OLEH : NANDANA DWI PRABOWO (2109 105 019) DOSEN PEMBIMBING : Dr. Bambang Sudarmanta, ST. MT. JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011
Krisis bahan bakar minyak karena cadangan minyak semakin menipis Peningkatan jumlah penduduk dan kemajuan industrialisasi, kebutuhan bahan bakar meningkat Diperlukan sumber energi alternatif baru yang lebih murah dan dapat diperbaharui (biomassa) Biomassa ampas tebu di Indonesia sedemikian melimpah, namun belum terolah sepenuhnya Ampas tebu sangat potensial dijadikan sumber energi alternatif dengan metode konversi energi yang tepat
Adalah bahan organik yang dihasilkan melalui fotosintetis, baik berupa produk maupun buangan. Keuntungan Biomassa : 1. Sumber ENERGI yang dapat diperbaharui 2. Jumlah yang melimpah di Indonesia 3. Mengurangi polusi dan efek rumah kaca 4. Hasil pembakaran biomassa relatif bersih 5. Meningkatkan perekonomian di daerah pedesaan
proses
Corn
Cotton woods
Switch grass
Wood chips
Corn stover
Bagasse
Ampas tebu sisa penggilingan pabrik gula yang dijual untuk digunakan sebagai bahan bakar pengganti minyak tanah tanpa metode konversi energi lebih lanjut.
Ampas tebu sisa pengolahan es tebu yang dibuang begitu saja dan dan sering dimusnahkan dengan cara dibakar .
Teknologi Proses thermo-kimia yang mengubah segala jenis Biomassa padat
menjadi Flammable Gas CO, H2, dan CH4
Bagaimana mendapatkan variasi rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) terbaik terhadap gasifikasi biomassa ampas tebu dengan variabel ukuran biomassa ampas tebu tertentu. Variasi rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) : 1. Rasio udara-bahan bakar (AFR) 0,79 2. Rasio udara-bahan bakar (AFR) 0,96 3. Rasio udara-bahan bakar (AFR) 1,11 4. Rasio udara-bahan bakar (AFR) 1,25 Variabel ukuran biomassa : 1. Ukuran ampas tebu (1-3) cm 2. Ukuran ampas tebu (1-7) mm
1.
Mendapatkan identifikasi zone-zone proses gasifikasi (ampas tebu).
2.
Mendapatkan variasi (AFR) yang tepat dengan variabel ukuran ampas tebu terhadap :
kosentrasi yang terkandung di dalam produksi syn-gas (Vol.%)
nilai kandungan energi dilihat dari LHV (Lower Heating value) syn-gas
efisiensi gasifikasi
hasil visualisasi nyala api
1.
2. 3.
4. 5.
Penelitian dan pembahasan Tugas Akhir hanya dilakukan dengan menggunakan model (prototipe) reaktor gasifikasi berkapasitas 5,5 kg, dengan jenis gasifikasi aliran searah (downdraft gasification). Penelitian tidak membahas tentang proses desain model (prototipe) reaktor gasifikasi. Penelitian dilakukan di Research Center ITS, sehingga kondisi temperatur, tekanan, kecepatan udara yang digunakan sesuai dengan kondisi setempat dan dianggap konstan. Biomassa yang digunakan adalah ampas tebu dari sisa pengolahan gula di PG.Toelangan Sidoarjo dengan properti yang konstan. Pada penelitian ini tidak dibahas mengenai perpindahan panas secara radiasi dikarenakan media yang dilalui di sekitar reaktor gasifikasi dengan fluida yang bergerak.
Tahapan Proses : 1. Drying Zone (100 °C – 200 °C) Endoterm → Menghilangkan Kandungan air 2. Pyrolisis (200 °C – 600 °C) Dekomposisi → Penguraian Volatile Endoterm → Menyerap Panas 3. Partial Oxidation (600 °C – 1000 °C) Eksoterm → Menghasilkan Panas 4. Reduction (400 °C – 600 °C) : Mereduksi CO2 dengan - Water Gas Reaction - Boudouard Reaction - Shift Conversion - Methanation
Kesetimbangan Massa Energi Masuk
Kesetimbangan Energi
Dimana :
Energi Keluar
• Efisiensi Gasifikasi • Heat Loss qconv = h A (Ts - T∞) Re =
V .D
υ
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011
Catharina Erlich, dkk pada makalahnya yang berjudul ”Downdraft gasification of pellets made of wood, palm oil residues respective bagasse” di tahun 2011 Dampak dari variasi AF-RATIO, ukuran dan jenis butir terhadap cold-gas efisiensi, ditunjukkan pada grafik di bawah ini :
Gambar Efisiensi gasifikasi sebagai fungsi dari rasio udara-bahan bakar.
Rasio udara-bahan bakar yang tinggi mengarah ke temperatur gasifikasi yang lebih tinggi dan konversi bahan bakar yang lebih baik, ditunjukkan pada grafik, dimana suhu rata-rata gasifikasi (T8 dalam grafik) ditampilkan sebagai fungsi rasio udara-bahan bakar untuk kayu dan ampas tebu.
Gambar Temperatur gasifikasi sebagai fungsi rasio udara-bahan bakar.
Electric Generator
Water Pump
Diesel Engine JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011
Ampas tebu
Ts
Crusher
Cacahan ampas tebu
Pada pengujian ini biomassa yang digunakan sebagai bahan baku proses gasifikasi tipe downdraft adalah ampas tebu. Berikut pengujian propertis biomassa ampas tebu : 1. Analisa Ultimate : Dapat
diketahui
karakteristik
kandungan
komposisi
dari
karbon, hidrogen, nitrogen, belerang, dan oksigen yang dimiliki oleh bahan baku. 2. Analisa Proxymate : Dianalisa mengenai kadar kandungan moisture bahan bakar, volatil matter, fixed carbon, dan abu (ash) yang dimilikinya. 3. Analisa Nilai Kalor : Dianalisa mengenai nilai kandungan kalor (Low Heating Value) yang di uji pada alat bomb kalorimeter dimana nilai yang keluar dalam bentuk High Heating Value.
Karakteristik Briket Ampas Tebu “sugarcane leaf – bagasse gasifiers for industrial heating applications” (Rajeev Jorapur & Anil K. Rajvanshi)
Kandungan karbon dan oksigen menunjukan jumlah yang cukup dominan, unsur-unsur ini menjadi komponen utama dalam reaksi pembentukan syngas
Mulai (START)
A
B
Pengambilan biomassa ampas tebu
Proses pengujian Gasifikasi
Perhitungan analisa nilai kalor ash : 1.Low heating value
Pengolahan biomassa : - Crusher - Pengeringan
Pengujian analisa Proximity biomassa ampas tebu di laboratorium pusat studi energi dan rekayasa ITS
Perhitungan analisa proximity : 1.Volatil matter 2.Moisture 3.Ash 4.Fixed Carbon
Pengujian analisa nilai kalor biomassa ampas tebu di laboratorium pusat studi energi dan rekayasa ITS
Perhitungan analisa nilai kalor : 1.Low Heating Value
Data awal : 1.Temperature udara ambient 2.Massa biomassa ampas tebu 3.Temperatur reaktor dan sistem perpipaan
Studi Literatur : 1.Jurnal 2.Text Book
Catat data proses : 1.Distribusi temperatur pada 5 titik 2.Kecepatan udara masuk ke reaktor 3.Kecepatan syn-gas keluar pipa burner 4.Kecepatan udara luar 5.Temperatur dinding reaktor dan sistem perpipaannya
Perhitungan : 1.Laju alir massa udara yang masuk ke reaktor gasifikasi 2.Laju alir massa syn-gas yang keluar pipa burner
Pengambilan sampel syn-gas untuk di uji komposisi kandungan syn-gas
Perhitungan analisa nilai kalor gas terbakar (combustible gas) dari syn-gas : 1.Low heating value CO 2.Low heating value CH4 3.Low heating value H2
Perhitungan : 1.Kesetimbangan massa 2.Kesetimbangan energi 3.Efisiensi gasifikasi 4.Heat loss perpindahan panas
Pengolahan data berupa grafik dan gambar : 1.Distribusi Temperatur = f (dimmer) 2.Air Fuel Ratio = f (dimmer) 3.Kosentrasi kandungan syn-gas = f (dimmer) 4.Nilai kandungan energi (LHV) pada syn-gas = f (dimmer) 5.Effisiensi gasifikasi = f (dimmer) 6.Visualisasi api = f (dimmer)
Kesimpulan
Selesai (FINISH) Data akhir : 1.Massa Ash
Pengaturan variasi air fuel ratio (AFR) dengan dimmer yaitu : AFR 1, II, III, IV
Pengujian analisa nilai kalor ash di laboratorium pusat studi energi dan rekayasa ITS
A
B
INPUT
OUTPUT Diukur Data Proses
Variabel Tetap
Variabel Bervariasi
Dimensi reaktor
Suplai udara masuk
Uji proximate
Bahan baku
Ukuran biomassa
Nilai Kalor
ṁ biomassa
Sekali
T udara luar V udara luar
Dihitung
Visualisasi
T sepanjang reaktor
Analisa proximate
Nyala api
T dinding luar reaktor T sistem perpipaan
LHV biomassa ṁ udara Heat Loss
∆h Manometer
ṁ syngas
V gas
LHV Ash&Char
Massa Ash & Char Komposisi Syngas
LHV syngas ηgasifikasi
Analisa Proximate LHV Kandungan (%)
Moisture
Volatile
Ash
Fixed
Content
Matter
Content
Carbon
4,95
77,3
1,5
16,25
16416
(kJ/kg)
Analisa Ultimate Kandungan
C
H
O
N
S
(%)
44,5
6,5
43,1
0,2
0,2
Kandungan karbon dan oksigen menunjukan jumlah yang cukup dominan, unsur-unsur ini menjadi komponen utama dalam reaksi pembentukan syngas
Analisis Distribusi Temperatur Reaktor pada Ukuran Ampas Tebu 1-3 cm AFR 0,79
AFR 0,96
1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
Distribusi Temperatur = f (waktu)
T1 T2 T3 T4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
Temperatur (ºC)
Temperatur (ºC)
Distribusi Temperatur = f (waktu) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
T5
T1 T2 T3 T4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
Waktu (menit)
Waktu (menit)
AFR 1,11
AFR 1,25
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
Distribusi Temperatur = f (waktu)
T1 T2 T3 T4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Waktu (menit)
T5
Temperatur ( ºC )
Distribusi Temperatur = f (waktu) Temperatur (ºC)
T5
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
T1 T2 T3 T4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
Waktu (menit)
T5
Analisis Distribusi Temperatur Reaktor pada Ukuran Ampas Tebu 1-7 mm AFR 0,79
AFR 0,96
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
Distribusi Temperatur = f (waktu)
T1 T2 T3 T4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Temperatur (ºC)
Temperatur (ºC)
Distribusi Temperatur = f (waktu) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
T5
T1 T2 T3 T4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
Waktu (menit)
Waktu (menit)
AFR 1,11
AFR 1,25
1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
Distribusi Temperatur = f (waktu)
T1 T2 T3 T4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
Waktu (menit)
T5
Temperatur (ºC)
Distribusi Temperatur = f (waktu) Temperatur (ºC)
T5
1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
T1 T2 T3 T4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
Waktu (menit)
T5
Analisis Rasio Udara-Bahan Bakar (AFR)
Dengan kondisi laju alir biomassa ampas tebu yang konstan, Nilai Air Fuel Ratio (AFR) semakin naik seiring naiknya kecepatan suplai udara yang masuk kedalam throat.
Dimmer
∆L manometer
Air fuel ratio (rasio udara bahan bakar) = f ( V udara )
Air fuel ratio
nomor 4 6 8 10
(mm) 2 3 4 5
bahan bakar) 0,79 0,96 1,11 1,25
AFR
(rasio udara
1,40 1,30 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 2,50
3,00
3,50
4,00
V udara (m/s)
4,50
5,00
Analisis Kandungan Syn-gas
(1-3) cm
0,79 0,96 1,11 1,25
(1-7) mm
Kosentrasi kandungan syn-gas CO
H2
CH4
CO2
N2
O2
(% Vol) 23,12 22,01 19,67 17,13
(% Vol) 5,44 4,53 3,79 3,06
(% Vol) 2,02 2,13 1,94 1,56
(% Vol) 11,89 12,73 13,6 13,46
(% Vol) 47,62 48,51 47,42 51,53
(% Vol) 9,91 10,09 13,58 13,26
24,84 21,63 17,91 14,67
5,75 5,61 4,93 4,1
2,55 3,42 4,26 4,76
12,73 12,87 13,26 13,96
45,49 46,09 48,42 49,7
8,64 10,38 11,22 12,81
Nilai kosentrasi kandungan synthetic gas (% vol)
Ukuran ampas tebu
Air fuel ratio (rasio udara bahan bakar) 0,79 0,96 1,11 1,25
Grafik kosentrasi kandungan synthetic gas = f{Air Fuel Ratio pada ampas tebu (1-3) cm} 60 50 40
CH4 (% Vol) 20
Nilai kosentrasi kandungan synthetic gas (% vol)
CO (% Vol) H2 (% Vol) CH4 (% Vol) CO2 (% Vol) N2 (% Vol)
10
O2 (% Vol)
0 0,79
0,96
1,11
Air Fuel Ratio
1,25
N2 (% Vol) O2 (% Vol)
0
50
20
CO2 (% Vol)
10
60
30
H2 (% Vol)
30
Grafik kosentrasi kandungan synthetic gas = f{Air Fuel Ratio pada ukuran ampas tebu(1-7) mm}
40
CO (% Vol)
0,79
0,96
1,11
1,25
Air Fuel Ratio
Dengan kondisi laju alir biomassa ampas tebu yang konstan pada 0,000764 kg/s, maka apabila udara yang masuk ke dalam reaktor gasifikasi berlebih akan terbentuk lebih banyak gas O2, N2, CO2 dan combustible gas (CO, H2, CH4) berkurang.
Analisis Nilai Kalor Ditinjau dari LHV Synthetic Gas (Low heating Value) Dari prosentase komposisi Synthetic gas dapat dilakukan perhitungan Low heating value (LHV) pada synthetic gas dengan persamaan
Ukuran ampas tebu
(1-3) cm
(1-7) mm
Air fuel ratio (rasio udara bahan bakar) 0,79 0,96 1,11 1,25
Energi LHV Syn-gas kJ/Nm3 5103,9392 4648,4778 4065,5238 3440,3052
0,79 0,96 1,11 1,25
5490,5654 5126,493 4500,7642 3845,566
Nilai kandungan energi synthetic gas (kJ/Nm3)
Grafik kandungan energi synthetic gas (Low Heating Value) = f (Air Fuel Ratio) 5700 5500 5300 5100 4900 4700 4500 4300 4100 3900 3700 3500 3300
LHV Syn-gas ukuran ampas tebu (1-3 cm) kJ/Nm3 LHV Syn-gas ukuran ampas tebu (1-7 mm) kJ/Nm3
0,79
0,96
1,11
Air Fuel Ratio
1,25
Nilai LHV synthetis gas semakin turun seiring dengan peningkatan nilai rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio)
Kesetimbangan massa (masuk dan keluar) berdasarkan Air Fuel Ratio dan ukuran ampas tebu
Ukuran ampas tebu
(1-3) cm
(1-7) mm
Air fuel ratio (rasio udara bahan bakar)
Dimmer nomor
Kesetimbangan massa masuk Laju alir massa Laju alir massa ampas tebu (kg/s) udara (kg/s)
Kesetimbangan massa keluar Laju alir massa
Laju alir massa
Laju alir massa
Syn-gas (kg/s)
ash (kg/s)
char (kg/s)
0,79
4
0,000763889
0,000601852
0,001325691
2,18694E-05 1,81806E-05
0,96
6
0,000763889
0,000737115
0,001462561
0,00002235 1,60931E-05
1,11
8
0,000763889
0,000851147
0,001581454
2,36278E-05 9,95417E-06
1,25
10
0,000763889
0,000951611
0,001670079
3,86444E-05 6,77639E-06
0,79
4
0,000763889
0,000601852
0,001342357
1,35361E-05 9,84722E-06
0,96
6
0,000763889
0,000737115
0,001479227
1,40167E-05 7,75972E-06
1,11
8
0,000763889
0,000851147
0,00159812
1,52944E-05 1,62083E-06
1,25
10
0,000763889
0,000951611
0,001683632
3,03111E-05 1,55694E-06
Energi Masuk
Kesetimbangan Energi Energi yang masuk sistem adalah energi yang berupa ampas tebu yang memiliki Low Heating Value (LHV) tertentu dan energi dari udara masukan. Energi outputnya berupa energi berguna, yaitu energi syngas, char, ash, dan heat loss. Dari data tersebut nantinya bisa ditentukan nilai efisiensi sistem.
char
Energi Keluar
Perhitungan Kesetimbangan Energi (masuk dan keluar) berdasarkan Air Fuel Ratio dan ukuran ampas tebu Ukuran Air fuel ratio Kesetimbangan energi masuk Kesetimbangan energi keluar ampas (rasio udara E.biomassa energi udara energi syn-gas energi ash energi char tebu
(1-3) cm
(1-7) mm
bahan bakar) 0,79 0,96 1,11 1,25
(kW) 12,54 12,54 12,54 12,54
(kW) 0,003030323 0,003711373 0,004285524 0,004791362
(kW) 7,590978561 7,122882804 6,775247184 6,076908886
(kW) 0 0 0 0
(kW) 0,282144042 0,249748129 0,154478713 0,105162779
Energi losses syngas dan konveksi (kW) 0,97491906 0,834415215 0,750163555 0,8221797
0,79 0,96 1,11 1,25
12,54 12,54 12,54 12,54
0,003030323 0,003711373 0,004285524 0,004791362
7,520887431 7,772473955 7,709074141 6,979794475
0 0 0 0
0,152819042 0,120423129 0,025153713 0,024162221
0,77583457 0,790331313 0,857211944 0,861488804
Efisiensi Gasifikasi Ukuran ampas tebu Nilai effisiensi gasifikasi (%)
Grafik Effisiensi Gasifikasi (%) = f (Air Fuel Ratio) 65 63 61 59 57 55 53 51 49 47 45
Efisiensi gasifikasi ukuran ampas tebu (1-3 cm) %
(1-3) cm
Efisiensi gasifikasi ukuran ampas tebu (1-7 mm) %
(1-7) mm 0,79
0,96
1,11
Air Fuel Ratio
1,25
Air fuel ratio (rasio udara bahan bakar) 0,79 0,96 1,11 1,25 0,79 0,96 1,11 1,25
Effisiensi Gasifikasi (%) 60,5341 56,8013 54,0291 48,4602 59,9752 61,9815 61,4759 55,6602
Nilai efisiensi gasifikasi yang terbaik diperoleh ketika prosentase kandungan energi synthetic gas dan laju alir massa synthetic gas selama proses memiliki komposisi yang tepat.
Sankey Diagram (AFR 0,96) Ukuran Ampas Tebu (1-7) mm Heat loss Dinding reaktor gasifikasi (6,12 %) Biomassa Ampas Tebu
Proses
(99,97%)
Gasifikasi
Useful energy Syn-gas
Losses energy Udara (0,03 %)
char+ash (0,96 %)
(61,96 %)
Losses Syngas (1,2 %)
Losses energy Uknown (29,76 %)
Losses Unknown : •
Penyederhanaan yang dilakukan dalam perhitungan, misalnya energi berupa panas yang mengendap di dalam reaktor, kerugian panas secara konveksi pada instalasi perpipaan dari reaktor gasifikasi sampai burner, termasuk pada cyclone, water scrubbing, kebocoran yang tidak bisa dihindari (kebocoran sambungan-sambungan perpipaan)
Visualisasi Nyala Api pada Ukuran Ampas Tebu 1-3 cm AFR 0,79
AFR 0,96
AFR 1,11
AFR 1,25
Visualisasi Nyala Api pada Ukuran Ampas Tebu 1-7 mm AFR 0,79
AFR 0,96
AFR 1,11
AFR 1,25
Kesimpulan 1. Kenaikan suplai udara selain mengakibatkan kenaikan terhadap laju alir massa gas hasil gasifikasi juga mengakibatkan turunnya konsentrasi kandungan energi dalam syn-gas. 2. Nilai (Air Fuel Ratio) terbaik dari variasi yang diteliti adalah pada AFR 0,96 dan ukuran ampas tebu (1-7) mm karena memiliki kandungan energi syn-gas tertinggi yaitu sebesar 7,7725 kJ/s. 3. Komposisi syn-gas terbaik pada AFR 0,96 dan ukuran ampas tebu (1-7) mm didapatkan kadar CO, H2,CH4, N2,CO2, O2 berturut-turut adalah sebesar 21,63 % ; 5,61 % ; 3,42 % ; 46,09 % ; 12,87 %, 10,38 %. 4. Visualisasi nyala api pada AFR 0,96 dan ukuran ampas tebu (1-7) mm merupakan yang terbaik karena memiliki nyala api yang stabil dan nyala api berwarna biru yang dominan. Hal ini dikarenakan memiliki kandungan flammable gas tertinggi yang direpresentasikan dengan nilai energi syn-gas yang juga tinggi. 5. Variasi AFR dapat mempengaruhi efisiensi gasifikasi secara signifikan mulai 54,0261,98% dengan efisiensi terbaik pada (61,98%) terjadi pada AFR 0,96 6. Pengecilan ukuran biomassa dari (1-3) cm menjadi (1-7) mm pd AFR terbaik dapat meningkatkan effisiensi sebesar 9,12% dan peningkatan LHV syn-gas sebesar. 10,28% 7. Peningkatan AFR cenderung menghasilkan LHV syn-gas yang lebih rendah.
KRITIK DAN SARAN SANGAT SAYA HARAPKAN DEMI KESEMPURNAAN TUGAS AKHIR
