERANGAN Sub-Bituminus B-A

Berdasarkan dua pembanding hasil analisa dari tabel 4.1 dan 4.2 maka batubara yang digunakan sebagai bahan bakar pada pengujian ini tergolong SubBituminus B-A. Faktor penyebab penggunaan batubara jenis ini disebabkan sulitnya mendapatkan batubara lignit/browncoal di daerah Pulau Jawa.

Gambar 4.2 Bahan Bakar (1. Arang Kelapa; 2. Arang Kayu; 3. Batok Kelapa; 4. Minyak Tanah; 5. Batubara Sub-Bituminus). Persiapan yang dilakukan pada arang adalah membuat penyesuaian ukuran. Penggunaan arang digunakan karena sifatnya yang cepat menjadi bara atau cepat terbakar [26]. Arang kelapa digunakan untuk mempercepat pembakaran di dasar gasifier, dengan ukuran 2x2 inci, ketebalan berkisar ¼ inci. Sedangkan arang kayu, dengan ukuran 3x3 inci, ketebalan mencapai 2 inci. Arang kayu nantinya memudahkan pembakaran dengan waktu yang relatif lebih lama


dibanding arang kelapa [26]. Sedangkan batok kelapa dari jari-jari sesungguhnya 5 inci, kemudian dipotong-potong menjadi 5-7 bagian. Seluruh sabut yang ada dipisahkan dari kelapa. Untuk menjaganya tetap kering, dilakukan teknik penyimpanan di dalam karung-karung yang secara periodik dijemur (sehari sebelum pengujian). Batubara jenis sub bituminus yang dimiliki, merupakan jenis batubara yang mudah hancur [27], hanya membutuhkan palu kecil untuk mencacahnya. Sehingga batubara yang digunakan cukup dipersiapkan dengan ukuran 2x2 inci dengan ketebalan berkisar 1,5-2 inci. Untuk mengurangi kandungan air pada batubara, cara yang dilakukan adalah menjemur batubara pada kisaran suhu 35-40oC pada kelembapan di bawah 60% selama 3-4 jam. Setelah itu penyimpanan dimasukkan ke dalam karung yang tersusun dalam rak. Untuk memastikan massa yang dimasukkan ke dalam gasifier, dilakukan dahulu penimbangan secara periodik dengan timbangan biasa.

Gambar 4.3 Pengeringan Batubara, Rak Karung, Timbangan

IV. 3. 2. Set Up Alat Pengujian dan Instrumentasi Pengukuran Persiapan ini dilakukan sehari sebelum pengujian. Berikut beberapa langkah set up alat pengujian. •

Perakitan dan penyambungan keseluruhan komponen utama gasifikasi (pipa konektor blower – gasifier – cyclone - gas holding tank - blower hisap – burner – blower mixing). Setiap flens ataupun sambungan pipa direkatkan dengan lem gasket serta packing. Lem gasket yang digunakan pada gasifier dan burner menggunakan jenis silicone red rubber tahan hingga temperatur 700oC, sedangkan lainnya menggunakan jenis silicone rubber tahan hingga


temperatur 150oC. Packing pada gasifier menggunakan tipe kawat, tahan hingga temperatur 1200oC, lainnya menggunakan tipe TBA, tahan hingga temperatur 300oC. •

Perakitan komponen instalasi saluran udara dengan tiga blower (utama, hisap, burner mixing).

•

Pemasangan pressure tap gas produser dan menghubungkan selang untuk manometer miring.

•

Pemasangan termokopel jenis K pada port.

•

Menghubungkan termokopel dan data logger menggunakan kabel konduktor. Persiapan selanjutnya ialah instrumentasi pengukuran. Alat pengukuran

terbagi atas alat ukur laju udara dan temperatur.

Gambar 4.4 Skematika Pengujian Gasifikasi Batubara Fixed Bed Downdraft Gasifier IV. 3. 2. 1. Alat Ukur Flowrate Orifice Plate Plat orifis digunakan untuk menciptakan perbedaan tekanan statis (P1 dan P2) akibat pressure drop pada sebuah aliran setelah melewatinya. Tekanan aliran setelah melewati plat orifis (downstream) selalu lebih kecil dibanding sebelum melewati orifis (upstream), akan tetapi kecepatan aliran upstream meningkat. Pressure drop tekanan statis ini terjadi karena adanya penyempitan laluan aliran


Gambar 4.5 Orifice Meter

Gambar 4.6 Desain plat orifis konsentrik untuk pipa gas 2” Untuk pipa berdiameter D dengan range dimensi 5cm ≤ D ≤ 1m , mensyaratkan ketebalan plat orifis yaitu <0,05D, diameter orifis, d ≥ 1,25cm dan rasio d/D yaitu

0,1 ≤ d

D

≤ 0,75

[ISO 5167-1:2003].

Tiga standar penempatan tap tekanan untuk pipa aliran gas berdiameter > 5cm berdasarkan ISO 5167-1 [28] ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

Gambar 4.7 Tiga Metode Pressure Tapping Sesuai ISO 5167-1 (2003)


Dengan

mengkombinasikan

Persamaan

Bernoulli,

P1+1/2 ρ.v12 =

P2+1/2 ρ.v22, dan Persamaan Kontinuitas, Q = v1.A1 = v2.A2 , dan mengasumsikan A2 < A1, mengabaikan viskositas, efek geometri, dan efek temperatur, maka persamaan ideal flowrate yang diperoleh adalah :

Q = Cd Qideal = Cd A2 dimana

2(P1 − P2 ) ρ 1− β 4

(

)

…(4.1 )

A2

= πd2/ 4 (luas lubang pada pelat orifis)

Cd

= Discharge coefficient → 0,6 [ASME MFC-14M-2001]

P1-P2

= Perbedaan tekanan akibat orifis (kg/ m2)

ρmix

= massa jenis producer gas (kg/ m3)

β

= d/ D (rasio diameter orifice dengan diameter pipa)

Nilai perbedaan tekanan (P1 - P2) diperoleh dari pengukuran dengan manometer berdasarkan perbedaan ketinggian cairan di dalam tube. Flowrate teoritis Q secara aktual lebih kecil 2 - 40% akibat kondisi geometris, yaitu friksi dinding dan efek kontraksi area (vena contracta). Cd merupakan koefisien discharge, yang merupakan rasio discharge aktual dengan discharge teoritis.

Gambar 4.8 Koefisien Discharge Untuk Berbagai Tipe Geometri Orifis Aliran Liquid

Discharge coefficient, Cd, bervariasi dengan perubahan rasio luas dan bilangan Reynolds. Discharge coefficient, Cd, sebesar 0,60 bisa diambil sebagai standar [ASME MFC-14M-2001], akan tetapi variasi nilai pada bilangan Reynolds yang kecil perlu diperhatikan.


Tabel 4.3 Orifice Meter Discharge Coefficient Discharge Coefficient co

Diameter Ratio d = D2 / D1

Reynolds Number - Re

104

105

106

107

0.2

0.60 0.595 0.594

0.594

0.4

0.61 0.603 0.598

0.598

0.5

0.62 0.608 0.603

0.603

0.6

0.63

0.608

0.608

0.7

0.64 0.614 0.609

0.609

0.61

Manometer miring Manometer miring dapat mengukur perbedaan tekanan yang sangat kecil pada suatu aliran fluida yang melewati sebuah plat orifis. Pergerakan fluida raksa di dalam tube sangat signifikan (sangat akurat) terhadap perbedaan tekanan yang terjadi. Manometer ini khusus untuk mengukur producer gas yang keluar dari gas holding tank yang kemudian di atur pengeluarnya oleh blower hisap. Type

: Durablock Inclined Manometer - Dwyer Instrument model H-6640- M

Satuan

: inch of water, 1 atm at 0,45 inch

Fluid Properties

: red gage oil , spesific gravity 0,826.

Spesifikasi Aplikasi : tekanan maksimum 100 psi (690 kPa) temperatur maksimum 150°F (65°C)

Gambar 4.9 Manometer Miring Durablock-Dwyer Instrument model H-6640-M


Posisi liquid manometer miring pada satuan inch of water telah diskalakan dengan ketinggian liquid bila diletakkan secara tegak vertikal. Range nilai satuan

inch of water pada kemiringan garis ukur manometer miring menunjukkan nilai yang sama dengan garis ukur bila diletakkan vertikal. Maka dari itu berlaku persamaan perbedaan ketinggian terhadap perbedaan tekanan, yaitu :

( p1 − p 2 ) = ρ m .g .h .. (4.2) ( p1 - p2 ) = ∆p

= perbedaan tekanan , [kg/m2]

ρm

= densitas fluida manometer [kg/m3]

h

= perbedaan ketinggian liquid manometer [m]

Perbedaan tekanan akibat orifis dapat dihitung menggunakan persamaan (4.2)

Hot Wire Anemometer Untuk efektivitas waktu, pengukuran flowrate pada blower utama (menggunakan valve 3/8 sebanyak 8 valve) dan blower mixing (menggunakan

valve 2,5) diukur terlebih dahulu sebelum pengujian. Hot wire anemometer jenis Lutron AM-4204 digunakan untuk mendapatkan m/s, selain itu alat ini bisa mendapatkan temperatur. yang dapat mengubah m/s menjadi ft/min. Berdasarkan buku petunjuk alat, jenis anemometer ini bisa mengukur kecepatan dari 0-20 m/s, sedangkan untuk temperatur dari 0-50 oC.

Gambar 4.10 Hot Wire Anemometer

IV. 3. 2. 2. Alat Ukur Distribusi Temperatur Termokopel type-K Pengukuran distribusi temperatur pada reaktor gasifikasi dan swirl burner menggunakan termokopel type-K. Termokopel yang digunakan berjumlah 8 buah Termokopel tersebut mampu mengukur temperatur hingga 1000 °C.


Gambar 4.11 Termokopel Type K Ketahanan Temperatur Maksimum 1000 °C

Untuk lebih memastikan keakuratan termokopel, maka dilakukan kalibrasi sederhana dengan memasukkan seluruh termokopel pada termos yang dipanaskan. Hasilnya berupa citra perubahan temperatur hingga titik didih, kemudian dilihat hasil dari kenaikan setiap termokopel. Sebagai referensi kalibrasi, salah satu termokopel (nomor 4) dikalibrasi pada Laboratorium Kalibrasi KAN (Komite Akreditasi Nasional) dengan sertifikat nomor 172-1302-0608. Sertifikat terdapat pada lampiran 5. Sedangkan hasil pengukuran terdapat pada lampiran 7.

Tabel 4.4 Hasil Kalibrasi Termokopel 25 Februari 2008 No 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Waktu (/5') Start 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

TC1 23 60 73 94 96 99 91 94 89 100 100 100 100

TC2 24 82 89 93 86 87 90 91 94 89 93 99 99

TC3 23 77 95 97 98 99 100 99 100 101 101 101 100

TC4 25 60 85 95 97 98 99 100 100 100 101 101 100

TC5 17 50 70 95 97 98 97 98 100 100 101 101 102

TC6 21 50 60 84 85 87 95 96 99 100 99 100 100

TC7 24 45 57 81 86 88 86 88 89 90 94 98 100

TC8 25 45 53 79 87 87 88 92 96 90 96 98 100

TC9 26 46 55 84 86 87 89 90 96 99 98 92 100

Gambar 4.12 Kalibrasi Sederhana Termokopel


Digital Temperature Data Logger Temperatur yang terukur oleh kedelapan termokopel tersebut diatas selanjutnya divisualisasikan melalui sebuah data logger. Data logger digital bermerk Hanyoung 850 ini memiliki 5 channel dan bersatuan °C. Oleh karena itu digunakan 2 (dua) data logger yang dihubungkan dengan 8 termokopel melalui sebuah kabel konduktor.

Gambar 4.13 Digital Temperatur Data Logger Dengan 5 Channel

IV. 3. 2. 3. Pengambilan Gambar

Gambar 4.14 Metode Pengambilan Gambar Pada Burner

Metode pengambilan gambar menggunakan dua cara, dengan cara direkam menggunakan digital camera dan handycam. Pengambilan gambar hanya dapat dilakukan melalui dua sisi, depan dan samping kiri burner. Untuk menambah baik pengambilan citra gas produser yang terbakar pada burner, maka digunakan kain hitam sebagai layar.


IV. 4. PROSEDUR PENGUJIAN Tahapan pengujian adalah :

1. Persiapan awal (10 - 20 menit) •

Menyiapkan arang kelapa dan kayu masing-masing 2,5-3 kg. Untuk arang kelapa ukuran 2x2 inci, ketebalan berkisar ¼ inci. Sedangkan arang kayu, dengan ukuran 3x3 inci, ketebalan mencapai 2 inci. Masing-masing dipersiapkan di dalam karung yang siap untuk diambil.

•

Memastikan posisi busur derajat (sebagai patokan perubahan aliran udara) pada valve 3/8 dari blower utama telah benar.

Gambar 4.15 Instalasi Busur Derajat •

Memasang termokopel tipe-K (crumnel alumnel) berdiameter 0,65 mm, yaitu 8 buah pada reaktor sesuai posisi yang telah ditentukan, satu termokopel pada burner. Menghubungkan keseluruhan termokopel pada temperature digital data logger dengan kabel konduktor.

Tc. 4, 5, 6, 7 : Pengukuran temperatur gasifier bagian atas (reduksi+ pirolisis) Tc. 2,3

: Pengukuran temperatur gasifier bagian pembakaran (oksidasi)

Tc. 1

: Pengukuran temperatur gasifier bagian reduksi

Tc.8

: Pengukuran temperatur producer gas pada pipa outlet gas sebelum

burner Tc. 9

: Pengukuran suhu pada burner


Gambar 4.16 Skema Gasifier •

Memasang orifice plate pada flens yang telah terpasang tapping tekanan. Menghubungkan manometer miring pada tapping dengan selang.

Gambar 4.17 Posisi Orifis dan Manometer Miring •

Valve supplai udara dari blower selalu dibuka penuh. Peran valve ditiadakan dengan adanya inverter.

•

Memastikan konektor alat uji utama (reaktor dan burner) dan alatalat pendukung telah terpasang dengan baik dan menyeluruh.


2. Pembakaran awal (± 25 menit) •

Memasukkan arang kelapa dan kayu pada dasar refraktori reaktor sampai ke tenggorokan masing-masing ± 2 kg kemudian ditambah 1 kg batok kelapa. Cara pemasukkanya adalah di awali dengan arang kelapa dahulu, lalu arang kayu, kemudian batok kelapa. Bagian teratas dimasukkan sabut kelapa.

Gambar 4.18 Tampak Atas Reaktor Setelah Diisi Biomassa Berupa Kelapa Lalu Diisi Arang •

Penyalaan awal dengan bantuan minyak tanah, gunakan sabut kelapa sebagai penyulut untuk memulai proses pembakaran.

•

Menunggu ±15 menit/termokopel 3 menunjukkan 400oc hingga biomass menjadi bara. Bahan bakar pada pengujian kali ini adalah sub-bituminus yang memiliki temperatur penyalaan 400-500oc [29]

3. Pengaturan Suplai Udara Primer •

Setelah timbul asap pekat, ± 20 s/d 25 menit, suplai udara primer mulai diatur dengan mengatur bukaan valve 3/8 dari 70-90 derajat (waktu ini disebut waktu ke- nol).


4. Ignisi (Penyalaan) Producer Gas •

Menambahkan bahan bakar batubara 3 kg ke dalam gasifier untuk menghasilkan producer gas yang pekat dan banyak dari hasil pirolisis (penguraian) batubara.

•

Setelah ±3-5 menit, asap terlihat pekat. Kepekatan menandakan terdapat banyak komponen mampu bakar pada producer gas. Segera tutup feeding door dengan mounting.

•

Lakukan penyulutan (ignisi) dengan pemantik kepada ujung

burner. Bila belum tersulut, lakukan berulang-ulang. •

Lidah api pada burner akan terbentuk dan akan bertahan hingga

blow off dalam waktu ± 3 s/d 5 menit. Bila sudah bertahan dalam waktu itu, maka turunkan blower utama. •

Setelah lidah api blow off dan producer gas mulai menipis (tidak pekat), segera menambahkan kembali bahan bakar batubara 3 kg.

•

Setelah penambahan, dilanjutkan dengan menyalakan blower

mixing pada burner. Lakukan dari bukaan katup terbesar. •

Dan seterusnya hingga bahan bakar seluruhnya terpakai dan gas produser sudah tidak mampu bakar lagi walaupun bahan bakar telah diaduk.

5. Pengukuran •

Pembacaan dan pencatatan hasil pengukuran distribusi temperatur reaktor pada data logger setiap 5 menit sekali.

•

Pembacaan dan pencatatan perubahan posisi fluida manometer miring pada pengukuran flowrate gas produser. Pengukuran dilakukan ketika kondisi asap paling pekat.

6. Selesai pengujian •

Tetap menyalakan blower primary air untuk mengeluarkan seluruh asap dan residu yang masih tersisa di dalam reaktor. Lepaskan seluruh selang saluran primary air dari blower utama ke gasifier.

•

Setelah ± 2 jam (kondisi reaktor mulai dingin dan bara sudah tidak menyala lagi) mengeluarkan abu sisa pembakaran melalui lubang pembuangan pada reaktor gasifier.


•

Melepas semua alat ukur, yaitu termokopel, manometer miring dan

orifice plate, selang dan memeriksa apakah kondisinya masih baik. Melepas alat pendukung seperti pemipaan suplai udara.

•

Kondisi refraktori reaktor dibiarkan menjadi dingin hingga mencapai temperatur ruang, selama 1 hari penuh. Setelah itu membuka tutup reaktor dan membersihkan seluruh bagian dalam reaktor dan burner dengan menyemprotkan udara dari kompresor atau blower untuk menghindari tar mengeras menjadi kerak.

IV. 5. PROSEDUR PENGUKURAN Flowrate Gas produser Pengukuran flowrate gas produser dilakukan ketika gas asap yang keluar melalui burner secara visual telah pekat. Ini menandakan gas asap mengandung

komponen mampu bakar, yaitu CH4, H, dan CO dengan membaca posisi liquid pada tube manometer. Plat orifis dipasang di antara flens yang menghubungkan

dua pipa. Perbedaan tekanan di antara plat orifis di ukur menggunakan manometer miring karena tekanan aliran gas rendah. Digunakan metode flens tap dalam menentukan posisi titik pressure tap pada pipa.

Gambar 4.19 Gas Bag

Producer gas yang akan ditangkap gasnya untuk analisa kimia menggunakan tabung kaca (gas bag) untuk mendapatkan CH4, CO dan sebagainya.


Pengukuran Flowrate Primary Air, Secondary Air Pengukuran flowrate udara ini dilakukan di luar pengujian karena

keterbatasan alat ukur. Oleh sebab itu pengukuran menggunakan hot wire

anemometer. Untuk mencegah kerusakan alat dan mencari data akurat, metode gambar 4.20 dilakukan dengan persamaan 4.3 dan 4.4 …(4.3) …(4.4)

Gambar 4.20 Penggunaan Hot Wire Anemometer

Pengukuran Temperatur Gasifier dan Flame Pada Burner Pengukuran distribusi temperatur pada gasifier dilakukan ketika ignisi awal, berarti pada saat memasukkan sabut berapi yang sebelumnya direndam dalam minyak tanah. Pencatatan temperatur secara manual dilakukan setiap 5 menit sekali. Pada awalnya alat pengukur temperatur di burner akan menggunakan

digital infrared pyrometer. Namun setelah mendapatkan referensi bahwa alat tersebut tidak dapat mengukur temperatur flame, karena membutuhkan medium reflektor yang solid [30].


Gambar 4.21 Penempatan Termokopel

Pengukuran Laju Pemakaian Bahan Bakar Laju pemakaian bahan bakar dihitung dengan membagi jumlah bahan bakar yang digunakan dalam eksperimen dengan waktu yang diperlukan untuk habisnya bahan bakar. Waktu percobaan dihitung setelah mulai timbul asap pekat ± 20 s/d 30 menit setelah start up eksperimen. Pengujian dianggap selesai jika bahan bakar telah telah terbakar habis, asap producer gas mulai habis, juga dipastikan tidak ada bara lagi yang masih menyala.

M bb =

mbb t

..(4.5)

dimana : Mbb = laju pemakaian bahan bakar (kg/ jam) mbb = massa bahan bakar untuk tiap eksperimen (kg) t

= waktu yang diperlukan untuk tergasifikasinya semua bahan bakar ( jam)


Pengukuran Jumlah Gas Produser Basis perhitungan menggunakan basis massa. Dimana perhitungan menggunakan dua jenis basis massa, dengan kesetimbangan N2 dan atom C. = ∑ (N ) ∑ (N ) (N2 )Udara+ (N2 )Batu Bara = (N2 )Gas Produser 2

2

Masuk

Keluar

P.V = n.R.T

∑ atom (C )

in

=

.....(4.6)

∑ atom (C )

out

∑atomC + ∑atomC BB

arang

= ∑atomC hilang GP + ∑atomC ash + ∑atomC

dimana,

...(4.7)

R= 0.08205 P= 1 T= 25 Heating Value dari Producer Gas

L.atm/mol.K atm o C

Data komposisi gas untuk setiap eksperimen bisa digunakan untuk menghitung lower heating value dari producer gas. Lower heating value dari unsur yang berbeda dari producer gas pada data standar STP seperti tabel 4.2 bisa digunakan. Persamaan di bawah bisa digunakan untuk menghitung lower heating

value dari producer gas.

CVG = ∑ xi H i

…( 4.8)

x i = fraksi volume dari unsur producer gas pada temperatur ruang H i = lower heating value dari unsur producer gas pada temperatur ruang Tabel 4.5 Lower heating value dari unsur producer gas pada 250 C Gas Constituent

Lower Heating Value (MJ m-3 at 250 C)

Carbon Monoxide (CO)

11,5668

Hydrogen (H2)

9,8846

Methane (CH4)

32,7938

Acetylene (C2H2)

51,3223

Ethylene (C2H4)

54,084

Ethane (C2H2)

58,3627

Sumber : Perry RH, Chemical Engineers Handbook,6th ed


Air Fuel Ratio Dengan mengetahui flow rate primary air (udara primer) dan laju pemakaian bahan bakar, kita bisa menghitung air fuel ratio untuk tiap kali percobaan •

AF =

mu •

m bb ... (4.9) dimana : •

m u = flow rate primary air (udara primer) •

m bb = laju pemakaian bahan bakar

Oxygen atau Equivalence Ratio (ER) Perbandingan antara aliran massa dari suplai oksigen dan aliran massa dari oksigen yang diperlukan pada pembakaran stoikiometri (pembakaran sempurna biomassa). Dengan kata lain perbandingan antara jumlah udara yang diperlukan dalam tiap kali pengujian gasifikasi dengan jumlah udara stoikiometrik.[ Jain,AK,

1998]

φ=

(Flow.Rate.Udara. Pr imer )(Waktu.Operasi) (Jumlah.Bahan.Bakar )( AFs ) …(4.10)

ER untuk gasifier secara teoritis ialah sekitar 0,19 – 0,43

Menghitung Konversi Karbon Konversi karbon merupakan kemampuan proses gasifikasi dalam mengkonversi karbon dari batu bara menjadi karbon dalam bentuk gas.

X=

∑ Karbon Terkonversi ∑ Karbon Bahan Bakar …(4.11)


Kecepatan Gasifikasi Spesifik (SGR) Kecepatan Gasifikasi Spesifik dihitung menggunakan hubungan antara laju pemakaian bahan bakar (gr/ sec), periode operasi eksperimen dan luas potongan melintang reaktor (m2) [Jain,AK,1998].

 Laju .Pemakaian .BahanBakar ( gr / sec)  SGR =   Luas.Mel int ang . Re aktor m 2   …( 4.8)

( )

Kecepatan Produksi Gas Spesifik (SPGR) Kecepatan produksi gas spesifik ialah kecepatan produksi producer gas pada STP per luas melintang dari gasifier [Jain,AK.,1998]  FlowRate . Pr oducer .Gas  m 3    jam    SPGR =   2  Luas .Mel int ang . Re aktor ( m )   ...(4.9 ) 

Efisiensi Gasifikasi (η) Efisiensi gasifikasi ialah persentase energi dari batubarayang dirubah menjadi hot producer gas(masih mengandung tar). Dengan kata lain rasio dari kandungan panas fuel gas yang dihasilkan gasifikasi batubaraa dan kandungan panas dari biomassa bila terbakar sempurna. Persamaan di bawah digunakan untuk menghitung efisiensi gasifikasi [Mathieu, Philippe.,2002]

 Mass .FlowRate . Pr oducer .Gas ( gr / sec) xLHV . Pr oducer .Gas ( MJ / m 3 )   3  LajuPemaka ian.Bahan.Bakar ( gr / sec) xLHV .Bahan.Bakar ( MJ / m ) 

η=

…( 4.10)

Keseluruhan perhitungan dan pengolahan data terlampir pada lampiran 9.


BAB V HASIL DAN ANALISA Untuk mendapatkan karakteristik performa gasifikasi batubara dengan reaktor downdraft gasifier, maka dilakukan pemvariasian suplai udara primer. Pada bab sebelumnya dijelaskan beberapa metode seperti flow rate gas produser yang akan dibandingkan hasilnya dengan menggunakan metode kesetimbangan massa (mass balance). Parameter performance seperti flow rate gas produser, flow

rate bahan bakar, kualitas gas produser, kecepatan gasifikasi spesifik, kecepatan produksi gas spesifik, air ratio, serta efisiensi gasifikasi ditentukan untuk tiap kali pengujian. Dalam bab ini disajikan perihal kondisi performa peralatan selama pengujian,

distribusi

temperatur

reaktor gasifier,

karakteristik

performa

operasional gasifikasi, hasil gas produser, temperatur flame rata–rata di burner, serta kondisi flame secara visual.

V. 1

KONDISI PERFORMA PERALATAN Pengujian gasifikasi batubara pada umumnya dapat dilakukan dengan

baik, walaupun komposisi gas produser yang diperoleh masih belum stabil. Pengujian terdahulu [31] baru dapat menghasilkan gas produser selama ± 20 s/d 30 menit. Sedangkan pengujian saat ini tempo waktu 15 menit sudah dapat menghasilkan gas produser. Penyalaan awal (start up) dilakukan dengan membakar arang dan bahan bakar dalam reaktor lalu ditambahkan minyak tanah untuk mempercepat proses pembakaran. Flame sudah dihasilkan menit ke 30. Pada reaktor gasifikasi ini hilang panas melalui dinding reaktor relatif kecil, hal ini terbukti pada saat percobaan, di saat temperatur daerah pembakaran (Tc3) mencapai ± 900O C, suhu dinding reaktor ± 70O C. Hal tersebut membuktikan bahwa isolasi di reaktor cukup baik, dengan demikian panas dapat dimanfaatkan secara maksimal oleh reaksi endotermik (gasifikasi).


V.1.1 Feeding Door Selama percobaan berlangsung masih terdapat kebocoran, terutama di pengumpan bahan bakar/feeding door. Hal ini disebabkan klep/katup yang tidak menutup secara rapat pada permukaan bibir plat (lihat gambar 3.4 dan 3.5). Pencegahan telah dilakukan dengan menambahkan lapisan packing pada bibir plat ditambah lem gasket red rubber silicone, tetapi pada temperatur tinggi dan laju alir gas yang besar kebocoran masih terjadi. Peristiwa ini terjadi diakibatkan kurang presisinya fabrikasi dari bengkel, mayoritas pengerjaan dilakukan dengan alat-alat sederhana (lihat lampiran 2).

Gambar 5.1 Feeding Door (1. Penggunaan Tumpuan 2. Penempatan Pintu Start Up 3. Pintu Start Up Terbuka 4. Kebocoran Yang Terjadi) Sistim umpan atau feeding bahan bakar cukup optimal. Setiap kali penambahan bahan bakar, gas dari reaktor tidak banyak, hal ini juga dilatarbelakangi oleh pemanfaatan blower hisap, sehingga gas produser tidak keluar dari gasifier melainkan ditarik ke dalam sistem.


Performa dari gas holding tank membuat flame pada burner semakin lama, pengujian terdahulu hanya dapat menimbulkan api durasi 3-5 menit [33]. Sedangkan pengujian saat ini dapat mempertahankan api hingga satu jam lebih (lihat lampiran 6). Performa pemasukan start up lebih mudah, karena dapat dilakukan dari samping (sebelumnya dari atas). Safety bagi operator juga semakin baik dengan terpisahnya waktu feeding dan jatuhnya bahan bakar ke dalam

gasifier. Penyalaan awal/start up dapat dilakukan dalam waktu relatif lebih singkat daripada gasifikasi biomasa.

V.1.2 Cyclone Gas produser yang diinginkan adalah gas yang rendah akan impurities, seperti debu. Kehadiran cyclone bertujuan untuk mengurangi impurities dengan terjadinya aliran vortex [34]. Walaupun dalam pengujian mendapatkan komposisi gas (lampiran 8), belum terbukti apakah cyclone dapat mengurangi emisi karena seluruh pengujian sebelumnya tidak menggunakan batubara melainkan biomassa.

Gambar 5.2 Cyclone

Namun yang dapat dipastikan adalah ditemukan juga air dalam tampungan pada cyclone (terletak paling bawah). Air tersebut mengandung debu-debu yang halus. Peristiwa ini menandakan kandungan air pada batubara cukup tinggi (lampiran 3).


Gambar 5.3 Air Bercampur Debu Pada Tampungan Cyclone

V.1.3 Gas Holding Tank Tujuan utama penggunaan gas holding tank adalah mendapatkan kontinuitas flame, dimana sebelum pengunaan terjadi fluktuasi yang tidak stabil

[23, 32].

Gambar 5.4 Gas Holding Tank Berintegrasi Dengan Blower Hisap

Pengujian terdahulu [31] baru dapat menghasilkan gas produser selama ± 20 s/d 30 menit. Sedangkan pengujian saat ini tempo waktu 15 menit sudah dapat menghasilkan gas produser. Flame sudah dihasilkan menit ke 30. Peristiwa ini disebakan aplikasi gas holding tank. Peristiwa tertangkapnya air juga terjadi pada gas holding tank. Tetesan air dapat dilihat di valve yang dibuka pada bawah tangki.


Gambar 5.5 Tetesan Air Dari Gas Holding Tank

V. 2

DISTRIBUSI TEMPERATUR REAKTOR GASIFIER

Parameter pengamatan temperatur reaktor meliputi distribusi temperatur yang terjadi di dalam reaktor yang meliputi empat zona gasifikasi yaitu zona pengeringan (drying), pirolisis (pyrolisis), oksidasi (oxidation) dan reduksi (reduction).

Gambar 5.6 Proses Gasifikasi [35]

V.2.1 Distribusi Temperatur Terhadap Waktu Pada gambar grafik 5.7, dapat dilihat secara umum pergerakan (trend) temperatur di dalam reaktor mengalami perubahan. Hal ini dikarenakan proses oksidasi sejumlah bahan bakar yang terjadi di dalam reaktor dari waktu ke waktu selama


proses berlangsung menghasilkan panas yang tidak sama. Sehingga menyebabkan distribusi temperatur yang fluktuatif. Hal ini disebabkan karena adanya: 1) Ketidakseragaman ukuran dan pencampuran bahan bahan bakar yang tidak merata Temperatur pada zona oksidasi berfluktuasi disebabkan karena temperatur yang tercatat oleh termokopel tidak selalu dari kondisi ruang bakar di dalamnya. Ketika bahan bakar yang terbakar mengenai termokopel akan mengakibatkan termperatur yang tercatat akan tinggi. Sedangkan ketika termokopel tidak mengenai bahan bakar (dikelilingi void), termokopel akan menunjukan temperatur yang lebih rendah. Hal yang sama juga terjadi jika terdapat batu bara yang menghalangi saluran udara yang masuk ke dalam zona oksidasi. Adanya hambatan dari bahan bakar akan mempengaruhi distribusi dan pencampuran udara dengan bahan bakar di dalamnya. Sehingga hal ini juga akan mempengaruhi kecepatan reaksi kinetik dari bahan bakar dan mengakibatkan bahan bakar tidak terbakar secara merata. 2) Laju pergerakan bahan bakar dan pembentukan abu yang turun ke bawah tidak tetap Perbedaan ukuran bahan bakar juga mempengaruhi laju pembentukan abu. Bahan bakar yang berukuran lebih kecil akan lebih cepat terbakar dan menjadi abu, dan sebaliknya. Ketika di suatu bagian bawah terdapat bahan bakar yang berukuran lebih besar sedangkan di suatu bagian atasnya terdapat bahan bakar berukuran lebih kecil, maka laju pembentukan abu bahan bakar pada bagian atas akan terhambat oleh bahan bakar berukuran besar di bawahnya yang pada saat itu masih pembakarannya masih berlangsung. 3) Pemasukan bahan bakar yang menyebabkan terbuangnya panas dan masuknya udara luar Ketika bahan bakar dimasukan ke dalam reaktor melalui feeding door, maka sistem akan berhubungan dengan lingkungan luar. Sehingga menyebabkan panas di dalamnya akan terbuang ke lingkungan. Dan pada saat yang sama udara luar yang bersuhu lebih rendah akan masuk ke dalam sistem. Sehingga mengakibatkan temperatur reaktor berfluktuasi.


Perlu diingat, rentang waktu gasifikasi adalah lamanya waktu gasifikasi berlangsung, yaitu saat flame hidup hingga padam.

Temperatur Terhadap Jumlah Aliran Udara Ke Reaktor V.2.2 Distribusi Temperatur Besarnya nilai distribusi temperatur di dalam reaktor memiliki perubahan temperatur yang berbeda–beda untuk setiap variabel udara yang disuplai ke dalam reaktor. Hal ini dikarenakan pengaruh jumlah udara yang disuplai disuplai ke dalam reaktor yang berakibat pada temperatur zona oksidasi. Karena temperatur pada zona oksidasi ini mempengaruhi temperatur pada ketiga zona lainnya yaitu zona pirolisis, reduksi dan pengeringan di dalam reaktor. Semakin besar jumlah udara yang yang disuplai ke dalam reaktor maka distribusi temperatur di dalam reaktor juga semakin besar dan sebaliknya. Berikut adalah grafik pengaruh variasi jumlah udara primer (VUP) yang disuplai ke dalam reaktor terhadap 4 zona temperatur yang ada di dalamnya .

Gambar 5.7 Distribusi Temperatur Gasifier Dengan VUP 112 lpm







Dari lima gambar grafik tampak perbedaan temperatur zona oksidasi yang menukik turun selama 5 menit lalu stabil secara terus menerus temperatur semakin menjadi tinggi.

Durasi 5 menit itu –seiring dengan kenaikan VUP (variasi udara primer)maka semakin singkat dan semakin cepat. Peristiwa ini juga diakibatkan pencampuran udara dan bahan bakar yang menjadikan lebih mudah terbakar, sehingga membuat batubara lebih cepat menjadi menjadi bara. Kestabilan temperatur terlihat pada grafik setelah melewati 400-600oC.

V.3 KARAKTERISTIK OPERASIONAL GASIFIKASI Pada gambar grafik 5.12 dapat dilihat bahwa peningkatan jumlah aliran udara ke reaktor seiring dengan peningkatan temperatur pada pada zona oksidasi yang kemudian turut mempercepat laju konsumsi bahan bakar, sehingga kecepatan gasifikasi spesifik (SGR) dan kecepatan produksi gas spesifik (SGPR) meningkat. Dan meningkatnya SGR dan SGPR juga meningkatkan laju aliran (flowrate) gas produser yang dihasilkan.


Gambar 5.12 Grafik SGR dan SGPR

Namun belum tentu peningkatan akibat penambahan laju aliran udara ke reaktor tersebut menghasilkan gas produser yang bernilai kalori. Karena peningkatan sejumlah udara ke reaktor mengakibatkan proses pembakaran gasifikasi yang terjadi akan mengarahkan ke proses pembakaran stokiometrik (sempurna) yang kemudian menghasilkan sejumlah karbondioksida (CO2) yang semakin meningkat pada kandungan gas produser dan mengakibatkan laju konsumsi bahan bakar yang digunakan (grafik diatas). Karena gas produser yang diharapkan adalah gas yang mengandung komposisi karbon seperti CO, CH4 dan sejumlah CO2 yang tidak terlalu banyak. Jadi proses gasifikasi terdapat batasan optimum terhadap sejumlah aliran udara yang dibutuhkan, yang didefinisikan sebagai efisiensi gasifikasi.


Efisiensi gasifikasi adalah perbandingan antara gas produser yang terbentuk dengan konsumsi bahan bakar. Besar dan kecilnya nilai efisiensi ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain: 1) Jumlah aliran udara yang disuplai ke dalam reaktor Jumlah aliran udara yang terlampau rendah mengakibatkan temperatur pembakaran yang dihasilkan rendah. Sehingga proses pemanasan (pirolisis) bahan bakar yang akan digasifikasi menjadi tidak efisien. Sedangkan jumlah aliran udara yang terlampau tinggi akan mengakibatkan proses gasifikasi yang terjadi mengarah ke pembakaran sempurna. Sehingga gas produser yang dihasilkan lebih banyak mengandung karbondioksida (CO2) dibandingkan karbonmonoksida (CO). 2) Kerugian (losses) Kerugian pada gasifikasi disebabkan oleh beberapa faktor, diantaranya:

-

Adanya sebagian energi dari bahan bakar yang tertinggal dalam sisa proses pembakaran dan terbawa dalam tar

-

Hilangnya panas hasil pembakaran batu bara dalam bentuk radiasi, karena isolasi yang kurang maksimal

-

Kebocoran yang terjadi pada saat pengoperasian. Sehingga ada sebagian panas yang terbuang ke udara bebas

3) Ukuran dan karakteristik Bahan Bakar Ukuran bahan bakar akan berpengaruh pada nilai kalor dan komposisi gas yang dihasilkan. Semakin besar ukuran batu bara maka nilai kalori gas yang dihasilkan semakin kecil. Dan pada batu bara yang berukuran lebih kecil mengandung komposisi gas yang mudah terbakar yang lebih tinggi [36]. Selain itu karakteristik batu bara seperti parameter kandungan air dan nilai HGI (bilangan yang menyatakan tingkat kekerasan batu bara) juga mempengaruhi pada efisiensi gasifikasi. Apabila kandungan air berlebih maka akan mengakibatkan temperatur pembakaran yang dicapai tidak tinggi. Sedangkan HGI yang memiliki tingkat kekerasan terlalu tinggi akan membutuhkan energi yang lebih besar pada dibutuhkan saat pembakaran. Dan apabila nilai HGI kecil akan berpengaruh pada laju konsumsi batu bara menjadi lebih besar (boros), karena batu bara yang “lunak” lebih cepat terbakar habis. Pada gambar grafik 5.13, dapat dilihat terjadi kenaikan dan penurunan efisiensi gasifikasi seiring dengan penambahan jumlah


udara ke dalam reaktor. Efisiensi gasifikasi mencapai nilai optimum sebesar 42% pada suplai udara ke dalam reaktor 293 lpm.

Gambar 5.13 Grafik CO2 vs CO

Gambar 5.14 Grafik Efisiensi, Konsumsi Bahan Bakar Terhadap VUP V.4 HASIL GAS PRODUSER V.4.1 Komposisi dan Nilai Kalori Gas Produser


Komposisi gas hasil pengujian gasifikasi batu bara dapat dilihat pada tabel 1, yang kandungannya terdiri dari; Karbonmonoksida (CO), Hidrogen (H2), Amonia (CH4), Karbondioksida (CO2) dan Nitrogen (N2) serta nilai kalori.

Tabel 5.1 Komposisi Gas Producer (lampiran 8) Komposisi CO2

CO H2

%-mol 13% 18.50% 15.40%

CH4

2.50%

O2

1.90%

N2

48.70%

LHV

1070 kkal/m3

V.4.2 Jumlah Gas Produser Dari hasil pengujian didapatkan bahwa jumlah aliran dan volume spesifik gas produser yang dihasilkan meningkat seiring dengan peningkatan jumlah aliran udara yang disuplai ke reaktor, seperti yang terlihat pada tabel di bawah ini.

Flowrate Gas Produser (lpm) 700.000 600.000 500.000 400.000

Flowrate Gas Produser (lpm)

300.000 200.000 100.000 0.000 112.81 154.26 229.90 293.57 365.78

Tabel 5.15 Flowrate Gas Produser Dilihat Dari VUP


Volume Spesifik Gas (m3/kg) 2.50 2.00 1.50

Volume Spesifik Gas (m3/kg)

1.00 0.50 0.00 112.81 154.26 229.90 293.57 365.78

Gambar 5.16. Grafik Volume Spesifik Gas

Carbon %

Konversi Karbon (%) 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0.000

Konversi Karbon (%)

Poly. (Konversi Karbon (%)) VUP (lpm)

Gambar 5.17 Konversi Karbon Vs VUP

V.4.3 Konversi Karbon Konversi karbon merupakan kemampuan proses gasifikasi dalam mengkonversi karbon dari batu bara menjadi karbon dalam bentuk gas. Data yang didapat menunjukan bahwa konversi karbon dari proses gasifikasi tergolong rendah, maksimum sebesar 42%. Rendahnya konversi karbon tersebut disebabkan oleh beberapa alasan, yaitu:


1) Kebocoran gas pada saat pengoperasian Pada saat pengujian terdapat gas yang keluar melalui reaktor dan feeding door. Adanya gas yang keluar ini berakibat pada kerugian karbon yang terbuang ke udara bebas yang berpengaruh pada efisiensi gasifikasi dan konversi karbon.

2) Terbawanya karbon pada sisa proses dan tar Ketika pengujian selesai dan abu hasil sisa proses pembakaran dapat diambil, maka pada sisa pembakaran tersebut didapatkan abu yang bercampur dengan sebagian bahan bakar yang tidak terbakar dan diikat oleh tar.

V. 5.

KONDISI FLAME SECARA VISUAL Visualisasi api menjadi representasi kualitas api [33]. Karena itu

pengambilan gambar dilakukan untuk melihat tampilan flame dari grafik gambar 5.1 – 5.5 . Gambar diambil pada 1 April 2008 dengan cuaca cerah, suhu relatif 2732oc. Kestabilan flame dapat dilihat dari interaksi flame dengan laju aliran udara,

flame selalu menjauhi bibir permukaan solid [33]. Selama berlangsungnya pengujian flame yang dihasilkan cukup stabil secara waktu. Panjang-pendek flame juga dapat disesuaikan dengan VUP dan VUS. Berbeda dengan pengujian sebelumnya hal ini tidak dapat dilakukan [23,

32]. Walaupun pengujian ini belum mendapatkan flame berwarna biru. Semakin besar laju udara yang disuplai ke gasifier semakin besar flame yang dihasilkan. Faktor terkait penyebab kestabilan adalah instalasi gas holding

tank yang belum pernah dipakai pada pengujian sebelumnya. Gas produser yang telah siap untuk dibakar pertama kali disimpan sementara pada gas holding tank, bila asap pada burner sudah terlihat pekat, ini merupakan pertanda gas holding

tank sudah penuh. Sesaat blower hisap dinyalakan maka laju aliran gas produser juga stabil.


VUP

Gambar Flame

112 lpm

154 lpm

229 lpm

293 lpm

365 lpm

Gambar 5.18. Visualisasi Flame


BAB IV PENGUJIAN DAN PENGAMBILAN DATA

Recommend Documents