PENGEMBANGAN TUNGKU GASIFIKASI ARANG BIOMASSA TIPE NATURAL DRAFT GASIFICATION BERDASARKAN ANALISIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
ERLANDA AUGUPTA PANE
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Pengembangan Tungku Gasifikasi Arang Biomassa Tipe Natural Draft Gasification Berdasarkan Analisis Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Oktober 2014 Erlanda Augupta Pane NIM F151130176
RINGKASAN ERLANDA AUGUPTA PANE. Pengembangan Tungku Gasifikasi Arang Biomassa Tipe Natural Draft Gasification Berdasarkan Analisis Computational Fluid Dynamics (CFD). Dibimbing oleh LEOPOLD O. NELWAN dan DYAH WULANDANI Sebuah tungku biomassa natural draft gasification (NDG) yang berbasis pada gasifikasi dengan efek gaya apung telah dikembangkan dengan pendekatan persamaan berbasis pindah panas dan equilibrium. Namun, metode tersebut belum dapat menjelaskan pengaruh bentuk geometri terhadap kinerja tungku. Oleh karena itu, penelitian ini menganalisis pengaruh bentuk geometri terhadap kinerja tungku dengan metode numerik melalui simulasi computational fluid dynamics (CFD). Tujuan penelitian ini adalah mengembangkan disain geometri yang mencakup diameter lubang udara sekunder dan tinggi cerobong gas mampu bakar dengan menggunakan simulasi CFD dan melakukan uji water boiling test (WBT) beserta komposisi gas pada tungku hasil disain. Prosedur penelitian melalui lima tahap yaitu tahap perancangan, penggambaran model, simulasi model, pabrikasi, dan uji kinerja lapang. Simulasi CFD model tungku NDG dilakukan meliputi dua tahap. Tahap pertama menentukan kecepatan aliran udara akibat adanya efek gaya apung. Kecepatan aliran udara yang dihasilkan digunakan pada simulasi tahap kedua untuk menentukan komposisi gas dan energi yang dihasilkan. Hasil simulasi tahap pertama menghasilkan data kecepatan aliran udara sebesar 0.1 m/detik (lubang primer) dan 0.11 m/detik sampai dengan 0.29 m/detik (lubang udara sekunder). Simulasi tahap kedua menghasilkan data energi tungku antara 1863.9 J/detik sampai dengan 2585.7 J/detik, dan memiliki efisiensi gasifikasi sebesar 67.11 %. Proses pembuatan tungku menggunakan ukuran tinggi cerobong gas bakar sebesar 10 cm, dan diameter lubang udara sekunder sebesar 4 cm. Uji WBT mendapatkan efisiensi tungku sebesar 22% sampai dengan 23 %. Uji komposisi gas mampu bakar menghasilkan gas CO sebesar 9.42% dan gas CH4 sebesar 3.87 %. Hasil uji lapang yang dilakukan ini dapat disimpulkan bahwa rancangan tungku yang dilakukan memiliki efisiensi tungku yang baik jika dibandingkan dengan efisiensi tungku konvensional lainnya. Kata kunci : Efisiensi, Energi, Komposisi gas, Tungku
SUMMARY ERLANDA AUGUPTA PANE. Development of Biochar Gasifier Stove Natural Draft Gasification Using Computational Fluid Dynamics Analysis (CFD). Supervised by LEOPOLD O. NELWAN and DYAH WULANDANI A natural draft gasification (NDG) biomass stove based on gasification with the buoyancy effect has been developed with the approach of heat transfer and equilibrium equation. However, that method could not explain about influence of the geometry on the performance of the stove. Therefore, this study analyzed the influence of the geometry on the performance of the stove with numerical method by computational fluid dynamics (CFD) simulation. The objectives of this study were to develop the design of geometry which include the diameter of the secondary air holes and height of flue gas chimney by CFD simulation and to conduct water boiling test (WBT) and gas composition test on stove. Procedures of this study included five ways i.e. design development, design modeling, model simulating, fabrication, and performance test. The CFD simulation of the NDG stove model included two ways. The first way was determination air velocity due to buoyancy effect. The air velocity produced was used on the second way simulation to determine the gas composition and energy produced. Results the first simulation showed that air velocity at primary air hole was 0.1 ms-1 and at secondary air holes were 0.11 ms-1 until 0.29 ms-1. Results the second simulation showed that energy produced by stove was between 1863.9 Js-1 until 2585.7 Js-1, and its efficiency was 67.11 %. The stove NDG fabricated had height of flue gas chimney of 10 cm and diameter of secondary air holes was 4 cm. Results of performance test showed that efficiency of stove was 22 % until 23 %, and percentage of CO and CH4 was 9.42 %, and 3.87 %, respectively. Based on this research, efficiency of NDG stove was better than others conventional stove. Keyword: Efficiency, Energy, Composition Gas, Stove
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2014 Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
PENGEMBANGAN TUNGKU GASIFIKASI ARANG BIOMASSA TIPE NATURAL DRAFT GASIFICATION BERDASARKAN ANALISIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
ERLANDA AUGUPTA PANE
Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
Judul Tesis
: Pengembangan Tungku Gasifikasi Arang Biomassa Tipe Natural Draft Gasification Berdasarkan Analisis Computational Fluid Dynamics (CFD)
Nama
: Erlanda Augupta Pane
NIM
: F151130176
Disetujui oleh Komisi Pembimbing
Dr.Leopold Oscar Nelwan, STP, M.Si Ketua
Dr.Ir.Dyah Wulandani, M.Si Anggota
Diketahui oleh Ketua Program Studi
Dekan Sekolah Pascasarjana
Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
Dr.Ir.Y. Aris Purwanto, M.Sc
Tanggal Ujian : 19 September 2014
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat, rahmat, dan karunia-Nya sehingga tesis ini berhasil diselesaikan. Penelitian ini dilaksanakan sejak bulan Februari 2014. Judul tesis yang ditulis adalah “Pengembangan Tungku Gasifikasi Arang Biomassa Tipe Natural Draft Gasification Berdasarkan Analisis Computational Fluid Dynamics (CFD)”. Dalam penulisan dan penyusunan tesis ini juga, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih atas bantuan, dan bimbingan kepada : 1. Dr. Leopold O.Nelwan, S.TP, M.Si selaku ketua komisi pembimbing atas bimbingan dan arahan yang telah diberikan kepada penulis. 2. Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si selaku anggota komisi pembimbing atas bimbingan dan arahan yang telah diberikan kepada penulis. 3. Dr. Ir. Y.Aris Purwanto M.Sc selaku ketua program studi teknik mesin pertanian dan pangan yang telah memberikan saran, kritik, serta arahan kepada penulis dalam melakukan penulisan tesis. 4. Dr. Ir. Irzaman, M.Si selaku dosen penguji yang telah memberikan saran, kritik, serta arahan kepada penulis dalam melakukan penulisan tesis. 5. Bapak Harto (Teknisi Lab.EEP), Mas Firman dan Mas Darma (Staff Departemen Teknik Mesin dan Biosistem) yang telah banyak memeberikan bantuan dan saran kepada penulis selama penelitian. 6. Teman-teman Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem angkatan 2012 (TMP 2012) yang telah membantu dan memberikan saran kepada penulis selama penelitian dan penulisan tesis. 7. Teman-teman Keluarga Mahasiswa Katholik IPB (KEMAKI) angkatan 46 yang telah membantu dan memberikan saran kepada penulis selama penelitian dan penulisan tesis. Dalam kesempatan ini juga peneliti menyampaikan terima kasih dan apresiasi kepada Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi atas sumber dana penelitian melalui program penelitian dasar untuk bagian, Bantuan Operasional Perguruan Tinggi Negeri (BOPTN) IPB No. Kontrak 260/IT3.41.2/L2/SPK/2013. Penulis menyadari dalam penulisan tesis ini masih banyak kekurangan, dikarenakan keterbatasan kemampuan, dan pengetahuan penulis. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak untuk penyempurnaan dan perbaikan tesis ini. Akhir kata, penulis berharap semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi semua orang.
Bogor, Oktober 2014 Erlanda Augupta Pane
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL
i
HALAMAN PENGESAHAN
ii
PRAKATA
iii
DAFTAR ISI
iv
DAFTAR TABEL
v
DAFTAR GAMBAR
v
DAFTAR LAMPIRAN
v
DAFTAR SIMBOL
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
3
Tujuan Penelitian
3
Manfaat Penelitian
3
Ruang Lingkup Penelitian
3
TINJAUAN PUSTAKA
3
Gasifikasi
3
Bahan Bakar Biomassa
7
Water Boiling Test
8
Tungku Biomassa
9
Computational Fluid Dynamics (CFD) METODE PENELITIAN
12 13
Peralatan, dan Bahan Penelitian
13
Waktu dan Tempat Penelitian
14
Prosedur Penelitian
14
HASIL DAN PEMBAHASAN
26
SIMPULAN DAN SARAN
41
DAFTAR PUSTAKA
42
LAMPIRAN
45
RIWAYAT HIDUP
61
DAFTAR TABEL 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Kebutuhan energi pada sektor kegiatan ekonomi (%) (ESDM 2012) Klasifikasi metode gasifikasi (Kawamoto et al. 2008) Efisiensi berbagai sistem tungku (Nyahoro 2006) Uji proximat dan uji ultimate arang kayu Rancangan fungsional tungku NDG Reaksi fase gas Hasil simulasi kecepatan aliran udara Data laju aliran massa, suhu dan daya energi Hasil uji komposisi gas tungku NDG
1 4 10 14 16 24 29 31 41
DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Updraft gasifier (Basu 2010) Downdraft gasifier (Basu 2010) Grafik water boiling test (Jackson 2012) Disain tungku gasifikasi tipe NDG (Nelwan et al. 2013) Diagram alir prosedur penelitian Prinsip kerja tungku biomassa Disain rancangan tungku NDG Kondisi batas tungku NDG Hasil simulasi kecepatan aliran udara tungku NDG (m/detik) Hasil simulasi suhu udara (oC) dan tekanan udara (Pa) tungku NDG Komposisi volatile dan gas CH4 tungku NDG (fraksi mol) Komposisi gas CO2 dan gas H2O tungku NDG (fraksi mol) Komposisi gas O2 dan C(s) tungku NDG (fraksi mol) Komposisi gas CO dan gas H2 tungku NDG (fraksi mol) Suhu tungku NDG (oC) Komposisi gas CO2, H2O, CH4, CO, dan H2 Reaksi C(S), CO, H2, dan CH4 (kgmol/m3s) Konsumsi bahan bakar selama uji WBT Perubahan suhu air selama uji WBT
6 7 9 11 15 16 28 28 30 31 32 33 33 34 34 35 36 40 40
DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3 4 5 6 7
Contoh perhitungan Perhitungan efisiensi sistem tungku-panci Tahapan simulasi CFD tungku NDG Tahapan uji water boiling test (WBT) dan uji komposisi gas Data uji water boiling test (WBT) dan komposisi gas Perhitungan efisiensi gasifikasi Ukuran arang kayu
45 51 53 54 57 59 60
DAFTAR SIMBOL A A Aa Ar Ath B C C1ɛ C2ɛ Cµ Cj Cp Cpair Cparang kayu Cpgas bakar D d E Er ⃗ Fa FT G Gk ⃗
h hfg.avg I J K k k keff kr L L l Mair
Luas (m2, ft2) Konstanta Magnussen reaktan (4.0) Berat aktual udara yang dibutuhkan untuk pembakaran (kg/kg bahan bakar) Faktor pra-eksponensial Berat udara teoritis untuk pembakaran sempurna (kg/kg bahan bakar) Konstanta Magnussen produk (0.5) Konstanta efek cerobong gas Konstanta model empirik aliran turbulent (1.44) Konstanta model empirik aliran turbulent (1.92) Konstanta model empirik aliran turbulent (0.09) Konsentrasi spesies molar Kapasitas panas pada tekanan dan volume tetap (J/kgK, Btu/lbm⁰F) Kalor jenis air (kJ/kgoC) Kalor jenis arang kayu (kJ/kg) Kalor jenis gas bakar (J/kgoC) Koefisien difusi massa (m2/s, ft2/s) Diameter ruang bakar (cm) Energi total, energi aktivasi (J,kJ,cal,Btu) Energi aktivasi Vektor gaya (N,lbf) Laju udara dan gas yang dihasilkan (kg/jam) Berat udara teoritis untuk pembakaran (kg/kg bahan bakar) Intensitas black-body Energi kinetik aliran turbulent akibat perbedaan kecepatan Percepatan gravitasi (m/s2, ft/s2) Nilai standar : 9.80665m/s2, 32.1740 ft/s2) Enthalpy spesies: ho formasi standar kesetimbangan enthalpy (energi/massa, energi/mol) Tinggi cerobong gas (m) :Panas laten penguapan air pada rata-rata dari awal dan suhu air saat mendidih (kJ/kg) Intensitas radiasi Fluks massa, fluks diffusi (kg/m2s, lbm/ft2s) Konstanta kesetimbangan Energi kinetik aliran turbulent Konduktivitas panas (W/mK, Btu/fth⁰F) Konduktivitas efektif (W/mK, Btu/fth⁰F) Konduktivitas radiasi Tinggi tungku (m) Luas (m2) Skala panjang (m,cm,ft,in) Massa air (kg)
mavg muap mfuel ̇ ṁgas bakar ṁbahan bakar Marang kayu Mt n Nkgas bakar Nkbahan bakar Nw P Qe q q R Ri R’ R” ̅ r Sc Si Sm SH Ttumpukan T Tair Tboil Tm Tk Tg Tg T∞ Th Tw Tamb Tref tm t V v ⃗ ̅
Massa air rata-rata yang dipanaskan (kg) Massa air yang diuapkan (kg) Massa bahan bakar yang digunakan selama pengujian WBT (kg) Debit gas hasil pembakaran (m3/s) Laju aliran gas bakar (kg/detik) Laju aliran bahan bakar (kg/detik) Massa arang kayu (kg) Berat udara teoritis yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna (kg/kg bahan bakar) Skala refractive Nilai kalor gas bakar (kJ/kg) Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg) Parameter radiasi konduksi Tekanan (Pa, atm, mmHg, lbf/ft2) Konsumsi energi (kJ/hari) Volume udara yang diperlukan per kg bahan bakar (m3) Fluks panas (W/m2, Btu/ft2-h) Hukum gas ideal (8.31447x103 J/kmolK, 1.98588 Btu/lbmmol⁰F) Laju produksi bersih spesies-i oleh reaksi Laju pembakaran pada tungku (kg/jam) Laju pemanasan air (kg/jam) Rata-rata laju pembakaran (kg/jam) Jari-jari (m) Rasio difusi momentum terhadap difusi massa Laju massa akibat penambahan dari fase dispersed Massa yang ditambahkan pada fase kontinu Reaksi kimia panas Tebal tumpukan (m) Suhu (K, ⁰C, ⁰R, ⁰F) Suhu air (OC) Suhu air saat mendidih (⁰C) Suhu lingkungan (K) Suhu gas hasil pembakaran (K) Suhu gas hasil pembakaran (K) Suhu gas pada dinding (K) Suhu lingkungan (K) Suhu gas hasil pembakaran (K) Suhu dinding (K) Suhu lingkungan (K) Suhu reference (K) Waktu memasak (jam/hari) Waktu (detik) Kecepatan aliran udara (m/detik) Viskositas kinematik (m2/s, ft2/s) Vektor kecepatan keseluruhan (m/s, ft/s) Rataan kecepatan yang berfluktuasi (m/s, ft/s) Komponen kecepatan yang berfluktuasi (m/s, ft/s)
Vmo Vko Vtm Vti,r, Vni,r Wo Y z α µtungku µ µ µɛ Δ ΔP ρ ρgas ρkayu bakar ρudara Π Ƞij,r, Ƞnj,r ̅ ψ σ σk σɛ
Debit udara yang dibutuhkan untuk pembakaran (m3/jam) Debit udara dan gas hasil pembakaran (m3/jam) Debit udara aktual yang dibutuhkan untuk pembakaran (m3/jam) Koefisien stoikionometri reaksi Koefisien stoikionometri produk Jumlah udara untuk pembakaran sempurna (kg/ kg bahan bakar) Fraksi massa Excess air (30% - 100%) Diffusivitas panas (m2/s, ft2/s) Laju dissipation Efisiensi tungku (%) Efisiensi gasifikasi (%) Viskositas dinamik (cP, Pa-s, lbm/ft-s) Viskositas turbulent Perubahan variabel Pressure drop (Pa/m) Densitas (kg/m3, lbm/ft3) Densitas gas (kg/m3) Densitas kayu bakar (kg/m3) Densitas udara (kg/m3) Phi (3.14) Laju eksponen untuk reaktan Laju eksponen untuk produk Stress tensor (Pa, lbf/ft2) Koefisien slip Besaran skalar Konstanta Stefan-Boltzman Konstanta Prandtl-k (1.0) Konstanta Prandtl-ɛ (1.3)
Penguji luar komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Irzaman, M.Si
1
PENDAHULUAN Latar Belakang Kebutuhan manusia terhadap energi terus meningkat setiap tahun terkait dengan perkembangan kegiatan ekonomi dan pertambahan jumlah penduduk. Hal tersebut ditunjukkan oleh bertambahnya output serta beragam aktivitas ekonomi yang dilakukan oleh masyarakat, sehingga peningkatan kebutuhan energi tidak bisa dihindari. Masyarakat melakukan aktivitas perekonomian pada sektor industri, rumah tangga, transportasi, jasa, dan lain-lain. Tabel 1 Kebutuhan energi pada sektor kegiatan ekonomi (%) (ESDM 2012) Tahun Industri Rumah tangga Komersial Transportasi Lain-lain 2000 41.18 18.78 4.10 29.71 6.24 2001 40.63 18.36 4.13 30.58 6.31 2002 40.07 17.99 4.22 31.48 6.23 2003 43.34 17.07 4.04 30.08 5.48 2004 39.99 16.76 4.43 32.96 5.86 2005 40.50 16.49 4.59 33.03 5.39 2006 43.33 15.69 4.60 31.57 4.81 2007 44.83 15.21 4.59 31.06 4.32 2008 43.23 14.32 4.72 33.35 4.38 2009 41.09 13.14 4.79 36.56 4.42 2010 43.97 11.50 4.47 36.01 4.05 2011 42.91 11.60 4.44 37.68 3.37 Pada Tabel 1 di atas, menunjukan bahwa kebutuhan energi tersebut menggunakan bahan baku yang berasal dari bahan bakar konvensional, berupa bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil yang digunakan di masyarakat sebagian besar diubah menjadi produk turunan yaitu minyak tanah. Persediaan bahan bakar fosil telah berkurang untuk diproduksi menjadi minyak tanah, sehingga pihak pemerintah melakukan kebijakan untuk melakukan konversi minyak tanah ke LPG (liquid petroleum gases). Solusi ini bersifat sementara karena bahan baku dari LPG juga berasal dari bahan bakar fosil. Proses konversi bahan bakar fosil menjadi minyak tanah dan LPG dilakukan secara terus menerus menyebabkan persediaan bahan bakar fosil semakin sedikit dan dapat mengancam ketersediaan energi di masa mendatang. Dengan kondisi faktor yang dialami oleh bahan bakar tersebut, maka diperlukan proses renewable energy yang dilakukan oleh masyarakat, salah satunya yaitu dengan memanfaatkan bahan bakar lain berupa bahan biomassa. Bahan biomassa memiliki beberapa kelebihan untuk dijadikan sebagai bahan bakar yaitu sangat mudah untuk mendapatkan panas, dan menghasilkan NOx, SOx, HCl, dioksin rendah. Bahan biomassa ini juga memiliki beberapa kekurangan yaitu nyala api
2 yang kurang stabil, dan timbulnya asap selama proses pembakaran dikarenakan bahan biomassa mengalami proses pirolisis. Bahan biomassa untuk bahan bakar biasanya berasal dari bahan organik hasil proses fotosintesis baik berupa produk maupun buangan sebagai bahan bakar utama memasak. Proses memasak yang menggunakan bahan biomassa ini berpusat pada industri kecil, ini dikarenakan proses memasak pada industri kecil menggunakan beberapa disain tungku dengan bahan biomassa yang memiliki periode waktu cukup lama untuk proses produksinya. Beberapa industri kecil yang menggunakan disain tungku dengan bahan biomasssa ini biasanya industri kecil yang berpusat untuk proses produksi makanan. Beberapa disain tungku dengan bahan biomassa telah dirancang yaitu tungku biomassa Top Lift Updraft (TLUD) yang dirancang oleh Field pada tahun 2012. Pada konfigurasi TLUD, proses pirolisis dan gasifikasi berlangsung bersamaan pada tempat pembakaran yang menyebabkan penggunaan bahan bakar biomassa secara langsung masih menimbulkan masalah asap. Penggunaan arang pada tungku ini juga sulit dilakukan sehubungan dengan tebal tumpukan bahan bakar minimum yang menyebabkan proses gasifikasi secara langsung dan kebutuhan pirolisis dalam memperoleh laju pembakaran primer yang memadai sehingga gas yang dihasilkan tidak terlalu optimum. Selain tungku TLUD, ada beberapa tungku gasifikasi yang lain yaitu tungku gasifikasi kayu (Reed dan Larson 1996), tungku gasifikasi briket (Stanley dan Venter 2003), tungku gasifikasi IISc (Indian Institute of Science 2004), dan tungku gasifikasi sekam padi (U Tin Win 2005) beberapa tungku ini masih dikembangkan dengan menggunakan proses konveksi paksa. Konveksi paksa yang dilakukan pada tungku menggunakan bantuan aliran udara dari kipas sentrifugal untuk proses pengaliran gas hasil pembakaran mencapai cerobong gas dan aliran udara untuk proses pembakaran. Perkembangan disain tungku biomassa kemudian mulai memperhitungkan menggunakan pemodelan dan simulasi. Pemodelan dan simulasi menggunakan pemodelan pindah panas dan equilibrium. Beberapa tungku biomassa yang telah menggunakan perhitungan dengan pemodelan ini antara lain tungku yang dikembangkan oleh Varunkumar et al. (2011) dengan melalui simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD). Simulasi CFD ini merupakan simulasi yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika. Tungku ini menggunakan tipe gasifier based stove dengan bahan bakar berupa potongan kayu bakar. Tungku tersebut masih menggunakan kipas sentrifugal juga sehingga dapat dikatakan belum cukup baik karena masih menggunakan prinsip kerja konveksi paksa. Nelwan et al. (2013) melakukan pengembangan tungku natural draft gasification (NDG) dengan pemodelan pindah panas dan equilibrium menggunakan prinsip kerja konveksi bebas. Konveksi bebas menggunakan perbedaan tekanan dan suhu di dalam tungku untuk proses pergerakan gas hasil pembakaran. Tungku ini memiliki tingkat kinerja baik dari sisi efektifitas, efisiensi, dan kualitas gas cukup baik sebagai tungku masak. Namun, tungku NDG ini masih belum diinvestigasi secara numerik dengan simulasi CFD pada bagian geometri tungku. Geometri tungku mempengaruhi kinerja tungku NDG, oleh karena itu pada penelitian ini dilakukan analisis numerik dengan simulasi CFD pada bagian geometri. Beberapa perubahan disain
3 geometri tungku NDG dianalisis dengan simulasi CFD untuk melihat perubahan sistem kinerja dari tungku NDG sebelumnya. Simulasi CFD ini dijadikan tahap disain skala laboratorium untuk mengdapatkan data yang tepat dan akurat, dimana data simulasi ini dapat digunakan sebagai hal dasar untuk merancang tungku NDG. Perumusan Masalah Disain geometri tungku NDG (Nelwan et al. 2013) belum diinvestigasi secara numerik sehingga belum diketahui apakah kinerjanya masih dapat ditingkatkan dengan pengubahan geometrinya. Simulasi CFD dapat menyarankan geometri dari lubang udara pemasukan udara sekunder, luas zona porositas dari bahan bakar biomassa, dan tinggi cerobong gas pada tungku. Disain yang baru ini selanjutnya akan diuji lapang. Parameter yang dilihat dari simulasi dan uji lapang perancangan tungku NDG ini adalah kecepatan aliran udara, laju alir bahan bakar, suhu pembakaran, dan energi gas bakar yang optimal. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah mengembangkan disain geometri yang mencakup diameter lubang udara sekunder, dan tinggi cerobong gas mampu bakar dengan menggunakan simulasi CFD dan melakukan uji water boiling test (WBT) beserta komposisi gas pada tungku hasil disain. Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah mengembangkan tungku NDG agar dapat diaplikasikan pada industri kecil untuk proses memasak. Ruang Lingkup Penelitian Ruang lingkup dari penelitian ini adalah melakukan proses simulasi, uji lapang dan perbandingan data hasil pengujian lapang dan simulasi. Hasil simulasi yang dilakukan berupa pengembangan disain geometri tungku NDG meliputi lubang udara pemasukan udara sekunder, luas zona porositas dari bahan bakar biomassa untuk proses pembakaran dan tinggi cerobong gas. Dari hasil simulasi ini dilakukan proses pembuatan tungku untuk dilakukan uji lapang. Parameter jumlah persentase gas hasil simulasi diverifikasi dengan data ukur. Hasil ini diharapkan, dapat meningkatkan kinerja dari tungku tersebut.
TINJAUAN PUSTAKA Gasifikasi Gasifikasi merupakan proses untuk mengkonversi bahan bakar dalam bentuk padat ke dalam bentuk gas. Energi kimia bahan bakar dalam bentuk padat dikonversi ke dalam bentuk energi panas dan energi kimia gas. Energi kimia yang
4 terkandung dalam gas adalah fungsi dari komposisi kimianya. Hal tersebut membuat komposisi gas yang dihasilkan menentukan kualitasnya sebagai bahan bakar. Konsentrasi tinggi dari gas mampu bakar seperti H2, CO, dan CH4 meningkatkan energi pembakaran dari gas yang dihasilkan (Iyer et al 2002 dalam Kumar et al. 2008). Gas dapat dibakar sehingga menghasilkan panas untuk keperluan industri atau suatu wilayah tertentu, untuk menjalankan motor bakar untuk keperluan tenaga mekanik maupun listrik, atau untuk membuat bahan bakar sintetik (Reed dan Das 1988). Metode gasifikasi diklasifikasikan menurut kombinasi faktor kondisional seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2 Klasifikasi metode gasifikasi (Kawamoto et al. 2008) Klasifikasi Faktor kondisional Tekanan gasifikasi Tekanan normal (0.1-0.12 MPa),Tekanan tinggi (0.5-2.5 MPa) Suhu gasifikasi Suhu rendah (dibawah 700⁰C), suhu tinggi (diatas 700⁰C), dekomposisi suhu tinggi (titik fusi abu keatas) Agen gasifikasi Udara, oksigen, uap dan kombinasinya, karbon dioksida untuk waktu tertentu Pemanasan (zona Gasifikasi langsung (pembangkitan panas melalui reaksi pembentukan suhu) gasifikasi sebagian dari bahan baku dan oksigen) Gasifikasi tidak langsung (pemanasan bahan baku dan agen gasifikasi melalui panas dari luar) Tipe-tipe gasifikasi Fixed bed, flow bed, circulating flow bed, entrained bed, mixing bed, rotary kiln, twin tower, molten furnance Menurut Kawamoto et al. (2008), proses gasifikasi pada saat perencanaannya perlu dilakukan pemeriksaan sifat bahan biomassa. Analisis unsur pada biomassa memeriksa kandungan karbon (C), hydrogen (H), oksigen (O), belerang (S), nitrogen (N), dan klorin (Cl) diamati melalui analisis unsur (pengkodean HCN, dan lain-lain). Belerang dan atau klorin berlebihan dapat menyebabkan korosi pada peralatan pabrik. Rumus molekul yang disingkat dengan CnHmOp dapat ditentukan dengan mendapatkan rasio mol untuk karbon (C), hydrogen (H) dan oksigen (O). untuk biomassa yang terdiri atas rumput dan kayu, n = 1.2-1.5 dan p = 0.8-1.0 saat m = 2 Titik pelunakan abu, titik fusi dan titik aliran harus diukur keduanya dalam proses gasifikasi yaitu oksidasi dan reduksi atmosfer. Masalah dengan peralatan pabrik terjadi lebih mudah ketika suhu titik fusi rendah. Analisis teknik juga dilakukan pada bahan baku biomassa untuk menentukan kelembaban permukaan, kelembaban yang melekat, bahan yang mudah menguap, kadar karbon tetap dan kadar abu, begitu juga dengan bahan berkalori tinggi dan dan rendah. Nilai sifat bahan ini penting untuk analisis gasifikasi. Untuk mengkonversi biomassa padat menjadi gas yang sudah terbakar, diperlukan bahan untuk mendorong reaksi kimia tersebut. Bahan ini disebut agen gasifikasi. Bahan ini utamanya adalah udara (N2), oksigen (O2), H2O atau CO2 diaplikasikan pada campuran. Udara (hanya O2 yang bereaksi) dan O2
5 membangkitkan panas melalui oksidasi, dan peningkatan O2 efektif menurunkan jumlah gas yang mudah terbakar. Pada proses gasifikasi terdapat fenomena-fenomena penting yang terjadi diantaranya adalah penguapan kelembaban permukaan, penguapan kelembaban yang melekat, volatilisasi, reaksi gasifikasi dan volatilisasi, gasifikasi arang, dan residu arang. Penguapan kelembaban permukaan ,yang mana kelembaban permukaan menguap dari bahan baku pada titik didih air (tergantung pada tekanan). Kelembaban di dalam bahan akan tetap bila bahan bakunya besar. Volatilisasi, yaitu dekomposisi termal biomassa yang dimulai pada suhu 200300⁰C, dan CO, CO2, H2, dan H2O menguap sebagai gas. Dekomposisi termal sendiri adalah reaksi pembangkitan panas yang merupakan karakteristik dari biomassa (CnHmOp). Rekasi gasifikasi dan volatilisasi, mengalami peristiwa suhu dinaikkan lebih lanjut selama volatilisasi, dan bahan yang mudah menguap dari hidrokarbon ringan (CxHy: dimana x dan y adalah bilangan bulat dari setidaknya 1; nilai x yang rendah menunjukkan ringan dan nilai x yang tinggi menunjukkan berat) diubah menjadi CxHy yang berat dengan titik didih tinggi. Selanjutnya, CxHy bereaksi dengan agen gasifikasi untuk dikonversi menjdi molekul gas ringan dan bersih, meskipun tar dan jelaga dapat terbentuk ketika difusi dari agen gasifikasi terjadi secara perlahan dan CxHy mengembun. Setelah penguapan dari bahan yang mudah menguap dalam bahan baku biomassa, karbon tetap dan abu menjadi arang, dan arang kemudian dipanaskan sampai suhu di sekitar. Reaksi lanjutan dengan agen gasifikasi mengandung uap berlebih dan suhu sekitarnya lebih dari 750⁰C, reaksi gas basah terjadi (C + H2O (CO + H2)), menghasilkan gas yang terutama terdiri atas CO, CO2, dan H2 ini yang biasa disebut dengan proses gasifikasi arang. Residu arang terjadi dengan laju reaksi dari reaksi gas basah berjalan secara perlahan, dan sisa arang dengan mudah dapat terbentuk. Pembentukan tar, jelaga dan arang cenderung mengurangi efisiensi, serta menyebabkan masalah pada peralatan. Gasifikasi juga pada umumnya mengadopsi metode gasifikasi langsung dengan pembakaran parsial bahan baku untuk menaikkan suhu. Bahan baku terutama arang kayu. Kebanyakan tungku gasifikasi menggunakan tekanan normal dan proses gasifikasi langsung. Untuk menjaga suhu reaksi tetap pada 800⁰C ke atas untuk gasifikasi langsung, udara, oksigen dan uap (yang sesuai) diperlukan untuk agen gasifikasi. Untuk tujuan ini, sekitar 1/3 dari oksigen yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna (dikenal sebagai rasio oksigen) disediakan, dengan pembakaran parsial (oksidasi parsial) menyebabkan gasifikasi. Nilai kalor produk gas tergantung pada persentase gas yang mudah terbakar (CO, H2, CxHy) yang terkandung. Umumnya, gas dapat dibagi menjadi gas rendah kalori (4-12 MJ/m3), gas kalori menengah (12-28 MJ/m3), dan gas kalori tinggi (diatas 28 MJ/m3) (Kawamoto et al. 2008). Untuk sebagian besar, gasifikasi langsung biomasssa menghasilkan gas rendah kalori. Rasio antara kadar kalor biomassa dan produk gas (pada suhu kamar) disebut efisiensi gas pendingin. Agen gasifikasi (udara,oksigen, uap atau campurannya) diberikan dari bawah dengan aliran naik (beberapa sistem menggunakan aliran menurun) (Sano et al. 2008). Reaksi gasifikasi berlangsung dari bawah ke arah atas. Dari bawah ke atas, lapisan individu terbentuk karena perubahan yang menyertai gasifikasi dari bahan baku, dalam urutan abu, arang bahan yang telah diuapkan dan terdekomposisi, dan produk.
6 Menurut Prabir Basu (2010) dalam pengoperasian gasifikasi, terdapat beberapa perlakuan fluida gas di dalam reaktor. Hal inilah yang kemudian mendasari munculnya reaktor gasifikasi, yaitu antara lain updraft gasifier, dan downdraft gasifier. Updraft gasifier merupakan salah satu jenis bentuk reaktor gasifikasi yang banyak digunakan. Pada gasifier jenis ini, udara masuk melalui bagian bawah gasifier melalui grate. Aliran udara ini berlawanan arah (counter current) dengan aliran bahan bakar yang masuk dari bagian atas gasifier. Gas producer yang dihasilkan keluar melalui bagian atas gasifier. Reaksi pembakaran pada gasifier ini terjadi di dekat grate kemudian diikuti reaksi reduksi (proses gasifikasi). Reaksi reduksi tersebut akan menghasilkan gas bersuhu tinggi. Gas hasil reaksi (gas producer) tersebut bergerak ke bagian atas gasifier menembus unggun bahan bakar menuju daerah yang bersuhu lebih rendah. Pada saat menembus unggun bahan bakar, gas producer akan kontak dengan bahan bakar yang turun sehingga terjadi proses pirolisis dan pertukaran panas antara gas dan bahan bakar. Panas sensible yang diberikan gas digunakan bahan bakar untuk pemanasan awal dan pengeringan bahan bakar. Proses pirolis dan pengeringan tersebut terjadi pada bagian teratas gasifier. Updraft gasifier mencapai efisiensi tertinggi ketika gas panas yang dihasilkan meninggalkan gasifier pada suhu rendah.
Gambar 1 Updraft gasifier (Basu 2010) Updraft gasifier pada Gambar 1 memiliki kekurangan dan kelebihan. Kekurangan yang dimiliki adalah tingginya jumlah uap tar yang terkandung di dalam gas keluaran dan kemampuan gas producer membawa muatan rendah. Sedangkan keuntungannya adalah gasifier tipe ini memiliki mekanisme kerja yang cukup sederhana, memiliki toleransi kekasaran bahan bakar yang lebih baik, kemampuannya mengolah jenis bahan bakar (terutama batubara) kualitas rendah, arang (charcoal) dapat habis terbakar, suhu keluaran rendah, dan efisiensi tinggi. Downdraft gasifier pada Gambar 2 memiliki sistem yang hampir sama dengan updraft gasifier yaitu memanfaatkan sistem oksidasi tertutup untuk
7 memperoleh suhu yang tinggi. Dalam pengoperasiannya, suhu tertinggi yang dapat terjadi berkisar 1000-1400⁰C dan bahan bakar dimasukkan dari atas reaktor sedangkan udara dihembuskan dari samping. Salah satu perbedaannya dengan updraft gasifier terletak pada posisi burner di reaktor downdraft gasifier. Burner tersebut terletak di bawah ruangan bahan bakar sehingga pada saat naik ke atas, gas tersebut akan turun kembali akibat bertambahnya volume dan terus mencari daerah dengan tekanan lebih rendah. Sistem ini sengaja dibuat begitu agar gas mampu bakar yang terbentuk tersaring kembali oleh bahan bakar dan melewati zona pirolisis sehingga kandungan tarnya dapat dikurangi (<1 g/Nm3). Untuk menghindari penyumbatan gas di dalam reaktor maka gas bakar yang terbentuk harus dihembuskan lagi oleh blower yang kemudian diteruskan ke burner.
Gambar 2 Downdraft gasifier (Basu 2010) Bahan Bakar Biomassa Biomassa adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintesis, baik berupa produk maupun buangan, contoh biomassa antara lain tanaman, pepohonan, rumput, ubi, limbah pertanian dan limbah hutan (Abdullah 1998). Biomassa selain digunakan untuk tujuan primer seperti serat, bahan pangan pakan ternak, minyak nabati, bahan bangunan juga dapat digunakan sebagai bahan bakar. Pada umumnya biomassa yang digunakan untuk bahan bakar adalah biomassa yang bernilai ekonomis rendah atau merupakan limbah dari produk primernya. Biomassa dalam bentuk kayu bakar dan limbah pertanian merupakan sumber energi tertua. Hingga sekarang biomassa sebagai sumber energi masih cukup berperan terutama untuk negara-negara berkembang. Dalam penggunaan biomassa untuk gasifikasi maka diperlukan pengetahuan untuk sifat-sifat yang dimiliki oleh biomassa tersebut. Menurut Knoef (1994) beberapa sifat bahan yang berhubungan dengan gasifikasi antara lain: 1. Kadar air bahan gasifikasi Kadar air bahan gasifikasi dinyatakan sebagai persentase air terhadap berat bahan gasifikasi. Untuk proses gasifikasi, lebih baik digunakan bahan
8
2.
3.
4.
5.
yang relatif kering karena dapat menghasilkan gas dengan kualitas lebih baik, nilai kalor lebih tinggi, dan mencapai efisiensi maksimal. Kandungan abu Abu merupakan bahan nonorganik atau kandungan mineral yang tertinggal dalam reaktor setelah bahan gasifikasi terbakar. Jumlah abu dari berbagai jenis bahan bervarias, mulai dari 0.1% untuk kayu hingga 15% untuk beberapa produk pertanian, sehingga akan mempengaruhi desain reaktor terutama sistem pembuangan abu. Komposisi kimia abu juga dapat mempengaruhi perilaku pelelehan abu yang dapat menyebabkan penyumbatan saluran di dalam reaktor. Komposisi unsur kimia bahan gasifikasi Komposisi unsur kimia bahan gasifikasi sangat menentukan kinerja gas mampu bakar karena akan mempengaruhi nilai kalor dan tingkat emisi. Nilai kalor dan bulk density Nilai kalor dan bulk density akan menentukan densitas energi bahan gasifikasi, yaitu energi yang tersedia per unit volume umpan. Kandungan volatil Jumlah kandungan volatile memiliki pengaruh pada tingkat produksi tar di dalam reaktor. Kandungan volatil pada bahan gasifikasi bervariasi antara 50% - 80%.
Arang adalah residu yang berbentuk padat hasil pada pembakaran kayu pada kondisi terkontrol. Menurut Sudrajat (1994) proses pengarangan adalah pembakaran kayu dengan udara terbatas, dan dapat menghasilkan arang, tar, asam asetat, alkohol, kayu, dan gas kayu (CO2, CH4, CO, dan H2). Luas permukaan arang berkisar antara 300-3500 m2/gram dan berhubungan dengan struktur pori internal yang menyebabkan arang mempunyai sifat sebagai adsorben. Arang dapat mengadorpsi gas dan senyawa-senyawa kimia tertentu atau sifat adsorpsinya selektif, tergantung pada besar volume pori-pori dan luas permukaan (Perry 1999). Arang kayu memiliki beberapa sifat antara lain berwarna hitam, mudah sebagai bahan bakar, merupakan senyawa karbon, lembut, ringan, dan mudah patah, mempunyai daya serap yang tinggi, digunakan sebagai absorben, aktif pada reaksi kimia, berkadar abu rendah, dan sedikit mengeluarkan asap sehingga alat yang digunakan lebih bersih dan awet (Perry 1999). Arang kayu yang digunakan pada penelitian ini dilakukan analisis proksimat dan analisis ultimate, yang dijadikan sebagai dasar untuk proses melakukan simulasi CFD. Water Boiling Test Water boiling test merupakan suatu pengukuran tingkat performa suatu tungku dibawah standarisasi laboratorium dengan mengikuti beberapa persyaratan yaitu 1. Daya panas mendidih tinggi dan rendah 2. Awal penggunaan tungku secara panas dan dingin 3. Standar kandungan air berdasarkan pengukuran tes standar air sebesar 5 liter atau 2.5 liter 4. Pengukuran kuantitas waktu, penggunaan bahan bakar, dan air yang teruapkan
9 5. Setiap tungku dipastikan untuk beroperasi pada kondisi yang terbaiknya 6. Pengujian tungku minimal sebanyak 3 kali Menurut Jackson (2012) tujuan dari pengujian ini adalah membandingkan performa tungku, pada standar kerja, dan ingin melihat yang mana memiliki efisiensi pembakaran bahan bakar dan transfer panas ke dalam alat masak yang paling optimal. Keuntungan yang didapatkan ketika dilakukan uji water boiling test adalah seluruh tungku yang terdapat di dunia ini dapat dibandingkan, target peningkatan level tungku dapat diatur berdasarkan perbandingan, dan efek perubahan desain tungku dapat diamati secara jelas. Kerugian yang didapatkan dengan water boiling test adalah bahan bakar yang berbeda kandungan air dan komposisinya, menyebabkan proses reaksi yang berbeda, operator yang melakukannya mendapatkan efek yang begitu besar, sangat sulit dihitung untuk tungku multi-kerja, tungku yang baru mungkin memiliki kinerja yang berbeda dibandingkan dengan tungku yang lama jika digunakan pada waktu yang sama. Dalam proses ujinya dapat diukur waktu, massa bahan bakar, massa air di dalam bejana, dan massa sisa bahan bakar.
Gambar 3 Grafik water boiling test (Jackson 2012) Pada Gambar 3 menjelaskan bahwa pada fase cold start air yang mendidih dimasukkan ke dalam panci sebanyak 5 liter, dimana pada fase ini dicatat waktu, jumlah bahan bakar, dan suhu air untuk mencapai suhu ruang. Kemudian pada fase hot start air yang sudah mencapai suhu ruang dipanaskan mencapai titik didih, disini dicatat waktu, bahan bakar, dan suhu air guna mencapai titik didih. Pada masa simmer air yang mendidih secara perlahan-lahan diaduk selama 45 menit, data yang dicatat adalah data waktu, bahan bakar, dan suhu air. Tungku Biomassa Tungku merupakan alat yang digunakan untuk mengkonversi energi potensial biomassa menjadi energi panas. Tungku bagi masyarakat merupakan salah satu alat yang penting untuk memasak. Jenis tungku beraneka ragam sesuai dengan kebudayaan daerah setempat dan jenis bahan bakar yang digunakan. Pada
10 prinsipnya, tungku dibedakan menjadi dua macam, yaitu tungku portabel atau kompor, jenis ini pada umumnya memuat briket antara 1 - 8 kg serta dapat dipindah-pindahkan, jenis ini digunakan untuk keperluan rumah tangga atau rumah makan dan tungku permanen, memuat lebih dari 8 kg bahan bakar dibuat secara permanen, jenis ini dipergunakan untuk industri kecil atau menengah. Djatmiko (1986) membedakan tungku atau kompor pembakaran biomassa atas beberapa jenis, yaitu: 1. Tungku biomassa, dimana bahan bakar biomassa langsung dibakar, misalnya tungku lorena, singer, dan lain-lain. 2. Tungku bioarang, menggunakan bahan bakar arang, misalnya anglo dan keren. 3. Tungku hibrida, menggunakan bahan bakar biomassa dan arang yang disusun sedemikian agar asap dapat terbakar sehingga menghasilkan energi lebih banyak Beberapa disain tungku biomassa juga memperhitungkan besarnya efisiensi, dimana data efisiensi tungku tersebut telah dikompilasi oleh Nyahoro (2006) sebagaimana disajikan pada Tabel 3. Tabel 3 Efisiensi berbagai sistem tungku (Nyahoro 2006) Tungku Bahan bakar Efisiensi Tempat dan versi (%) pengujian Open fire Wood 20-36 Wood stove group (Netherlands) VITA : India 18 Tungku tradisional Tungku tradisional Tungku tradisional Improved stove
Kayu Sisa tanaman Charcoal Sisa tanaman
Improved stove
Wood
Tungku batubara logam Improved coal stove
Unprocessed coal Honeycomb Briket batubara
Tungku modern
LPG, gas alam, minyak tanah
16-18 9-14 16-18 10-23 11-22 20-29 22-30 7-18
VITA : India VITA : India VITA : India VITA : India, China Indian: India VITA : India, China, South Africa Indian: India VITA : China
37-47
VITA : China
47-60
VITA : India VITA : China
Gambar 4 menunjukkan tungku NDG memiliki prinsip kerja dengan menggunakan konveksi bebas dimana suhu udara pembakaran yang terpanaskan oleh pembakaran solid dan pembakaran gas yang terdapat di ruang pembakaran
11 akan mengalir ke saluran utama gas. Peningkatan efek konveksi bebas yang terjadi dilakukan dengan penggunaan uap yang bertujuan untuk membangkitkan beda kerapatan yang terdapat di dalam tungku. Uap dengan kerapatan yang rendah membuat buoyancy force (gaya apung) yang lebih besar di dalam tungku ini mengakibatkan aliran gas pembakaran akan meningkat menuju saluran utama gas.
Gambar 4 Disain tungku gasifikasi tipe NDG (Nelwan et al. 2013) Parameter yang mempengaruhi dan menentukan performasi dari tungku gasifikasi tersebut antara lain yaitu laju aliran udara, tumpukan biomassa, suhu pembakaran, dan tekanan udara. Menurut Nelwan et al. (2013), dalam hal tumpukan biomassa, terfokus pada proses pengumpanan biomassa, dimana sistem pengumpanan biomassa dilakukan pada tempat berlangsungnya pirolisis (di atas ruang pembakaran) di tungku tersebut. Proses tersebut memberikan efek pindah panas dari ruang bakar ke dalam tempat pirolisis tersebut sehingga akan membuat umpan biomassa dapat terpirolisis ketika proses pembakaran sedang berlangsung. Jenis tumpukan biomassa pun dibuat bercelah sehingga tebal tumpukan pada tempat pembakaran memberikan kesempatan pada proses pembakaran dan gasifikasi. Selain itu, menurut Nelwan et al. (2013) pengaliran udara menjadi hal penting dalam tungku gasifikasi yang meliputi laju aliran udara dan tekanan udara. Laju aliran udara dan tekanan udara menentukan suhu pembakaran dan laju pembakaran yang terjadi di ruang pembakaran pada tungku tersebut, oleh karena itu pengaliran udara pada rancangan tungku dibuat dalam bentuk primer dan sekunder, hal ini mampu menembus tumpukan bahan biomassa yang dibakar.
12 Computational Fluid Dynamics (CFD) Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika. CFD sebenarnya mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum, dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar (Tuakia 2008). Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan dalam simulasi CFD menurut Tuakia (2008), yaitu : 1. Preprocessing Preprocessing merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya. 2. Solving Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisikondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. 3. Postprocessing Postprocessing adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi. Prosedur yang terdapat pada semua pendekatan program CFD (Tuakia 2008), yaitu : 1. Pembuatan geometri dari model/problem. 2. Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing). 3. Pendefinisian model fisik. 4. Pendefinisian kondisi-kondisi batas. 5. Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iteratif, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transien. 6. Analisis dan visualisasi dari solusi CFD. Penggunaan simulasi CFD ini banyak digunakan untuk menganalisis beberapa model dan geometri permasalahan aliran fluida. Beberapa keuntungan penggunaan simulasi CFD dapat dikategorikan sebagai berikut (Bin Xia et al. 2002) : 1. Memberikan distribusi aliran fluida secara mendetail, kehilangan berat, pindah panas, dan pindah massa, dan lain-lain. 2. CFD membuat kemungkinan mengevaluasi perubahan geometri dengan biaya dan waktu yang lebih sedikit dibandingkan dengan melakukan uji pengukuran di laboratorium. 3. Dapat memberikan jawaban pada pertanyaan “What if” dengan waktu singkat. Beberapa disain rancangan tungku yang menggunakan pendekatan dengan simulasi CFD ini antara lain tungku gasifier based stove (Varunkumar et al. 2011).
13 Tungku ini menggunakan bahan bakar berupa potongan kayu bakar dengan prinsip kerja konveksi paksa. Konveksi paksa yang digunakan adalah pada aliran udara yang masuk ke dalam tungku ini berasal dari aliran kipas angin sentrifugal untuk membantu proses pembakaran dan gasifikasi kayu bakar yang berlangsung di dalam tungku. Selain itu, dari hasil pembakaran dan gasifikasi ini juga untuk melihat efisiensi gasifikasi dan komposisi gas yang optimal untuk proses pembakaran. Pengembangan tungku melalui simulasi CFD mulai dilakukan dengan pendekatan berbasis pemodelan pindah panas dan equilibrium. Tungku natural draft gasification (NDG) merupakan tungku yang dirancang oleh Nelwan et al. (2013) dengan pendekatan tersebut. Prinsip kerja dari tungku NDG ini menggunakan konveksi bebas, dimana aliran udara yang masuk ke dalam tungku bergerak secara alamiah tanpa adanya penggunaan kipas. Aliran udara yang bergerak secara alamiah ini diakibatkan oleh perbedaan tekanan dan suhu yang terjadi di dalam tungku dan di lingkungan. Penggunaan uap untuk meningkatkan efek konveksi bebas pada tungku NDG, dan untuk membangkitkan beda kerapatan. Udara atau gas yang tercampur dengan uap memiliki kerapatan yang lebih rendah sehingga membuat buoyancy force (gaya apung) lebih besar.
METODOLOGI PENELITIAN Peralatan dan Bahan Penelitian Peralatan Peralatan yang digunakan pada penelitian ini dibagi menjadi dua tahap yaitu A. Pemodelan dan simulasi Proses pemodelan dan simulasi menggunakan peralatan notebook TOSHIBA NB520 (Operating System dan Office), Software Design (Gambit 2.4.6), Software Analisis CFD (Ansys Fluent 13). B. Uji kinerja lapang Proses uji kinerja lapang menggunakan peralatan Hybrid Recorder YOKOGAWA, termokopel tipe CC, dan CA, termometer air raksa (100oC), Timbangan digital EK-1200A, Anemometer Kinomax tipe 6011, satu buah unit tungku natural draft gasification hasil pengembangan modifikasi, kawat kasa, panci, penggaris, dan gas analyzer. Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah arang kayu dengan ukuran dimensi volume panjang 3.825 ± 0.84 cm; lebar 1.325 ± 0.45 cm; dan tinggi 2.10 ± 0.68 cm yang diambil dari rataan 20 sampel acak bahan contoh. Data pengambilan ukuran dimensi arang kayu disajikan pada Lampiran 7. Bahan arang kayu yang dijadikan sebagai bahan ditentukan uji proximat dan uji ultimate. Uji proximat yang dilakukan menggunakan metode SNI sedangkan uji ultimate arang kayu yang digunakan diambil dari hasil rata-rata data arang kayu yang digunakan pada literature (J.Pastor 2005). Data kadar proximat dan ultimate arang kayu dijadikan sebagai data simulasi CFD tungku NDG, dimana data tersebut ditunjukkan pada Tabel 4.
14
Parameter Proximate Volatile
Tabel 4 Uji proximat dan uji ultimate arang kayu Persentase (%) Parameter Persentase (%) Ultimate 13.52 C 84.20
Fix Carbon
78.61
H
2.40
Ash
2.07
O
12.60
Moisture
5.80
N
0.80
Waktu dan Tempat Penelitian Simulasi model, pembuatan tungku, uji lapang dan validasi desain tungku natural draft gasification dilakukan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian,dan Laboratorium Lapang Siswadhi Soepardjo Leuwikopo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor. Modifikasi model dan desain alat ini akan dilakukan pada bulan Februari 2014 sampai dengan bulan Juni 2014. Prosedur Penelitian Pengembangan tungku NDG yang dilakukan adalah meningkatkan prinsip kerja dari tungku tersebut yaitu konveksi bebas, ini berkaitan dengan hasil kualitas gas pembakaran dari proses gasifikasi yang terjadi di dalam tungku tersebut. Pengembangan disain geometri dari tungku NDG sebelumnya dilakukan untuk mendapatkan kualitas gas yang diharapkan. Tungku NDG yang dikembangkan memiliki komponen yaitu rangka tungku, ruang pembakaran, insulasi, lubang udara sekunder, lubang udara primer, saluran udara sekunder, dinding berpori, dan saluran gas utama pembakaran. Tahapan pengembangan yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi 5 tahapan yaitu : Perancangan untuk pengembangan disain tungku NDG Penggambaran disain model tungku NDG Simulasi kinerja model tungku NDG Pembuatan tungku NDG hasil simulasi. Uji kinerja lapang untuk tungku NDG Seluruh tahapan yang dilakukan ini dijelaskan lebih mendetail pada penjelasan berikutnya. Adapun tahapan perancangan hingga uji kinerja lapang tungku NDG ditunjukkan pada Gambar 5.
15
Gambar 5. Diagram alir prosedur penelitian Y a Perancangan pengembangan disain tungku NDG Tungku NDG memiliki prinsip kerja dengan konsep free convection yaitu aliran udara yang diberikan ke dalam tungku bergerak secara alamiah dengan adanya perbedaan tekanan dan suhu yang terdapat di dalam tungku dengan lingkungan, aliran udara yang digunakan ada dua yaitu aliran udara sekunder dan primer. Proses reaksi yang terjadi di dalam tungku disajikan pada Gambar 6. Aliran udara primer (6) membantu proses pembakaran bahan bakar biomassa di ruang pembakaran (1). Rasio jumlah yang dimiliki antara aliran udara dengan bahan bakar tidak lengkap, menyebabkan proses pembakaran tidak terjadi secara
16 sempurna sehingga menimbulkan adanya reaksi reduksi (2). Hasil proses pembakaran tersebut, menghasilkan gas mampu bakar yang bereaksi dengan arang di bagian atas tumpukan untuk menghasilkan gas-gas bakar (CO, H2, CH4). Gas bakar ini bereaksi juga dengan aliran udara sekunder (5) yang dimasukkan ke dalam tungku. Aliran udara sekunder ini masuk melalui bagian bawah tungku dan dialirkan melewati pinggir tungku yang kemudian diarahkan ke saluran utama gas. Gas hasil reaksi antara gas pembakaran dan arang dengan aliran udara sekunder bereaksi di saluran utama gas (3). Hasil reaksi ini menjadi gas mampu bakar yang digunakan untuk proses memasak(4).
4
3
2 5 1 6
Gambar 6. Prinsip kerja tungku biomassa Rancangan fungsional tungku NDG menjelaskan masing-masing fungsional yang dimiliki oleh tiap-tiap 9 bagian dari tungku tersebut. Prinsipnya bagian tungku biomassa ini dibagi menjadi rangka tungku, ruang pembakaran, insulasi, lubang udara sekunder, lubang udara primer, saluran udara sekunder, dinding berpori, saluran gas utama pembakaran, dan tempat meletakkan alat masak. Tabel 5 Rancangan fungsional tungku NDG No. Nama Bagian Fungsi 1. Rangka tungku Menstabilkan posisi tungku biomassa baik pada saat dilakukan maupun tidak untuk operasi 2. Ruang pembakaran Tempat meletakkan bahan bakar dan tempat terjadinya reaksi antara udara (O2) dengan bahan bakar biomassa 3. Insulasi Mencegah panas hasil reaksi pembakaran di ruang pembakaran keluar
17 No. Nama Bagian 4. Lubang udara sekunder 5. 6.
7. 8.
9.
Fungsi Tempat masuknya aliran udara sekunder yang akan masuk ke dalam tungku Lubang udara primer Tempat masuknya aliran udara primer yang akan masuk ke ruang pembakaran Saluran udara sekunder Saluran yang digunakan oleh aliran udara sekunder ke tempat reaksi dengan gas hasil reduksi arang Dinding berpori Tempat yang digunakan mengeluarkan gas hasil reduksi antara gas bakar dan arang Saluran gas utama Menyalurkan gas hasil pembakaran keluar pembakaran yang merupakan lanjutan dari ruang pembakaran Tempat meletakkan alat Tempat dudukan alat memasak sekaligus masak membuat sela saluran gas hasil pembakaran dengan alat masak
Setelah mengetahui rancangan fungsional dari tungku tersebut kemudian dilakukan perhitungan dimensi tungku yang dilakukan dengan perhitungan yang tepat, berikut beberapa perhitungan yang diperlukan untuk pengembangan tungku NDG ini. Kebutuhan bahan bakar Penggunan bahan bakar merupakan salah satu parameter yang dapat menentukan tingkan efisien dalam suatu tungku, dimana apabila laju penggunaan bahan bakar semakin tinggi maka tingkat efisien suatu tungku semakin rendah begitu sebaliknya. Penggunaan bahan bakar yang optimal perlu diketahui agar tungku yang digunakan tidak terlalu boros untuk menggunakan bahan bakar berikut merupakan perhitungan untuk mengetahui laju penggunaan bahan bakar (Djatmiko, 1986). e
tm tungku air
tm
tungku
parang kayu pair
air
parang kayu
̅
(1) (2) (3)
Data dari laju penggunaan bahan bakar ini dijadikan sebagai data dasar untuk proses simulasi tungku NDG. Kebutuhan udara pembakaran Pembakaran merupakan reaksi antara oksigen dan partikel bahan bakar. Jumlah oksigen yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna dinyatakan sebagai (Baldwin, 1987) o
* - +
(4)
18 *
th
z
a
+
z excess air
th a
q
udara
udara
(5) -
(6)
kg m
(7)
Analisis Teknik Proses perancangan disain yang dilakukan pada disain tungku NDG berpusat pada bagian geometri ruang pembakaran, ruang pengumpan (hopper), lubang lubang udara, dan cerobong gas. Ruang pembakaran Ruang pembakaran berbentuk silinder dengan luasan minimum r d (isi silinder) d ( r ) ̅ ruang pembakaran
r
(8) (9)
arang kayu
r
(10)
Ruang pengumpan (Hopper) ressure drop total
(11)
tumpukan
[
uas ruang hopper
arang kayu arang kayu tumpukan
Diameter ruang hopper √
]
(12) (13)
Lubang Udara )q ̅
(
mo
mo
tm
(14)
m
(15) * - +
(17)
( ) a
(16)
̅ [
tx]
(18)
Debit udara dan gas hasil pembakaran (19) (20) Diameter Lubang udara h ( g
√
uas lubang udara
)
c
(21)
tm
(22)
19 Perlu diketahui bahwa kecepatan yang didapatkan dari perhitungan ini merupakan data kecepatan yang dijadikan sebagai data awal (data acuan) untuk penentuan dari diameter lubang udara, dimana diameter lubang udara ini digunakan sebagai data untuk pembuatan geometri atau model dari tungku NDG yang dilakukan simulasi CFD. Asumsi jumlah lubang yang dibuat : 2 buah, 4 buah, 6 buah, 8 buah. uas lubang udara
uas tiap lubang
(23)
jumlah lubang udara
Diameter lubang √
(24)
Cerobong Gas ko tm
a
ko
kg m
gas
gas
(25)
k
(26)
Perlu diketahui juga bahwa kecepatan yang didapatkan dari perhitungan ini merupakan data kecepatan yang dijadikan sebagai data awal (data acuan) untuk penentuan dari diameter cerobong gas, dimana diameter cerobong gas ini digunakan sebagai data untuk pembuatan geometri atau model dari tungku NDG yang dilakukan simulasi CFD. Asumsi tinggi cerobong gas : 15 cm, 10 cm, 20 cm uas cerobong gas
a
( )
( ) √ gh (
Diameter lubang cerobong gas √
h
h-
amb amb
) (27) (28)
Hasil perhitungan perancangan mendapatkan data dimensi ukuran geometri dari ruang pembakaran, ruang pengumpan (hopper), lubang udara, dan cerobong gas tungku NDG. Dimensi ukuran geometri tungku NDG hasil perancangan perhitungan ini dijadikan sebagai data untuk proses penggambaran tungku NDG dengan kondisi batas yang mempengaruhinya, untuk dilakukan proses simulasi CFD. Penggambaran disain dan simulasi kinerja tungku NDG Setelah melakukan perhitungan pengembangan disain maka selanjutnya dilakukan penentuan disain tungku menggunakan CFD melalui tahap-tahap sebagai berikut : A. Geometri, Meshing dan Boundary Conditions Bentuk geometri yang dirancang telah ditentukan pada model sebelumnya. Geometri yang telah dibuat dilakukan proses pembuatan Grid/Mesh. Pembuatan mesh dilakukan menggunakan perangkat lunak Gambit 2.4.6. Mesh/Grid menggunakan element yang tidak terstruktur. Setelah melakukan proses mesh maka dilakukan proses penentuan kondisi batas untuk simulasi. Penentuan kondisi batas bertujuan untuk membatasi bagian yang dianalisis oleh perangkat lunak.
20 Simulasi dilakukan dalam dua tahap, dimana pada simulasi tahap pertama dilakukan untuk mengetahui aliran kecepatan udara yang mampu melewati tumpukan bahan biomassa pada kondisi konveksi bebas (free convection). Pergerakan aliran udara tersebut diakibatkan oleh perbedaan tekanan yang terdapat di dalam tungku dengan di lingkungan. Kecepatan aliran udara pada kondisi konveksi bebas menentukan energi dan komposisi gas yang dihasilkan dari proses pembakaran dan gasifikasi bahan biomassa pada simulasi tahap kedua. Parameter yang dijadikan sebagai kondisi batas untuk proses simulasi pada tahap pertama yaitu dinding panas atau wall yakni kondisi batas dinding yang memiliki suhu tinggi sebagai pemicu terjadinya aliran udara yang masuk ke dalam tungku. Pressure inlet yaitu pergerakkan udara dari bawah tungku menggunakan efek buoyancy, dimana efek buoyancy pada proses simulasi terjadi akibat model gas yang digunakan bersifat ideal gas. Ideal gas tersebut akan memberikan perbedaan densitas udara antara gas bakar dengan udara lingkungan yang mengakibatkan udara naik ke atas tungku guna membawa gas bakar hasil pembakaran arang kayu. Pressure outlet yaitu posisi pengeluaran udara di atas tumpukan. Porous zone pada tumpukan arang kayu yang digunakan. Pembagian satu cell zone yakni cell udara sebagai asumsi fluida. Parameter yang dijadikan sebagai kondisi batas untuk proses simulasi pada tahap kedua yaitu dinding atau wall yakni kondisi batas dinding berfungsi untuk memisahan antara regional fluida dan solid. Velocity inlet yaitu pergerakan aliran udara optimal untuk terjadinya proses reaksi pembakaran dan gasifikasi arang kayu. Pressure outlet yaitu posisi pengeluaran udara di atas tumpukan. Mass flow inlet yaitu laju aliran massa arang kayu yang masuk ke dalam tungku. Pembagian dua cell zone yakni cell arang sebagai asumsi solid sedangkan cell udara sebagai asumsi fluida. b. Simulasi CFD tungku dengan Ansys Fluent Simulasi CFD tungku dengan Ansys Fluent menggunakan persamaan Governing Equation dimana set persamaan untuk komputasi aliran kontinu terdiri dari persamaan konservasi massa, persamaan konservasi momentum, persamaan konservasi energi, persamaan konservasi spesies, persamaan RANS (The Reynold-Averaged Navier-Stokes), dan persamaan radiasi. Keseluruhan persamaan yang digunakan dipecahkan dalam simulasi CFD dan sangat penting untuk mengetahui dan menentukan kondisi terbaik pada tungku NDG agar mendapatkan kualitas yang terbaik dari tungku tersebut. Set persamaan untuk aliran fluida 3 dimensi dikenal sebagai Navier-Stokes equations. Persamaan tersebut menggambarkan aliran laminar dan turbulen. Kasus aliran yang bereaksi secara kimia, pada setiap titik dapat secara lengkap digambarkan dengan suhu, tekanan, densitas, dan kecepatan aliran maupun konsentrasi setiap spesies. Selain persamaan konservasi tersebut persamaan lain yang digunakan adalah persamaan model energi. Persamaan energi ini digunakan karena untuk menganalisis suhu pada tungku NDG, perpindahan panas, dan radiasi yang terjadi pada tungku NDG. Selain itu, pemilihan model viscous ialah k-epsilon (2 eqn) juga digunakan karena memberikan hasil yang cukup konsisten (Silaen dan Wang 2010). Model radiasi menggunakan model radiation Rosseland, model Rosseland digunakan karena model ini menghasilkan model yang cukup stabil untuk memprediksi komposisi
21 gas dan suhu. Persamaan spesies model species transport menggunakan model finite-rate/eddy-dissipation, model ini digunakan karena lebih riil dibandingkan dengan model Eddy dissipation (Silaen dan Wang 2009). Laju reaksi pada model finite rate/Eddy dissipation didasarkan pada nilai terkecil dari model finite rate dan Eddy dissipation. Persamaan konservasi massa Bentuk umum persamaan konservasi massa yang juga dikenal sebagai persamaan kontinuitas adalah (Ansys,2010) t
( v̅)
(29)
m
Sm merupakan massa yang ditambahkan pada fase kontinu dari fase kedua disperse (misalnya pada penguapan droplet cairan) Persamaan konservasi momentum Persamaan momentum, berdasarkan Hukum Newton tentang gerak (motion) menghubungkan jumlah gaya-gaya yang bekerja pada suatu elemen fluida terhadap percepatannya yang merupakan laju perubahan momentum dalam arah resultan gaya. Persamaan konservasi momentum dapat dituliskan dalam bentuk sebagai berikut (Ansys,2010) ̅ ⃗g ⃗ ( v⃗ ) ( ⃗vv⃗ ) (30) t Di mana ̅ dinyatakan sebagai ̅ *( v⃗ ⃗⃗⃗⃗ v )v⃗ + (31) Persamaan konservasi energi Persamaan konservasi energi yang digunakan dapat dituliskan dalam bentuk sebagai berikut (Ansys,2010) ⃗⃗ ) ∑j hj ⃗ j ̅̅̅̅̅̅ ( ) (v⃗ ( p)) (keff h (32) t
E=hh = ∑j
p
v
(33)
j hj
(34)
Yj merupakan fraksi massa dari spesies j hj ∫ ref pj d (35) Persamaan konservasi spesies Persamaan konservasi spesies secara umum dapat ditulis sebagai berikut (Ansys,2010) ⃗i ( i) ( ⃗v i ) (36) i i t Fluks difusi dari spesies I dinyatakan sebagai: ⃗j - ( Di m i
t
ct
)
i-
D
i
(37)
22 Persamaan RANS (The Reynolds-averaged Navier-Stokes) Pada persamaan RANS, variabel solusi dalam persamaan Navier-Stokes eksak didekomposisi ke dalam bentuk rataan dan komponen yang berfluktuasi, dimana untuk besaran skala dapat dinyatakan sebagai berikut ̅ (38) Dimana menunjukkan suatu besaran skalar tertentu, seperti kecepatan, tekanan, energi, atau konsentrasi spesies. Dengan mensubtitusikan bentuk persamaan di atas ke dalam persamaan kontinuitas dan momentum serta mengambil waktu rata-rata, menghasilkan persamaan momentum rata-rata, yang merupakan persamaan RANS yaitu sebagai berikut (Ansys, 2010) t t
( ui )
xj
( ui uj )
xi
p xi
xj
( ui )
[ (
(39)
ui
xj
xj
ui
u ij x
-
)]
xj
̅̅̅̅̅̅ ui uj (40)
Pada model yang digunakan kali ini menggunakan kondisi steady. Persamaan model turbulent Persamaan model turbulent memiliki kaitan dengan model viscous yang digunakan yaitu model k-ɛpsilon model yang digunakan. Persamaan model turbulent yang digunakan adalah sebagai berikut (Luan et al, 2012) i
( kui )
j
[(
t k
)
k xj
]
k-
(41)
dan i
( ui )
j
[(
t
)
xj
]
k
k-
k
(42)
Pada persamaan tersebut. Gk merupakan bentuk dari energi kinetik aliran turbulent yang diakibatkan oleh perbedaan kecepatan. k dan ɛ adalan angka turbulent Prandtl untuk k dan ɛ. Viskositas turbulent µt, dihitung oleh kombinasi k dan ɛ yaitu k t
(43)
Nilai konstanta model empirik yang digunakan adalah C1ɛ = 1.44, C2ɛ = 1.92, Cµ = k ɛ = 1.3 Persamaan Radiasi Model radiasi Rosseland atau pendekatan diffusi untuk radiasi ketika tebal optical media ((α + x)L >> 1), dan direkomendasikan untuk menyelesaikan masalah dengan ketebalan optical lebih besar dari 3. Persamaan ini diperoleh dari model radiasi P-1, dengan beberapa pendekatan (Ansys,2010) Model Rosseland dapat dilakukan pendekatan dengan rumus qr -
(44)
Model Rosseland diasumsi dengan tingkat intensitas black-body pada suhu gas. Dengan rumus G = 4 n2T4, dimana n adalah skala refractive. Sehingga apabila rumus G disubtitusikan ke dalam persamaan sebelumnya, maka menjadi
23 qr -
ln
(45)
Semenjak fluks radiasi panas memiliki bentuk yang sama dengan hukum konduksi Fourier, ini dapat ditulis sebagai berikut q qc qr q - k kr (46) kr ln dimana k adalah konduktivitas thermal dan kr adalah konduktivitas radiasi.Sejak pendekatan difusi tidak valid, maka slip kondisi suhu batasan diperhitungkan. Fluks radiasi pana pada dinding batas didefinisikan menggunakan koefisien slip ψ: 4 4 qr,w = - [ (47) w – Tg )] / ψ dimana Tw adalah suhu dinding, Tg adalah suhu gas pada dinding, dan koefisien slip ψ didekatkan dengan beberapa kondisi yaitu ψ=½ Nw <0.01 3 2 ψ = [2x +3x -12x+7]/ 54 0.01< Nw <10 (48) ψ=0 Nw >10 dimana Nw adalah parameter radiasi konduksi pada dinding : (49) Nw = k(α + s) / 4 Tw3 x = log10Nw (50) Nilai Nw merupakan nilai parameter radiasi konduksi yang terjadi pada model. Nilai Nw ini dipengaruhi oleh nilai diffusivitas panas dinding dan suhu dinding. Oleh karena itu, apabila nilai diffusivitas panas dinding tinggi maka mengakibatkan nilai Nw menjadi besar, sedangkan apabila suhu dinding menjadi lebih tinggi maka nilai Nw menjadi kecil. Hasil dari perhitungan tersebut mendapatkan nilai Nw, dimana nilai Nw ini sudah memiliki batasan angka. Nilai radiasi Nw dengan batasan inilah yang dijadikan sebagai dasar penentuan koefisien slip ψ persamaan (48). Persamaan finite-rate/eddy dissipation-rate Model yang digunakan untuk menghitung laju reaksi yang terlibat adalah persamaan laju Arhennius, atau model finite-rate/ Eddy-dissipation-ratemodel (Luan et al.2012) Arhennius rate ̅̅̅̅ ir
n ir
ir
kf r ∏ [
j
fr
j
kf r
kb r ∏ [
j
fr
j n
r
k
exp
br
kf r
r
(51)
k
Dimana, Vti,r, Vni,r merupakan koefisien stoikionometri rekasi dan produk, i n j,r, j,r adalah laju eksponen untuk reaktan j dan produk j. Er merupakan energi aktivasi, R adalah konstanta gas ideal, Ar adalah faktor pra-eksponensial, Cj adalah konsentrasi spesies molar , dan K adalah konstanta kesetimbangan.
24 Eddy-dissipation rate ir ir
min ir
ir
ir
ɛ k
i
ɛ ir
ir
i
r ∑p p
k ∑j
jr
j
(52)
Dimana Yr dan Yp merupakan fraksi massa spesies, A adalah konstanta Magnussen untuk reaktan (4.0), B adalah konstanta Magnussen untuk produk (0.5), M adalah berat molecular, dan R dan P merupakan reaktan dan produk. Model yang digunakan menentukan jenis laju reaksi yang terjadi pada proses reaksi kimia di dalam tungku NDG. Seluruh persamaan (persamaan (29) sampai dengan persamaan (52)) yang digunakan pada proses simulasi model tungku NDG ini telah diterapkan pada software analisis CFD (Ansys Fluent). Operator dalam penggunaan software analisis tersebut hanya memasukkan data input yang mempengaruhi model yang dirancang, sedangkan perhitungan dengan persamaanpersamaan tersebut telah dilakukan oleh software. Pemilihan model dalam Ansys Fluent disajikan pada Lampiran 3. Secara global laju reaksi gasifikasi dan pembakaran yang digunakan pada tungku NDG tertera pada Tabel 6. Pada reaksi R1 sampai R3 dimana bahan bakar berupa C(s) bukan berbentuk padatan melainkan diasumsikan sebagai fluida yang mengalir dengan laju aliran massa tertentu. Massa arang kayu akan bercampur dan bereaksi dengan aliran udara yang masuk. Pada reaksi R4 sampai R6 merupakan reaksi yang terjadi pada gas karbon monoksida (CO) hasil dari reaksi devolatilisasi bahan bakar yang dijelaskan pada reaksi R7. Reaksi R7, arang kayu mengalami proses devolatilisasi menjadi gas mampu bakar antara lain gas CO, gas CH4, gas H2, dan gas CO2. Pada reaksi R8 dan R9 merupakan reaksi hasil gas mampu bakar dari arang kayu yaitu gas CH4 dan gas H2 dengan aliran udara sekunder yang membawa suplai oksigen yang bercampur dan bereaksi dengan gas mampu bakar pada tengah-tengah saluran gas mampu bakar. Perlu diketahui bahwa pada reaksi ini data E(J/kmol) merupakan data energi aktivasi yang terjadi pada proses reaksi tersebut. Data A merupakan preexponential factor yang terjadi pada proses pembakaran dan gasifikasi arang kayu tersebut. Simulasi laju reaksi yang terjadi pada tungku ditentukan oleh kedua data tersebut. Tabel 6 Reaksi fase gas No. Reaksi A E(J/Kmol) Sumber Reaksi Heterogen R1 C(s) + ½ O2 CO 0.052 6.1 x 107 Chen et al R2 C(s) + CO2 2CO 0.0732 1.125 x 108 (2000) R3 C(s) + H2O CO + H2 0.0782 1.15 x 108 Reaksi Homogen R4 CO + ½ O2 CO2 2.2 x 1012 1.67 x 108 Westbrook and Dryer (1981)
25 No.
Reaksi
A
R5 R6
CO + H2O(g) CO + 3H2
R7
CH2.382O1.075 0.582 CO +
R8 R9
CO2 + H2 CH4 + H2O
0.246 CO2 + 0.171 CH4 + 0.848 H2 CH4 + ½ O2 CO + 2H2
H2 + ½ O2 H2O
E(J/kmol) 10
2.75 x 10 4.4 x 1011
7
8.38 x 10 1.68 x 108
Eddy Dissipation 6.8 x 1015
1.68 x 108
Sumber
Jones and Lindstedt (1998) Xijia Lu and Ting Wang (2014) Jones and Lindstedt (1998)
Tahap simulasi ini melakukan kombinasi disain geometri dari tungku biomassa. Kombinasi disain yang dilakukan terletak pada bagian diameter lubang udara untuk pemasukan udara sekunder, dan tinggi cerobong gas mampu bakar. Pada penelitian ini dicoba dengan beberapa kemungkinan dari diameter lubang udara yang dibutuhkan, ini dikarenakan apabila terlalu sedikit maupun banyak udara menyebabkan proses pembakaran yang dilakukan tidak sempurna. Cerobong gas akan dikombinasikan pada segi tinggi rendahnya cerobong gas, ini yang menjadi dasar untuk menentukan kualitas dan kuantitas dari gas yang dihasilkan. Pembuatan tungku NDG hasil simulasi Setelah mendapatkan hasil simulasi pengembangan tungku NDG yang sesuai dan tepat, maka dilakukan proses pembuatan tungku. Tujuan dari proses ini adalah membuat tungku hasil simulasi yang terbaik untuk uji kinerja lapang. Proses pembuatan tungku ini meliputi proses pabrikasi bentuk geometri tungku. Pabrikasi yang dilakukan terfokus pada sisi diameter lubang udara sekunder, dan tinggi cerobong gas. Uji Kinerja Lapang Tungku NDG Setelah melakukan proses pembuatan tungku NDG hasil dari simulasi yang dilakukan, maka selanjutnya proses yang dilakukan adalah uji kinerja tungku yang dilakukan di lapang. Uji kinerja dibagi menjadi dua uji yaitu uji water boiling test (WBT) dan uji komposisi gas. Dalam pengujian dengan metode water boiling test yang didekati dengan audit rinci tungku, maka diperlukan batasan sistem, yaitu : Proses pembakaran dimulai ketika arang kayu telah menjadi bara. Pengukuran suhu pada tiap parameter tetap berlangsung hingga sepuluh menit setelah air di dalam panci mendidih. Input energi yang diperhitungkan adalah semua energi langsung yang digunakan dalam proses pemanasan. Energi langsung berupa energi bahan bakar yaitu arang kayu. Tekanan atmosfir didekati dengan nilai 1 atm. Kehilangan energi akibat perpindahan panas dari bara ke permukaan panci tidak diperhitungkan. Energi output hanya dihitung berdasarkan panas yang digunakan untuk memanaskan air dan menguapkan air.
26 Dalam kesempatan ini juga beberapa parameter yang diambil datanya meliputi kecepatan aliran udara, suhu pembakaran, dan tumpukan biomassa. Kecepatan aliran udara yang diukur adalah kecepatan udara di bagian lubang udara yang diukur menggunakan anemometer. Suhu yang diukur adalah lingkungan, bagian ruang pembakaran, bagian dinding tengah tempat arang kayu, bagian cerobong gas mampu bakar, dan air. Alat untuk mengukur suhu adalah termokopel, dan termometer air raksa. Tumpukan biomassa akan dihitung dengan menggunakan timbangan digital selama proses pembakaran berlangsung. Perhitungan tumpukan biomassa ini bertujuan untuk melihat penurunan jumlah bahan biomassa yang digunakan selama proses pembakaran berlangsung. Uji WBT ini juga digunakan untuk menghitung efisiensi panas pembakaran tungku. Efisiensi yang dihitung adalah efisiensi sistem tungku-panci. Rumus efisiensi (Ƞ) dari sistem tersebut adalah Ƞ=
avg
p ( boil - i )
uap hfg avg
fuel
(53)
Tahap ini juga dilakukan uji komposisi gas, uji ini menentukan hasil gas bakar yang dihasilkan oleh tungku NDG. Pengujian gas tungku NDG ini pada proses pengambilan komposisi gas bakar, alat yang digunakan tidak langsung mengukur pada bagian cerobong gas, melainkan dari bagian cerobong gas akan dibuat saluran pipa. Saluran pipa ini akan dijadikan sebagai saluran gas mampu bakar, yang dijadikan sebagai penghubung antara cerobong gas dengan alat pengukur gas. Saluran pipa gas ini juga membantu alat penguji komposisi gas untuk mengambil data komposisi gas tanpa merusak alatnya tersebut. Sistem operasi uji WBT untuk menghitung efisiensi dan uji komposisi gas terdapat pada Lampiran 4.
HASIL DAN PEMBAHASAN Perancangan Disain Tungku NDG Proses pengembangan disain geometri tungku natural draft gasification (NDG) dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan hasil kerja optimal dari tungku natural draft gasification (NDG) sebelumnya. Proses pengembangan ini dilakukan dengan melakukan perancangan ulang disain tungku, yang kemudian dilakukan uji simulasi CFD agar mendapatkan hasil maksimal. Tungku NDG memiliki prinsip kerja konveksi bebas. Efek buoyancy menyebabkan konveksi bebas di dalam tungku akibat proses reaksi kimia antara bahan bakar dengan aliran udara yang masuk. Proses tersebut menyebabkan terjadinya perbedaan suhu dan tekanan yang membuat aliran gas mampu bakar hasil reaksi bergerak ke atas. Pada tungku NDG sebelumnya masih belum diinvestigasi secara numerik dengan simulasi CFD pada bagian geometri tungku, dimana geometri dari tungku tersebut mempengaruhi kinerja tungku NDG, oleh karena itu akan dilakukan analisis numerik. Perancangan ulang yang dilakukan pada tungku menitikberatkan pada disain bagian lubang udara untuk pemasukan udara, cerobong gas mampu bakar, ruang pembakaran, dan ruang masukan bahan bakar (hopper). Hasil perhitungan perancangan disain tungku NDG disajikan pada Lampiran 1. Ruang pembakaran yang didisain memiliki ukuran diameter sebesar 12 cm, dengan tinggi ruang pembakaran sebesar 12 cm. Ruang pembakaran didisain kecil agar proses
27 pembakaran arang kayu dapat terbakar secara cepat. Proses pembakaran yang cepat ini mengakibatkan suhu pembakaran meningkat, dan secara tak langsung menghasilkan gas mampu bakar yaitu CO, CH4, dan H2. Pada bagian lantai ruang pembakaran dibuat lubang berpori-pori dengan tujuan agar aliran udara dari lingkungan dapat masuk ke ruang pembakaran untuk membantu proses pembakaran. Pada bagian ruang pengumpanan bahan bakar (hopper) didisain dengan ukuran diameter sebesar 20 cm, dan tinggi sebesar 22.5 cm. Ruang hopper didisain untuk menyimpan arang kayu yang akan digunakan pada tungku. Sistem pemasukan bahan bakar pada tungku ini bersifat tipe batch sehingga diperlukan ruang yang cukup besar untuk menyimpan ketersediaan arang kayu. Ruang hopper pada sisi bawah memiliki bagian yang menyudut ke bawah. Sudut jatuhnya arang kayu disesuaikan dengan angle of repose yang dimiliki oleh arang kayu. Sudut ini memiliki tujuan agar memudahkan arang kayu masuk ke dalam ruang pembakaran dengan jatuh turun secara perlahan-lahan dengan sendirinya, saat arang kayu habis terbakar di ruang pembakaran. Sudut jatuh yang optimal ini juga tidak menggangu proses pembakaran yang terjadi di dalam ruang pembakaran. Lubang udara didisain untuk memasukkan udara yang mengandung oksigen seoptimal mungkin yang membantu proses pembakaran pada ruang pembakaran, dan proses pencampuran gas mampu bakar dengan udara sekunder. Lubang udara yang dibuat pengembangan ini terletak pada sisi bagian diameter lubang. Diameter lubang udara yang lebih kecil sebelumnya menyebabkan aliran udara yang masuk membawa kadar oksigen tidak optimal. Disain bagian diameter lubang udara yang dibuat dibagi menjadi beberapa skenario. Skenario diameter lubang udara yang dibuat antara lain diameter lubang udara dengan ukuran 4 cm, 3.5 cm, 3 cm, 2.5 cm, dan 2 cm. Penempatan tata letak dari lubang udara juga menjadi prioritas agar udara yang masuk juga optimal. Cerobong gas mampu bakar, merupakan tempat dimana gas mampu bakar hasil proses pembakaran dan gasifikasi keluar untuk dimanfaatkan pada proses selanjutnya. Cerobong gas mampu bakar juga dilakukan pengembangan dengan beberapa skenario. Skenario yang dibuat ini terletak pada bagian tinggi dari cerobong gas mampu bakar, ukuran tinggi yang dibuat antara lain dengan ukuran tinggi sebesar 10 cm, 15 cm, dan 20 cm. Ketinggian yang bervariasi ini mengetahui seberapa jauh gas mampu bakar yang dapat keluar melalui cerobong gas mampu bakar tersebut. Beberapa skenario yang telah dibuat pada proses perancangan ini dilakukan uji tahap simulasi computational fluid dynamics (CFD) kembali, untuk melihat peningkatan kinerja dari tungku natural draft gasification (NDG). Ukuran dimensi disain tungku NDG yang dirancang disajikan pada Gambar 7.
28
Gambar 7 Disain rancangan tungku NDG Penggambaran dan Simulasi Disain Tungku NDG Perancangan disain tungku NDG yang telah dilakukan sebelumnya, kemudian disimulasikan untuk melihat kinerja dari beberapa skenario tungku yang telah dibuat. Proses penggambaran skenario tungku menggunakan software Gambit 2.4.6. Penggambaran pada software tersebut dilakukan penentuan kondisi batas yang digunakan pada proses simulasi tungku selanjutnya, dimana simulasi yang dilakukan melalui 2 tahap. Tahap yang pertama digunakan untuk menentukan kecepatan aliran udara yang terjadi di saat kondisi free convection. Tahap yang kedua digunakan untuk mendapatkan energi, dan komposisi gas yang dihasilkan tungku dari reaksi arang kayu dengan aliran udara yang terdapat pada tungku. Data aliran udara yang didapatkan berasal dari simulasi tahap pertama menjadi data dasar pada simulasi tahap kedua. Semua kondisi batas yang digunakan untuk proses simulasi CFD disajikan pada Gambar 8.
Kondisi Tahap I Kondisi Tahap II Gambar 8 Kondisi batas tungku NDG
29
Simulasi Tahap Pertama Simulasi tahap yang pertama menggunakan kondisi konveksi bebas (free convection) untuk aliran udara di dalam tungku. Tahap pertama mendapatkan data kecepatan aliran udara optimum untuk proses reaksi pembakaran dan gasifikasi yang terjadi pada simulasi tahap kedua. Kondisi konveksi bebas tungku NDG menggunakan kondisi tekanan masuk dan tekanan keluar sebesar 0 Pascal, kondisi batas porous zone yang terdapat pada ruang pembakaran, dan adanya kondisi dinding panas untuk mengetahui pergerakan aliran udara yang masuk ke dalam tungku. Kondisi porous zone digunakan supaya aliran udara yang masuk ke dalam ruang pembakaran untuk proses pembakaran tidak terlalu berlebihan maupun sedikit. Penentuan kondisi porositas arang kayu menentukan kondisi porous zone. Nilai porositas yang dimiliki oleh arang kayu adalah sebesar 50.2 %. Beberapa skenario dari sisi geometri lubang udara dan tinggi cerobong menentukan seberapa besar kecepatan aliran udara yang masuk ke dalam tungku tersebut untuk proses pembakaran dan gasifikasi. Hasil simulasi kecepatan aliran udara yang masuk ke dalam tungku dengan porositas arang kayu sebesar 50.2 % tertera pada Tabel 7. Tabel 7 menjelaskan bahwa diameter lubang udara sekunder semakin kecil menyebabkan kecepatan aliran udara yang masuk semakin besar, begitu juga dengan kondisi sebaliknya. Semakin cepat aliran udara yang masuk belum tentu membuat proses pembakaran dan gasifikasi berjalan dengan baik. Data kecepatan aliran udara hasil simulasi berpengaruh terhadap suplai oksigen untuk proses pembakaran dan gasifikasi arang kayu untuk menghasilkan komposisi gas mampu bakar dan daya energi yang optimal pada simulasi kondisi tahap kedua. Kondisi aliran udara yang masuk ke dalam tungku disajikan pada Gambar 9. Aliran udara dapat bergerak masuk ke dalam tungku akibat adanya perbedaan suhu antara suhu material dengan suhu lingkungan. Tabel 7 Hasil simulasi kecepatan aliran udara Tinggi Cerobong (cm)
10
15
20
Diameter Lubang Udara (cm) 2 2.5 3 4 2 3 4 2 2.5 3.5
Kecepatan Aliran Udara (m/detik) Lubang primer Lubang sekunder 0.1 0.18 0.1 0.15 0.1 0.13 0.1 0.11 0.1 0.23 0.1 0.17 0.1 0.14 0.1 0.29 0.1 0.24 0.1 0.18
Perbedaan tekanan yang terdapat di dalam tungku dan lingkungan juga memicu terjadinya aliran udara yang masuk ke dalam tungku. Kontur tekanan menjelaskan
30 bahwa rata-rata tekanan udara yang masuk sebesar 0 Pascal. Bagian lubang udara primer di bawah memiliki tekanan, dimana tekanan di sekitar daerah tersebut terjadi akibat adanya pressure drop yang berasal dari tumpukan arang kayu. Gambar kontur perbedaan suhu dan perbedaan tekanan yang disajikan pada Gambar 10. Kecepatan aliran udara yang dibutuhkan untuk proses pembakaran dan gasifikasi ini sangat membantu untuk kinerja tungku NDG. Aliran udara primer dibutuhkan untuk menghasilkan pembakaran yang kurang sempurna pada arang kayu. Tujuan proses ini agar menghasilkan gas mampu bakar gasifikasi hasil dari proses reduksi. Pembakaran sempurna yang terjadi pada bagian primer dihindari karena apabila langsung terjadi maka mengakibatkan gas mampu bakar akan langsung habis terbakar dan saat aliran keluar dari cerobong gas bakar hanya menghasilkan asap biasa dengan gas buang (CO2 dan H2O) dan residu volatile terbang. Penambahan aliran udara sekunder yang terdapat pada bagian tengahtengah saluran gas bakar juga membantu agar gas mampu bakar yang dihasilkan dari proses sebelumnya dapat terbakar sempurna, dan optimal untuk digunakan pada proses memasak. Perlu diketahui, bahwa penggunaan gas mampu bakar hasil gasifikasi lebih menguntungkan daripada pembakaran secara langsung karena dapat digunakan pada suhu lebih tinggi sehingga batas tertinggi efisiensi termodinamika dapat tercapai.
(a)
Aliran udara sekunder (c)
(b)
Aliran udara primer (d)
Gambar 9 Hasil simulasi kecepatan aliran udara tungku NDG (m/detik) a) kontur aliran b) vector aliran c) aliran udara sekunder dan d) aliran udara primer
31
(a) (b) Gambar 10 Hasil simulasi a) suhu udara (oC) dan b) tekanan udara (Pa) tungku NDG Simulasi Tahap Kedua Rancangan tungku yang terbaik dapat diketahui dari beberapa parameter yaitu daya energi dan komposisi gas mampu bakar yang dihasilkan oleh tungku. Daya energi tungku didapatkan dari hasil parameter laju aliran massa gas, dan suhu keluaran. Kecepatan aliran udara merupakan parameter yang mempengaruhi laju aliran massa gas dan suhu keluaran. Data kecepatan aliran udara yang diketahui dari simulasi tahap pertama akan dijadikan sebagai data dasar untuk menentukan daya energi yang dihasilkan tungku NDG hasil dari reaksi pembakaran dan gasifikasi arang kayu yang disajikan pada Tabel 8. Tabel 8 Data laju aliran massa, suhu dan daya energi Tinggi Cerobong (cm)
Diameter Lubang Udara (cm)
Laju Aliran Gas Outlet (kg/detik)
Cp Gas Bakar (J/kg⁰C)
Selisih Suhu Outlet dan Inlet (⁰C)
10
2 2.5 3 4 2 3 4 2 2.5 3.5
0.0013 0.0013 0.0013 0.0014 0.0015 0.0016 0.0016 0.0018 0.0018 0.0019
1434 1429 1419 1412 1393 1364 1347 1381 1361 1365
1005 1012 1016 1017 993 996 999 996 996 997
15
20
Daya Energi Tungku (J/detik) 1873.5 1863.9 1874.2 2010.4 2074.8 2173.6 2153.0 2475.8 2440.0 2585.7
Data daya energi tungku yang optimal tersebut dapat diketahui dengan menggunakan rumus Q = ṁgas bakar Cpgas bakar ΔT (54)
32 Daya energi yang optimal mengindikasikan proses reaksi pembakaran dan gasifikasi yang terjadi di ruang pembakaran dan proses pembakaran hasil gas pembakaran dengan aliran udara sekunder pada saluran gas mampu bakar terjadi secara sempurna. Beberapa skenario disain tungku NDG ini memiliki daya energi dari 1863.9 J/detik sampai dengan 2585.7 J/detik. Pada Tabel 8 terlihat laju aliran gas mampu bakar semakin kecil apabila diameter lubang udara sekunder semakin kecil, ini mengakibatkan daya energi yang dihasilkan oleh tungku semakin rendah. Ukuran diameter lubang udara sekunder ini sangat berpengaruh terhadap adanya aliran udara untuk proses pembakaran dengan gas hasil pembakaran, dan membantu untuk mendorong gas hasil pembakaran tersebut untuk mencapai cerobong gas mampu bakar. Kondisi dari beberapa skenario disain tungku ini diketahui juga kontur pada tungku, antara lain persebaran suhu, dan beberapa komposisi gas. Persebaran suhu yang pada tungku menjelaskan bahwa pada reaksi proses pembakaran di ruang pembakaran mampu meningkatkan suhu yang awalnya bersuhu rendah menjadi meningkat. Peningkatan suhu diakibatkan oleh reaksi pembakaran antara arang kayu dengan aliran udara primer, namun karena jumlah udara dengan bahan bakar tidak seimbang maka menyebabkan proses pembakaran awal kurang sempurna. Adanya tumpukan arang kayu di atas ruang pembakaran menyebabkan terjadinya proses reduksi yaitu proses mengurangi kadar CO2 untuk menghasilkan gas mampu bakar gas CO dan gas H2. Beberapa reaksi yang terjadi tersebut menyebabkan peningkatan suhu. Peningkatan suhu tersebut juga semakin besar diakibatkan oleh reaksi gas hasil pembakaran awal dengan aliran udara sekunder. Beberapa kondisi yang terdapat pada tungku dapat dilihat pada gambar kontur yang disajikan pada Gambar 11 sampai dengan Gambar 15.
(a) (b) Gambar 11 Komposisi a) volatile (fraksi mol) dan b) gas CH4 (fraksi mol) tungku NDG
33
(b) (a) Gambar 12 Komposisi a) gas CO2 (fraksi mol) dan b) gas H2O (fraksi mol) tungku NDG
(a) (b) Gambar 13 Komposisi a) gas O2 (fraksi mol) dan b) C(s) (fraksi mol) tungku NDG
34
(a) (b) Gambar 14 Komposisi a) gas CO (fraksi mol) dan b) gas H2 (fraksi mol) tungku NDG
Gambar 15 Suhu tungku NDG (oC) Pada bagian kontur volatile (Gambar 11a) dan kontur C(s) (Gambar 13b) terlihat perbedaan dimana pada kontur volatile telah habis terlebih dahulu, sedangkan pada kontur C(s) masih tersisa sampai pada bagian pertengahan tungku. Peristiwa ini terjadi akibat pada pada kondisi batas mass flow inlet, dimana data yang dimasukkan berupa persentase kandungan uji proksimat dari bahan arang kayu yang memiliki kandungan C(s) lebih besar dibandingkan dengan kadar volatile. Kedua kandungan ini didefinisikan sebagai aliran fluida yang memiliki laju aliran bahan bakar dengan kecepatan tertentu. Kandungan volatile yang sedikit tersebut akan mengalami proses pembakaran dengan udara primer dan menyebabkan kandungan volatile langsung habis. Kandungan C(s) yang terbakar
35 dengan udara primer sedikit dan sisanya mengalami proses reduksi untuk menghasilkan gas mampu bakar pada bagian tengah-tengah saluran gas sehingga pada saat memasuki bagian ujung cerobong gas kandungan C(s) telah habis. Kontur gas H2 (Gambar 14b) menunjukkan kandungan nya besar, ini diakibatkan oleh hasil dari reaksi reduksi antara kandungan C(s) dengan gas H2O. Gas H2 tersebut langsung terbakar akibat adanya reaksi dengan gas O2 yang terbawa oleh aliran udara sekunder yang masuk sehingga memungkinkan tidak terjadi ledakan tungku. Perlu diketahui bahwa gas H2 ini memiliki sifat yang mudah meledak. Hasil dari simulasi disain tungku ini juga dapat menentukan sebaran komposisi gas yang dihasilkan baik dari proses pembakaran dan gasifikasi bahan bakar, hasil pembakaran gas bakar dengan aliran udara sekunder, dan hasil keluaran outlet dari cerobong gas mampu bakar. Komposisi gas yang dihasilkan antara lain gas CO2, H2O, CH4, H2, dan CO yang dapat dilihat pada Gambar 16. 70
Tinggi Tungku (cm)
60 50 40 30 20 10 0 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
Fraksi Mol Gas CO2
Gas H2O
Gas CH4
Gas H2
Gas CO
Gambar 16 Komposisi gas CO2, H2O, CH4, CO, dan H2 Hasil rataan grafik pembakaran dan gasifikasi arang kayu didapatkan kandungan gas (CO2 1 %), (H2O 0.5 %), (CH4 1.6%), (CO 7.3%), dan (H2 5.2%) pada proses pembakaran dan gasifikasi,kandungan gas (CO2 6.7 %), (H2O 0.5 %), (CH4 1.9%), (CO 11.4%), dan (H2 8.3%) pada pembakaran dengan udara sekunder, dan kandungan gas (CO2 12 %), (H2O 2.5 %), (CH4 0.2%), (CO 0.7%), dan (H2 0.4%) pada keluaran outlet cerobong. Hasil tersebut menjelaskan bahwa proses reaksi gasifikasi dan pembakaran [C(s) + 0.5 O2 CO] terjadi pada ketinggian 20 cm. Aliran udara primer yang berasal dari bawah tungku melakukan reaksi dengan arang kayu menghasilkan gas mampu bakar CO, CH4, H2, dan gas lainnya yaitu CO2 dan H2O namun hasilnya belum optimal. Kemudian pada ketinggian tungku sekitar 30 cm C(s) yang tidak mengalami reaksi dengan oksigen mengalami reaksi reduksi. Reaksi reduksi ini terjadi untuk mengurangi kadar gas CO2. Proses reduksi yang terjadi melibatkan reaksi [C(s) + CO2 2CO] dan reaksi [C(s) + H2O CO + H2], hasil dari proses reduksi ini akan meningkatkan hasil komposisi gas mampu bakar yaitu gas CO,
36 dan H2. Gas hasil reduksi tersebut bercampur dengan gas mampu bakar hasil pembakaran primer sebelumnya. Kandungan C(s) yang dijadikan sebagai data simulasi didefinisikan sebagai aliran fluida yang bersifat kontinyu. Kontur C(s) menjelaskan pada bagian outlet komposisi C(s) telah sedikit dikarenakan telah bereaksi dengan O2, CO2, dan H2O. Gas CO2 dan gas H2O yang dijadikan sebagai gas reaksi reduksi berasal dari bahan bakar arang kayu yang digunakan. Hasil gas baik reaksi pembakaran primer dan reaksi reduksi akan mengalir menuju cerobong gas mampu bakar. Aliran gas mampu bakar tersebut bereaksi dengan aliran udara sekunder yang berasal dari lubang udara sekunder pada ketinggian 40 cm. Reaksi yang terjadi [CO + 0.5O2 CO2], [H2 + 0.5O2 H2O], dan [CH4 + 0.5O2 CO + 2H2] menyebabkan pembakaran yang menghasilkan gas bakar optimal untuk digunakan pada proses memasak. Reaksi pembakaran gas digambarkan dengan laju reaksi (kgmol/m3s), laju reaksi berlangsung di saluran utama gas bagian tengah-tengah pembakaran. Reaksi pembakaran dan reduksi C(s) serta reaksi gas mampu bakar dengan udara sekunder dapat dilihat pada Gambar 17 berikut
C(s) + 0.5 O2 CO
CO + ½ O2 CO2
C(s) + CO2 2CO
CH4+ ½ O2 CO + 2H2
C(s) + H2O CO + H2
H2 + ½ O2 H2O Gambar 17 Reaksi C(s), CO, H2, dan CH4 (kgmol/m3s)
37 Kontur reaksi pada Gambar 17 menyimpulkan bahwa proses reaksi reduksi arang kayu dengan proses reaksi oksidasi arang kayu terjadi secara simultan pada bagian tengah atas (ketinggian 30-40 cm) tungku NDG. Setelah mengalami proses pembakaran di saluran utama gas bagian tengah-tengah pembakaran maka gas mampu bakar tersebut habis pada saat keluaran outlet di cerobong gas. Pembakaran gas yang sempurna menghasilkan gas CO2, dan gas H2O yang dibuang ke lingkungan. Efisiensi gasifikasi proses simulasi ini diketahui dengan perhitungan efisiensi gasifikasi yang didapatkan dari rasio antara gas yang dihasilkan dengan arang kayu yang digunakan. Persamaan efisiensi gasifikasi yang digunakan yaitu (55) Perhitungan efisiensi gasifikasi adalah tingkat efektivitas tungku untuk mengubah energi dari arang kayu menjadi gas mampu bakar. Gas mampu bakar yang diukur adalah gas CO, CH4, dan H2. Perhitungan secara mendetail efisiensi gasifikasi terdapat pada Lampiran 6. Arang kayu menggunakan laju aliran sebesar 1x10-3 kg/detik dan memiliki nilai kalor sebesar 23900 kJ/kg maka energi bahan arang kayu yang dihasilkan sebesar 23.9 kJ/detik. Gas mampu bakar memiliki laju aliran sebesar 1.4 x 10-3 kg/detik dan nilai kalor total sebesar 11458.82 kJ/kg untuk menghasilkan energi sebesar 16.04 kJ/detik. Efisiensi gasifikasi mendapatkan persentase sebesar 67.11 %. Persentase 67.11 % tersebut menandakan proses pembakaran dan gasifikasi arang kayu menjadi gas mampu bakar optimal. Sisa persentase sebesar 32.89 % berubah menjadi panas dan dimanfaatkan juga untuk proses pembentukan gas mampu bakar. Pengujian Disain Tungku NDG Hasil Simulasi Hasil disain tungku yang terpilih dari proses simulasi adalah tungku natural draft gasification (NDG) dengan ukuran tinggi cerobong sebesar 10 cm, dan diameter lubang udara sekunder sebesar 4 cm. Disain tungku dipilih karena pada aliran udara sekunder sebesar 0.11 m/detik mendekati aliran udara sekunder yang tepat pada tungku kompor umumnya sebesar 0.06 m/detik (Varunkumar et al. 2011). Disain tungku ini menghasilkan tingkatan energi sebesar 2010.4 J/detik atau sekitar 2.01 kW, dan jenis tungku ini dapat dijadikan sebagai tungku untuk proses memasak di sektor industri kecil. Proses pengujian disain tungku NDG menggunakan bahan bakar arang kayu sebanyak empat kali. Percobaan sebanyak tiga kali menghitung uji water boiling test (WBT) untuk mengetahui tingkat efektifitas dari kinerja tungku tersebut, dan uji yang terakhir untuk mengetahui komposisi gas yang telah dihasilkan oleh tungku tersebut. Proses pengujian sebagian arang kayu diberikan sedikit campuran dengan bahan bakar minyak ini bertujuan membuat arang kayu menjadi bara, di dalam ruang pembakaran. Setelah arang kayu menjadi bara kemudian sisa arang kayu yang lainnya dimasukkan ke dalam ruang masukan (hopper). Terbentuknya bara membuat arang pada ruang hopper dapat masuk dengan sendirinya ke dalam ruang pembakaran karena panas yang maksimal dari ruang pembakaran. Pengujian tungku pada awalnya mendapatkan nyala api yang belum stabil, dan kemudian padam dengan tempo waktu sekitar 10 menit. Peristiwa ini diakibatkan oleh banyaknya aliran udara yang tidak cukup melewati arang kayu untuk proses
38 pembakaran. Aliran udara yang masuk mulai banyak membuat nyala api cukup stabil. Pembakaran arang kayu tidak menghasilkan asap yang terlalu tebal karena arang kayu langsung mengalami proses gasifikasi. Pengujian pertama menggunakan arang kayu sebesar 1.593 kg. Arang kayu sebanyak 0.210 kg digunakan untuk bahan awal pencampuran dengan bahan bakar minyak untuk mendapatkan bara yang selanjutnya diteruskan dengan proses gasifikasi pada sisa arang yang lain. Tungku mendapatkan nyala api yang stabil dalam waktu 20 menit, dan menghabiskan arang kayu sebanyak 0.032 kg. Kondisi nyala api yang stabil ditandai dengan suhu pembakaran yang mulai tinggi. Pengujian pertama ini menghasilkan nyala api yang stabil pada suhu sekitar 892⁰C, dan kondisi api berwarna merah kebiru-biruan, serta tidak ada kadar zatzat terbang jelaga yang keluar dari cerobong gas mampu bakar. Proses memasak air dilakukan setelah kondisi nyala api stabil. Air yang dimasak memiliki suhu awal sebesar 35⁰C, dan mencapai suhu akhir sebesar 100⁰C dalam tempo 40 menit. Masalah ini terjadi karena nyala api hasil gasifikasi yang didapatkan sangat kecil. Proses memasak air ini menghabiskan arang sebanyak 302 gram, dengan laju bahan bakar sebesar 7.5 gram/menit. Laju pembakaran dan nyala api yang dihasilkan ini tidak cukup membawa keluar aliran gas mampu bakar menuju cerobong gas mampu bakar. Peristiwa ini diakibatkan oleh banyaknya aliran udara yang masuk ke dalam tungku, sehingga aliran gas mampu bakar yang dihasilkan telah terbakar terlebih dahulu. Setelah mencapai suhu 100⁰C, suhu air yang dipanaskan mulai menurun akibat proses pembakaran di ruang pembakaran mulai berhenti. Sisa arang kayu yang tertinggal sebesar 0.958 kg. Proses memasak air menggunakan air sebanyak 5.246 l, dan menguapkan air sebanyak 0.193 l. Pada pengujian kedua digunakan arang kayu sebanyak 1.671 kg. Sebanyak 0.251 kg arang kayu digunakan untuk dicampur dengan bahan bakar minyak. Pada pengujian kedua, untuk mendapatkan nyala api yang stabil dibutuhkan waktu sebesar 20 menit dengan menghabiskan arang kayu sebesar 0.263 kg. Kondisi nyala api yang stabil digunakan untuk proses memasak air untuk menghitung water boiling test yang kedua. Waktu yang diperlukan untuk memanaskan air dari suhu 35⁰C sampai dengan 100⁰C sebesar 40 menit dengan menghabiskan bahan bakar sebesar 295 gram. Laju konsumsi bahan bakar yang dihasilkan sebesar 7.3 g/menit, laju konsumsi bahan bakar ini dikatakan lebih rendah daripada laju konsumsi bahan bakar pada pengujian sebelumnya. Alasannya adalah ukuran arang kayu yang sebelumnya sedikit besar kemudian dikecilkan, ini menyebabkan aliran udara sedikit terhambat dengan tumpukan arang kayu. Kondisi ukuran arang kayu yang kecil juga membuat proses penyalaan api yang kecil, sehingga membuat gas mampu bakar belum bisa mencapai keluar cerobong. Sisa arang kayu yang tidak ikut terbakar sebanyak 0.846 kg. Proses memasak air menggunakan air sebanyak 5.04 l, menguapkan air sebanyak 0.185 l. Pengujian ketiga menggunakan arang kayu sebanyak 1.589 kg. Sebanyak 0.255 kg arang kayu digunakan untuk dicampur dengan bahan bakar minyak. Pengujian ketiga membutuhkan waktu sebesar 20 menit untuk mendapatkan nyala api yang stabil dengan menghabiskan arang kayu sebesar 0.139 kg. Kondisi nyala api yang stabil untuk mendapatkan suhu air mencapai 100⁰C memerlukan waktu sebesar 40 menit dengan menghabiskan konsumsi bahan bakar sebanayak 309 gram. Laju konsumsi bahan bakar sebesar 7.7 g/menit, dimana laju konsumsi bahan bakar ini dikatakan lebih tinggi dibandingkan dengan laju bahan bakar
39 proses dua pengujian sebelumnya. Laju konsumsi bahan bakar ini dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu laju aliran udara yang berlebihan, dan kondisi struktur geometri arang kayu yang sedikit besar sehingga tumpukan arang kayu yang terdapat di dalam ruang hopper sedikit renggang. Kondisi ini yang menyebabkan proses pembakaran lebih awal membuat nyala api lebih besar dibandingkan dengan sebelumnya, namun gas mampu bakar yang dihasilkan belum bisa mencapai cerobong gas mampu bakar juga. Sisa arang kayu yang tidak ikut terbakar sebanyak 0.859 kg. Proses memasak air menggunakan air sebanyak 5.359 l, dan menguapkan air sebanyak 0.206 l. Proses perhitungan efisiensi sistem tungku-panci dilakukan setelah mendapatkan data untuk uji water boiling test (WBT) disajikan pada Lampiran 2. Pengukuran efisiensi diukur dari energi yang digunakan untuk menaikkan suhu dan menguapkan air dalam panci dibagi energi yang diperoleh bahan bakar selama pengujian WBT. Pada pengujian pertama didapatkan efisiensi sebesar 23.12 %, pengujian kedua didapatkan efisiensi sebesar 22.72 %, dan pada pengujian ketiga didapatkan efisiensi sebesar 23.32%. Tungku biomassa konvensional menggunakan bahan bakar berupa arang kayu (charcoal) maupun dengan kayu memiliki efisiensi sistem tungku sebesar 16-18% (Nyahoro 2006). Kondisi ini dapat disimpulkan bahwa tungku NDG yang dirancang memiliki tingkat efisiensi yang baik jika dibandingkan dengan tungku konvensional yang telah ada. Pemakaian bahan bakar dan perubahan suhu air pada uji tungku NDG hasil rancangan disajikan pada Gambar 18 dan Gambar 19. Apabila dilihat pada gambar grafik yang menghubungkan antara konsumsi bahan bakar terhadap waktu (Gambar 18) dapat dikatakan bahwa pada 10 menit pertama konsumsi bahan bakar yang digunakan sebesar 100 gram. Kondisi 10 menit kedua konsumsi bahan bakar menjadi lebih sedikit menjadi 50 gram, ini diakibatkan oleh kondisi nyala api yang mulai stabil. Kondisi nyala api yang stabil ini diketahui pada saat suhu sangat tinggi yaitu diatas 1000oC (Lampiran 5). Kondisi 10 menit ketiga konsumsi bahan bakar kembali meningkat kembali menjadi 100 gram, ini disebabkan oleh adanya aliran udara yang masuk lebih sedikit (Lampiran 5). Aliran udara yang masuk tersebut menyebabkan suhu masih tetap di atas 1000oC, akan tetapi panas pembakaran membuat konsumsi bahan bakar meningkat. Kondisi 10 menit terakhir untuk mencapai kondisi air mendidih pada suhu 100oC, didapatkan konsumsi bahan bakar rendah. Kondisi ini dipengaruhi oleh meningkatnya aliran udara yang masuk sehingga membuat suhu pembakaran menurun. Grafik yang menghubungkan antara perubahan suhu pemanasan air terhadap waktu (Gambar 19), dapat menandakan bahwa meningkatnya suhu air sebesar satu derajat celcius berbanding lurus dengan meningkatnya konsumsi bahan bakar yang digunakan.
40
Konsumsi Bahan Bakar (g)
350 300 250 200 150 100 50 0 0
10
20
30
40
50
Waktu (Menit) Percobaan I
Percobaan II
Percobaan III
Gambar 18 Konsumsi bahan bakar selama uji WBT 120
Suhu Air (⁰C)
100 80 60 40 20 0 0
10
20
30
40
50
Waktu (Menit) Percobaan I
Percobaan II
Percobaan III
Gambar 19 Perubahan suhu air selama uji WBT Uji komposisi gas dilakukan untuk mengetahui komposisi gas CH4, dan gas CO. Komposisi gas ini merupakan komposisi gas mampu bakar yang digunakan untuk proses memasak selanjutnya. Data komposisi gas yang dihasilkan dari tungku ini dapat dilihat pada Tabel 9 berikut.
41 Tabel 9 Hasil uji komposisi gas tungku NDG Analisis Gas Simulasi Percobaan Parameter Persentase Parameter Persentase CH4 1.9 % CH4 3.87 % CO 11.4 % CO 9.42% Data komposisi gas pada Tabel 9 menjelaskan bahwa perbandingan antara hasil komposisi gas antara pengujian dengan hasil simulasi tidak jauh berbeda. Kandungan gas CO pada simulasi sebesar 11.4 % sedangkan pada hasil pengujian sebesar 9.42 %. Kandungan gas CH4 pada simulasi sebesar 1.9 % sedangkan pada hasil pengujian sebesar 3.87%. Perbedaan yang terjadi antara hasil simulasi dengan hasil pengujian di lapang diakibatkan oleh data asumsi yang digunakan pada saat simulasi. Data asumsi yang digunakan adalah kondisi porositas dari arang kayu yang digunakan. Kondisi simulasi mengambil porositas arang kayu dalam keadaan tetap sedangkan pada saat pengukuran di lapang kondisi porositas dari arang kayu berubah-ubah dikarenakan bentuk geometri dari arang kayu yang berbeda satu sama lainnya. Aliran udara yang masuk ke dalam tungku juga membantu proses pembakaran dan gasifikasi. Aliran udara sekunder ini digunakan untuk meningkatkan proses pembakaran gas hasil gasifikasi arang kayu, dan mendorong gas mampu bakar keluar dari cerobong gas mampu bakar. Banyaknya aliran udara sekunder membuat nyala api kecil, ini dibuktikan pada beberapa pengujian WBT sebelumnya. Besarnya aliran udara sekunder yang masuk menyebabkan gas mampu bakar telah terbakar sebelum mencapai ujung cerobong gas mampu bakar bagian atas. Nyala api memiliki warna merah kebiru-biruan, dimana warna nyala api ini membantu proses pemasakan tanpa harus merusak peralatan memasak yang digunakan. Data pengujian WBT dan komposisi gas terdapat pada data Lampiran 5. Sistem operasi untuk menjalankan prosedur penggunaan tungku NDG ini dapat berjalan dengan maksimal. Tinggi tungku NDG hasil rancangan adalah sebesar 55 cm. Tinggi tungku NDG lebih rendah dibandingkan dengan tinggi manusia, ini yang menyebabkan manusia untuk melakukan operasi harus menyesuaikan posisi tubuh dengan tinggi tungku antara lain dengan membungkukkan badan. Penambahan alat penyangga untuk penempatan peralatan memasak dioptimalkan dengan menyesuaikan tinggi badan manusia dan tinggi tungku NDG tersebut agar sistem operasi tungku dapat berjalan dengan semestinya.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Dari hasil penelitian simulasi dan pengujian tungku NDG dapat disimpulkan bahwa parameter yang mempengaruhi kinerja tungku adalah kecepatan aliran udara masuk, laju alir bahan bakar, suhu pembakaran, dan energi gas bakar yang optimal. Disain tungku optimal adalah tinggi cerobong 10 cm, dan diameter lubang udara sebesar 4 cm. Disain tersebut dipilih karena kecepatan aliran udara sebesar 0.11 m/detik mendekati aliran udara pada disain tungku pada
42 umumnya sebesar 0.06 m/detik. Disain tungku NDG tersebut memiliki daya energi sebesar 2.01 kW, dan suhu yang dihasilkan sebesar 1017oC. Efisiensi gasifikasi didapatkan sebesar 67.11 %. Komposisi gas mampu bakar yaitu gas CO, dan CH4 yang diukur mendekati komposisi gas mampu bakar pada tungku untuk proses memasak. Efisiensi sistem tungku-panci mencapai 22% sampai dengan 23% cukup baik karena menghemat bahan bakar yang digunakan untuk memanaskan air mencapai 100oC. Tungku yang dirancang ini cocok digunakan untuk proses memasak terutama pada sektor industri kecil. Efisiensi tungku NDG memiliki nilai efisiensi yang baik dibandingkan dengan nilai efisiensi dari tungku konvensional yang menggunakan bahan bakar berupa kayu dan arang kayu (charcoal). Saran Hasil penelitian masih diperlukan penelitian lebih lanjut, terutama pada kajian jumlah pemberian aliran udara sekunder untuk proses reaksi pembakaran dengan gas mampu bakar. Hasil gas H2 pada simulasi CFD juga harus diperhitungkan pada saat pengukuran di lapang, supaya nilai kalor gas bahan bakar diketahui. Sistem penggunaan tungku NDG ini juga diperhatikan, dimana perlu adanya sistem operasi yang optimal antara si operator dengan tungku NDG yang digunakan supaya hasil kinerja dari tungku NDG tersebut dapat berjalan seoptimal mungkin.
DAFTAR PUSTAKA Abdullah K. 1998. Energi dan Listrik Pertanian. Bogor (ID) : IPB Press. Ansys.2010. Ansys Fluent User’s Guide Book. USA : Ansys. Baldwin SF. 1987 . Engineering Design, Development, and Dissemination. Di dalam : Biomass Stove; Virginia , USA. Basu P. 2010. Biomass Gasification and Pyrolisis Practical Design. Oxford (UK) :Academic Press. Chen C, Horio M, Kojima T. 2000. Numerical Simulation of Entrained Flow Coal Gasifier, Chemical Engineering Science, 55 (18) : 3861-3833. doi :10.1016/S0009-2509(00)00030-0. Djatmiko ATW. 1986. Desain dan Uji Penampilan Tungku Bahan Bakar Arang dengan Pemberian Sekat Udara.[Skripsi]. Bogor (ID) : Institut Pertanian Bogor. Field J. 2012. Gasifying Cookstoves Database. USA : Colorado State University. IPOBIS. 2004. Portable Wood Biomass Stoves Combustion. IISc [Internet]. [diunduh 2014 Feb 24] Tersedia pada : .http://cgpl.iisc.ernet.in/stvfinal.pdf. Jackson. 2012. The Water Boiling Test (WBT). Virginia (USA) : CREEC. Jones WP dan Lindstedt RP. 1998 Global Reaction Schemes for Hydrocarbon Combustion. Combustion and Flame. 73(3) : 233. Doi :10.1016/00102180(88)90021-1. Kawamoto H, Sakai M, Takeno K, Yokoyama S. 2008. Konversi Termokimia Biomassa. Di dalam : Asian Biomass Handbook. hlm 115-118.
43 Knoef HAM dan Stassen HAM. 1994. Development of a standard procedure for gas quality testing in biomass gasifier plant/power generation system, Amsterdam (NED) : The Biomass Technology Group. Kumar SS, Pitchandi K, Nataraja E. 2008. Modeling and Simulation of Downdraft Wood Gasifier. Journal of Applied Science. 8(2) : 148-153. Luan YT, Chyou YP, Wang T. 2012 Investigation of the Gasification Performance of Lignite Feedtock and the Injection Design of an E-Gas like Gasifier. International Pittsburgh Coal Conference ; 2012 ; Pittsburgh. PA( USA). Lu X dan Wang T. 2014. Investigation of Low Rank Coal Gasification in a TwoStage Downdraft Entrained-Flow Gasifier. International Journal of Clean Coal and Energy. 3: 1-12. Doi : 10.4236/ijcce.2014.21001. Nelwan LO, Agustina SE, Hartulistiyoso E. 2013. Pengembangan Disain Tungku Masak Gasifikasi Biomassa Berbasis Pemodelan Pindah Panas dan Ekuilibrium. Laporan Akhir Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi. IPB. Bogor. Nyahoro PK. 2006. Effects of Air Distribution on Pollutant Emission and Flame Characteristics of Open Buoyant Wood Combustion. North Carolina State University. Perry RH, Green DW, Maloney JO. 1999. Perry’s Chemical Engineers Volume ke-7. New York(USA) : McGraw Hill Book Company. Pusdatin ESDM. 2012. Handbook Of Energy and Economic Statistic Of Indonesia. Jakarta(ID) : Departemen Energi Sumberdaya dan Mineral Press. Reed TB dan Das A. 1988, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine System. Colorado (USA) : Solar Energy Research Institute Press. Reed TB dan Ronal L. 1996. A Wood-Gas Stove for Developing Countries. The Biomass Energy Foundation, Golden, CO., USA. Conference on “Developments in Thermochemical Biomass Conversion”; 1996 Mei 2024; Banff; Banff (CAN). Sano H dan Ogi T. 2008.Konversi Fisis BiomassaI. Di dalam : Asian Biomass Handbook. hlm 92-96. Silaen A dan Wang T. 2009. Comparison of instantaneous,equilibrium, and finiterate gasification models non entrained-flow coal gasifier. International Pittsburgh Coal Conference ; 2009 Sep 20-23; Pittsburgh; Pittsburgh (US).hlm 1-11. Silaen A dan Wang T. 2010. Effect of turbulence and devolatilization models on gasification simulation.International Journal of Heat and Mass Transfer. 53 : 2074-2091. Doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.12.047. Stanley R dan Kobus V, 2003. Holey Briquette Gasifier Stove Development [Internet]. [Waktu dan tempat pertemuan tidak diketahui]. Bogor(ID): IPB.[diunduh pada 2014 Feb 24]. Tersedia pada : http://www.repp.org/discussiongroups/resources/stoves/Stanley/BriqGassto ve.html. Sudrajat R dan Soleh S. 1994. Petunjuk Teknis Pembuatan Arang Aktif. Bogor(ID) : Badan Penelitian dan Pengembangan Kehutanan Press. Tuakia F. 2008. Dasar-Dasar CFD Menggunakan Fluent.Bandung(ID) : Bandung Informatika.
44 Villegas JP dan Valle P. 2005. Study of commercial wood charcoals for the preparation of carbon adsorbents.International Journal of Analytical and Applied Pyrolisis. 76 : 103-108. Doi : 10.1016/j.jaap.2005.08.002. Westbrook CK dan Dryer FL. 1981. Simplified Reaction Mechanism for the Oxidation of Hydrocarbon Fuels in Flames. Combustion Science and Technology. 27 : 31-43. Win TU. 2005. San San Rice husk Gasifier stove. SSIC [Internet]. [diunduh 2014 Feb 20]. Tersedia pada : http://www.benergyssic.com/sansanrice.html. Xia B dan Sun DW. 2002. Applications of computational fluid dynamics (CFD) in the food industry. Computers and electronics in agriculture. 34 : 5-24. Varunkumar S, Rajan NKS, Mukunda HS. 2011. Experimental and Computational Studies on a Gasified Based Stove. Energy Conversion and Management. 53 : 135-1141 Doi : 10.1016/j.encoman.2011.08.022.
45
LAMPIRAN Lampiran 1. Contoh Perhitungan Kebutuhan bahan bakar rumah tangga
Konsumsi energi untuk memasak di Indonesia : 882x103 kkal/kapita tahun Total hari memasak : 300-356 hari per tahun Konsumsi energi per hari : 3000 kkal/hari ~ 12600 kJ/hari Nilai kalor arang kayu : 23900 kJ/kg Waktu rata-rata rumah tangga memasak : 3-5 jam Effisiensi tungku : 28% Massa air : 5 kg Waktu tungku kayu bakar memasak air 5 kg : 0.44 jam e tm
parang kayu
tungku
k hari jam hari air
tm
pair
air
parang kayu
tungku k kg
kg
⁰
-
jam
̅ ̅
= 0.47 kg/jam
k kg
(
)
(
kg jam
= 0.46 kg/jam
k kg
kg ) jam
= 0.465 kg/jam
Kebutuhan udara pembakaran Ultimate Analysis Arang Kayu : Carbon
: 84.2%
Sulphur
: 0.05%
Hydrogen
: 2.40%
Nitrogen
: 0.75%
Oksigen
: 12.60% * - +
o o [
]
* *
th th [ a z
]
-
+
= 2.31464 kg/kg bb
+ *
+ [
]
= 11.02 kg/kg bb
th ; z = excess air (30-100 %)
Aa(30%)
= 11.02 + (30% 11.02)
= 14.32 kg/kg bb
Aa(100%)
= 11.02 + (100% 11.02)
= 22.04 kg/kg bb
46 a
q
;
udara
udara
kg kgbb
)
q(
= 11.07 m3
kg m kg kgbb
)
q(
= 1.293 kg/m3
= 17.04 m3
kg m
Analisis Teknik Bentuk ruang pembakaran Ruang pembakaran berbentuk silinder dengan luasan minimum d (isi silinder) d
(
)
r
r
Kapasitas ruang pembakaran
= 0.465 kg/jam 1 jam = 0.465 kg
Densitas arang kayu
= 438.67 kg/m3
̅ ruang pembakaran
r
; L = 2r
arang kayu
kg
r
= 1.06 x 10-3 m3
kg m
r
= 1.06 x 10-3
r3
= 1.687 x 10-4
r
= 0.055 m ~ 0.06 m = 6 cm
L
=2r = 2 6 = 12 cm
Ruang Hopper (masukan) Ketebalan tumpukan : 0.171 m Pressure drop bahan : 58.86 Pa (hasil uji di lapang) Berat arang kayu
: 2.5 kg
Densitas arang kayu : 438.67 kg/m3 ressure drop total
tumpukan
a
ressure drop total [
uas ruang hopper uas ruang hopper
= 344.21 Pa/m
m arang kayu arang kayu
]
tumpukan
[
Diameter ruang hopper
kg kg m
]
= 0.03332 m2
m
=√
=√
= 0.20 m = 20 cm
47 Lubang Udara dan Cerobong Gas Kelebihan udara yang baik untuk pembakaran bahan bakar arang kayu
: 30%
Untuk laju pembakaran 0.465 kg/jam. Debit udara yang dibutuhkan : z) q ̅ mo ( (
mo
mo
tm
m
)
= 6.691 m3/jam
kg jam
kg
m
m jam
tm
= 7.42 m3/jam ~ 2.1 x 10-3 m3/s * - +
[
] kg
*
-
+ [
]
bb
kg
tx q z tx a
= 3.321 kg/kg bb ̅ [
tx] kg
a
jam
[
]kg kgbb
= 6.56 kg/jam
Debit udara dan gas hasil pembakaran a ko
gas =
gas
1.421 kg/m3
kg jam ko tm
tm
= 3.8 m3/jam
kg m ko
k
m jam
= 17.71 m3/jam ~ 4.9 x 10-3 m3/s
Diameter Lubang udara Asumsi tinggi cerobong gas : 15 cm V
h = 4.48 √
g-
c -
= 4.48 √
0.7
= 2.17 m/s uas lubang udara uas lubang udara
tm
x
-
m s
ms
= 2.21 x 10-3 m2
48
Asumsi jumlah lubang yang dibuat : 2 buah, 4 buah, 6 buah, 8 buah.
2 buah Luas tiap lubang
Diameter lubang
= Luas lubang udara / jumlah lubang udara = 2.21 x 10-3 m2 / 2 = 1.105 x 10-3 m2 =√
-
x
=√
= 0.038 m ~ 3.8 cm
4 buah Luas tiap lubang
Diameter lubang
= Luas lubang udara / jumlah lubang udara = 2.21 x 10-3 m2 / 4 = 5.525 x 10-4 m2 =√
-
x
=√
= 0.027 m ~ 2.7 cm
6 buah Luas tiap lubang
Diameter lubang
= Luas lubang udara / jumlah lubang udara = 2.21 x 10-3 m2 / 6 = 3.68 x 10-4 m2 =√
=√
-
x
= 0.021 m ~ 2.1 cm
8 buah Luas tiap lubang
Diameter lubang
= Luas lubang udara / jumlah lubang udara = 2.21 x 10-3 m2 / 8 = 2.7625 x 10-4 m2 =√
=√
x
-
= 0.019 m ~ 1.9 cm Diameter cerobong gas : ṁ a = CA ( ) ( ) √ gh (
h- amb
h
4.9 x 10-3 = 0.7A ( 4.9 x 10-3 = 8.3219A A
= 5.76 x 10-4 m2
) (
) √
(
-
amb
)
)
49
=√
Diameter lubang cerobong gas
=√
x
-
= 8.56 x 10-2 m ~ 8.56 cm = 10 cm Diameter Lubang udara Asumsi tinggi cerobong gas : 10 cm h = 4.48 √
V
g-
c -
= 4.48 √
0.7
= 1.77 m/s uas lubang udara uas lubang udara
tm
x
-
m s
ms
= 2.74 x 10-3 m2
Asumsi jumlah lubang yang dibuat : 2 buah, 4 buah, 6 buah, 8 buah.
2 buah Luas tiap lubang
Diameter lubang
= Luas lubang udara / jumlah lubang udara = 2.74 x 10-3 m2 / 2 = 1.37 x 10-3 m2 =√
=√
x
-
= 0.042 m ~ 4.2 cm
4 buah Luas tiap lubang
Diameter lubang
= Luas lubang udara / jumlah lubang udara = 2.74 x 10-3 m2 / 4 = 6.85 x 10-4 m2 =√
=√
x
-
= 0.029 m ~ 2.9 cm
6 buah Luas tiap lubang
Diameter lubang
= Luas lubang udara / jumlah lubang udara = 2.74 x 10-3 m2 / 6 = 4.56 x 10-4 m2 =√
=√
x
-
= 0.024 m ~ 2.4 cm
50
8 buah Luas tiap lubang
= Luas lubang udara / jumlah lubang udara = 2.74 x 10-3 m2 / 8 = 3.425 x 10-4 m2 =√
Diameter lubang
-
x
=√
= 0.021 m ~ 2.1 cm Diameter cerobong gas : ṁ a = CA ( ) ( h) √ gh ( 4.9 x 10-3 = 0.7A (
) (
) √
-
(
h- amb amb
)
)
4.9 x 10-3 = 6.794A = 7.06 x 10-4 m2
A
=√
Diameter lubang cerobong gas
=√
x
-
= 9.48 x 10-2 m ~ 9.5 cm = 10 cm Diameter Lubang udara Asumsi tinggi cerobong gas : 20 cm h = 4.48 √
V
g-
c -
= 4.48 √
0.7
= 2.51 m/s uas lubang udara uas lubang udara
tm
x
-
m s
ms
= 1.94 x 10-3 m2
Asumsi jumlah lubang yang dibuat : 2 buah, 4 buah, 6 buah, 8 buah.
2 buah Luas tiap lubang
Diameter lubang
= Luas lubang udara / jumlah lubang udara = 1.94 x 10-3 m2 / 2 = 9.7 x 10-4 m2 =√
=√
x
-
= 0.035 m ~ 3.5 cm
51
4 buah Luas tiap lubang
Diameter lubang
= Luas lubang udara / jumlah lubang udara = 1.94 x 10-3 m2 / 4 = 4.85 x 10-4 m2 =√
-
x
=√
= 0.025 m ~ 2.5 cm
6 buah Luas tiap lubang
Diameter lubang
= Luas lubang udara / jumlah lubang udara = 1.94 x 10-3 m2 / 6 = 3.23 x 10-4 m2 =√
-
x
=√
= 0.020 m ~ 2.0 cm
8 buah Luas tiap lubang
Diameter lubang
= Luas lubang udara / jumlah lubang udara = 1.94 x 10-3 m2 / 8 = 2.425 x 10-4 m2 =√
-
x
=√
= 0.018 m ~ 1.8 cm Diameter cerobong gas : ṁ a = CA ( ) ( h) √ gh ( 4.9 x 10-3 = 0.7A (
) (
) √
-
(
h- amb amb
)
)
4.9 x 10-3 = 9.609A A
= 4.99 x 10-4 m2
Diameter lubang cerobong gas
=√
=√
x
-
= 7.97 x 10-2 m ~ 7.97 cm = 8 cm Lampiran 2 Perhitungan efisiensi sistem tungku-panci Ƞ=
avg p( boil- i) fuel
uap hfg avg
52 Perhitungan LHV Arang Kayu : HHV = 0.35XC + 1.18XH + 0.10XS – 0.02Xn – 0.10XO – 0.02Xash = [0.35 0.842] + [1.18 0.0240] + [0.1 0.0005] – [0.02 0.0075] – [0.1 0.126] – 0 = 0.31026 ~ 31.026 MJ/kg LHV = HHV [1-MC] – 2.447 = 31.026 [1-0.0580] – 2.447 = 26.779 MJ/kg Percobaan I : Diketahui = Mair : 5.246 kg Muap : 0.193 kg Cp : 4.2 kJ/kg hfg.avg : 2268 kJ/kg TBoil : 100⁰C Mfuel : 0.302 kg Ti : 35⁰C Ditanya =Ƞ? Jawab : Ƞ= Ƞ = 23.12 % Percobaan II : Diketahui = Mair Cp TBoil Ti Ditanya =Ƞ? Jawab : Ƞ= Ƞ = 22.72 % Percobaan III : Diketahui = Mair Cp TBoil Ti Ditanya =Ƞ? Jawab : Ƞ= Ƞ = 23.32 %
kg
k kg
(
- ) kg
kg k kg
: 5.04 kg : 4.2 kJ/kg : 100⁰C : 35⁰C
kg
k kg
(
-
Muap : 0.185 kg hfg.avg : 2268 kJ/kg Mfuel : 0.295 kg
)
kg
kg
k kg
(
- ) kg
k kg
k kg
: 5.359 kg : 4.2 kJ/kg : 100⁰C : 35⁰C
kg
k kg
Muap : 0.206 kg hfg.avg : 2268 kJ/kg Mfuel : 0.309 kg
kg k kg
k kg
53 Lampiran 3 Tahapan Simulasi CFD Tungku NDG Proses pembuatan simulasi dilakukan menggunakan perangkat lunak Ansys Fluent 13. Proses analisis terdiri dari tahap-tahap sebagai berikut : 1) General Setting Pengaturan diawali dengan memasukkan mesh model lalu penskalaan mesh model dalam satuan cm, mengatur solver Type pressure-based, Velocity Formulation absolute, Time Steady, nilai gravitasi pada sumbu-y = -9.81 m/s2, serta mengatur satuan dari unit. 2) Pemilihan Model Pemilihan model untuk melakukan proses simulasi tungku natural draft gasificvation ini dibagi menjadi dua tahap yaitu dapat disajikan pada Tabel berikut Tabel Parameter Pemilihan Model Kondisi keModel I II Energi On On Viscous k-epsilon (2 eqn) k-epsilon (2 eqn) Radiasi Off Roselland Spesies Off Species Transport (finite rate/ eddydissipation) 3) Penambahan Material Material yang ditambahkan dalam simulasi tungku natural draft gasification ini dibagi menjadi dua tahap yaitu tahap pertama material yang digunakan adalah udara. Tahap kedua material yang digunakan berasal dari bahan fluid yaitu CO, C(s), H2, CH4, Volatile, H2O, CO2, O2, dan N2. Nilai yang dimasukkan dan ditentukan adalah tipe reaksi dimana tipe reaksi yang digunakan telah dijelaskan pada Tabel 5 yaitu tipe reaksi gasifikasi dan pembakaran, density, specific heat dan thermal conductivity. 4) Pengaturan Cell Zone Conditions Zona dalam domain dibagi menjadi dua bagian, yaitu zona udara dan zona arang kayu (porous zone). Zona arang kayu merupakan cell fluida yang diasumsikan memiliki porositas tertentu. Input pada porous media : Memilih material fluida yakni udara yang melewati media berpori. Memilih The Relative Velocity Resistance Formulation. Memasukkan nilai viscous resistance coefficients α dan inertial resistance coefficients (C2).
54 Memasukkan nilai porositas dari media berpori. Memilih material media berpori 5) Pengaturan Boundary Conditions Zona pada boundary conditions simulasi ini meliputi dua tahap, dimana tiap tahap dibagi menjadi beberapa batasan yang dapat dilihat pada Tabel berikut. Tabel Kondisi Batas Kondisi Batas Tahap I Tahap II Pressure Inlet Velocity Inlet Pressure Outlet Pressure Outlet Wall Mass Flow Rate
6) Pengaturan Solution Methods dan Solution Controls Pengaturan metode solusi digunakan untuk memilih pola interpolasi yang dilakukan pada node mesh. Skema pressure-velocity coupling yang digunakan adalah SIMPLE dengan pengaturan default pada spatial discretization. Dalam skema ini dipilih first-order upwind scheme dimana merupakan skema interpolasi yang paling ringan dan cepat mencapai konvergen. Pengaturan solution controls menggunakan nilai default. 7) Pengaturan Solution Monitors Pengaturan monitors pada residuals meliputi penentuan kriteria konvergensi. Kriteria konvergensi menggunakan nilai 0.001 untuk semua persamaan residual dan 10-6 pada persamaan energi. Kriteria konvergensi adalah perbedaan antara tebakan awal dan hasil akhir hasil iterasi. 8) Pengaturan Solution Initialization Proses inisialisasi dilakukan sebagai langkah awal dengan menghitung semua nilai dari kondisi batas yang telah dimasukkan. Langkah yang dilakukan ialah memilih standard initialization. 9) Pengaturan Solution Run Calculation Proses perhitungan dari persamaan dan model yang dipilih dan berhenti hingga tercapai konvergen atau sesuai waktu iterasi yang telah ditentukan. Iterasi dilakukan sebanyak 100000 kali. Lampiran 4 Tahapan uji water boiling test (WBT) dan uji komposisi gas Prosedur uji WBT yaitu Melakukan proses pemasangan alat ukur suhu, dan kecepatan aliran udara pada tungku
55
Menimbang biomassa berupa arang kayu yang telah disiapkan untuk dibakar
Air dimasukkan ke dalam panci yang telah disediakan, kemudian ditimbang juga. Melakukan pemisahan arang kayu yang akan dicampur dengan sedikit minyak bakar untuk dijadikan sebagai bara dengan arang kayu yang lainnya
Memasang timbangan di bawah tungku tersebut untuk mengukur perubahan arang kayu tiap waktunya
Memasukkan arang kayu yang telah dicampur dengan sedikit minyak bakar ke dalam ruang pembakaran tungku
Kemudian mulai menyalakan recorder, dan timbangan
Membakar arang kayu tersebut hingga menjadi bara api
Arang kayu yang telah menjadi bara dapat diketahui suhu nya melalui recorder, dimana suhu bara api mencapai lebih dari 800oC, kemudian masukkan sisa arang kayu ke dalam tungku yang akan dijadikan sebagai bahan bakar
Meletakkan panci yang telah berisi air di atas tungku untuk dipanaskan.
Mengukur dan mencatat perubahan suhu arang kayu, dan kecepatan angin per tiap satuan waktu.
Mengukur dan mencatat perubahan tumpukan arang kayu yang digunakan untuk memanaskan air dan perubahan suhu air guna mencapai suhu 100oC per tiap satuan waktu
Tunggu hingga api pada ruang pembakaran mati kemudian lihat suhu pada ruang pembakaran pada recorder apabila sudah sesuai dengan suhu normal untuk disentuh oleh kita maka proses pembakaran telah selesai dilakukan.
Prosedur uji komposisi gas yaitu Melakukan proses pemasangan alat ukur suhu, dan kecepatan aliran udara pada tungku
Menimbang biomassa berupa arang kayu yang telah disiapkan untuk dibakar
Melakukan pemisahan arang kayu yang akan dicampur dengan sedikit minyak bakar untuk dijadikan sebagai bara dengan arang kayu yang lainnya
Memasang timbangan di bawah tungku tersebut untuk mengukur perubahan arang kayu tiap waktunya
Memasukkan arang kayu yang telah dicampur dengan sedikit minyak bakar ke dalam ruang pembakaran tungku
56
Kemudian mulai menyalakan recorder, dan timbangan
Membakar arang kayu tersebut hingga menjadi bara api
Arang kayu yang telah menjadi bara dapat diketahui suhu nya melalui recorder, dimana suhu bara api mencapai lebih dari 800oC, kemudian masukkan sisa arang kayu ke dalam tungku yang akan dijadikan sebagai bahan bakar
Mematikan nyala api yang dihasilkan dari proses pembakaran dan gasifikasi arang kayu tersebut.
Memasang saluran pipa pada cerobong gas.
Memasukkan alat penguji komposisi gas pada saluran pipa.
Mengukur dan mencatat komposisi gas mampu bakar yang dihasilkan oleh tungku NDG tersebut.
Mengukur dan mencatat kecepatan aliran udara yang masuk ke dalam tungku, perubahan suhu yang terjadi pada tungku, dan perubahan tumpukan arang kayu yang digunakan per tiap satuan waktu
Tunggu hingga api pada ruang pembakaran mati kemudian lihat suhu pada ruang pembakaran pada recorder apabila sudah sesuai dengan suhu normal untuk disentuh oleh kita maka proses pembakaran telah selesai dilakukan.
57 Lampiran 5 Data Uji Water Boiling Test (WBT), dan Komposisi Gas Percobaan I Berat Tungku Berat Arang Berat Arang Awal Bakar Berat Arang Awal Bakar + Minyak Berat Total Awal Berat Total Akhir Berat Total Guna Berat Panci Berat Air + Panci Awal Berat Air + Panci Akhir Berat Air Menguap Waktu Berat (menit) bahan bakar (kg) 0 9.532 10 9.521 20 9.500 30 9.402 40 9.375 50 9.248 60 9.198 70 9.102 80 8.985 90 8.939 100 8.905 110 8.897
Kec.angin (m/detik)
0.10 0.12 0.08 0.07 0.08 0.07 0.08 0.09 0.10 0.12 0.07 0.08
7.939 1.508 0.210 0.295 9.532 8.897 0.635 0.285 5.531 5.338 0.193
R.Ba kar
D.Teng ah
746 797 892 960 1031 1031 1003 964 928 903 885 853
105 114 125 238 273 382 416 412 394 321 276 263
Kg Kg Kg Kg Kg Kg Kg Kg L L L
Suhu (oC) Cerobong Air
79 82 85 184 222 286 289 360 324 273 168 154
35 54 64 80 100 96 96 95 94 94
Percobaan II Berat Tungku Berat Arang Berat Arang Awal Bakar Berat Arang Awal Bakar + Minyak Berat Total Awal Berat Total Akhir Berat Total Guna Berat Panci Berat Air + Panci Awal Berat Air + Panci Akhir Berat Air Menguap
7.939 1.567 0.251 0.355 9.610 8.785 0.825 0.285 5.325 5.140 0.185
Kg Kg Kg Kg Kg Kg Kg Kg L L L
Lingkung an 31.2 30.2 30.2 30.1 30.2 31.3 32.1 31.2 32.3 29.5 29.2 29.8
58 Waktu Berat (menit) bahan bakar (kg) 0 9.610 10 9.607 20 9.347 30 9.227 40 9.198 50 9.102 60 9.052 70 8.966 80 8.876 90 8.854 100 8.796 110 8.785
Kec.angin (m/detik)
0.04 0.06 0.05 0.07 0.08 0.07 0.10 0.12 0.09 0.05 0.06 0.08
R.Ba kar
D.Teng ah
764 798 847 899 982 1002 1046 1031 1004 986 942 894
158 173 196 223 245 359 421 403 392 387 364 304
Suhu (oC) Cerobong Air
98 103 117 126 150 264 321 301 276 245 232 210
Lingkung an 30.1 28.5 29.2 29.2 30.4 31.2 32.1 31.4 30.1 29.5 32.1 31.8
35 45 58 78 100 98 97 97 95 95
Percobaan III Berat Tungku Berat Arang Berat Arang Awal Bakar Berat Arang Awal Bakar + Minyak Berat Total Awal Berat Total Akhir Berat Total Guna Berat Panci Berat Air + Panci Awal Berat Air + Panci Akhir Berat Air Menguap Waktu Berat (menit) bahan bakar (kg) 0 9.528 10 9.482 20 9.389 30 9.321 40 9.273 50 9.110 60 9.080 70 8.988 80 8.976 90 8.896 100 8.812 110 8.798
Kec.angin (m/detik)
0.10 0.09 0.07 0.08 0.10 0.11 0.11 0.08 0.08 0.09 0.11 0.10
7.939 1.504 0.255 0.340 9.528 8.798 0.730 0.285 5.644 5.438 0.206
R.Ba D.Teng kar ah 568 679 731 784 982 1005 1023 1010 988 974 956 894
276 303 310 324 354 384 424 414 384 365 324 291
Kg Kg Kg Kg Kg Kg Kg Kg L L L
Suhu (oC) Cerobong Air
195 224 257 279 285 296 308 298 288 256 202 194
35 46 64 88 100 98 95 95 93 93
Lingkung an 31.2 30.3 29.7 29.2 30.4 31.2 31.8 30.2 30.2 29.8 30.1 30.7
59 Percobaan I : Uji Komposisi Gas Berat Tungku Berat Arang Berat Arang + Minyak Berat Total Awal Berat Total Akhir Berat Total Guna
7.939 1.398 1.413 9.352 8.764 0.588
Kg Kg Kg Kg Kg Kg
Analisis Gas Percobaan I Percobaan II Parameter Persentase Parameter Persentase CH4 2.31% CH4 3.87% CO 5.93% CO 9.42%
Waktu (menit)
0 15 30 45 60 75 90 105 120
Berat bahan bakar (kg) 9.352 9.262 9.118 9.015 8.965 8.893 8.855 8.785 8.764
Kec.angin (m/detik)
R.Bakar
0.07 0.08 0.08 0.06 0.08 0.09 0.08 0.08 0.08
1047 998 968 943 875 865 846 836 833
Suhu (oC) D.Tengah Cerobong Lingkungan
154 331 345 324 285 280 277 251 237
Lampiran 6 Perhitungan Efisiensi Gasifikasi Diketahui : Nk bahan bakar : 23900 kJ/kg ṁbahan bakar : 0.0010 kg/detik Gas CO H2 CH4
Nk gas bakar (kJ/kg) 10156 120087 49853 Jumlah kgas bakar
kbahan bakar
gas bakar bahan bakar
=
µ = 0.6711 x 100 = 67.11 %
Mass Fraction 0.098 0.078 0.022
= 0.6711
132 232 233 228 210 212 204 183 178
28 29 28.5 28 28.5 28 28 29 28
ṁgas bakar : 0.0014 kg/detik
LHV (kJ/kg) 995.28 9366.78 1096.76 11458.82
60 Lampiran 7 Ukuran arang kayu No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Panjang 4 4.5 3 2.5 3 5 5 5 5 4 5 3 4 4 3 3 3.5 3 3 4
Parameter X n n-1
Lebar 1 1.5 2.5 1.5 2 1.5 1 1 1 1 2 2 1.5 1 1 1 1 1 1 1
Panjang 3.825 0.840 0.862
Tinggi 4 1.5 2 2 2.5 1.5 1.5 2 2 1 2.5 3 2 2 2 1 2 2 2.5 3
Lebar 1.325 0.454 0.466
Tinggi 2.10 0.681 0.699
61
RIWAYAT HIDUP Penulis bernama Erlanda Augupta Pane lahir di Jakarta 29 Januari 1992, putra pertama dari dua bersaudara dari bapak yang bernama H.K.S.Pane dan ibu bernama Agnes Adi Ati. Penulis berasal dari SMA Negeri 98 Jakarta, penulis menyelesaikan studi SMA nya pada tahun 2009 dan masuk ke universitas IPB lewat jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Penulis menyelesaikan studi S1 Teknik Pertanian Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor pada tahun 2013. Penulis juga mengikuti program fasttrack (S1-S2) pada program studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Sekolah Pasca Sarjana, Institut Pertanian Bogor. Penulis pernah mengikuti lomba olimpiade sains kimia tingkat SMA tahun 2008 sampai tingkat walikota. Penulis juga aktif sebagai anggota Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (HIMATETA), aktif sebagai anggota Keluarga Mahasiswa Katholik IPB (KEMAKI), dan menjadi asisten dosen bidang agama.
1
