ANALISIS PERFORMA REAKTOR GASIFIKASI DOWNDRAFT MENGGUNAKAN AGEN GASIFIKASI OKSIGEN DENGAN VARIASI CEKIKAN PADA VENTURINYA

Transkripsi

1 TESIS ANALISIS PERFORMA REAKTOR GASIFIKASI DOWNDRAFT MENGGUNAKAN AGEN GASIFIKASI OKSIGEN DENGAN VARIASI CEKIKAN PADA VENTURINYA GST. NGR. A. SATRIA PRASETYA DHARMA YUDHA PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2016

2 TESIS ANALISIS PERFORMA REAKTOR GASIFIKASI DOWNDRAFT MENGGUNAKAN AGEN GASIFIKASI OKSIGEN DENGAN VARIASI CEKIKAN PADA VENTURINYA GST. NGR. A. SATRIA PRASETYA DHARMA YUDHA NIM PROGRAM MEGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2016

3 ANALISIS PERFORMA REAKTOR GASIFIKASI DOWNDRAFT MENGGUNAKAN AGEN GASIFIKASI OKSIGEN DENGAN VARIASI CEKIKAN PADA VENTURINYA Tesis untuk Memperoleh Gelar Megister Pada Program Megister, Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana GST. NGR. A. SATRIA PRASETYA DHARMA YUDHA NIM PROGRAM MEGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2016 ii

4 Lembar Pengesahan TESIS INI TELAH DISETUJUI PADA TANGGAL 18 JANUARI 2016 Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Dr. Eng. Made Sucipta, ST, MT NIP Prof. I Nym. Suprapta Winaya, ST, MASc, PhD NIP Mengetahui, Ketua Program Megister Teknik Mesin Program Pasca Sarjana Universitas Udayana Direktur Program Pascasarjana Universitas Udayana Prof.Dr.Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma NIP Prof. Dr. dr. A. A. Raka Sudewi, Sp.S(K) NIP iii

5 Tesis Ini Telah Diuji pada Tanggal 14 Januari 2016 Panitia Penguji Tesis Berdasarkan SK Rektor Universitas Udayana, No : 0278 / UN14.4 / HK / 2016 Ketua : Dr. Eng. Made Sucipta, ST, MT Anggota : 1. Prof. I Nym. Suprapta Winaya, ST, MASc, PhD 2. Prof.Dr.Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma 3. I Made Widyarta, ST., MEngSc., PhD. 4. Dr. Ir. I Ketut Gede Sugita, MT. iv

6 SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT Yang bertanda tangan di bawah ini: Nama : I GST. NGR. A. SATRIA PRASETYA D. Y. NIM : Program Studi : Megister Teknik Mesin Universitas Udayana Judul Tesis : Analisis Performa Reaktor Gasifikasi Downdraft Menggunakan Agen Gasifikasi Oksigen Dengan Variasi Cekikan Pada Venturinya Dengan ini menyatakan bahwa Karya Ilmiah Tesis ini bebas plagiat. Apabila di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam Karya Ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan peraturan Menteri Pendidikan Nasional Republik Indonesia No. 17 Tahun 2010 dan Peraturan Perundangan-Undangan yang berlaku lainnya. Demikian surat pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagai mana mestinya. Denpasar, 18 Januari 2016 Yang membuat pernyataan, ( G. N. A. Satria Prasetya D. Y. ) v

7 UCAPAN TERIMA KASIH Puji syukur penulis panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa, karena atas Berkat-Nya penulis dapat menyelesaikan Tesis ini dengan baik. Tesis ini dengan judul Analisis Performa Reaktor Gasifikas Dwondraft Menggunakan Agen Gasifikasi Oksigen dengan Variasi Cekikan pada Venturinya. Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan untuk memperoleh gelar Master pada Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana. Dalam penyusunan Tesis ini penulis banyak mendapat bantuan serta bimbingan dari berbagai pihak sehingga pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada, Ketua Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana, Pembimbing Akademik, Dosen Pembimbing I, Dosen Pembimbing II, Dosen Penguji, Keluarga yang slalu memberikan dukungan, Teman-teman mahasiswa Megister Teknik Mesin Universitas Udayana dan semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dalam penulisan Hasil Penelitian Tesis ini. Penulis menyadari bahwa dalam Tesis ini masih banyak kekurangannya baik dalam isi maupun pengkajiannya oleh karena itu kritik dan saran sangat penulis harapkan agar menjadi lebih baik. Denpasar, 18 Januari 2016 Penulis vi

8 ANALISIS PERFORMA REAKTOR GASIFIKASI DOWNDRAFT MENGGUNAKAN AGEN GASIFIKASI OKSIGEN DENGAN VARIASI CEKIKAN PADA VENTURINYA Oleh : Gst. Ngr. A. Satria Prasetya D. Y., ST Dosen Pembimbing : Dr. Eng. Made Sucipta, ST, MT Prof. I Nym. Suprapta Winaya, ST, MASc, PhD ABSTRAK Energi biomassa adalah energi yang bersumber dari bahan biologis dari tumbuhtumbuhan seperti kayu, sekam padi, bongkol jagung, dan lain sebagainya. Proses konversi biomassa menjadi energi dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu pembakaran, pirolisis, dan gasifikasi. Proses gasifikasi merupakan proses pemanfaatan biomassa dengan cara mengkonversi energi dari bahan baku padat (biomassa) menjadi syn-gas (gas hasil sintesa) yang nantinya dapat digunakan sebagai bahan bakar. Salah satu contoh gasifikasi yang telah dikembangkan adalah sistem downdraft. Proses gasifikasi memiliki beberapa faktor yang mempengaruhi proses dan kandungan syngas yang dihasillkannya yaitu, karakteristik biomassa, desain gasifier, jenis agen gasifikasinya, dan air-fuel ratio. Dalam penelitian ini dirancang reaktor gasifikasi menggunakan pipa blackstell diemater 6 dengan tinggi reaktor 1 meter dan menggunakan bahan bakar seut kayu. Agen gasifikasi oksigen dipilih untuk mendapatkan hasil syngas yang lebih baik, dengan laju aliran oksigen sebesar 2, 4, dan 6 liter permenit, dengan variasi cekikan venturi pada bodinya sebesar diameter 2 (1:3), diameter 3 (1:2), diameter 4 (2:3), dan terakhir diameter 6 (tanpa cekikan). Dari hasil penelitian diperoleh bahwa laju aliran oksigen yang diberikan berbanding terbalik dengan lamanya proses gasifikasi yang terjadi, dimana proses gasifikasi tercepat terjadi pada laju aliran oksigen sebesar 6 lpm (liter permenit) dan yang paling lama terjadi pada laju aliran oksigen 2 lpm. Untuk distribusi temperatur pada semua variasi cekikan temperatur rata-rata di setiap zona pada proses gasifikasi, temperatur tertingginya terjadi saat laju aliran oksigen 6 lpm, kemudian 4 lpm, dan terendah saat laju aliran oksigen sebesar 2 lpm. Sementara penelitian ini menghasilkan effisiensi terbaik sebesar 58,6942 % pada cekikan venturi diameter 4 atau dengan perbandingan 2:3 dengan bodi utama dari gasifier, dan terjadi saat laju aliran oksigen sebesar 4 lpm. Effisiensi dipengaruhi oleh kandungan gas CO, CH 4, dan H 2, selain itu effisiensi sangat dipengaruhi oleh lamanya syngas yang bisa dimanfaatkan (mampu terbakar secara kontinu) pada proses gasifikasi, karena semakin lama pemanfaatan maka semakin banyak syngas yag akan dihasilkan. Kata Kunci : Gasifikasi, Downdraft, Agen Gasifikasi Oksigen, Variasi Laju Aliran Oksigen dan Variasi Cekikan Venturi, Efisiensi Gasifikasi vii

9 PERFORMANCE OF DOWNDRAFT GASIFICATION REACTOR USING OXIGEN FOR GASIFICATION AGEN WITH VARIATIONS ON THE VENTURE STRANGULATION Author Guidance : Gst. Ngr. A. Satria Prasetya D. Y., ST : Dr. Eng. Made Sucipta, ST, MT Prof. I Nym. Suprapta Winaya, ST, MASc, PhD ABSTRACT Biomass energy is energy derived from biological material from plants such as wood, rice husk, corn head, and so forth. The process of conversion of biomass into energy can be process by combustion, pyrolysis, and gasification. The gasification process is a process of utilization of biomass by converting energy from a solid raw material (biomass) into syn-gas (the synthesis gas) that can later be used as fuel. One example of gasification that has been developed is a downdraft system. Gasification process has several factors that affect the process and content of which produced syngas that is, the characteristics of biomass gasifier designs, types of agents gasifikasinya, and the air-fuel ratio. In this study determined the gasification reactor using black steel pipe diameter of 6" with a height of reactor is 1 meter. Agent gasification oxygen is chosen to get the syngas better, with a flow rate of oxygen at 2, 4, and 6 liters per minute, with a variation of strangulation venturi in the body of diameter 2" (1: 3), diameter 3" (1: 2), diameter 4" (2: 3), and the final diameter of 6" (without strangulation). The result showed that the oxygen flow rate given is uncomparable to the length of the gasification process, where the fastest gasification process occurs in the oxygen flow rate of 6 lpm (liters per minute) and the longest occurred in the oxygen flow rate of 2 lpm. For the temperature distribution on all variations of strangulation average temperatures in each zone of the gasification process, the highest temperature occurs when the oxygen flow rate of 6 lpm, then 4 lpm, and the current low oxygen flow rate of 2 lpm. While this research produces the best efficiency of % on a strangulation venturi diameter of 4 "or a ratio of 2: 3 with the main body of the gasifier, and occurs when the oxygen flow rate of 4 lpm. Efficiency is affected by the gas content of CO, CH 4 and H 2, besides the efficiency is strongly influenced by the length of syngas that can be used (capable of burning continuously) in the gasification process, because the longer the use, the more syngas will be generated. Key Words: Gasification, Downdraft, Oxigen Agen Gasification, Variation of Oxigen Flow Rate and Cariation of Venture Strangulation, Efficiency of Gasifier viii

10 RINGKASAN ANALISIS PERFORMA REAKTOR GASIFIKASI DOWNDRAFT MENGGUNAKAN AGEN GASIFIKASI OKSIGEN DENGAN VARIASI CEKIKAN PADA VENTURINYA Gst. Ngr. A. Satria Prasetya D. Y., Dr. Eng. Made Sucipta, ST, MT, Pembimbing 1 Prof. I Nym. Suprapta Winaya, ST, MASc, PhD, Pembimbing 2 Gasifikasi adalah proses konversi thermokimiawi dari bahan bakar yang mengandung karbon (padat ataupun cair) menjadi gas yang disebut syngas (synthesis gas) atau gas sintetis dimana gas tersebut memiliki nilai bakar dengan cara oksidasi parsial pada temperatur tinggi. Dalam proses gasifikasi ada tiga hal yang penting dalam proses gasifikasi, yaitu jenis reaktor, bahan bakar biomassa yang digunakan, dan agen gasifikasi. Salah satu sumber energi biomassa yang belum dimanfaatkan secara maksimal adalah serutan kayu. Serutan kayu merupakan limbah industri penggergajian kayu. Jumlah ketersediaan serutan kayu sangat besar seperti terlihat pada Tabel 3.2, namun tidak semua serutan kayu yang ada telah termanfaatkan, sehingga bila tidak ditangani dengan baik maka dapat menjadi masalah lingkungan yang serius. Dalam penelitian ini dirancang reaktor gasifikasi menggunakan pipa blackstell diemater 6. Dari rancangan tersebut direncanakan untuk memanaskan air hingga mendidih dalama selang waktu 30 menit dan menggunakan serutan kayu sebagai bahan bakar gasifikasi sehingga diperoleh tinggi reaktor 1 meter. Agen gasifikasi oksigen dipilih untuk mendapatkan hasil syngas yang lebih baik, dengan laju aliran oksigen sebesar 2, 4, dan 6 liter permenit, dengan variasi cekikan venturi pada bodinya sebesar diameter 2 (1:3), diameter 3 (1:2), diameter 4 (2:3), dan terakhir diameter 6 (tanpa cekikan). Dari hasil penelitian diperoleh bahwa laju aliran oksigen yang diberikan berbanding terbalik dengan lamanya proses gasifikasi yang terjadi, dimana proses gasifikasi tercepat terjadi pada laju aliran oksigen sebesar 6 lpm (liter permenit) dan yang paling lama terjadi pada laju aliran oksigen 2 lpm. Untuk distribusi temperatur pada semua variasi cekikan temperatur rata-rata di setiap zona pada proses gasifikasi, temperatur tertingginya terjadi saat laju aliran oksigen 6 lpm, kemudian 4 lpm, dan terendah saat laju aliran oksigen sebesar 2 lpm. Sementara penelitian ini menghasilkan effisiensi terbaik sebesar 58,6942 % pada cekikan venturi diameter 4 atau dengan perbandingan 2:3 dengan bodi utama dari gasifier, dan terjadi saat laju aliran oksigen sebesar 4 lpm. Effisiensi dipengaruhi oleh kandungan gas CO, CH 4, dan H 2, selain itu effisiensi sangat dipengaruhi oleh lamanya syngas yang bisa dimanfaatkan (mampu terbakar secara kontinu) pada proses gasifikasi, karena semakin lama pemanfaatan maka semakin banyak syngas yag akan dihasilkan ix

11 DAFTAR ISI SAMPUL DALAM... PERSYARATAN GELAR... i ii LEMBAR PENGESAHAN... iii PENETAPAN PANITIA PENGUJI... iv SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT... v UCAPAN TERIMAKASIH... vi ABSTRAK... vii ABSTRACT... viii RINGKASAN... ix DAFTAR ISI... x DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR TABEL... xvi DAFTAR LAMPIRAN... xvii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Ruang Lingkup Penelitian... 5 x

12 BAB II KAJIAN PUSTAKA Konversi Thermokimiawi dan Pengertian Gasifikasi Konversi Thermokimiawi Gasifikasi Faktor Yang Mepengaruhi Proses Gasifikasi Dasar Proses Gasifikasi pada Downdraft Gasifier Parameter-Parameter Penting dalam Proses Gasifikasi Pembakaran Bahan Bakar Prinsip Pembakaran Bahan Bakar Nilai Pembakaran Jumlah Udara Pembakaran Biomassa Pengertian Biomassa Komposisi Biomassa Pemanfaatan Energi Biomassa Produk Biomassa Serutan Kayu Efisiensi Aktual Gasifikasi Perhitungan Hasil Gas Gasifikasi Penelitian Terdahulu BAB III KERANGKA BERPIKIR, KONSEP DAN HIPOTESIS Kerangka Berpikir Konsep xi

13 3.3 Hipotesis BAB IV METODE PENELITIAN Variable Penelitian Menghitung Kebutuhan Oksigen Pembakaran Menghitung Fuel Consumtion Rate (FCR) untuk Penelitian Menghitung Oksigen Flow Rate (OFR) Rancangan Alat Uji Waktu dan Tempat Penelitian Ruang Lingkup Penelitian Penentuan Sumber Data Bahan Penelitian Instrumen Penelitian Prosedur Penelitian BAB V DATA DAN HASIL PENELITIAN Data Hasil Penelitian Waktu Operasi dan Massa Arang Gas Hasil Pengujian Pengolahan Data Hasil Penelitian Perhitungan Fuel Consumtion Rate Actual (FCR a ) Perhitungan Kebutuhan Stokiometri Oksigen Aktual (SA a ) Perhitungan Gas Gasifikasi Perhitungan Efisiensi Gasifikasi xii

14 BAB VI PEMBAHASAN Waktu Penelitan, FCR a, dan SA a Distribusi Temperatur Kandungan Gas Berguna Energi Berguna dan Effisiensi Gasifier BAB VII PEMBAHASAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiii

15 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Grafik Batasan Konversi Thermokimia Biomassa... 6 Gambar 2.2 Updraft Gasifier... 8 Gambar 2.3 Downdraft Gasifier... 9 Gambar 2.4 Crossdraft Gasifier Gambar 2.5 Gasification processes and their products Gambar 2.6 Skema Tahapan Proses Gasifikasi Downdraft Gambar 2.7 Teknologi Konversi Biomassa Gambar 2.8 Skema Pembentukan Biogas Gambar 2.9 Nyala Api Gambar 2.10 Perubahan Api Laminer dan Turbulen Terhadap Flow Felocity Gambar 4.1 Rencana Reaktor Gasifier Tampak Atas Gambar 4.2.a Rencana Reaktor Gasifier dengan Cekikan Venturi Gambar 4.2.b Rencanan Perbandingan Cekikan dan Bodi pada Reaktor Gasifier Gambar 4.3 Sistem Gasifikasi Gambar 4.4 Sistem Gasifikasi Aktual Gambar 4.5 Reaktor Gasifikasi Aktual Gambar 4.6 Thermokopel dan Multimeter Digital Gambar 4.7 Stopwatch Handphone Gambar 4.8 Flow Meter Gambar 4.9 Gas Analyser xiv

16 Gambar 4.10 Diagram Alir Gambar 6.1 Lama Proses dari Gasifikasi Gambar 6.2 Waktu Pemanfaatan Gas Gasifikasi Gambar 6.3 FCR a (Fuel Consumtion Rate Actual) Gasigikasi Gambar 6.4 Kebutuhan Oksigen Gasifikasi Aktual (SA a ) Gambar 6.5 Distribusi Temperatur pada Zona Oksidasi Gambar 6.6 Distribusi Temperatur pada Zona Pirolisa Gambar 6.7 Distribusi Temperatur pada Zona Pengeringan Gambar 6.8 Distribusi Temperatur pada Zona Reduksi Gambar 6.9 Kandungan Gas CO Gambar 6.10 Kandungan Gas CH Gambar 6.11 Kandungan Gas H Gambar 6.12 Energi Berguna Gasifier Gambar 6.13 Efisiensi Gasifier xv

17 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Kelebihan dan Keemahan Gasifier Tabel 2.2 Analisa Ultimate dari Biomassa Tabel 2.3 Proximate Analysis & Ultimate Analysis Kayu Tabel 2.4 Hegher Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV) Tabel 3.1 Potensi Energi Terbarukan Tabel 3.2 Produksi Kayu Gergajian dan Perkiraan Jumlah Limbah Tabel 4.1 Jadwal Penelitian Tabel 5.1 Data Hasil Penelitian untuk Waktu Operasi dan Massa Arang Tabel 5.2 Data Hasil Pengujian Gas Gasifikasi pada Gasifier dengan Cekikan Tabel 5.3 Distribusi Temperatur Rata-Rata pada Setiap Variasi Cekikan Tabel 5.4 Hasil Perhitungan FCR Aktual (FCR a ) dan SA Aktual (SA a ) Tabel 5.5 Persentase Kandungan Gas Hasil Gasifikasi dengan Cekikan Tabel 5.6 Persentase Kandungan Gas H 2, CO, dan CH Tabel 5.6 Produksi N Tabel 5.7 Energi Syngas dan Efisiensi Gasifier xvi

18 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Hasil Pengujian Kandungan Gas pada Cekikan Venturi Lampiran 2. Hasil Pengujian Kandungan Gas pada Cekikan Venturi Lampiran 3. Hasil Pengujian Kandungan Gas pada Cekikan Venturi Lampiran 4. Hasil Pengujian Kandungan Gas pada Cekikan Venturi Lampiran 5. Distribusi Temperatur Cekikan Venturi 2 Laju Oksigen 2 Lpm Lampiran 6. Distribusi Temperatur Cekikan Venturi 2 Laju Oksigen 4 Lpm Lampiran 7. Distribusi Temperatur Cekikan Venturi 2 Laju Oksigen 6 Lpm Lampiran 8. Distribusi Temperatur Cekikan Venturi 3 Laju Oksigen 2 Lpm Lampiran 9. Distribusi Temperatur Cekikan Venturi 3 Laju Oksigen 4 Lpm Lampiran 10. Distribusi Temperatur Cekikan Venturi 3 Laju Oksigen 6 Lpm Lampiran 11. Distribusi Temperatur Cekikan Venturi 4 Laju Oksigen 2 Lpm Lampiran 12. Distribusi Temperatur Cekikan Venturi 4 Laju Oksigen 4 Lpm Lampiran 13. Distribusi Temperatur Cekikan Venturi 4 Laju Oksigen 6 Lpm Lampiran 14. Distribusi Temperatur Cekikan Venturi 6 Laju Oksigen 2 Lpm Lampiran 15. Distribusi Temperatur Cekikan Venturi 6 Laju Oksigen 4 Lpm Lampiran 16. Distribusi Temperatur Cekikan Venturi 6 Laju Oksigen 6 Lpm Lampiran 17. Hasil Uji Forensik Gas Cekikan Venturi 2 Laju Oksigen 2 Lpm Lampiran 18. Hasil Uji Forensik Gas Cekikan Venturi 2 Laju Oksigen 4 Lpm Lampiran 19. Hasil Uji Forensik Gas Cekikan Venturi 2 Laju Oksigen 6 Lpm Lampiran 20. Hasil Uji Forensik Gas Cekikan Venturi 3 Laju Oksigen 2 Lpm Lampiran 21. Hasil Uji Forensik Gas Cekikan Venturi 3 Laju Oksigen 4 Lpm xvii

19 Lampiran 22. Hasil Uji Forensik Gas Cekikan Venturi 3 Laju Oksigen 6 Lpm Lampiran 23. Hasil Uji Forensik Gas Cekikan Venturi 4 Laju Oksigen 2 Lpm Lampiran 24. Hasil Uji Forensik Gas Cekikan Venturi 4 Laju Oksigen 4 Lpm Lampiran 25. Hasil Uji Forensik Gas Cekikan Venturi 4 Laju Oksigen 6 Lpm Lampiran 26. Hasil Uji Forensik Gas Cekikan Venturi 6 Laju Oksigen 2 Lpm Lampiran 27. Hasil Uji Forensik Gas Cekikan Venturi 6 Laju Oksigen 4 Lpm Lampiran 28. Hasil Uji Forensik Gas Cekikan Venturi 6 Laju Oksigen 6 Lpm Lampiran 29. Hasil Uji Forensik Gas Agen Gasifikasi Oksigen Lampiran 30. Hasil Uji Forensik Udara Lampiran 31. Tabel Property Values of Gases at Atmospheric Pressure xviii