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 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
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
)
Distribusi Temperatur = f(Waktu) AFR 1,29
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)
Distribusi Temperatur = f(Waktu) AFR 1,03
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)
Distribusi Temperatur = f(Waktu) AFR 1,37
6
700
800
C)
Distribusi Temperatur = f(Waktu) AFR 1,49
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)
Flammable Gas (%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
Flammable Gas (%Vol)
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
Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio)
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
Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio)
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
Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio)
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.
Top Related