PENGARUH VARIASI KECEPATAN UDARA TERHADAP UNJUK KERJA FLUIDIZED BED GASIFIER DENGAN DISTRIBUTOR UDARA JENIS PLAT
Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Oleh : TEGUH PRASETYO YUONO D200110021
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2017
HALAMAN PERSETUJUAN
PENGARUH VARIASI KECEPATAN UDARA TERHADAP UNJUK KERJA FLUIDIZED BED GASIFIER DENGAN DISTRIBUTOR UDARA JENIS PLAT PUBLIKASI ILMIAH
oleh:
TEGUH PRASETYO YUONO D200110021
Telah diperiksa dan disetujui untuk di uji oleh:
Dosen Pembimbing
Nur Aklis, ST., M.Eng. i
HALAMAN PENGESAHAN
PENGARUH VARIASI KECEPATAN UDARA TERHADAP UNJUK KERJA FLUIDIZED BED GASIFIER DENGAN DISTRIBUTOR UDARA JENIS PLAT
OLEH TEGUH PRASETYO YUONO D200110021 Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Pada hari Jum’at, 20 Januari 2017 dan dinyatakan telah memenuhi syarat Dewan Penguji :
1. Nur Aklis, ST., M.Eng. (Ketua Dewan Penguji) 2. Ir. H. Subroto, MT. (Anggota I Dewan Penguji)
(………………)
3. Ir. Sunardi Wiyono, MT (Anggota II Dewan Penguji)
(………………)
(………………)
Dekan
Ir. Sri Sunarjono, MT., Ph.D.
ii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam publikasi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan disuatu perguruan tinggi dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan orang lain, kecuali secara tertulis diacu dalam naskah dan disebutkan dalam daftar pustaka. Apabila kelak terbukti ada ketidakbenaran dalam pernyataan saya di atas, maka akan saya pertanggungjawabkan sepenuhnya. .
Surakarta,
Januari 2017 Penulis
TEGUH PRASETYO YUONO D200110021
iii
PENGARUH VARIASI KECEPATAN UDARA TERHADAP UNJUK KERJA FLUIDIZED BED GASIFIER DENGAN DISTRIBUTOR UDARA JENIS PLAT Abstrak Pembakaran bahan bakar gas lebih menguntungkan dari bahan bakar padat karena menghasilkan pembakaran yang lebih bersih, syngas dapat dibuat dengan cara gasifikasi dengan bahan bakar sekam padi. Salah satu teknologi gasifikasi yang digunakan adalah dengan fluidized bed gasifier. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh kecepatan udara terhadap unjuk kerja fluidized bed gasifier yang meliputi temperatur reaktor, waktu nyala efektif, dan kalor yang dihasilkan. Penelitian diawali dengan pembuatan tungku fluidized bed gasifier sekam padi, kemudian melakukan pengujian pembakaran dengan mengatur kecepatan udara V=1,5 m/s, kecepatan udara, V=2 m/s, dan kecepatan udara V=2,5 m/s. Hasil penelitian menunjukkan kecepatan udara mempengaruhi unjuk kerja tungku fluidized bed gasifier, semakin besar kecepatan udara maka temperatur reaktor, waktu nyala efektif dan kalor yang dihasilkan semakin tinggi atau besar pula. Pada kecepatan udara V=1,5 m/s didapatkan temperatur tertinggi di dalam reaktor 385,6˚C pada menit ke 56 , pada V=2 m/s didapatkan temperatur tertinggi pembakaran di reaktor 439˚C pada menit ke 50, dan pada V=2,5 m/s didapatkan temperatur tertinggi pembakaran di reaktor 485˚C pada menit ke 42. Untuk kecepatan udara V=1,5 m/s didapatkan waktu nyala efektif selama 60 menit, V=2 m/s didapatkan waktu nyala efektif selama 54 menit dan V=2,5 m/s didapatkan waktu nyala efektif selama 48 menit. Kalor yang dihasilkan dari kecepatan V=1,5 m/s adalah sebesar 1028,1391 KJ, V=2m/s adalah sebesar 1222,8896 KJ dan untuk V=2,5 m/s sebesar 1466,9788 KJ. Kata kunci : Fluidized bed gasifier, kecepatan udara, temperatur reaktor, waktu nyala efektif, kalor.
Abstract Combustion of gas fuel is more profitable than solid fuels because it produces cleaner burning, syngas can be produced by gasification of rice husk fuel. One of gasification technology used is a fluidized bed gasifier. This study aimed to determine the effect of air velocity on the performance of fluidized bed gasifier which includes the reactor temperature, effective burning time, and the heat produced. Research begins with making furnace fluidized bed gasifier husks, then test the combustion by regulating the air speed V=1,5 m/s, air speed V=2 m/s, and air speed 2,5 m/s. Results indicated airspeed affects the performance of the furnace fluidized bed gasifier, the greater the air velocity, the temperature of the reactor, effective burning time, and the higher the heat produced or greater . The air velocity V=1,5 m/s obtained the highest temperature in the reactor 385,6˚C at minute 56 , at V=2 m/s obtained the highest temperature combustion in the reactor 439˚C at minute 50, and at V=2,5 m/s obtained the highest temperature combustion in the reactor 485˚C at minute 42. For air velocity V=1,5 m/s obtained effective burning time for 60 minutes, V=2 m/s obtained effective burning time for 54 minutes and V=2,5 m/s obtained effective burning time for 48 minutes. Heat generated from the speed V=1,5 m/s is equal 1028,1391 KJ, V=2m/s is equal 1222,8896 KJ and for V=2,5 m/s is equal 1466,9788 KJ . Keywords : Fluidized bed gasifier, air velocity, temperature reactor, effective burning time, heat.
1
1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sekarang ini pemanfaatan minyak bumi dan bahan bakar fosil banyak digunakan sebagai sumber utama energi di dunia tak terkecuali Indonesia. Selain terbentuk dari jutaan tahun yang lalu dan memerlukan proses yang lama, energi ini menjadi sesuatu yang mahal dalam hal cadangan dan ketersediaannya di alam. Penggunaan energi saat ini menjadi suatu kebutuhan yang sangat penting bagi kelangsungan hidup manusia, seiring dalam penggunaannya minyak bumi dan bahan bakar fosil akan berkurang dan habis dalam jangka waktu tertentu karena merupakan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui. Untuk itu perlu digunakan sumber energi terbarukan yang lebih memadai jumlahnya. Sumber energi terbarukan merupakan bahan yang dapat menghasilkan energi, bahan tersebut dapat diperbarui secara terus menerus sehingga keberadaannya di alam ini tidak akan habis. Misalnya sumber energi yang berasal dari tanaman dan hewan (biomassa), panas matahari / surya, air, angin, panas bumi dan gelombang laut. Biomassa merupakan bahan organik yang didapatkan melalui proses fotosintetik pada tumbuhan baik berupa produk maupun buangan. Meliputi tanaman, pepohonan, rumput , limbah pertanian dan kotoran ternak. Di Indonesia yang hampir sebagian besar wilayahnya merupakan sektor pertanian mempunyai potensi akan biomassa yang sangat besar diantaranya sekam padi yang jumlahnya sangat melimpah yang hingga saat ini pemanfaatannya belum tertangani secara maksimal. Jenis biomassa tersebut menggunakan cara yang berbeda untuk mengkonversikan energi yang terkandung di dalamnya, untuk itu diperlukan teknologi untuk mengolah bahan limbah pertanian tersebut yang berpotensi menjadi bahan bakar alternatif yang baru dan berkelanjutan bagi Indonesia. Salah satu teknologi yang digunakan untuk mengkonversi biomassa adalah
gasifikasi. Gasifikasi adalah proses konversi bahan bakar yang
mengandung karbon (baik padat maupun cair) menjadi gas yang memiliki nilai bakar dengan cara oksidasi parsial pada temperatur tinggi. Salah satu jenis reaktor gasifikasi yang dikembangkan adalah reaktor fluidized bed, dimana 2
proses reaksi kimia berlangsung di reaktor fluidisasi. Reaksi heterogen antara gas dan padatan dalam reaktor gasifikasi disebut fluidisasi. Teknologi fluidisasi banyak diaplikasikan di teknologi reaktor gasifikasi,. Fluidisasi adalah proses dimana benda padat halus (partikel) diubah menjadi fase yang berkelakuan seperti fluida cair (Kunii dan Levenspiel 1969). Metode gasifikasi menggunakan fluidized bed dinilai lebih menguntungkan
serta gas hasil
pembakaran lebih bersih dibandingkan dengan pembakaran secara langsung. Menurut Zenz dan Othmer (1960) secara prinsip ada 4 aspek keunggulan yang dimiliki oleh fluidized bed jika dibanding dengan teknologi kontak yang lainnya yaitu: (1) aspek kemampuan mengontrol temperatur, (2) kemampuan beroperasi secara kontinu, (3) keunggulan dalam persoalan perpindahan kalor dan (4) keunggulan dalam proses katalisasi. (Aklis,2013). Salah satu faktor yang berpengaruh pada kinerja fluidized bed gasifier adalah kecepatan udara. Kecepatan udara disamping akan mempengaruhi karakteristik hidrodinamika fluidized bed, juga akan berpengaruh terhadap gas yang dihasilkan. 1.2 Tujuan penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh laju atau kecepatan udara terhadap unjuk kerja fluidized bed gasifier yang meliputi : a. Mengetahui temperatur reaktor. b. Mengetahui jumlah kalor yang dihasilkan. c. Mengetahui waktu nyala efektif. 1.3 Batasan masalah Batasan masalah dalam pengujian pengembangan fluidized bed gasifier dengan variasi laju atau kecepatan udara yaitu : a. Reaktor fluidized bed gasifier yang digunakan memiliki tinggi 1230 mm dengan diameter 160 mm. b. Bahan bakar yang digunakan adalah sekam padi dari Sukoharjo. c. Pasir yang digunakan adalah pasir silika dari Ceper. d. Massa bahan bakar yang digunakan 2 kg. e. Variasi kecepatan udara yang digunakan 1,5 m/s, 2 m/s, 2,5 m/s f. Pengukuran temperatur reaktor hanya dilakukan di 2 titik. g. Kapur atau gamping berasal dari makam haji Sukoharjo. 3
h. Pemanasan awal pembakaran menggunakan LPG 3 kg i. Proses gasifikasi yang digunakan pada reaktor fluidized bed gasifier tidak kontinu. j. Gas produk hasil penelitian ini dites dengan cara dibakar, digunakan untuk memanaskan air sebanyak 1 liter. 2. METODOLOGI PENELITIAN Tahapan ini berisi prosedur dan pelaksanaan penelitian. Mulai
Studi literatur, survei alat dan bahan Desain alat Pembuatan alat Tidak
Persiapan alat dan bahan
Nyala Api Ya Penentuan Kecepatan Minimum Fluidisasi Didapat1,2 m/s Uji Kecepatan Udara 1,5 m/s
Uji Kecepatan Udara 2 m/s
Uji Kecepatan Udara 2,5 m/s
Pengambilan data Pengolahan data dan menarik kesimpulan
selesai
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian
4
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Data kecepatan minimum fluidisasi
Beda Tekanan ( cmH₂O )
3 2,5 2 1,5 1
0,5 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 Kecepatan (m/s)
Gambar 2. Grafik kecepatan minimum fluidisasi Gambar
2.
Menunjukkan
grafik
karakteristik
kecepatan
minimum fluidisasi partikel (50% pasir silica dan 50% kapur) pada distributor lubang udara tipe plat. Dari gambar diketahui bahwa tekanan maksimum bed terjadi pada saat kecepatan udara masuk ke bed sebesar 1,2 m/s, dan pada saat penambahan kecepatan udara akan menyebabkan tekanan bed cenderung konstan saat kecepatan udara masuk ke bed sebesar 1,4 m/s. Dengan cara menarik garis horizontal ke kiri pada titik yang menunjukkan kecepatan bed konstan dan menarik garis vertical dari kecepatan udara masuk ke bed sebesar 1,2 m/s. Dari garis perpotongan inilah yang menunjukkan kecepatan minimum fluidisasi sebesar 1,2 m/s. 3.2. Perbandingan temperatur pada reaktor dengan kecepatan udara 1,5 m/s, 2 m/s dan 2,5 m/s. Gambar 3. Menunjukkan grafik gabungan temperatur reaktor yang dihasilkan dari proses pembakaran tiga variasi kecepatan dengan kecepatan udara 1,5 m/s. Pada percobaan pembakaran sekam padi dengan 5
kecepatan udara 1,5 m/s, grafik di atas menunjukkan temperatur awal reaktor sebesar 31,9°C dan menunjukkan temperatur tertinggi pada 385,6°C pada menit ke 56. Pada percobaan kecepatan udara 2 m/s temperatur awal reaktor 32,9 °C dan menunujukkan suhu tertinggi pada 439° C pada menit ke 50 . Sedangkan temperatur awal reaktor dengan kecepatan udara 2,5 m/s menunjukkan suhu awal 32,3°C dan mencapai temperatur tertinggi 485°C pada menit ke 42. Pemanasan awal pada bed yang berupa pasir silika + kapur bertujuan untuk meratakan panas pasir
Temperatur Reaktor (°C)
sebelum proses pembakaran bahan bakar di dalam reaktor berlangsung. 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
Kecepatan Udara 1.5 m/s Kecepatan Udara 2 m/s Kecepatan Udara 2.5 m/s
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Waktu (menit)
Gambar 3. Grafik hubungan antara waktu dengan temperatur reaktor pada kecepatan udara 1,5 m/s, 2 m/s dan 2,5 m/s 3.3. Perbandingan temperatur panas api terhadap waktu dengan kecepatan udara 1,5 m/s, 2 m/ dan 2,5 m/s. Pada gambar 4 menunjukkan grafik gabungan perbandingan temperatur panas api dari variasi ketiga kecepatan udara, dapat dijelaskan bahwa besarnya kecepatan udara berpengaruh terhadap temperatur panas api yang dihasilkan. Temperatur panas api yang tertinggi didapatkan pada kecepatan udara 2,5 m/s yaitu sebesar 530,7°C pada menit ke 38 dengan waktu nyala efektif selama 48 menit. Sedangkan dengan kecepatan udara 2 m/s temperatur tertinggi 424,4°C pada menit ke 42 6
dengan waktu nyala efektif selama 54 menit dan kecepatan udara 1,5 m/s pada percobaan pembakaran memiliki temperatur tertinggi 348,5°C pada menit ke 46 dengan waktu nyala efektif selama 60 menit. Dari hasil tersebut dapat diketahui bahwa perbedaan temperatur panas api ini disebabkan oleh perbedaan laju kecepatan udara yang mempengaruhi kecepatan udara masuk reaktor dan juga berpengaruh terhadap kandungan gas yang dihasilkan. Semakin besar kecepatan udara maka
semakin
rata
pembakaran
di
dalam
reaktor
sehingga
Temperatur Api (°C)
memaksimalkan syngas yang dihasilkan. 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
V = 1,5 m/s V = 2 m/s V = 2,5 m/s
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Waktu (menit)
Gambar 4. Grafik hubungan antara temperatur panas api dengan waktu pada kecepatan udara 1,5 m/s, 2 m/s dan 2,5 m/s. 3.4. Hubungan temperatur air terhadap waktu pada variasi kecepatan udara 1,5 m/s, 2 m/s dan 2,5 m/s. Gambar 5 menunjukkan grafik hubungan variasi kecepatan udara terhadap waktu pendidihan air untuk gasifikasi menggunakan fluidized bed dengan bahan bakar sekam padi dengan kecepatan udara 1,5 m/s dapat mendidihkan air sebanyak 1 liter dalam waktu 26 menit. Pada kecepatan udara 2 m/s dapat mendidihkan air sebanyak 1 liter dalam waktu 18 menit. Sedangkan untuk kecepatan udara 2,5 m/s mendidihkan air sebanyak 1 liter dalam waktu 10 menit.
7
dapat
Urutan waktu pendidihan air tercepat pada percobaan ini adalah dengan kecepatan udara 2,5 m/s yaitu selama 10 menit, sedangkan untuk terlama adalah kecepatan udara 1,5 m/s yaitu selama 26 menit. Hal ini dikarenakan tidak stabil dan meratanya proses pembakaran sekam padi dengan kecepatan udara 1,5 m/s di dalam reaktor karena jumlah udara yang masuk tidak bisa ke semua sisi atau tidak merata sehingga pembentukan syngas menjadi tidak stabil. 120
Temperatur Air (°C)
100
80 Kecepatan 1,5 m/s
60
Kecepatan 2 m/s
40
Kecepatan 2,5 m/s
20 0 0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Waktu (menit)
Gambar 5. Grafik hubungan antara temperatur air dengan waktu pada kecepatan udara 1,5 m/s, 2 m/s dan 2,5 m/s 3.5. Hubungan kecepatan udara dengan jumlah kalor yang dihasilkan 1600
1466,9788
1400
Jumlah Kalor ( KJ )
1200
1222,8896 1028,1391
1000 800 600 400 200 0 kecepatan 1.5 m/s
kecepatan 2 m/s
kecepatan 2.5 m/s
Gambar 6. Diagram hubungan kecepatan dengan kalor yang dihasilkan. Gambar 6 menunjukkan hubungan kecepatan dengan jumlah kalor yang dihasilkan pada reaktor fluidized bed gasifier yaitu pada 8
kecepatan udara 1,5 m/s, kecepatan udara 2 m/s, dan kecepatan udara 2,5 m/s. Dari gambar diketahui bahwa kalor terpakai setiap percobaan berbeda, pada percobaan menggunakan kecepatan udara 1,5 m/s kalor yang dihasilkan sebesar 1028,1391 Kj. Sedangkan percobaan dengan menggunakan kecepatan udara 2 m/s didapatkan jumlah kalor yang dihasilkan sebesar 1222,8896 Kj dan percobaan dengan menggunakan kecepatan udara 2,5 m/s dengan 2 kg sekam padi didapatkan jumlah kalor yang dihasilkan sebesar 1466,9788 Kj. Sehingga didapatkan nilai kalor terpakai terbesar adalah pada percobaan dengan menggunakan kecepatan udara 2,5 m/s didapatkan nilai sebesar 1466,9788 Kj. 4. Kesimpulan Berdasarkan analisa dan pembahasan, hasil pengujian pengaruh kecepatan udara terhadap unjuk kerja fluidized bed gasifier dari pembakaran sekam padi dengan variasi kecepatan udara 1,5 m/s, 2 m/s dan 2,5 m/s dapat di simpukan sebagai berikut : 1. Semakin besar kecepatan udara yang digunakan maka semakin tinggi temperatur rata-rata pada reaktor yaitu sebesar 485 ˚C pada pengujian dengan menggunakan variasi kecepatan udara 2,5 m/s. 2. Semakin besar kecepatan udara yang digunakan maka semakin cepat waktu nyala efektif yaitu selama 48 menit pada kecepatan 2,5 m/s. 3. Semakin besar kecepatan udara yang digunakan maka semakin besar jumlah kalor yang dihasilkan yaitu sebesar 1466,9788 Kj pada pengujian menggunakan kecepatan udara 2,5 m/s. DAFTAR PUSTAKA
Aklis, N., 2013. “Studi Eksperimental Pengaruh Jumlah Lubang Distributor Udara Terhadap Karakteristik Gelembung Pada Bubbling Fluidized Bed Dengan Variasi Partikel Bed”, Tesis S-2 Teknik Mesin, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
9
Aklis, Nur., Riyadi, M.A., Rosyadi G., Cahyanto, W.T., 2016. “Pengaruh Ukuran Partikel Bed Terhadap Syngas Yang Dihasilkan Bubbling Fluidized Bed Gasifier”, University Research Coloquium 2016. Basu, P., 2006, Combustion and Gasification in Fluidized Bed, By Taylor & Francis Group, LLC. Borman, G.L., and Ragland, K.W., 1998, Combustion Engineering, Mc Graw Hill, Singapura. Handoyo, 2013. “Pengaruh Variasi Kecepatan Udara Terhadap Temperatur Pembakaran Pada Tungku Gasifikasi Sekam Padi”, Tugas Akhir S-1, Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta, Surakarta. Kunii. D., and Levenspiel, O., 1969, Fluidization Engineering, John Wiley and Sons, Inc, New York. Nurman, Alwin., 2011. “Studi Karakteristik Pembakaran Biomassa Tempurung Kelapa pada Fluidized Bed Combustor Dengan Partikel Bed Berukuran Mesh 40-50”, Tugas Akhir S-1, Teknik Mesin Universitas Indonesia. Rahmat, Riza., 2011. “Studi Variasi Suplai Udara Blower Untuk Pencapaian Pembakaran Mandiri Pada Eksperimen Uji Bahan Bakar Fluidized Bed Combustor”, Tugas Akhir S-1, Teknik Mesin Universitas Depok. Riyadi, M.A., 2015. “Studi Eksperimen Gasifikasi Menggunakan Fluidized Bed Gasifier Berbahan Bakar Sekam Padi, Serbuk Gergaji Kayu Jati dan Serbuk Gergaji Kayu Sengon Penghasil Syngas”, Tugas Akhir S-1, Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta, Surakarta. S., Ganet Rosyadi, 2015. “Pengaruh Kecepatan Udara Terhadap Kerja Reaktor Bubble Fluidized Bed Gasifier”, Tugas Akhir S-1, Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta, Surakarta. Subroto, and Prastiyo Dwi. “Unjuk Kerja Tungku Gasifikasi dengan Bahan Bakar Sekam Padi Melalui Pengaturan Kecepatan Udara Pembakaran”, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta, MEDIA MESIN, Vol. 14, No. 2, Juli 2013, 51 - 58 ISSN 1411-4348 Zenz, F.A., and Othmer F.D., 1960. Fluidization and Fluid Particle Systems, Reinhold Publishing Corporation, New York.
10
