NASKAH PUBLIKASI TUGAS AKHIR
PENGARUH PEMANASAN AWAL UDARA TERHADAP PERFORMA CROSSDRAFT GASIFIER DENGAN BAHAN BAKAR SEKAM PADI
Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun Oleh :
GIRI SANTOSA D200120141
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA JANUARI 2016
Pengaruh Pemanasan Awal Udara Terhadap Performa Crossdraft Gasifier Dengan Bahan Bakar Sekam Padi Giri Santosa, Nur Aklis, Wijianto Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura Email :
[email protected] ABSTRAKSI Crossdraft gasifier merupakan alat yang bisa digunakan untuk mengkonversi energi biomassa dari sekam padi menjadi energi lain yang lebih berguna. Oleh sebab itu tujuan penelitian ini adalah untuk meneliti pengaruh pemanasan awal udara terhadap temperatur pembakaran, temperatur air, nyala efektif dan efisiensi thermal tungku sehingga didapatkan performa yang optimal dari crossdraft gasifier. Penelitian ini menggunakan crossdraft gasifier yang dijadikan sebagai kompor dengan diameter dalam reaktor 170 mm dan tinggi reaktor 845 mm serta menggunakan isolator serbuk batu bata pada dinding reaktor untuk mendidihkan 1 liter air menggunakan bahan bakar 1 kg sekam padi dan udara sebagai agen, dilakukan variasi pada agen berupa variasi temperatur awal udara antara lain temperatur awal udara normal (32 °C), 50 °C dan 80 °C pada kecepatan aliran udara yang sama yaitu 5.5 m/s kemudian diukur temperatur pembakaran, temperatur air dan nyala efektif. Hasil penelitian menunjukkan variasi temperatur awal udara sangat berpengaruh terhadap temperatur pembakaran, temperatur air, nyala efektif serta efisiensi thermal tungku yang dihasilkan. Pada temperatur awal udara normal (32 °C) temperatur pembakaran tertinggi yaitu 874.3 °C, waktu pendidihan air selama 3 menit, nyala efektif selama 12.5 menit dan efisiensi thermal tungku sebesar 6.19 %. Pada temperatur awal udara 50 °C temperatur pembakaran tertinggi yaitu 913 °C, waktu pendidihan air selama 3 menit, nyala efektif selama 11.5 menit dan efisiensi thermal tungku sebesar 7.552 %. Pada temperatur awal udara 80 °C temperatur pembakaran tertinggi yaitu 940.66 °C, waktu pendidihan air selama 3 menit, nyala efektif selama 11 menit dan efisiensi thermal tungku sebesar 5.61 %. Kata Kunci : Gasifikasi, Sekam Padi, Crossdraft gasifier, Pemanasan awal udara
iii
ABSTRACTION Crossdraft gasifier is a tool that can be used to convert biomass energy from rice husks into other, more useful energy. Therefore, the purpose of this study was to investigate the effect of air to preheat the combustion temperature, water temperature, effective flame and thermal efficiency of the furnace to obtain optimal performance of crossdraft gasifier This study uses a cross-draft gasifier is used as a stove with a diameter in the reactor of 170 mm and a height of the reactor 845 mm as well as the use of insulating powder brick in the wall of the reactor to boil 1 liter of water using fuel 1 kg of rice husk and air as an agent, do a variation on agent in the form of variations in the initial temperature of air, among others, the initial temperature of normal air (32 ° C), 50 ° C and 80 ° C at the same air flow velocity is 5.5 m / s are then measured combustion temperature, water temperature and effective flame The results showed the beginning of the air temperature variation affects the combustion temperature, water temperature, effective flame and furnace thermal efficiencies generated. At the beginning of the normal air temperature (32 ° C) the highest combustion temperature 874.3 ° C, while boiling water for 3 minutes, the flame effective for 12.5 minutes and the thermal efficiency of the furnace at 6:19%. At the beginning of the air temperature 50 ° C the highest combustion temperature of 913 ° C, while boiling water for 3 minutes, 11.5 minutes effectively during the flame and furnace thermal efficiency of 7,552%. At the beginning of the air temperature 80 ° C the highest combustion temperature is 940.66 ° C, while boiling water for 3 minutes, effective flame for 11 minutes and the furnace thermal efficiency of 5.61%. Keywords: Gasification, Rice Husk, Cross draft gasifier, the air Preheating
iii
Pendahuluan
berlangsung secara lebih banyak
Salah satu sumber bahan
dalam suatu satuan waktu tertentu.
bakar alternatif yang bisa di daur
Oleh sebab itu perlu dilakukan
ulang secara terus menerus adalah
penelitian lebih lanjut terhadap crossdraft gasifier agar mampu
biomassa. Biomassa merupakan mengacu
menghasilkan performa yang lebih
pada bahan biologis yang berasal
maksimal, salah satunya adalah
dari organisme yang belum lama
dengan
mati. Salah satu contoh biomassa
pemanasan
adalah sekam padi, sehingga perlu
dimana udara merupakan salah
sumber
energi
yang
dikembangkan
suatu
cara
melakukan
awal
udara
yang
satu agen pada crossdraft gasifier
metode
pemanfaatan sekam padi. Rumusan Masalah
Salah satu cara mengkonversi energi biomassa seperti sekam
Perumusan masalah dalam
padi adalah dengan gasifikasi. Alat
penelitian ini adalah bagaimana
yang digunakan dalam gasifikasi
pengaruh variasi pemanasan awal
antara
udara
lain
adalah
updraft,
sebagai
agen
terhadap
crossdraft
gasifier
downdraft dan crossdraft gasifier.
performa
Keuntungan
dengan bahan bakar sekam padi
crossdraft
menggunakan gasifier
updraft
dan
adalah
agen
dibanding
downdraft
Tujuan Penelitian
gasifier
disemprotkan
ke
Penelitian ini bertujuan untuk :
dalam ruang bakar dari lubang arah
samping
berhadapan pengambilkan
yang
dengan gas
1. Untuk
saling
satu
bagian
lubang
terhadap
sehingga
saja
pengaruh
variasi pemanasan awal udara
pembakaran
pembakaran dapat terkonsentrasi pada
mengetahui
dan
1
temperatur
2. Untuk
mengetahui
pengaruh
kerja total (waktu penyalaan awal +
variasi pemanasan awal udara
waktu operasi) tungku yang sangat
terhadap nyala efektif tungku
singkat yaitu 5 menit. Pada bahan
3. Untuk
mengetahui
pengaruh
bakar tandan kosong kelapa sawit
variasi pemanasan awal udara
ukuran 10-12 cm menghasilkan
terhadap
waktu penyalaan awal rata-rata 8.8
efisiensi
thermal
tungku
menit dan waktu operasi rata-rata 14.1 menit serta temperatur api
Tinjauan Pustaka
rata-rata 741 °C. Pada bahan (2011),
bakar tandan kosong kelapa sawit
gasifikasi
ukuran 15-20 cm menghasilkan
menggunakan crossdraft gasifier
waktu penyalaan awal rata-rata 8.1
yaitu
perancangan,
menit dan waktu operasi rata-rata
pembuatan dan pengujian tungku
14.9 menit serta temperatur api
gasifikasi tipe crossdraft dengan
rata-rata 767 °C. Pada bahan
bahan bakar tandan kosong kelapa
bakar
sawit
Hafidhulhoer melakukan
pengujian
tentang
bonggol
bonggol
jagung.
menghasilkan
dilakukan
dengan
awal rata-rata 8.04 menit dan
menggunakan berat bahan bakar
waktu operasi rata-rata 15 menit
rata-rata 1 Kg dan variasi ukuran
serta temperatur api rata-rata 755
bahan bakar tandan kosong kelapa
°C. Dari hasil pengujian maka
sawit yang antara lain pencacahan
dapat disimpulkan ukuran bahan
dan
Pengujian
bakar
berukuran 10-12 cm, 15-20 cm dan pencacahan
halus.
pada
waktu
jagung
tungku
mempengaruhi
Pengujian
penyalaan
crossdraft temperatur
dengan
menggunakan
tandan
pembakaran serta waktu operasi
kosong
kelapa
dengan
tungku tersebut.
sawit
pencacahan halus menghasilkan
Samsudin (2008), melakukan
syngas yang sedikit serta waktu
pengujian gasifikasi menggunakan
2
updraft
gasifier
yaitu
dengan
meningkat seiring meningkatnya
pemanasan awal udara sebagai
temperatur awal udara. Komposisi
agen pada updraft gasifier dengan
syngas
menggunakan bahan bakar sekam
akibat temperatur awal udara yang
padi. Pengujian dilakukan dengan
meningkat, komposisi CO dan H2
menaikkan temperatur udara pada
meningkat sedangkan CH4 dan
blower sebelum masuk ke dalam
CO2 menurun hal ini terjadi karena
reaktor
dari
pemanasan
normal
hingga
temperatur 400
udara
°C.
Dari
mengalami
awal
mempercepat
perubahan
udara
proses
akan pirolisis
pengujian tersebut diperoleh hasil
dimana volatile matter (CH4) dan
apabila
udara
moisture content cepat terlepas
dinaikkan dari 30 °C hingga 400 °C
dari sisa bahan bakar. Selanjutnya
terjadi
volatile
temperatur
awal
peningkatan
pada
matter
sebagian
temperatur pembakaran dari 700
tergasifikasi membentuk CO dan
°C hingga 781 °C hal ini terjadi
sebagian lagi terbakar yang dapat
karena kalor sensibel udara panas
mempercepat
yang
dimana CO terbentuk.
masuk
peningkatan
menginduksi
temperatur
dalam
reaksi
Boudouard
Gasifikasi
ruang bakar. Efisiensi gasifikasi meningkat
dampak
pemanasan efisiensi
awal
Gasifikasi
dari
udara,
meningkat
proses
nilai
sebagian
besar
(karbon
gas
yang
di
karbon,
seperti
monoksida,
karbon
dioksida dan hidrogen) dengan
terikat
mereaksikan bahan baku tersebut
terkonversi menjadi CO, sehingga energi
bahan
ataupun biomassa, menjadi gas
sehingga
karbon
mengubah
batubara, minyak bumi, biofuel
64,90 % hal ini terjadi karena suhu meningkat
sebuah
mengandung
secara
signifikan dari 62,44 % menjadi
gasifikasi
yang
adalah
dengan
hasilkan
jumlah
oksigen
yang
terkendali pada temperatur tinggi. 3
150oC.
Campuran gas yang dihasilkan
dari
disebut gas sintesis atau syngas
pirolisa
dan gas itu sendiri merupakan
tingkatan proses, yaitu pirolisa
bahan
Gasifikasi
primer dan pirolisa sekunder.
mengekstraksi energi dari berbagai
Pirolisa primer adalah pirolisa
jenis bahan organik Selama proses
yang terjadi pada bahan baku
gasifikasi
(umpan),
bakar.
biomassa
mengalami
Pada
terdapat
proses beberapa
sedangkan
pirolisa
urutan tahapan – tahapan proses
sekunder adalah pirolisa yang
yang komplek seperti pengeringan,
terjadi atas partikel dan gas /
pirolisis,
uap hasil pirolisa primer.
reduksi,
pembakaran.
3. Pembakaran / combustion (900
Dimana reaksi - reaksi yang terjadi pada
masing
-
masing
o
C s/d 1.400 oC)
tahap
adalah sebagai berikut:
Pembakaran
1. Pengeringan / Drying ( 25 oC
membuat
kandungan karbon teroksidasi
s/d 150 oC)
dan hidrogen yang terdapat
Bahan
baku
akan
pada
bahan
bakar
dengan
mengalami pengeringan akibat
reaksi eksotermik, sedangkan
panas
gasifikasi
oksidasi,
reaksi
dari
pada
tahap
tahap
ini
mereduksi
hasil
pembakaran menjadi gas bakar
kandungan air dalam wujud cair
dengan
reaksi
endotermik.
pada
Oksidasi
atau
pembakaran
biomassa
berubah
menjadi uap air yang berwujud
arang
merupakan
reaksi
gas akibat pemanasan
terpenting yang terjadi di dalam gasifier.
2. Pirolisa / phyrolisis (150 0C s/d 900 0C)
4. Reduksi (600 oC s/d 900 oC)
Pirolisa adalah penguraian
Reduksi melibatkan suatu
biomassa (lysis) karena panas
rangkaian
(pyro) pada suhu yang lebih
yang disokong oleh panas yang 4
reaksi
endotermik
diproduksi
dari
pembakaran.
Produk
dihasilkan
pada
reaksi
m :
yang
proses
Massa
bahan
bakar
(massa awal – massa sisa)
ini
Cp : Kalor jenis air ∆ : Perbedaan suhu maksimal
adalah gas bakar, seperti H2, CO, dan CH4.
dan minimal (T2 – T1)
Kalor 3. Kalor laten air ( ) Kalor adalah suatu bentuk
=
energi yang diterima oleh suatu
Dimana :
benda yang menyebabkan benda
× ℎ
…………... (3)
tersebut berubah suhu atau wujud
: Kalor laten air
bentuknya. Nilai kalor pada sekam
: Massa uap (massa air
padi sekitar 14.8 MJ/kg. Rumus
awal – massa air akhir)
yang digunakan dalam menghitung
ℎ
kalor antara lain :
Crossdraft Gasifier
1. Kalor yang dihasilkan bahan bakar (
)
=
×
Pada tipe crossdraft ini, udara ................... (1)
masuk melalui saluran sirkulasi, dan mengalir sepanjang unggun
Dimana :
: Kalor yang dihasilkan
dari bahan baku dan kokas (char).
: Bahan bakar terpakai
Hal ini menghasilkan temperatur
: Nilai kalor terendah
yang sangat tinggi pada volume yang
2. Kalor sensibel air ( =
: Panas penguapan laten
×
Dimana :
× ∆
sangat
kecil
sehingga
menghasilkan gas tar yang rendah,
) ............. (2)
peristiwa
ini
pengaturan
yang
memudahkan cepat
bagian
pembakaran gas hasil gasifikasi.
: Kalor sensibel air
Bahan bakar beserta abu berguna
5
sebagai isolator sepanjang dinding konstruksi gasifier, sehingga mildsteel dapat digunakan sebagai material
konstruksi
Saluran
berpendingin udara atau air cukup umum
digunakan.
temperatur
Pencapaian
yang
tinggi
memerlukan bahan bakar dengan kadar abu rendah untuk mencegah penyumbatan.
Gasifier
tipe
Gambar 1. Crossdraft gasifier
crossdraft hanya digunakan untuk kandungan bahan bakar dengan Diagram alir penelitian
kandungan tar rendah. Beberapa yang berhasil menemukan adanya biomassa yang tidak terpirolisa, dan memerlukan pengaturan jarak antara saluran masuk udara dan grate. Ukuran bahan baku juga sangat
penting
untuk
pengoperasian yang baik.
6
Alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain : 1. Crossdraft Gasifier 2. Blower 3. Hair Dryer 4. Kran 5. Thermocouple Reader 6. Anemometer Digital 7. Timbangan Analog 8. Stopwatch Digital 9. Thermometer Instalasi Pengujian
Gambar 2. Diagram alir penelitian
Bahan Penelitian Bahan yang digunakan pada pengujian ini adalah sekam padi Gambar 3. Instalasi pengujian
yang didapatkan dari penggilingan padi
di
daerah
Gondangrejo
Keterangan :
Karanganyar.
1. Hair Dryer / Blower 2. Kran 3. Pipa saluran udara 4. Ruang pembakaran awal
Alat Penelitian
5. Burner
7
6. Thermocouple reader
Pada gambar terlihat bahwa
7. Thermocouple
temperatur rata-rata pembakaran
8. Panci air
pada setiap pengujian memiliki
9. Thermometer
hasil yang berbeda. Perbedaan
10. Baut
temperatur rata-rata pembakaran
11. Tutup silinder gasifier
itu disebabkan oleh pemanasan
12. Fuel chamber
awal udara yang digunakan pada
13. Dinding isolator
saat pengujian. Pemanasan awal
14. Reactor chamber
udara
akan
meningkatkan
temperatur pembakaran
hal ini
Perbandingan temperatur rata-
terjadi karena kalor sensibel udara
rata
panas
pembakaran
dengan
yang
temperatur awal udara normal
pembakaran
(32 °C), 50 °C dan 80 °C
peningkatan
masuk
ke
ruang
menginduksi temperatur
dalam
ruang bakar sehingga temperatur rata-rata
pembakaran
tertinggi
pada masing-masing percobaan antara lain 879 °C pada menit ke-3 untuk
pengujian
dengan
temperatur awal udara normal (32 °C). 913.3 °C pada menit ke-3 untuk
pengujian
dengan
temperatur awal udara 50 °C. 940.66 °C pada menit ke-2 untuk Gambar 4. Perbandingan temperatur
percobaan
rata-rata
awal udara 80 °C. Dari semua
pembakaran
dengan
dengan
temperatur
temperatur awal udara normal (32 °C),
pengujian
50 °C dan 80 °C
temperatur rata-rata pembakaran
8
yang
dilakukan
tertinggi terlihat pada percobaan
dihasilkan
dengan temperatur awal udara 80
Perbedaan
°C yaitu 940.66 °C pada menit ke-
disebabkan karena kalor sensibel
2.
dari agen yang masuk keruang pembakaran
Perbandingan Nyala efektif
peningkatan
selama
9
menit.
nyala
efektif
menginduksi temperatur
diruang
pembakaran sehingga sekam padi yang digunakan sebagai bahan bakar terbakar lebih cepat. Hal ini membuktikan
bahwa
semakin
tinggi temperatur awal udara maka nyala efektif akan semakin pendek dibandingkan
temperatur
awal
udara yang lebih rendah. Perbandingan temperatur rata-
Gambar 5. Perbandingan nyala efektif pada temperatur awal udara normal
rata air dengan temperatur awal
(32°C), 50°C dan 80°C
udara normal (32 °C), 50 °C dan
Pada
diagram
menjelaskan
bahwa,
80 °C
batang pada
pengujian temperatur awal udara normal (32°C) nyala efektif yang dihasilkan
selama
12.5
menit.
Pada pengujian temperatur awal udara 50 °C nyala efektif yang dihasilkan
selama
11.5
menit.
Pada pengujian temperatur awal udara 80 °C nyala efektif yang
9
pada menit ke-3 temperatur air stabil 100 °C selama 2.5 menit yaitu
dari
menit
ke-3
sampai
dengan menit ke-5.5. Perbedaan temperatur
rata-rata
air
pada
setiap pengujian dipengaruhi oleh temperatur
pembakaran
selama
proses pengoperasian gasifier.
Gambar 6. Perbandingan temperatur rata-rata air dengan temperatur awal udara normal (32 °C), 50 °C dan 80 °C
Efisiensi thermal tungku
Pada gambar terlihat bahwa pada pengujian dengan temperatur awal udara normal (32 °C), 50 °C dan 80 °C temperatur rata-rata air tertinggi masing – masing didapat pada menit ke-3 yaitu 100 °C. Pada pengujian temperatur awal udara normal (32 °C) dan 50 °C setelah mencapai temperatur ratarata air tertinggi pada menit ke-3
Gambar
temperatur air stabil 100 °C selama
7.
sampai dengan menit ke-6.5. Pada
Pada
pengujian temperatur awal udara
temperatur
80
(32°C)
setelah
efisiensi
thermal tungku
3.5 menit yaitu dari menit ke-3
°C
Perbandingan
mencapai
temperatur rata-rata air tertinggi 10
pengujian awal
efisiensi
udara thermal
dengan normal yang
diperoleh yaitu sebesar 6.19 %,
udara normal (32 °C) sebesar
pada pengujian dengan temperatur
874.3
awal udara 50 °C efisiensi thermal
udara 50 °C sebesar 913 °C
yang diperoleh yaitu sebesar 7.552
dan temperatur awal udara 80
% dan pengujian pada temperatur
°C sebesar 940.66 °C. Semakin
awal udara 80 °C efisiensi thermal
tinggi temperatur awal udara
yang diperoleh yaitu sebesar 5.61
maka semakin tinggi pula nilai
%.
temperatur
pembakaran
dan
terbesar adalah pada pengujian
pemanasan
awal
tidak
dengan menggunakan temperatur
berpengaruh
awal udara 50 °C karena jumlah
terhadap waktu penyalaan awal
kalor yang terpakai lebih banyak
tungku pada masing – masing
dibandingkan
pengujian
Sehingga
pada
efisiensi
dengan
temperatur
thermal
pengujian
awal
°C,
temperatur
awal
signifikan
pada
temperatur
udara
awal udara normal (32°C), 50
normal (32°C) dan temperatur awal
°C dan 80 °C yaitu 2.4 menit,
udara 80 °C.
2.5 menit dan 1.63 menit 2. Pemanasan
Kesimpulan
awal
udara
berpengaruh terhadap waktu pembahasan
nyala efektif yang dihasilkan.
dan analisa data dari pengujian
Nyala efektif pada masing –
maka dapat disimpulkan sebagai
masing
berikut :
temperatur awal udara normal
Berdasarkan
1. Pemanasan berpengaruh temperatur Temperatur
pengujian
yaitu
udara
(32 °C) selama 12.5 menit,
terhadap
temperatur awal udara 50 °C
awal
selama
pembakaran. tertinggi
11.5
menit
dan
temperatur awal udara 80 °C
pada
masing – masing pengujian
selama
yaitu
tinggi temperatur awal udara
pada
temperatur awal
11
11
menit.
Semakin
maka semakin sebentar nyala
menghasilkan performa tungku
efektif yang dihasilkan
yang lebih maksimal.
3. Pemanasan
awal
udara
2. Perlu dilakukan penelitian lebih
berpengaruh terhadap efisiensi
lanjut
thermal tungku yang dihasilkan.
agen selain udara seperti uap
Efisiensi thermal pada masing
untuk menghasilkan performa
masing
tungku yang lebih maksimal
pengujian
yaitu
temperatur awal udara normal (32
°C)
sebesar
6.19%,
temperatur awal udara 50 °C sebesar
7.552
%
dan
temperatur awal udara 80 °C sebesar
5.61
%.
terbaik
didapatkan
Efisiensi pada
penggunaan temperatur awal udara 50 °C sebesar 7.552 % Saran Setelah melakukan pengujian gasifikasi
sekam
pemanasan didapatkan
padi
awal saran
dengan udara,
diantaranya
sebagai berikut : 1. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut
dengan
menggunakan
bahan bakar biomassa selain sekam
padi
untuk
12
dengan
menggunakan
DAFTAR PUSTAKA Anis, S. Karnowo dan Wahyudi. Studi Eksperimen Pemanfaatan Sekam Padi Sebagai Bahan Bakar Gasfikasi Penghasil Syngas. Universitas Negeri Semarang : Semarang Hafidhulhoer. (2011). Perancangan, Pembuatan dan Pengujian Tungku Gasifikasi Tipe Cross-Draft Dengan Bahan Bakar Tandan Kosong Kelapa Sawit. Universitas Andalas : Padang Handoyo, 2013. Pengaruh kecepatan udara Pada Tungku Gasifikasi Sekam Padi Terhadap Temperatur Pembakaran. Sekripsi. Surakarta : Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta Prastyo. Dwi, 2012. Pengaruh Kecepatan Udara Pada Tungku Gasifikasi Sekam Padi Terhadap Karakteristik Pembakaran Tungku Gasifikasi Batubara.
Sekripsi.
Surakarta
:
Fakultas
Teknik,
Universitas
Muhammadiyah Surakarta Purwantana, B. dan Prastowo B. (2011). Gasifikasi Tandan Kosong Kelapa Sawit. Universitas Gadjah Mada : Yogyakarta
