Karakterisasi proses gasifikasi downdraft biomassa...

KARAKTERISASI PROSES GASIFIKASI DOWNDRAFT BIOMASSA TEMPURUNG KELAPA SISTEM KONTINYU

DENGAN VARIASI PERBANDINGAN UDARA BAHAN BAKAR DENGAN VARIASI PERBANDINGAN UDARA-BAHAN BAKAR (AFR) DAN UKURAN BIOMASSA

Oleh:Lailun Najib (2105100114)Lailun Najib (2105100114)

Pembimbing:Ir Sudjud Darsopuspito M TIr. Sudjud Darsopuspito, M.T.

JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2012

Latar BelakangPertumbuhan

penduduk semakinbesar

Kemajuanbidang industri

Kebutuhan energimeningkat

Cadangan energi fosilCadangan energi fosilsemakin menipis

Energi alternatifterbarukan

Indonesia negaraagraris terbarukanagraris

Biomassa(tempurung kelapa)

Perumusan Masalah

• Bagaimana mendapatkan rasio udara-bahanbakar (AFR) yang tepat dengan variasi ukuranbakar (AFR) yang tepat dengan variasi ukuranbiomassa.

• Bagaimana mengidentifikasi zona proses proses• Bagaimana mengidentifikasi zona proses-prosesgasifikasi.

Tujuan Penelitian

• Mendapatkan identifikasi zona-zona proses gasifikasi biomassa tempurung kelapa.g p g p

• Mendapatkan variasi (Air Fuel Ratio dan ukurantempurung kelapa) yang tepat pada proses gasifikasitempurung kelapa) yang tepat pada proses gasifikasibiomassa tempurung kelapa terhadap:▫ komposisi yang terkandung di dalam synthetic-gas (syn-gas)▫ komposisi yang terkandung di dalam synthetic-gas (syn-gas)

(Vol. %).▫ nilai kalor yang dilihat dari LHV (Lower Heating value) syn-gasy g g y g▫ efisiensi gasifikasi.▫ hasil visualisasi nyala api.

Batasan Masalah

• Penelitian hanya dilakukan dengan menggunakan model (prototipe) reaktor gasifikasi dengan jenis gasifikasi aliran (prototipe) reaktor gasifikasi dengan jenis gasifikasi aliran searah (downdraft gasification).

• Penelitian tidak membahas tentang proses desain model • Penelitian tidak membahas tentang proses desain model (prototipe) reaktor gasifikasi.

• Penelitian dilakukan di Research Center ITS, kondisiPenelitian dilakukan di Research Center ITS, kondisitemperatur, tekanan, kecepatan udara dianggap konstan.

• Biomassa yang digunakan adalah tempurung kelapa dengany g g p g p gukuran (0,5-2) cm dan (2-4) cm.

• Pada penelitian ini tidak dibahas mengenai perpindahanpanas secara radiasi.

Ti j P kTinjauan PustakaBiBiomassa• Pengertiang

Biomassa adalah material organik yang berasal dari tumbuhan, hewan maupun manusia yang berupa produk primer atau sisa.p y g p p p

• Keuntungang1. Sumber energi yang terbarukan.2. Jumlahnya melimpah, khususnya di Indonesia.3. Mengurangi polusi dan efek rumah kaca.

Analisa Ultimate dan ProximateBiomassa

Tempurung Kelapa1. Uji Ultimate

2. Uji Proximate3. Uji Nilai Kalor Bawah

Proses Gasifikasi

1. AnalisaAnalisa UltimateUltimate :

Mengetahui karakteristik kandungan komposisi dari

karbon, hidrogen, nitrogen, belerang, dan oksigen yang dimiliki oleh biomassa.

2. AnalisaAnalisa ProxymateProxymate :

Menganalisa kandungan moisture biomassa, volatil matter, fixed carbon, dan abu

(ash) yang dimilikinya.

3. AnalisaAnalisa NilaiNilai KalorKalor :

Mengetahui nilai kandungan kalor yang dimiliki biomassa.

Karakteristik Tempurung Kelapa(Vidian F, 2008)

K d k b d k iKandungan karbon dan oksigenmenunjukan jumlah yang dominan. Unsur-unsur ini menjadikomponen utama pembentukansyngas syngas.

G ifik iGasifikasi

Proses konversibiomassa

1. Pemberian panas2. Oksigen terbatas3 AFR ± 1 5

Synthetic GasCO, H2, dan CH43. AFR ± 1,5

Karakteristik Gasifier

1. Drying Zone (100°C – 300°C)Evaporasi → Menghilangkan Kandunganairair

2. Pyrolisis (300°C – 900°C)Dekomposisi → Mengeluarkan Volatile

3. Partial Oxidation (900°C – 1200°C)Eksoterm → Menghasilkan Panas

4. Reduction (400°C – 900°C)4. Reduction (400 C 900 C)Endoterm → Menyerap Panas

Kesetimbangan Energi dan MassaKesetimbangan Energi Energi Masuk

Dimana :

Kesetimbangan Massa

Energi Keluarg

Penelitian TerdahuluSetiawan, D., 2011 (kontinyu) Wulandari, D., 2009 (batch)

Penelitian Terdahulu”Gasifikasi Tempurung Kelapa Menggunakan Updraft Gasifier padaBeberapa Variasi Laju Alir Udara Pembakaran”Vidi F 8Vidian, F., 2008

Pemasangan termokopel dilakukan ditiga titik berbaris vertikal dengan jarakg g j5cm, 20cm dan 35cm.

Perbedaan suhu ini menggambarkan telah Perbedaan suhu ini menggambarkan telah terbentuknya daerah gasifikasi dalam reaktor yaitu daerah pembakaran, pirolisis dan reduksi.

Suhu reaktor dipengaruhi oleh perubahan laju alir udara.

Sk P li iSkema PenelitianTempurung kelapa p g p

diameter 0.5 cm - 2 cm

Tempurung kelapa

Uji Properties Biomassa1.Uji Ultimate2.Uji Proximate3.Uji Nilai Kalor Bawah (Low Heating Value)

Tempurung kelapadiameter 2 cm - 4 cm

Water scrubber

T 1

T 2 Nyala Api

Pitot Tube

ThermocoupleUdara Masukscrubber

BlowerCyclone

T 3

Manometer

Drum Air

y

T 5

T 4Pompa Air

Tangki Penampung AirReaktor

Drum Air

Ash & Charcoal

Alat Ukur

Flowchart Penelitian

D i Ek iDesain EksperimenINPUT OUTPUT

Variabel TetapVariabel

Bervariasi

DiukurDihitung Visualisasi

Sekali Data prosesSekali Data proses

Dimensi

ReaktorSuplai udara

masukl manometer

T sepanjang

reaktorηgasifikasi Nyala Api

ṁbiomassa V gasT dinding luar

reaktorHeat Loss

Komposisi Gas T pipa ṁudara

Nilai Kalor ṁsyn-gas

Massa ash dan

charchar

T udara luar

V udara luar

Proximate

A li P i Bi• Analisa Propertis BiomassaAnalisa Ultimate

C b (C) ( i h %) 8Carbon (C) (weight %) 47,89

Hydrogen (H) (weight %) 6,09

Oxygen (O) (weight %) 45,75

Nit oge (N) ( eight %) 0 22Nitrogen (N) (weight %) 0,22

Sulphur (S) (weight %) 0,05

Analisa Proximate

Volatile Matter (weight %) 68 82Volatile Matter (weight %) 68,82

Moisture (weight %) 6,51

Ash (weight %) 7,56

Fixed Carbon (weight %) 17 11Fixed Carbon (weight %) 17,11

Nilai Kalor Tempurung Kelapa

Low Heating Value (KJ/kg) 20890

• Kandungan karbon (C) dan oksigen (O) menunjukkan angka yang dominan. Kedua unsur ini menjadi komponen utama pembentukan syn-gasKedua unsur ini menjadi komponen utama pembentukan syn gas

Analisa Data & PembahasanAnalisa Data & Pembahasan• Data distribusi Temperatur ukuran (20-40)mm dan AFR(1,11, 1,29, 1,44, 1,56)

500

600

C)

Distribusi Temperatur = f(Waktu) AFR 1,11

T1 500

600

700

r(̊C

)


T1

200

300

400

Tem

pera

tur

(̊C T1

T2

T3

T4 200

300

400

500

Tem

pera

tur T1

T2

T3

T4

0

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

T

Waktu (menit)

T50

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Waktu (menit)

T5

( ) ( )

700Distribusi Temperatur = f(Waktu) AFR 1,44

700Distribusi Temperatur = f(Waktu) AFR 1,56

400

500

600

atu

r (̊C

)

T1

T2

T3

400

500

600

ratu

r (̊C

)

T1

T2

T3

0

100

200

300

Tem

per

a T3

T4

T5

0

100

200

300

Tem

per T3

T4

T5

00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Waktu (menit)

00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Waktu (menit)

• Data distribusi Temperatur ukuran (05-20)mm dan AFR(1,03, 1,22, 1,37, 1,49)

Di t ib i T t f(W kt ) AFR 1 03 Distribusi Temperatur = f(Waktu) AFR 1,22

500

600

700at

ur

(̊C)


T1

T2 400

500

600

700

tur

(̊C)

p ( ) ,

T1

T2

T3

100

200

300

400

Tem

per

a

T3

T4

T5 100

200

300

400

Tem

per

at

T4

T5

00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Waktu (menit)

00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Waktu (menit)

600

700

C)


6

700

800

C)


T1

300

400

500

emp

erat

ur

(C̊ T1

T2

T3

T4 300

400

500

600

emp

erat

ur

(C̊ T1

T2

T3

T4

0

100

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Te T4

T5

0

100

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130T

e

T5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Waktu (menit)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Waktu (menit)

A li i d b h b k• Analisa rasio udara-bahan bakar

Ukuran ∆L (mm) Dimmer V udara Massa Tempurung ṁ udara ṁ tempurung AFRTempurung

Kelapa Manometer (m/s) Kelapa(kg) (kg/s) Kelapa (kg/s)p ( ) p ( g) ( g ) p ( g )(20-40) mm 4 4 4.197415822 5.5 0.000848689 0.000763889 1.111(20-40) mm 6 6 5.140763501 5.8 0.001039428 0.000805556 1.290(20-40) mm 8 8 5.936042382 6.0 0.001200228 0.000833333 1.440(20-40) mm 10 10 6.636697141 6.2 0.001341895 0.000861111 1.558

(5-20) mm 4 4 4.197415822 5.9 0.000848689 0.000819444 1.036(5-20) mm 6 6 5.140763501 6.1 0.001039428 0.000847222 1.227(5-20) mm 8 8 5.936042382 6.3 0.001200228 0.000875 1.372(5-20) mm 10 10 6.636697141 6.5 0.001341895 0.000902778 1.486

• Nilai Air Fuel Ratio (AFR) semakin naik seiring naiknya kecepatan suplai udara yang masuk kedalam throat

( )

udara yang masuk kedalam throat.

A li K d S• Analisa Kandungan Syn-gas

Semakin tinggi nilai AFR, semakin

Ukuran Air fuel ratio Dimmer Kosentrasi kandungan synthetic-gasTempurung

Kelapa (rasio udara CO H2 CH4 CO2 N2 O2rendah flammable gas (CO, H2, CH4)yang dihasilkan.

S d k t k l k

Kelapa (rasio udara CO H2 CH4 CO2 N2 O2bahan bakar) (% Vol) (% Vol) (% Vol) (% Vol) (% Vol) (% Vol)

(20-40) mm 1.111 4 21.26 13.836 2.019 11.653 42.923 8.309(20-40) mm 1.290 6 20.13 13.196 1.833 11.769 41.959 11.114(20-40) mm 1.440 8 19.05 12.042 2.415 12.152 42.014 12.326

Sedangkan tempurung kelapa ukuran(5-20)mm menghasilkan flammablegas (CO, H2, CH4) lebih banyakdaripada tempurung kelapa yang lebih

( )(20-40) mm 1.558 10 17.86 11.202 1.952 13.965 43.107 11.914

(5-20) mm 1.036 4 22.65 14.635 1.987 12.891 40.933 6.904(5-20) mm 1.227 6 22.35 13.344 2.475 13.159 38.346 10.326p p g p y g

besar (20-40)mm.(5-20) mm 1.372 8 21.08 12.552 2.726 13.203 40.423 10.016(5-20) mm 1.486 10 20.05 12.233 2.365 13.694 41.125 10.533

K d th ti f{Ai F l R ti

70.000

80.000

gas

(%

Kandungan synthetic gas = f{Air Fuel Ratio padaukuran tempurung kelapa (20-40) mm}

60.000

70.000

gas

(%

Kandungan synthetic gas = f{Air Fuel Ratio pada ukuran tempurung kelapa (5-20) mm}

40.000

50.000

60.000

nsy

nth

etic

vol)

Flammable Gas (%Vol)

30 000

40.000

50.000

nsy

nth

etic

vol)


Non

10.000

20.000

30.000

ika

nd

un

gan v

Non Flammable Gas (%Vol) 10.000

20.000

30.000

ika

nd

un

gan v Non


0.0001.111 1.290 1.440 1.558N

ilai

Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio)

0.0001.036 1.227 1.372 1.486N

ilai


A li Nil i k l diti j d i LHV S• Analisa Nilai kalor ditinjau dari LHV Syn-gas

Dari prosentase komposisi Ukuran Air fuel ratio LHV

Tempurung Kelapa (rasio udara Syn-Gas Dari prosentase komposisi Synthetic gas, dapat dilakukan perhitungan

Low Heating Value (LHV) pada synthetic gas dengan persamaan

p g p ( ybahan bakar) (KJ/mᶟ)

(20-40) mm 1.111 4409.873(20-40) mm 1.290 4158.065(20-40) mm 1 440 4121 179 synthetic gas dengan persamaan(20 40) mm 1.440 4121.179(20-40) mm 1.558 3750.155

(5-20) mm 1.036 4632.917(5 20) mm 1 227 4639 092(5-20) mm 1.227 4639.092(5-20) mm 1.372 4504.002(5-20) mm 1.486 4235.640

Kandungan synthetic gas = f{Air Fuel Ratio}

Nilai LHV synthetis gas semakinturun seiring dengan peningkatan nilai 4000

45005000

thet

icga

s

g y g { }

turun seiring dengan peningkatan nilairasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio)

20002500300035004000

du

nga

nsy

nt

(KJ/

mᶟ)

Tempurung (20-40)mm

(

0500

100015002000

Nil

aika

nd Tempurung (5-

20)mm

01.036 1.227 1.372 1.486


K i b M• Kesetimbangan Massakesetimbangan

Ukuran AFR Dimmer Kesetimbangan massa masuk massa keluar

Tempurung Kelapa ṁ tempurung kelapa ṁ udara ṁ ash ṁ charcoal ṁ Syn‐gas

(kg/s) (kg/s) (kg/s) (kg/s) (kg/s)

(20-40) mm 1.111 4 0.000764 0.000849 6.43E-06 6.19E-05 0.00154

(20-40) mm 1.290 6 0.000806 0.001039 7.28E-06 6.20E-05 0.00178

(20-40) mm 1.440 8 0.000833 0.001200 8.10E-06 6.46E-05 0.00196

(20-40) mm 1.558 10 0.000861 0.001342 7.64E-06 6.16E-05 0.00213

(5-20) mm 1.036 4 0.000819 0.000849 9.09E-06 5.23E-05 0.00161

(5-20) mm 1.227 6 0.000847 0.001039 9.35E-06 5.25E-05 0.00182

(5-20) mm 1.372 8 0.000875 0.001200 9.34E-06 5.38E-05 0.00201

(5-20) mm 1.486 10 0.000903 0.001342 9.05E-06 5.14E-05 0.00218

• Berdasarkan kesetimbangan massa ini, dapat diketahui besarnya ṁsyn-gas yang dihasilkan.dihasilkan.

K i b E i• Kesetimbangan EnergiUkuran AFR Kesetimbangan Energi Masuk Kesetimbangan Energi Keluar Energi Selisih (kW)

Tempurung KelapaEnergi

Tempurung Energi Udara Energi Syn-gas Energi AshEnergi

CharcoalLosses Syngas

Energi Masuk dan

Kelapa (kW) (kW) (kW) (kW) (kW)Konveksi

(kW) Energi KeluarKelapa (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW) Energi Keluar(20-40) mm 1.111 15.958 0.239 8.031 0 0.956 0.795 6.415(20-40) mm 1.290 16.828 0.293 8.637 0 0.957 0.899 6.628(20-40) mm 1.440 17.408 0.338 9.426 0 0.998 0.969 6.354(20 40) mm 1.440 17.408 0.338 9.426 0 0.998 0.969 6.354(20-40) mm 1.558 17.989 0.378 9.209 0 0.952 0.990 7.217

(5-20) mm 1.036 17.118 0.239 8.669 0 0.808 0.898 6.983( )(5-20) mm 1.227 17.698 0.293 9.752 0 0.811 0.969 6.459(5-20) mm 1.372 18.279 0.338 10.449 0 0.832 1.015 6.321(5-20) mm 1.486 18.859 0.378 10.701 0 0.795 1.061 6.681

• Energi masukan berasal dari energi tempurung kelapa yang memiliki LHV tertentu dan darienergi udara.

• Energi keluaran berupa energi syn-gas, energi dari charcoal, energi ash serta dari heatloss yang terjadi

Efi i i G ifik i• Efisiensi GasifikasiUkuran Air fuel ratio Dimmer Effisiensi

l ( i d ifik iTempurung Kelapa (rasio udara gasifikasibahan bakar) (%)

(20-40) mm 1.111 4 49.58383008

(20-40) mm 1.290 6 50.44682392(20 40) mm 1.290 6 50.44682392

(20-40) mm 1.440 8 53.11223756

(20-40) mm 1.558 10 50.13753826

(5-20) mm 1.036 4 49.9419414

(5-20) mm 1.227 6 54.20582509

(5-20) mm 1.372 8 56.12579891

(5 20) mm 1 486 10 55 62399106 Efi i i ifik i (%) f(R i d

Nilai efisiensi gasifikasi yang terbaik

(5-20) mm 1.486 10 55.62399106

56

58

%)

Efisiensi gasifikasi (%)=f(Rasio udara-bahan bakar)

a e s e s gas as ya g te ba diperoleh ketika prosentase kandunganenergi synthetic gas dan laju alir massasynthetic gas selama proses memiliki

52

54

56

asif

ikas

i(%

Tempurung (20-40)mm

synthetic gas selama proses memiliki komposisi yang tepat.

48

50

Eff

isie

nsi

Ga

Tempurung (5-20)mm

461.111 1.290 1.440 1.558

E


S k Di Uk ( ) d AFR • Sankey Diagram Ukuran (5-20)mm dengan AFR 1,37E. charcoal (4,469%)E. heatloss

(3 414%)

ProsesGasifikasi

BiomassTempurung kelapa E syn-gas

(3,414%)

p g p(98,182%)

E. syn-gas (56,126%)

E lossesUdara (1,818%)

E. Lain-lain (33,950%)

E. losses (2,041%)

• Energi Heatloss disini berasal dari dinding dan tutup reaktor.• Energi Lain-lain berasal dari kerugian panas secara konveksi pada perpipaan sampai

burner, termasuk pada cyclone dan water scrubbing, juga dari penyederhanaan dalamperhitungan, serta kebocoran pada perpipaan yang mungkin terjadi.

Vi li i N l A i T K l ( )• Visualisasi Nyala Api Tempurung Kelapa(20-40)mmAFR 1,11 AFR 1,29

AFR 1,44 AFR 1,56

Vi li i N l A i T K l ( )• Visualisasi Nyala Api Tempurung Kelapa (5-20)mmAFR 1,03 AFR 1,22

AFR 1,37 AFR 1,49

KesimpulanKesimpulan• 1. Distribusi temperatur di dalam reaktor semakin naik seiring kenaikan kecepatan

suplai udarasuplai udara.

• 2. Nilai Air Fuel Ratio (AFR) semakin naik seiring kenaikan kecepatan suplai udara dari dimmer 4 sampai 10.

• 3 Kenaikan suplai udara mengakibatkan bertambahnya laju alir massa gas hasil • 3. Kenaikan suplai udara mengakibatkan bertambahnya laju alir massa gas hasil gasifikasi tetapi menyebabkan turunnya konsentrasi kandungan energy syn-gas.

• 4. Komposisi syn-gas terbaik pada AFR 1.22 dan ukuran tempurung kelapa(5- 20)mm, didapatkan kadar CO, H2,CH4, N2,CO2, O2 berturut-turut sebesar22 35% 13 344% 2 475% 38 346% 13 159% 10 326%22,35%, 13,344%, 2,475%, 38,346%, 13,159%, 10,326%.

• 5. Efisiensi terbaik dari reaktor gasifikasi pada pengujian didapatkan pada variasiAFR 1,37 dan ukuran tempurung kelapa 5-20 mm yaitu mencapai 56,126%.

• 6 Kenaikan suplai udara akan mengakibatkan energy losses perpindahan panas • 6. Kenaikan suplai udara akan mengakibatkan energy losses perpindahan panas yang semakin besar.

KRITIK DAN SARAN SANGAT SAYA HARAPKAN DEMI KESEMPURNAAN TUGAS AKHIR

Karakterisasi proses gasifikasi downdraft biomassa...

Documents

Transcript of Karakterisasi proses gasifikasi downdraft biomassa...