PENGARUH VARIASI RASIO UDARA-BAHAN BAKAR (AIR FUEL RATIO) TERHADAP GASIFIKASI BIOMASSA BRIKET SEKAM PADI PADA REAKTOR DOWNDRAFT SISTEM BATCH

PENGARUH VARIASI RASIO UDARA-BAHAN BAKAR (AIR FUEL RATIO) TERHADAP GASIFIKASI BIOMASSA BRIKET SEKAM PADI PADA REAKTOR DOWNDRAFT SISTEM BATCH Oleh : ASHARI HUTOMO (2109.105.001) Pembimbing : Dr. Bambang Sudarmanta, ST. MT.

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

LATAR BELAKANG Kebutuhan & Ketergantungan terhadap Minyak Bumi

Krisis Energi

Tuntutan Penggunaan Energi Alternatif Yang Renewable

Indonesia Negara Agraris

Sekam Padi Melimpah

Sumber Energi Baru


BIOMASSA BIOMASSA adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintetik. Biomassa dapat digunakan sebagai sumber ENERGI (Bahan Bakar).

Proses Konversi Biomasssa

Proses Gasifikasi Biomassa Padat

Gasifikasi

Energi Renewable

Downdraft Kelebihan : Mampu menghasilkan gas yang rendah Tar


Perumusan Masalah • Bagaimana mendapatkan karakterisasi gasifikasi biomassa briket sekam padi yang dinyatakan dalam parameterparameter seperti LHV (Lower Heating Value) syn-gas, efisiensi reaktor gasifikasi dan visualisasi nyala api. 4 variabel AFR yaitu : 1. Air Fuel Ratio (AFR) = 0,5 2. Air Fuel Ratio (AFR) = 0,8 3. Air Fuel Ratio (AFR) = 1,1 4. Air Fuel Ratio (AFR) = 1,4 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Tujuan Penelitian 1. Mendapatkan identifikasi zona-zona proses gasifikasi untuk bahan baku briket sekam padi 2. Mendapatkan variasi rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) yang tepat pada proses gasifikasi untuk bahan baku briket sekam padi dilihat dari parameter LHV (Lower Heating Value) syngas, efisiensi gasifikasi dan visualisasi nyala api. 3. Mendapatkan besarnya kerugian (losses) yang terjadi pada saat proses gasifikasi yang ditunjukkan dengan Sankey Diagram.

Batasan Masalah •

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 dan desain mesin pembuat briket,

•

Percobaan dilakukan Lab ITS, sehingga kondisi temperatur, tekanan dan kecepatan udara yang digunakan sesuai dengan kondisi setempat dan dianggap konstan,

•

Biomassa yang digunakan adalah briket sekam padi dengan properti yang konstan dan homogenitas yang sama pada saat pengujian berlangsung,

•

Pada penelitian tidak dibahas mengenai perpindahan panas secara radiasi karena perpindahan panas secara radiasi terjadi sangat kecil. JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Tinjauan Pustaka Biomass Energy Sekam Padi

Pencacahan

Pengeringan

Pencampuran

Pembriketan

Komposisi Briket Sekam Padi : Bahan

: Sekam Padi Halus

Pengikat

: Organik (Kanji)

Ukuran

: 5cm x 5cm

Tekanan

: 600 Kg/cm2 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Keunggulan Briket • Pembakaran lebih merata (uniform) dibandingkan tidak dibriket • Mudah dipakai dan mudah dalam penyalaannya • Tidak ada abu berterbangan ketika dibakar • Mengurangi kandungan tar pada saat dilakukan proses gasifikasi


Analisa Ultimate & Proximate Karakteristik Briket Sekam Padi Kandungan (%)

Parameter Proximate Moisture Volatile Ash Content Matter Content 9,19

Kandungan (%)

65,34

16,98

Fixed Carbon

Nilai Kalor (kJ/kg)

16,89

15545

Parameter Ultimate [Satake] C

H

O

N

S

37,7

5,4

36,15

0,32

0,04

Kandungan karbon dan oksigen menunjukan jumlah yang cukup dominan, unsur-unsur ini menjadi komponen utama dalam reaksi pembentukan syngas

Penelitian yang dilakukan Dimas [12] dan Daniar [13] didapatkan nilai Kalor sekam padi sebesar 12453 kJ/kg JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Gasifikasi

Flammable Gas CO, H2, dan CH4

Teknologi Proses Konversi Biomassa


Reaksi Pada Reaktor Gasifikasi Reaktor Downdraft Tahapan Proses : 1. Drying Zone (100 °C – 300 °C) Endoterm → Menghilangkan Kandungan air 2. Pyrolisis (300 °C – 900 °C) Dekomposisi → Penguraian Volatile Endoterm → Menyerap Panas 3. Partial Oxidation (900 °C – 1200 °C) Eksoterm → Menghasilkan Panas 4. Reduction (400 °C – 900 °C) Mereduksi CO2


Kesetimbangan Energi dan Massa Kesetimbangan Massa Energi Masuk

Σ min = Σ mout

ṁ biomassa + ṁ udara = ṁ char + ṁ ash + ṁ syngas Kesetimbangan Energi Σ Ein = Σ Eout

Ebiomassa + Eudara = Echar + Eash + Esyngas + Heat Loss𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅

Dimana :

E biomassa = mbiomassa × LHVbiomassa

E udara = mudara × Cpudara × ∆Tudara E char = mchar × LHVchar E ash = mash × LHVash E syngas =

msyngas ×LHVsyngas 𝜌𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠

Energi Keluar

Perumusan • Efisiensi Gasifikasi 𝜂𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 =

𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑃𝑃𝑃𝑃

• Heat Loss Reaktor

q”conv = h A (Ts - T∞) n NuD = C × Rem Reaktor × Pr ×

Pr

PrReaktor

1� 4

h = NuD × D

Re =

νudara × 𝐷𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 ϑ

Kr

Reaktor


PENELITIAN TERDAHULU “Karakteristik Proses Gasifikasi Downdraft Berbahan Baku Sekam Padi Dengan Desain Sistem Pemasukkan Biomassa Secara Kontinyu Dengan Variasi Perbandingan Udara-Bahan Bakar (AFR)” Dimas, 2010 •

drying zone pada suhu 50 – 200 0C, pirolisis sampai suhu 500 0C, oksidasi parsial sampai suhu 621 0C dan reduksi pada suhu 200 – 400 0C,

•

Komposisi syngas yang dihasilkan pada variasi AFR terbaik 1,25 didapatkan kadar sebagai berikut: H2 = 14,22 %, O2 = 8,29 %, N2 = 51,12 %, CO2 = 8,82%, CO = 15,33%, CH4 = 1,52%, dan C2H6 = 0,22%

•

Low Heating Value (LHV) sebesar 3289,38 kJ/kg.

•

Secara menyeluruh, efisiensi dari reaktor gasifikasi mencapai 39,68 %.

Aplikasi Water Pump

Electric Generator Diesel Engine


Skema Penelitian


Flowchart Pembuatan Briket Sekam Padi

Flowchart Penelitian

Penentuan Setting Kecepatan Udara Masuk Berdasarkan AFR Perhitungan Manual

AFR = ṁ

ṁUdara

Briket Sekam Padi

AFR

V Udara Hitung (m/s)

0,5

2,2537

0,8

3,6059

1,1

4,9582

1,4

6,3104

Perhitungan Penelitian ∆L (mm) Manometer 1,2 3,1 5,8 9,5

Dimmer Nomor 3 5 7 9

Sudut θ (˚) Manometer 10 10 10 10

ρ (Massa Jenis) H2O (kg/m3) 996 996 996 996

ρ (Massa Jenis) Udara (kg/m3) 1,1514 1,1514 1,1514 1,1514

SG Red oil

Massa Briket Sekam Padi (kg) 5,5 5,5 5,5 5,5

Waktu Operasi (menit) 100 100 100 100

Diameter Throat (mm) 15 15 15 15

A (Luasan Area) Throat (m2) 0,0001766 0,0001766 0,0001766 0,0001766

ρ (Massa Jenis) Udara (kg/m3) 1,1514 1,1514 1,1514 1,1514

Laju Aliran Massa Udara (kg/s) 0,0004548 0,0007310 0,0009998 0,0012796

0,787 0,787 0,787 0,787

Gravitasi (m/s2) 9,81 9,81 9,81 9,81

V Udara (m/s) 2,2363 3,5943 4,9164 6,2921

Laju Aliran (kg/s) Air Fuel Ratio Massa Briket (Rasio Udara Sekam Padi Bahan Bakar) *) 0,0009167 0,4961 0,0009167 0,7974 0,0009167 1,0907 0,0009167 1,3959

Hasil dan Pembahasan 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

1000

T1 T2 T3 T4

Temperatur (°C)

Temperatur (°C)

Profil Distribusi Temperatur pada Reaktor 800

15

25

35

45

55

65

75

85

T2

400

T3 T4

200

T5 5

T1

600

T5

0

95

5

Time (menit)

15

25

35

800

800

T1

600

T2

400

T3

200

T4

0

T5 35

45

55

65

Time (menit)

AFR 1,1

75

85

95

Temperatur (°C)

Temperatur (°C)

1000

25

65

75

85

95

AFR 0,8

1000

15

55

Time (menit)

AFR 0,5

5

45

T1

600

T2

400

T3

200

T4

0

T5 5

15

25

35

45

55

65

Time (menit)

AFR 1,4

75

85

95

Komposisi Syngas (AFR 0,8) Hasil Uji Komposisi SynGas Komponen

Satuan

Nilai

H2

% vol

17,83

CH4

% vol

2,35

CO

% vol

19,78

N2

% vol

49,48

CO2

% vol

7,34

O2

% vol

3,22

LHV syngas LHVSyngas LHVSyngas LHVSyngas

= (YCO × LHVCO ) + (Y𝐶𝐶4 × LHV𝐶𝐶4 ) + (Y𝐻2 × LHV𝐻2 ) =

19,78 100

× 12696

= 9159,22

𝑘𝑘 𝑁𝑚3

kJ Nm3

+

2,35 × 100

10768

kJ Nm3

+(

17,83 × 100

35866

kJ ) Nm3

Kesetimbangan Massa

Hasil Perhitungan Massa Masuk dan Keluar selama 100 menit AFR

Dimmer Nomor

0,5 0,8 1,1 1,4

3 5 7 9

Kesetimbangan Massa Masuk (Kg/s) Laju Aliran Laju Aliran Massa Briket Massa Udara 0,0009167 0,0004548 0,0009167 0,0007310 0,0009167 0,0009998 0,0009167 0,0012796

Kesetimbangan Massa Keluar (Kg/s) Selisih Massa Masuk Laju Aliran Laju Aliran Laju Aliran Massa Char Massa Ash Massa Syngas & Massa Keluar 0,00023863 0,00019552 0,0004357 0,000502 0,00023135 0,00017085 0,0005366 0,000709 0,00020157 0,00015757 0,0006982 0,000859 0,00017503 0,00013102 0,0008414 0,001049

Kesetimbangan Energi

Hasil Perhitungan Energi Masuk dan Keluar selama 100 menit Kesetimbangan Energi Masuk (kJ/s = kWatt)

Kesetimbangan Energi Keluar (kJ/s = kWatt)

AFR

Energi Briket Sekam Padi

Energi Udara

Energi Char

Energi Ash

Energi Syn-gas

Energi Losses Syngas

0,5 0,8 1,1 1,4

14,2496 14,2496 14,2496 14,2496

0 0 0 0

3,51637 3,40905 2,97018 2,57920

0,819647 0,716239 0,660553 0,549250

4,1830 5,8239 5,2961 5,0205

0,0631 0,0946 0,1037 0,1213

Energi Heatloss Reaktor 0,6735 0,7108 0,7390 0,7874

Selisih Energi Masuk & Energi Keluar 4,993970 3,494983 4,480053 5,192026

Efisiensi Reaktor Gasifikasi AFR

Vsyngas (m/s)

Energi Masuk Energi Biomassa (kJ/s)

Energi Keluar Energi Syngas (kJ/s)

Efisiensi Reaktor (%)

0,5

0,7

14,2496

4,1830

29,36

0,8

0,9

14,2496

5,8239

40,87

1,1

1,1

14,2496

5,2961

37,17

1,4

1,3

14,2496

5,0205

35,23

ṁ Syngas = ρSyngas × νSyngas × ABurner ESyngas = ṁ Syngas × LHVSyngas

Grafik Perbandingan AFR terhadap LHV Syngas

Grafik Efisiensi Gasifikasi 10000

40 AFR 0,5

30

AFR 0,8

20

AFR 1,1

10

AFR 1,4

0 VARIASI AFR

LhV Syngas (kJ/Nm3)

Effisiensi Gasifikasi (%)

50

8000 AFR 0,5

6000

AFR 0,8

4000

AFR 1,1

2000

AFR 1,4

0 Variasi AFR

Visualisasi Nyala Api AFR 0,5 Dimmer no 3

Menit ke 2

7 menit, T = 290 °C CO H2 CH4 CO2 N2 O2

18,14 % 16,54 % 2,07 % 8,29 % 50,32 % 4,64 %

Menit ke 5

Visualisasi Nyala Api AFR 0,8 Dimmer no 5


19,78 % 17,83 % 2,35 % 7,34 % 49,48 % 3,22 %

Video

Visualisasi Nyala Api AFR 1,1 Video

Dimmer no 7


15,73 % 12,91 % 1,74 % 9,08 % 54,31 % 6,23 %

Visualisasi Nyala Api AFR 1,4 Video

Dimmer no 9


13,79 % 9,93 % 1,43 % 10,36 % 57,12 % 7,37 %

Sankey Diagram (AFR 0,8) Energy (Char + Ash) Heat Loss Reaktor (Konveksi)

Useful Energy (Syngas)

Briket Sekam Padi 99,25 %

Udara 0,75 %

Losses Syngas

Losses Energy (Unknown) 24,52 %

Losses Unknown : •

Beberapa penyederhanaan yang dilakukan dalam perhitungan, misalnya energi berupa panas yang mengendap didalam reaktor, kerugian panas yang keluar dari beberapa instalasi perpipaan yang tidak terhitung semua

•

Kebocoran yang tidak bisa dihindari dari beberapa sambungan pipa.

Kesimpulan • •

• •

• •

•

Nilai variasi AFR terbaik adalah AFR 0,8 karena memiliki kandungan energi LHV 𝑘𝑘 (Lower Heating Value) syngas tertinggi sebesar 9159,22 𝑁𝑚3

Nilai AFR semakin naik maka kecepatan suplai udara yang masuk kedalam throat semakin banyak dari variasi AFR 0,5 ; 0,8 ; 1,1 dan 1,4 yaitu sebesar 2,236 m/s ; 3,594 m/s ; 4,916 m/s dan 6,292 m/s. Kenaikan suplai udara akan mengakibatkan nilai energy losses perpindahan panas pada reaktor yang naik juga. Komposisi syngas terbaik yang dihasilkan dari pengujian keempat AFR didapatkan pada AFR 0,8, didapatkan kadar CO, H2, CH4, N2, CO2, berturut-turut adalah sebesar 19,78 % ; 17,83 % ; 2,35 % ; 49,48 % ; 7,34 %. Kenaikan suplai udara mengakibatkan kenaikan juga terhadap laju alir massa gas hasil gasifikasi tapi mengakibakan turunnya konsentrasi kandungan dalam syngas Visualisasi nyala api pada AFR 0,8 merupakan yang terbaik karena memiliki nyala api yang stabil dan nyala api berwarna biru yang dominan. Hal ini dikarenakan memiliki kandungan gas metan (CH4) yang tertinggi sebesar 2,35 %. Efisiensi terbaik dari reaktor gasifikasi pada pengujian dari keempat AFR didapatkan pada AFR 0,8 yaitu mencapai 40,87 %.

Kritik dan Saran Sangat Kami Harapkan Demi Kesempurnaan Tugas Akhir


Komposisi Syngas AFR 0,5 0,8 1,1 1,4

AFR 0,5 0,8 1,1 1,4

AFR 0,5 0,8 1,1 1,4

CO (% Vol) 18,14 19,78 15,73 13,79

Temp. T5 Syngas (˚K) 345,65 352,45 354,85 362,1

Temp. T5 Syngas (˚K) 345,65 352,45 354,85 362,1

H2 (% Vol) 16,54 17,83 12,91 9,93

Kosentrasi Kandungan Syngas CH4 CO2 (% Vol) (% Vol) 2,07 8,29 2,35 7,34 1,74 9,08 1,43 10,36

N2 (% Vol) 50,32 49,48 54,31 57,12

O2 (% Vol) 4,64 3,22 6,23 7,37

Kandungan LHVi (CO) kJ/Nm3 12696 LHVi (H2) kJ/Nm3 35866 LHVi (CH4) kJ/Nm3 10768

Energi LHV Syngas kJ/Nm3 8458,19 9159,22 6814,74 5466,25

Kapasitas Panas Spesifik Tiap-Tiap Gas Pada Temperatur Syngas (Cp = kJ/kg.K) Cp Gas CO

Cp Gas H2

Cp Gas CH4

Cp Gas CO2

Cp Gas N2

Cp Gas O2

1,0438 1,0442 1,0444 1,0449

14,4230 14,4340 14,4370 14,4460

2,3572 2,3777 2,3851 2,4078

0,8952 0,9013 0,9034 0,9098

1,0422 1,0424 1,0425 1,0428

0,9281 0,9296 0,9302 0,9318

Massa Jenis Tiap-Tiap Gas Pada Temperatur Syngas (kg/Nm3) (Kg/m3) ρ Gas CO

ρ Gas H2

ρ Gas CH4

ρ Gas CO2

ρ Gas N2

ρ Gas O2

0,9876 0,9685 0,9619 0,9426

0,0710 0,0697 0,0692 0,0678

0,5662 0,5552 0,5514 0,5404

1,5564 1,5261 1,5157 1,4850

0,9876 0,9685 0,9619 0,9426

1,1285 1,1067 1,0992 1,0771

Cp Syn-gas 3,2654 3,4479 2,7758 2,3716

ρ Syngas 0,8809 0,8439 0,8984 0,9161

PENGARUH VARIASI RASIO UDARA-BAHAN BAKAR (AIR FUEL RATIO) TERHADAP GASIFIKASI BIOMASSA BRIKET SEKAM PADI PADA REAKTOR DOWNDRAFT SISTEM BATCH

Recommend Documents