PENGARUH VARIASI RASIO UDARA -BAHAN BAKAR (AIR … · reaktor gasifikasi dan desain mesin pembuat...
Transcript of PENGARUH VARIASI RASIO UDARA -BAHAN BAKAR (AIR … · reaktor gasifikasi dan desain mesin pembuat...
PENGARUH VARIASI RASIO UDARA-BAHAN BAKAR (AIR FUEL RATIO) TERHADAP GASIFIKASI BIOMASSA BRIKET SEKAM PADI PADA REAKTOR DOWNDRAFT SISTEM BATCH
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Oleh : ASHARI HUTOMO (2109.105.001)
Pembimbing : Dr. Bambang Sudarmanta, ST. MT.
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
LATAR BELAKANG
Krisis Energi
Kebutuhan & Ketergantungan terhadap Minyak Bumi
Indonesia Negara Agraris
Tuntutan Penggunaan Energi Alternatif Yang Renewable
Sekam Padi Melimpah
Sumber Energi Baru
BIOMASSA BIOMASSA adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintetik. Biomassa dapat digunakan sebagai sumber ENERGI (Bahan Bakar).
Proses Konversi Biomasssa
Gasifikasi Energi
Renewable Biomassa Padat
Downdraft
Kelebihan :
Mampu menghasilkan gas yang rendah Tar
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Proses Gasifikasi
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Perumusan Masalah
• Bagaimana mendapatkan karakterisasi gasifikasi biomassa briket sekam padi yang dinyatakan dalam parameter-parameter seperti LHV (Lower Heating Value) syn-gas, efisiensi reaktor gasifikasi dan visualisasi nyala api.
4 variabel AFR yaitu : 1. Air Fuel Ratio (AFR) = 0,5 2. Air Fuel Ratio (AFR) = 0,8 3. Air Fuel Ratio (AFR) = 1,1 4. Air Fuel Ratio (AFR) = 1,4
Tujuan Penelitian
1. Mendapatkan identifikasi zona-zona proses gasifikasi untuk bahan baku briket sekam padi
2. Mendapatkan variasi rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) yang tepat pada proses gasifikasi untuk bahan baku briket sekam padi dilihat dari parameter LHV (Lower Heating Value) syngas, efisiensi gasifikasi dan visualisasi nyala api.
3. Mendapatkan besarnya kerugian (losses) yang terjadi pada saat proses gasifikasi yang ditunjukkan dengan Sankey Diagram.
Batasan Masalah
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
• Model (prototipe) reaktor gasifikasi berkapasitas 5,5 kg, dengan jenis gasifikasi aliran searah (downdraft gasification),
• Penelitian tidak membahas tentang proses desain model (prototipe) reaktor gasifikasi dan desain mesin pembuat briket,
• Percobaan dilakukan Lab ITS, sehingga kondisi temperatur, tekanan dan kecepatan udara yang digunakan sesuai dengan kondisi setempat dan dianggap konstan,
• Biomassa yang digunakan adalah briket sekam padi dengan properti yang konstan dan homogenitas yang sama pada saat pengujian berlangsung,
• Pada penelitian tidak dibahas mengenai perpindahan panas secara
radiasi karena perpindahan panas secara radiasi terjadi sangat kecil.
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Tinjauan Pustaka Biomass Energy
Sekam Padi
Pembriketan
Pencampuran
Pengeringan
Pencacahan
Komposisi Briket Sekam Padi :
Bahan : Sekam Padi Halus
Pengikat : Organik (Kanji)
Ukuran : 5cm x 5cm
Tekanan : 600 Kg/cm2
Keunggulan BriKet
• Pembakaran lebih merata (uniform) dibandingkan tidak dibriket
• Mudah dipakai dan mudah dalam penyalaannya • Tidak ada abu berterbangan ketika dibakar • Mengurangi kandungan tar pada saat dilakukan proses
gasifikasi
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Karakteristik Briket Sekam Padi Kandungan karbon
dan oksigen menunjukan jumlah
yang cukup dominan, unsur-unsur ini
menjadi komponen utama dalam reaksi pembentukan syngas
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Analisa Ultimate & Proximate
Kandungan (%)
Parameter Proximate Nilai Kalor
(kJ/kg) Moisture Content
Volatile Matter
Ash Content
Fixed Carbon
9,19 65,34 16,98 16,89 15545
Kandungan (%)
Parameter Ultimate [Satake]
C H O N S 37,7 5,4 36,15 0,32 0,04
Penelitian yang dilakukan Dimas [12] dan Daniar [13] didapatkan nilai Kalor
sekam padi sebesar 12453 kJ/kg
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Teknologi Proses Konversi Biomassa
Flammable Gas
CO, H2, dan CH4
Gasifikasi
Reaktor Downdraft
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Tahapan Proses : 1. Drying Zone (100 °C – 300 °C) Endoterm → Menghilangkan Kandungan air
2. Pyrolisis (300 °C – 900 °C) Dekomposisi → Penguraian Volatile Endoterm → Menyerap Panas
3. Partial Oxidation (900 °C – 1200 °C) Eksoterm → Menghasilkan Panas
4. Reduction (400 °C – 900 °C) Mereduksi CO2
Reaksi Pada Reaktor Gasifikasi
Kesetimbangan Energi dan Massa
Kesetimbangan Massa
Kesetimbangan Energi
Dimana :
Energi Masuk
Energi Keluar E syngas = msyngas×LHVsyngas
𝜌𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠
E ash = mash × LHVash
E char = mchar × LHVchar
E udara = mudara × Cpudara × ∆Tudara
E biomassa = mbiomassa × LHVbiomassa
Ebiomassa + Eudara = Echar + Eash + Esyngas + Heat Loss𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅
Σ Ein = Σ Eout
mbiomassa + mudara = mchar + mash + msyngas Σ min = Σ mout
• Efisiensi Gasifikasi
• Heat Loss Reaktor
q”conv = h A (Ts - T∞)
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
𝜂𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 =𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑆𝑆𝐸𝐸𝑆𝑆
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝐵𝐸𝐸𝐵𝐸𝐵 𝑆𝐸𝐵𝑆𝑆 𝑃𝑆𝑃𝐸
Re =νudara × 𝐷𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅
ϑ
NuD = C × ReReaktorm × Prn ×Pr
PrReaktor
14�
h = NuD× KrDReaktor
Perumusan
PENELITIAN TERDAHULU
• drying zone pada suhu 50 – 200 0C, pirolisis sampai suhu 500 0C, oksidasi parsial sampai suhu 621 0C dan reduksi pada suhu 200 – 400 0C,
• Komposisi syngas yang dihasilkan pada
variasi AFR terbaik 1,25 didapatkan kadar sebagai berikut: H2 = 14,22 %, O2 = 8,29 %, N2 = 51,12 %, CO2 = 8,82%, CO = 15,33%, CH4 = 1,52%, dan C2H6 = 0,22%
• Low Heating Value (LHV) sebesar 3289,38
kJ/kg. • Secara menyeluruh, efisiensi dari reaktor
gasifikasi mencapai 39,68 %.
Dimas, 2010
“Karakteristik Proses Gasifikasi Downdraft Berbahan Baku Sekam Padi Dengan Desain Sistem Pemasukkan Biomassa Secara Kontinyu Dengan Variasi Perbandingan Udara-Bahan Bakar (AFR)”
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Aplikasi Water Pump
Electric Generator
Diesel Engine
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011
Skema Penelitian
Flowchart Pembuatan Briket Sekam Padi
Flowchart Penelitian
Penentuan Setting Kecepatan Udara Masuk Berdasarkan AFR
AFR V Udara Hitung (m/s)
0,5 2,2537
0,8 3,6059
1,1 4,9582
1,4 6,3104
AFR = ṁUdaraṁ Briket Sekam Padi
Perhitungan Manual
Perhitungan Penelitian ∆L (mm) Dimmer Sudut θ (˚) ρ (Massa Jenis) ρ (Massa Jenis) SG Red oil Gravitasi V Udara
Manometer Nomor Manometer H2O (kg/m3) Udara (kg/m3) (m/s2) (m/s) 1,2 3 10 996 1,1514 0,787 9,81 2,2363 3,1 5 10 996 1,1514 0,787 9,81 3,5943 5,8 7 10 996 1,1514 0,787 9,81 4,9164 9,5 9 10 996 1,1514 0,787 9,81 6,2921
Massa Briket Waktu Diameter A (Luasan Area) ρ (Massa Jenis) Laju Aliran Laju Aliran (kg/s) Air Fuel Ratio Sekam Padi Operasi Throat Throat Udara Massa Udara Massa Briket (Rasio Udara
(kg) (menit) (mm) (m2) (kg/m3) (kg/s) Sekam Padi Bahan Bakar) *) 5,5 100 15 0,0001766 1,1514 0,0004548 0,0009167 0,4961 5,5 100 15 0,0001766 1,1514 0,0007310 0,0009167 0,7974 5,5 100 15 0,0001766 1,1514 0,0009998 0,0009167 1,0907 5,5 100 15 0,0001766 1,1514 0,0012796 0,0009167 1,3959
Hasil dan Pembahasan
0100200300400500600700800900
5 15 25 35 45 55 65 75 85 95
Tem
pera
tur (
°C)
Time (menit)
T1
T2
T3
T4
T50
200
400
600
800
1000
5 15 25 35 45 55 65 75 85 95
Tem
pera
tur (
°C)
Time (menit)
T1
T2
T3
T4
T5
0
200
400
600
800
1000
5 15 25 35 45 55 65 75 85 95
Tem
pera
tur (
°C)
Time (menit)
T1
T2
T3
T4
T5 0
200
400
600
800
1000
5 15 25 35 45 55 65 75 85 95
Tem
pera
tur (
°C)
Time (menit)
T1
T2
T3
T4
T5
Profil Distribusi Temperatur pada Reaktor
AFR 0,5 AFR 0,8
AFR 1,4 AFR 1,1
Komposisi Syngas (AFR 0,8)
Komponen Satuan Nilai
H2 % vol 17,83
CH4 % vol 2,35
CO % vol 19,78
N2 % vol 49,48
CO2 % vol 7,34
O2 % vol 3,22
Hasil Uji Komposisi SynGas
LHVSyngas= (YCO × LHVCO) + (Y𝐶𝐶4 × LHV𝐶𝐶4) + (Y𝐶2 × LHV𝐶2)
LHVSyngas= 19,78
100× 12696 kJ
Nm3 + 2,35100
× 10768 kJNm3 + ( 17,83
100× 35866 kJ
Nm3)
LHVSyngas = 9159,22 𝑅𝑘
𝑁𝑚3
LHV syngas
Kesetimbangan Massa
AFR Dimmer Nomor
Kesetimbangan Massa Masuk (Kg/s) Kesetimbangan Massa Keluar (Kg/s) Selisih Laju Aliran
Massa Briket Laju Aliran
Massa Udara Laju Aliran Massa Char
Laju Aliran Massa Ash
Laju Aliran Massa Syngas
Massa Masuk & Massa Keluar
0,5 3 0,0009167 0,0004548 0,00023863 0,00019552 0,0004357 0,000502 0,8 5 0,0009167 0,0007310 0,00023135 0,00017085 0,0005366 0,000709 1,1 7 0,0009167 0,0009998 0,00020157 0,00015757 0,0006982 0,000859 1,4 9 0,0009167 0,0012796 0,00017503 0,00013102 0,0008414 0,001049
Hasil Perhitungan Massa Masuk dan Keluar selama 100 menit
Kesetimbangan Energi
AFR
Kesetimbangan Energi Masuk (kJ/s = kWatt) Kesetimbangan Energi Keluar (kJ/s = kWatt) Selisih
Energi Briket Sekam Padi Energi Udara Energi Char Energi Ash Energi
Syn-gas Energi Losses
Syngas
Energi Heatloss Reaktor
Energi Masuk & Energi Keluar
0,5 14,2496 0 3,51637 0,819647 4,1830 0,0631 0,6735 4,993970 0,8 14,2496 0 3,40905 0,716239 5,8239 0,0946 0,7108 3,494983 1,1 14,2496 0 2,97018 0,660553 5,2961 0,1037 0,7390 4,480053 1,4 14,2496 0 2,57920 0,549250 5,0205 0,1213 0,7874 5,192026
Hasil Perhitungan Energi Masuk dan Keluar selama 100 menit
Efisiensi Reaktor Gasifikasi
AFR Vsyngas (m/s)
Energi Masuk Energi Biomassa
(kJ/s)
Energi Keluar Energi Syngas
(kJ/s)
Efisiensi Reaktor (%)
0,5 0,7 14,2496 4,1830 29,36
0,8 0,9 14,2496 5,8239 40,87
1,1 1,1 14,2496 5,2961 37,17
1,4 1,3 14,2496 5,0205 35,23
0
10
20
30
40
50
VARIASI AFR
Effis
iens
i Gas
ifika
si (%
)
Grafik Efisiensi Gasifikasi
AFR 0,5
AFR 0,8
AFR 1,1
AFR 1,4
mSyngas = ρSyngas × νSyngas × ABurner ESyngas = mSyngas × LHVSyngas
0
2000
4000
6000
8000
10000
Variasi AFR
LhV
Syng
as (k
J/N
m3)
Grafik Perbandingan AFR terhadap LHV Syngas
AFR 0,5
AFR 0,8
AFR 1,1
AFR 1,4
Visualisasi Nyala Api AFR 0,5 Dimmer no 3
CO 18,14 % H2 16,54 %
CH4 2,07 % CO2 8,29 % N2 50,32 % O2 4,64 %
7 menit, T = 290 °C
Menit ke 2
Menit ke 5
Visualisasi Nyala Api AFR 0,8 Dimmer no 5
CO 19,78 % H2 17,83 %
CH4 2,35 % CO2 7,34 % N2 49,48 % O2 3,22 %
10 menit, T = 320 °C
Video
Visualisasi Nyala Api AFR 1,1 Dimmer no 7
CO 15,73 % H2 12,91 %
CH4 1,74 % CO2 9,08 % N2 54,31 % O2 6,23 %
13 menit, T = 330 °C
Video
Visualisasi Nyala Api AFR 1,4 Dimmer no 9
CO 13,79 % H2 9,93 %
CH4 1,43 % CO2 10,36 % N2 57,12 % O2 7,37 %
15 menit, T = 340 °C
Video
Sankey Diagram (AFR 0,8)
Heat Loss Reaktor (Konveksi)
Energy (Char + Ash)
Udara 0,75 %
Briket Sekam Padi 99,25 %
Losses Syngas
Losses Energy (Unknown) 24,52 %
Useful Energy (Syngas)
• Beberapa penyederhanaan yang dilakukan dalam perhitungan, misalnya energi berupa panas yang mengendap didalam reaktor, kerugian panas yang keluar dari beberapa instalasi perpipaan yang tidak terhitung semua
• Kebocoran yang tidak bisa dihindari dari beberapa sambungan pipa.
Losses Unknown :
Kesimpulan • Nilai variasi AFR terbaik adalah AFR 0,8 karena memiliki kandungan energi LHV
(Lower Heating Value) syngas tertinggi sebesar 9159,22 𝑅𝑘𝑁𝑚3
• Nilai AFR semakin naik maka kecepatan suplai udara yang masuk kedalam throat semakin banyak dari variasi AFR 0,5 ; 0,8 ; 1,1 dan 1,4 yaitu sebesar 2,236 m/s ; 3,594 m/s ; 4,916 m/s dan 6,292 m/s.
• Kenaikan suplai udara akan mengakibatkan nilai energy losses perpindahan panas pada reaktor yang naik juga.
• Komposisi syngas terbaik yang dihasilkan dari pengujian keempat AFR didapatkan pada AFR 0,8, didapatkan kadar CO, H2, CH4, N2, CO2, berturut-turut adalah sebesar 19,78 % ; 17,83 % ; 2,35 % ; 49,48 % ; 7,34 %.
• Kenaikan suplai udara mengakibatkan kenaikan juga terhadap laju alir massa gas hasil gasifikasi tapi mengakibakan turunnya konsentrasi kandungan dalam syngas
• Visualisasi nyala api pada AFR 0,8 merupakan yang terbaik karena memiliki nyala api yang stabil dan nyala api berwarna biru yang dominan. Hal ini dikarenakan memiliki kandungan gas metan (CH4) yang tertinggi sebesar 2,35 %.
• Efisiensi terbaik dari reaktor gasifikasi pada pengujian dari keempat AFR didapatkan pada AFR 0,8 yaitu mencapai 40,87 %.
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Kritik dan Saran Sangat Kami Harapkan Demi Kesempurnaan Tugas Akhir
Komposisi Syngas AFR
Kosentrasi Kandungan Syngas Kandungan Energi LHV Syngas
kJ/Nm3 CO
(% Vol) H2
(% Vol) CH4
(% Vol) CO2
(% Vol) N2
(% Vol) O2
(% Vol) LHVi (CO)
kJ/Nm3 12696 0,5 18,14 16,54 2,07 8,29 50,32 4,64 8458,19
0,8 19,78 17,83 2,35 7,34 49,48 3,22 LHVi (H2) kJ/Nm3 35866
9159,22 1,1 15,73 12,91 1,74 9,08 54,31 6,23 6814,74 1,4 13,79 9,93 1,43 10,36 57,12 7,37 5466,25
LHVi (CH4) kJ/Nm3 10768
AFR Temp. T5
Syngas (˚K)
Kapasitas Panas Spesifik Tiap-Tiap Gas Pada Temperatur Syngas (Cp = kJ/kg.K) Cp Syn-gas Cp Gas CO Cp Gas H2 Cp Gas CH4 Cp Gas CO2 Cp Gas N2 Cp Gas O2
0,5 345,65 1,0438 14,4230 2,3572 0,8952 1,0422 0,9281 3,2654 0,8 352,45 1,0442 14,4340 2,3777 0,9013 1,0424 0,9296 3,4479 1,1 354,85 1,0444 14,4370 2,3851 0,9034 1,0425 0,9302 2,7758 1,4 362,1 1,0449 14,4460 2,4078 0,9098 1,0428 0,9318 2,3716
AFR Temp. T5
Syngas (˚K)
Massa Jenis Tiap-Tiap Gas Pada Temperatur Syngas (kg/Nm3) (Kg/m3) ρ Syngas ρ Gas CO ρ Gas H2 ρ Gas CH4 ρ Gas CO2 ρ Gas N2 ρ Gas O2
0,5 345,65 0,9876 0,0710 0,5662 1,5564 0,9876 1,1285 0,8809 0,8 352,45 0,9685 0,0697 0,5552 1,5261 0,9685 1,1067 0,8439 1,1 354,85 0,9619 0,0692 0,5514 1,5157 0,9619 1,0992 0,8984 1,4 362,1 0,9426 0,0678 0,5404 1,4850 0,9426 1,0771 0,9161