Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Karakteristik Api Premiks Biogas pada Counterflow Burner Mega Nur Sasongkoa * dan Widya Wijayantib Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Jl. Mayjend. Haryono 167 Malang, Telp. +62-341-562454, Indonesia 65145 a
[email protected],
[email protected]
Abstrak Menipisnya jumlah bahan bakar minyak di dunia memaksa kita untuk mengembangkan energi alternatif pengganti BBM. Salah satu bahan bakar altenatif tersebut adalah Biogas. Tetapi karena Biogas masih masih mengandung gas impurities yang memiliki sifat merugikan dalam pembakarannya, maka aplikasi Biogas secara langsung dalam mesin konversi energi masih memerlukan penelitian yang lebih mendalam. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh kandungan gas CO2 dalam Biogas terhadap karakteristik pembakaran premiks biogas. Dalam penelitian ini, struktur nyala api dan kestabilan api premiks biogas yang diwakili oleh gas CH4 dan CO2 diteliti pada konfigurasi api counterflow. Konsentrasi CO2 dalam biogas divariasikan dalam 0% sampai 50%, sedangkan massa alir reaktan divariasikan dalam 6 L/min dan 8 L/min L/min. Hasil penelitian menunjukkan bahwa, pada equivalence ratio mendekati 1 muncul fenomena api flash back atau api premiks bergerak kearah aliran reaktan. Flash back menunjukkan bahwa kecepatan pembakaran biogas berlangsung sangat cepat, sehingga untuk mendapatkan performasi pembakaran yang tinggi, Biogas direkomendasikan selalu dikontrol pada equivalence ratio mendekati 1. Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa minimum oksigen konsentrasi tertinggi untuk menjaga api premiks biogas tetap stabil terjadi pada prosentase CO2 dalam biogas berkisar 30 %. Kata kunci : Prosentase CO2, Biogas, api premiks, kestabilan api, flash back Sedangkan, kandungan lainnya seperti CO2 dan N2 merupakan zat pengotor yang memiliki sifat yang merugikan. Pembakaran bahan bakar biogas yang masih mengandung zat pengotor CO2 akan memberikan dampat yang kurang baik dalam proses dan hasil pembakarannya. Dampak negatif tersebut antara lain: CO2 akan menurunkan nilai kalor pembakaran dengan cukup signifikan. Nilai kalor bahan bakar yang rendah akan berakibat rendahnya energi pembakaran yang dihasilkan dari proses pembakaran [2,3]. CO2 mempunyai kalor spesifik yang tinggi sehingga sebagian panas pembakaran akan terserap oleh zat ini seiring dengan meningkatnya temperatur. Yang terakhir, CO2 yang terlarut dalam bahan bakar akan menurunkan laju reaksi pembakaran, akibatnya lama waktu pembakaran biogas akan semakin lama.
Pendahuluan Seiring dengan semakin meningkatnya kebutuhan publik akan bahan bakar untuk mobilitas transnportasi, sedangkan disisi yang lain, semakin menipisnya cadangan minyak dunia, hal tersebut memaksa kita untuk mencari dan mengembangkan sumber energi alternatif pengganti bahan bakar fosil. Salah satu sumber energi baru yang menjanjikan sebagai alternatif energi masa depan adalah Biogas. Biogas merupakan bahan bakar yang ramah lingkungan karena didapat dari proses fermentasi limbah organik seperti sampah, sisa-sisa makanan, kotoran ternak dan limbah industri makanan. Bahan bakar ini secara umum mengandung gas metana (50% - 70%), CO2 (30% - 40%), N2 (1-2 %), H2O (0,3%), H2 (5-10%) dan H2S (0-3%) [1]. Metana yang mendominasi kandungan utama dalam biogas merupakan sumber energi alternatif. KE-45
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Pengunaan Biogas sebagai bahan bakar dalam mesin pembakaran busi telah banyak dilakukan oleh peneliti sebelumnya. Contoh misalnya, penelitian yang dilakukan oleh porpathan [4] menyimpulkan bahwa kandungan gas CO2 dalam biogas berpengaruh besar terhadap kinerja mesin. Efisinsi mesin pembakaran busi akan meningkat dengan signidfikan jika kandungan CO2 dalam Biogas diturunkan dari 41 % menjadi 20 %. Selain itu, semakin menurunnya kandungan CO2 dalam Biogas juga dapat menurunkan level emisi dari hidrokarbon HC dan NO hasil pembakaran di mesin bensin. Sejalan dengan mesin bensin, aplikasi biogas pada mesin diesel juga memiliki kecenderungan yang sama. Efek dari kandungan gas CO2 akan menurunkan efisiensi termal dari mesin diesel [5]. Hasil yang lebih menjanjikan dari penggunaan Biogas dalam mesin diesel adalah jika mesin diesel tersebut menerapkan mode HCCI. Efisiensi termal mesin diesel mode HCCI dengan bahan bakar biogas mendekati nilai yang sama dengan efisiensi mesin diesel bahan bakar fosil [4]. Dari beberapa hasil penelitian diatas menunjukkan bahwa untuk mengaplikasikan biogas sebagai bahan bakar baru dalam sistem mesin konversi energi masih memerlukan pengetahuan tentang karakteristik dari proses pembakaran biogas yang lebih detail. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh dari kandungan CO2 dalam biogas terhadap karakteristik dari pembakaran premiks biogas. Perilaku dari nyala api, dan distribusi temperatur api pada berbagai variasi kandungan CO2 dalam biogas akan diteliti lebih mendalam dengan menggunakan metode counterflow burner.
penelitian ini, campuran gas CH4 dan CO2 digunakan sebagai pengganti dari bahan bakar Biogas dengan tujuan untuk lebih memudahkan dalam melakukan variasi prosentase CO2 dalam Biogas. Campuran gas tersebut dialirkan dari ujung pipa konsentrik bagian bawah bersama-sama dengan oksidator yang dalam hal ini menggunakan gas oksigen murni. Sedangkan gas inert nitrogen dialirkan dari ujung pipa bagian atas dengan momentum yang sama dengan aliran gas dari sisi bawah.
N2
N2
+ O2
Thermocouple Flame
Data Logger
O2
CH4 + O2 Methane
+ CO2
CO2
Gambar 1. Instalasi penelitian Pada kondisi campuran yang sesuai, api premiks akan terbentuk tepat ditengah-tengah atau di daerah stagnasi antara pipa konsentrik sisi bawah dan atas. Gas nitrogen yang lain dialirkan dari sisi luar masing-masing pipa konsentrik dengan tujuan sebagai pembatas agar pengaruh oksigen atau oksidator yang masuk ke dalam api dari bagian luar ruang bakar tidak ada. Tujuan lain dari suplai aliran nitrogen ini adalah untuk menjaga agar api menyala lebih stabil di daerah stagnasi
Metode Penelitian Ruang bakar tipe counterflow burner digunakan dalam penelitian ini. Skema counterflow burner diadopsi dari penelitian yang dilakukan sebelumnya [6]. Detail instalasi penelitian ini dapat dilihat pada gambar 1. Ruang bakar ini terdiri dari dua buah silinder konsentrik yang dipasang saling berlawanan dari sisi bawah dan atas. Pada KE-45
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
tersebut. Massa alir dari masing-masing gas diatur oleh rotameter (KOFLOC 1250) dimana setiap rotameter dilengkapi dengan valve pengatur aliran gas. Pada penelitian ini prosentase CO2 dalam bahan bakar divariasikan dalam 0 % sampai 50 %, sedangkan massa alir total aliran gas dari saluran sisi bawah maupun atas dijaga konstan pada 8 L/min. Selain itu, konsentrasi oksigen dalam saluran oksidator dari saluran sisi atas juga juga divariasikan dari 20 % sampai 40 %. Untuk pengukuran temperatur api, dipasang sebuah termokopel tipe K berdiameter kecil yang dihubungkan dengan sebuah data logger dan komputer. Posisi dari termokopel terhadap api dapat dikontrol secara otomatis oleh sistem motor stepping. Sehingga temperatur lingkungan di semua posisi di sekitar api dapat diambil datanya tanpa mengganggu proses pengambilan data yang lain. Kamera digital NIKON D5000 dipasang sejajar dengan nyala api untuk melihat karakteristik nyala api. Pengambilan gambar nyala api harus dilakukan dalam kondisi lingkungan yang gelap agar gambar yang dihasilkan benar-benar gambar dari api tersebut tanpa adanya pengaruh cahaya dari luar.
lebar api premiks counterflow. Terlihat pada gambar 3, semakin besar prosentase CO2, lebar api premiks cenderung semakin kecil. Pengaruh prosentase O2 lebih menunjukkan perbedaan yang signifikan terhadap lebar api premiks. Api melebar cukup besar untuk prosentase oksidator yang lebih besar
O2 30%, CO2 0% , Ф = 2,34
Hasil dan pembahasan Karakteristik Nyala Api Pada konfigurasi ruang bakar ini, Api premiks berbentuk mendatar/flat akan muncul pada daerah stagnasi antara ruang bakar saluran bawah dan atas seperti terlihat pada gambar 2. Gambar 2 memperlihatkan visualisasi api premiks biogas untuk konsentrasi oksigen 30% dan 40% pada beberapa variasi kandungan CO2 pada laju alir bahan bakar 6 L/min. Dari gambar terlihat bahwa meningkatnya kandungan CO2 tidak menunjukkan perbedaan warna api yang signifikan. Warna api cenderung memudar dari warna biru menjadi biru keputihan dengan intensitas warna yang semakin lemah pada kandungan CO2 yang semakin besar. Peningkatan jumlah prosentase CO2 maupun O2 dalam bahan bakar tidak banyak merubah warna api tetapi lebih berpengaruh terhadap
O2 40%, CO2 0% , Ф 1,50
O2 30%, CO2 10% , Ф = 2,11
O2 40%, CO2 10% , Ф 1,35
O2 30%, CO2 20% , Ф = 1.87
O2 40%, CO2 20% , Ф 1,20
O2 30%, CO2 30% , Ф = 1.64
O2 40%, CO2 30% , Ф 1,05
O2 30%, CO2 40% , Ф = 1.40
O2 40%, CO2 40% , Ф 0.90
O2 30%, CO2 50% , Ф = 1.17
O2 40%, CO2 50% , Ф 0.75
Gambar 2. Visualisasi api premiks untuk konsentrasi oksigen 30% dan 40%pada beberapa variasi konsentrasi CO2 (debit = 6 L/min)
KE-45
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Lebar Api (cm)
5.5
pembakaran lebih besar dibandingkan dengan kecepatan aliran reaktan, sehingga ketidaksetimbangan ini menyebabkan api akan bergerak kearah aliran reaktannya. Pada penelitian ini, flash back hanya terjadi pada variasi konsentrasi oksigen 40% untuk massa alir reaktan 6 L/min. Jika dicermati lebih lanjut, pada konsentrasi oksigen 40 % dan konsentrasi CO2 30 % keatas, equivalence ratio antara bahan bakar dan oksigen berada pada angka mendekati satu (Tabel 1). Hal ini menunjukkan bahwa pada pembakaran biogas dengan equivalence ratio mendekati satu, kecepatan pembakaran biogas berlangsung sangat cepat meskipun biogas tersebut mengandung campuran konsentrasi CO2 yang tidak sedikit. Sehingga dapat disimpulkan bahwa untuk mendapatkan pembakaran biogas yang baik, campuran bahan bakar dan oksigen harus dikondisikan berada pada campuran dengan equivalence ratio sekitar satu tanpa mempertimbangkan konsentrasi CO2 yang terkandung di dalam biogas. Statemen ini dapat dibuktikan lebih lanjut pada pengukuran tentang distribusi temperatur api premiks.
Grafik Lebar Api Pada Variasi CO2 O2 40% O2 30% O2 20%
5
4.5 4
3.5 3 0%
10% 20% 30% 40% 50% Prosentase CO2 Pada Bahan Bakar
Gambar 3. Lebar api premiks pada beberapa variasi prosentase CO2 dan O2 dalam bahan bakar Lebar api semakin besar seiring dengan penambahan prosentase oksidator taua oksigen. Hal ini dikarenakan dengan suplai oksidator yang lebih besar, bahan bakar akan dapat terbakar habis dengan sempurna akan semakin banyak sehingga memperlebar daerah api premiks. Di sisi lain, ketika oksigen dikurangi, campuran reaktan akan terjadi pada kondisi yang semakin kaya bahan bakar. Sehingga banyak bahan bakar yang tidak terbakar akan berpeluang untuk menjadi penghambat dari proses pembakaran tersebut. Pengaruh penambahan CO2 pada campuran bahan bakar juga menunjukkan peran yang cukup signifikan. Bahwa lebar api yang terbentuk akan semakin mengecil seiring penambahan CO2. Hal ini disebabkan oleh sifat dari CO2 sebagai zat inhibitor pada proses pembakaran. CO2 akan menyerap sejumlah kalor pembakaran sehingga temperatur api akan menurun. Turunnya temperature api akan mengakibatkan laju reaksi pembakaran yang melambat. Sehingga menyebabkan api tidak dapat menyebar dengan baik dan api yang terjadi tidak dapat membakar semua molekul bahan bakar yang ada. Fenomena menarik tentang visualisasi api premiks pada penelitian ini terlihat pada gambar 2 untuk konsentrasi oksigen 40%. Terlihat pada gambar diatas, pada konsentrasi CO2 mendekati angka 30 % keatas, api premiks counterflow memunculkan fenomena flash back. Pada fenomena ini, api premiks counterflow bergerak turun menuju ujung burner. Flash back terjadi karena kecepatan
Kestabilan Api Gambar 4 menjelaskan grafik kestabilan api premiks counterflow. Kestabilan api dinyatakan dengan jumlah minimum konsentrasi oksigen (YO2ext) yang diperlukan dalam proses pembakaran biogas pada berbagai variasi konsentrasi CO2 dalam Biogas dan massa alir reaktan pada counteflow konfigurasi. Daerah diatas titik YO2ext menunjukkan bahwa pembakaran api premiks berlangsung stabil, sedangakan dibawah titik tersebut menunjukkan daerah api padam. Data minimum konsentrasi oksigen saat extinction didapat dengan cara menurunkan konsentrasi oksigen sedikit demi sedikit dan sampai api padam. Tetapi, pada saat menurunkan konsentrasi oksigen tersebut, massa alir total gas reaktan tetap dijaga konstan dengan jalan mengatur aliran gas nitrogen.
KE-45
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
suplai oksigen yang besar seperti terlihat pada grafik 4 Tabel 1. Kalkulasi equivalence rasio
40%
Gambar 4 Konsentrasi oksigen saat extinction api premiks pada variasi prosentase CO2 dan massa alir gas reaktan
30%
Variasi O2
Dari gambar 4 tersebut terlihat bahwa YO2ext, awalnya cenderung meningkat dengan kenaikan prosentase CO2 dalam Biogas dan kemudian menurun pada konsentrasi CO2 diatas 30%. Walaupun ada perubahan massa alir gas reaktan, tetapi trend grafik extinction ini masih memperlihatkan kecenderungan yang sama. Hal ini menunjukkan bahwa dalam proses pembakaran premiks, penambahan konsentrasi CO2 dalam Biogas tidak selalu membutuhkan suplai oksigen yang lebih besar. Pada variasi penelitian yang telah dilakukan, api premiks dengan konsentrasi CO2 30 % membutuhkan suplai oksigen yang lebih besar untuk menjaga kestabilannya. Fenomena ini dapat dijelaskan dari perbedaan komposisi biogas pada masing-masing variasi kandungan CO2. Penelitian tentang kestabilan api atau extinction ini dilakukan pada kondisi yang kaya bahan bakar, sehingga banyak kandungan bahan bakar yang tidak ikut bereaksi dalam proses pembakaran. Akibatnya bahan bakar yang tidak terbakar tersebut akan menyerap sejumlah kalor dari panas pembakaran dan secara signifikan akan menurunkan temperatur api serta laju reaksi pembakaran. Metana yang merupakan sumber bahan bakar di dalam Biogas mempunyai kapasitas panas yang sangat besar hamper 4 kali lipat dibanding CO2. Pada kondisi penelitian dengan variasi konsentrasi CO2 30 % kandungan metana yang tidak terbakar masih cukup besar sehingga banyak kalor pembakaran yang diserap oleh metana. Hal ini mengakibatkan pada kondisi ini memerlukan
Varias i CO2
AFR actual
AFR stoi k
Ф
0%
1.330
2
1.50
10%
1.477
2
1.35
20%
1.662
2
1.20
30%
1.900
2
1.05
40%
2.216
2
0.90
50%
2.659
2
0.75
0%
0.855
2
2.34
10%
0.950
2
2.11
20%
1.069
2
1.87
30%
1.221
2
1.64
40%
1.425
2
1.40
50%
1.710
2
1.17
Kesimpulan Hasil penelitian menunjukkan bahwa, pada equivalence ratio mendekati 1 muncul fenomena api flash back atau api premiks bergerak kearah aliran reaktan. Flash back menunjukkan bahwa kecepatan pembakaran biogas berlangsung sangat cepat, sehingga untuk mendapatkan performasi pembakaran yang tinggi, Biogas direkomendasikan selalu dikontrol pada equivalence ratio mendekati 1. Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa minimum oksigen konsentrasi tertinggi untuk menjaga api premiks biogas tetap stabil KE-45
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
terjadi pada prosentase CO2 dalam biogas berkisar 30 %. Referensi [1] Price, E.C and Cheremisinoff, P.N. 1981. Biogas Production and Utilization.United States of America: Ann Arbor Science Publishers, Inc. [2] Karim, G.A., Wierzba, I., MethaneCarbon dioxide Mixtures as a Fuel, AFRC/JFRC International Symposium, Hawai, October 1998. [3] Karim, G.A., Hanafi. A. S., Zhou, G., A kinetic Investigation of the Oxidation of Low Heating Value Fuel Mixtures of Methane and Diluents, Journal of Emerging Energy Technology, Vol 41, 1992, page 103. [4] Porpatham, E., Ramesh,A., Nagalingam,B., Investigation on the Effect of Concentration of Methane in Biogas when Used as a Fuel for a Spark Ignition Engine, Journal of Fuel, Vol.87, Issue 8-9, 2008, p. 1651-1659 [5] Yoon, S.H., Lee, C.S., Experimental Investigation on the Combustion and Exhaust Emission Characteristics of Biogas-Biodiesel Dual-fuel Combustion in a CI engine, Journal of Fuel Processing Technology, Vol. 92, Issue 5, 2011, p. 992-1000 [6] Sasongko, M. N., Mikami, M., T. Seo, Counterflow Diffusion Flame with Polydisperse Water Sprays, Proceedings of the Combustion Institute Volume 33, Issue 2, 2011, p. 2555-2562
KE-45
