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.



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



Proses Gasifikasi



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



• 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.

Presenter

Presentation Notes

Ewewe



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



Karakteristik Briket Sekam Padi Kandungan karbon

dan oksigen menunjukan jumlah

yang cukup dominan, unsur-unsur ini

menjadi komponen utama dalam reaksi pembentukan syngas



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



Teknologi Proses Konversi Biomassa

Flammable Gas

CO, H2, dan CH4

Gasifikasi

Reaktor Downdraft



Tahapan Proses : 1. Drying Zone (100 °C – 300 °C) Endoterm → Menghilangkan Kandungan air

2. Pyrolisis (300 °C – 900 °C) Dekomposisi → Penguraian Volatile Endoterm → Menyerap Panas

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

4. Reduction (400 °C – 900 °C) Mereduksi CO2

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∞)



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)”



Aplikasi Water Pump

Electric Generator

Diesel Engine



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


CO 19,78 % H2 17,83 %

CH4 2,35 % CO2 7,34 % N2 49,48 % O2 3,22 %

10 menit, T = 320 °C

Video


CO 15,73 % H2 12,91 %

CH4 1,74 % CO2 9,08 % N2 54,31 % O2 6,23 %

13 menit, T = 330 °C

Video


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 %.



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

PENGARUH VARIASI RASIO UDARA -BAHAN BAKAR (AIR … · reaktor gasifikasi dan desain mesin pembuat...

Documents

Transcript of PENGARUH VARIASI RASIO UDARA -BAHAN BAKAR (AIR … · reaktor gasifikasi dan desain mesin pembuat...