Studi Variasi Campuran Bahan Bakar Biomassa Pada Kondisi Pembakaran Sendiri di Fluidized Bed Combustion Universitas Indonesia

Transkripsi

1 Studi Variasi Campuran Bahan Bakar Biomassa Pada Kondisi Pembakaran Sendiri di Fluidized Bed Combustion Universitas Indonesia Aziz Fahmirriza Rusydi, Prof. Dr. Ir. Adi Surjosatyo, M. Eng Teknik Mesin, Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Depok, ABSTRAK Dalam proses pembakaran pada alat Fluidized Bed Combustion, bahan bakar merupakan salah satu komponen yang paling penting. Bahan bakar yang digunakan pada saat fenomena self sustained combustion sangat berpengaruh pada proses pembakaran serta fluidisisasi saat fenomena self sustained combustion berlangsung. Dengan dilakukan pengujian dari variasi campuran bahan bakar tempurung kelapa dan sekam padi saat self sustained combustion, fenomena self sustained combustion dapat berlangsung lebih lama. Adapun variasi campuran bahan bakar yang digunakan adalah % Tempurung Kelapa, 5% Tempurung Kelapa 5% Sekam Padi, 25% Tempurung Kelapa 75% Sekam Padi dan % Sekam Padi. Campuran bahan bakar 5% tempurung kelapa dan 5% sekam padi memiliki durasi self sustained combustion yang paling lama. Campuran bahan bakar 5% tempurung kelapa dan 5% sekam padi mampu menjaga kondisi pembakaran sendiri (self sustained condition) selama 39 menit. Campuran ini menghasilkan temperatur yang paling stabil, serta fluidisasi yang paling baik. Adapun feeding rate yang digunakan ialah 25gr/2menit pada setiap pengujian. Kata kunci : fluidized bed combustion, bahan bakar, tempurung kelapa, sekam padi, self sustained combustion. ABSTRACT Fuel is one of the most important components in the combustion process of Fluidized Bed Combustion system. The fuel used at the time of working condition (self sustained combustion) is very influential on the combustion process and fluidization process. With the testing of fuel mixture variations at the time of working condition (self sustained combustion), can take longer time of working condition (self sustained combustion). The fuel mixture variations are % Coconut Shell, 5 % Coconut Shell 5 % Rice Husk, 25 % Coconut Shell 75 % Rice Husk and % Rice Husk. The mixture of fuel 5% Coconut Shell and 5 % Rice Husk produce the longest time of working condition (self sustained combustion). The mixture of fuel 5% Coconut Shell and 5 % Rice Husk can maintain the working condition (self sustained combustion) for 39 minutes. This mixture produces the most stable temperature, as well as most good fluidization. The feeding rate used is 25gr / 2minutes on each test. Keywords : fluidized bed combustion, fuel, coconut shell, rice husk, self sustained combustion.. Pendahuluan Fluidized Bed Combustion (FBC) merupakan salah satu teknologi pembakaran yang menggunakan prinsip fluidisasi dan turbulensi benda padat. Saat proses pembakaran, dengan adanya fenomena fluidisasi ini akan meningkatkan kemampuan perpindahan panas dan massa yang cukup signifikan. Dengan begitu proses pembakaran pun akan menjadi lebih baik. Teknologi ini pun telah bertahun-tahun dikembangkan oleh Universitas Indonesia. dimana pengembangan terus dilakukan tiap tahunnya dengan tujuan untuk meningkatkan performa dari FBC UI. Sehingga, nantinya FBC UI ini dapat dipergunakan dengan lebih baik selain sebagai sarana penelitian. Pengembangan yang dilakukan pada lab FBC UI tahun ini terletak pada bahan bakar saat kondisi kerja (self sustained combustion). Bahan bakar yang digunakan adalah variasi dari komposisi gabungan dua bahan bakar, yaitu tempurung kelapa dan sekam padi. Adapun variasi komposisi yang digunakan antara lain, % tempurung kelapa, 5% tempurung kelapa 5% sekam padi, 25% tempurung kelapa 75% sekam padi, % sekam padi. Pada penelitian ini, akan ditinjau perbandingan temperatur rata rata yang dihasilkan dari proses pembakaran. Selain itu, akan ditinjau perbandingan durasi kondisi kerja (self sustained combustion) yang dapat dicapai. 2. Eksperimen 2. Pasir Pasir yang digunakan sebagai hamparan (bed) akan sangat berpengaruh terhadap berhasil tidaknya proses fluidisasi dan pembakaran yang akan dilakukan. Pasir yang digunakan pada Fluidized Bed Combustor (FBC) Universitas Indonesia adalah jenis pasir silika. Menurut penelitian (Azmi Muntaqo, 2) pasir silika dengan ukuran mesh 2-4 memiliki temperatur lebih tinggi pada kondisi kerja Studi variasi..., Aziz Fahmirriza Rusydi, FT UI, 25

2 Tabel Sifat Fisik, Termal, dan Mekanik Pasir Silika Properties Silica Sand Particle density ( kg/m 3 ) 26 Bulk density ( kg/m 3 ) 3 Thermal conductivity ( Wm - K ).3 Tensile strength ( MPa ) 55 Compressive strength ( MPa ) 27 Melting point ( o C ) 83 Modulus of elasticity ( GPa ) 7 Thermal shock resistance Excellent merupakan biomassa yang mudah didapatkan di Indonesia. Dalam satu tahun, Indonesia mampu memproduksi, juta ton tempurung kelapa dan 4,3 juta ton. Nilai LHV dari tempurung kelapa adalah sebesar 723 kj/kg dan nilai LHV dari sekam padi adalah 5545 kj/kg. Pada proses pemanasan awal, tempurung kelapa digunakan sebagai bahan bakar. Tempurung kelapa dimasukkan sebanyak,25kg setiap 2 menit. Pada kondisi kerja (self sustained combustion) digunakan variasi komposisi dari tempurung kelapa dan sekam padi. Adapun variasi komposisi yang digunakan antara lain, % tempurung kelapa, 5% tempurung kelapa 5% sekam padi, 25% tempurung kelapa 75% sekam padi, % sekam padi. Pada kondisi kerja (self sustained combustion), bahan bakar dimasukkan setiap,25kg setiap 2 menit. Gambar Pasir Silika yang Digunakan pada FBC UI 2.2 Termokopel Terdapat 6 buah termokopel yang dipasang pada furnace. Dengan mengacu pada distributor, termokopel ditempatkan dengan konfigurasi sebagai berikut: = 3,5 cm dibawah distributor = 3,5 cm diatas distributor = 24,5 cm diatas distributor = 63,5 cm diatas distributor = 44,5 cm diatas distributor = 29,5 cm diatas distributor Gambar 3 Tempurung Kelapa Gambar 2 Skematik Fluidized Bed Combustor 2.3 Bahan Bakar Bahan bakar yang digunakan adalah tempurung kelapa dan sekam padi. Tempurung kelapa dan sekam padi Gambar 4 Sekam Padi 2.4 Forced Draft Fan dan Induce Draft Fan Untuk membuat fluidisasi yang terjadi diperlukan Forced Draft Fan atau biasa disebut dengan blower tiup. Blower tiup yang digunakan pada FBC UI. Kecepatan putaran dari blower tiup yang digunakan dalam proses percobaan adalah sebesar 3 rpm. 2 Studi variasi..., Aziz Fahmirriza Rusydi, FT UI, 25

3 Gambar 5 Forced Draft Fan Sedangkan untuk membentuk aliran udara kontinu yang diperlukan bagi pembakaran sehingga tekanan di furnace tetap terjaga serta menghisap dan membuang gas sisa hasil produk pembakaran maka digunakanlah Induce Draft Fan atau yang biasa disebut dengan blower tiup. Kecepatan putaran blower hisap yang digunakan dalam percobaan pembakaran ini adalah sebesar rpm. Gambar 6 Induce Draft Fan 2.5 Prosedur Pengujian Setelah semua bahan bakar siap dan seluruh peralatan telah terhubung. Blower tiup dan hisap dihidupkan. Setelah itu burner juga dihidupkan. Dilakukan pemanasan awal dengan burner hingga temperatur mencapai 25 o C. Lalu saat temperatur terlihat konstan dilakukan pemanasan awal dengan pengumpanan tempurung kelapa sebesar.25 kg setiap 2 menit untuk membantu mempercepat kenaikan temperatur pada pasir. Setelah mencapai kondisi dimana hamparan pasir (bed) yang telah berubah warna menjadi merah menyala seperti lava bergolak membara dengan suhu sekitar 6-7 o C yang disebut dengan keadaan self sustain combustion maka burner dimatikan. Setelah itu mulai dilakukan pemasukan bahan bakar biomassa dari komposisi variasi bahan bakar tersebut dengan laju pemasukan bahan bakar sebesar.25 kg setiap 2 menit. Semua data mulai dari burner dihidupkan sampai dengan selesai percobaan disimpan dengan menggunakan data acquisition (DAQ). 3. Hasil Pada poin ini, akan dibahas tentang hasil dari distribusi temperatur pada setiap komposisi bahan bakar. Distribusi temperatur dibahas pada proses pemanasan awal serta pembakaran pada kondisi kerja (self sustained combustion). Pada pengujian kali ini, parameter parameter yang digunakan diambil dari penelitian sebelumnya (Juni 24) yaitu: Flow rate dari ring blower,93 m 3 /s (3 pm) Flow rate dari centrifugal blower 23,6 m 3 /menit ( rpm) Menggunakan pasir silika mesh 2-4 pada bed sebanyak 25 kg Penggunaan tempurung kelapa sebagai bahan bakar pemanasan awal Namun pada saat kondisi self sustained combustion digunakan sekam padi serta tempurung kelapa serta dilakukan perpaduan variasi komposisi dari keduanya. 3. Hasil Data distribusi temperatur pengujian akan ditampilkan dalam bentuk grafik dibawah ini: Grafik Pembakaran % Tempurung Kelapa Self Sustained Gambar 7 Grafik distribusi temperatur pembakaran dengan komposisi % tempurung kelapa pada saat self sustained combustion Grafik Pembakaran 5 % Tempurung Kelapa & 5% Sekam Padi Gambar 8 Grafik temperatur pembakaran dengan komposisi 5% tempurung kelapa dan 5% sekam padi pada saat self sustained combustion 3 Studi variasi..., Aziz Fahmirriza Rusydi, FT UI, 25

4 Grafik Pembakaran 25 5 % Tempurung Kelapa Kelapa & 75% 5% Sekam Sekam Padi Padi (Self Sustained) Gambar 9 Grafik temperatur pembakaran dengan komposisi 25% tempurung kelapa dan 75% sekam padi pada saat self sustained combustion Grafik Pembakaran % Sekam Padi Self Sustained Gambar Grafik temperatur pembakaran dengan komposisi % sekam padi pada saat self sustained combustion 4. Analisa 4. Analisa Pemanasan Awal Pada pengujian kali ini perbedaan bahan bakar hanya terdapat pada saat kondisi kerja atau self sustained combustion dan pada pemanasan awal bahan bakar yang digunakan adalah sama yaitu tempurung kelapa. Oleh karena itu pada pembahasan pemanasan awal, pengujian ini dapat disederhanakan menjadi:. Pengujian = Pembakaran dengan komposisi bahan bakar % tempurung kelapa pada saat kondisi self sustained combustion. 2. Pengujian 2 = Pembakaran dengan komposisi bahan bakar 5% tempurung kelapa dan 5% sekam padi pada saat kondisi self sustained combustion. 3. Pengujian 3 = Pembakaran dengan komposisi bahan bakar 25% tempurung kelapa dan 75% sekam padi pada saat kondisi self sustained combustion. 4. Pengujian 4 = Pembakaran dengan komposisi bahan bakar % sekam padi pada saat kondisi self sustained combustion. Berikut ini adalah data pemanasan awal dari masing masing pengujian yang sudah di plot ke dalam bentuk grafik: Grafik Pemanasan Awal Pengujian Gambar Grafik Pemanasan Awal Pengujian Grafik Pemanasan Awal Pengujian G a Gambar 2 Grafik Pemanasan Awal Pengujian Grafik Pemanasan Awal Pengujian Gambar 3 Grafik Pemanasan Awal Pengujian 3 4 Studi variasi..., Aziz Fahmirriza Rusydi, FT UI, 25

5 Gambar 4 Grafik Pemanasan Awal Pengujian 3 Dari data didapat distribusi temperatur rata rata dari serta waktu yang diperlukan untuk proses pemanasan awal pada setiap pengujian: Uji Ke Grafik Pemanasan Awal Pengujian Tabel 2 Distirbusi Temperatur Pemanasan Awal menit 3 detik Tabel 3 Lama Pemanasan Awal Pengujian Lama Pemanasan Awal 8 menit 2 87 menit 3 9 menit 4 menit Karena menggunakan bahan bakar yang sama maka tidak terdapat perbedaan yang mencolok pada data waktu pemanasan awal. Dari data diatas, waktu rata rata pemanasan awal yang diperlukan adalah,5 menit. 4.2 Analisa Self Sustained Combustion Pada kondisi kerja atau self sustained combustion, digunakan bahan bakar yang berbeda beda. Bahan bakar yang digunakan adalah variasi komposisi dari dua bahan bakar yaitu tempurung kelapa dan sekam padi. Berikut adalah variasi komposisi bahan bakar yang digunakan dalam pengujian kali ini:. % Tempurung Kelapa 2. 25% Tempurung Kelapa 75% Sekam Padi 3. 5% Tempurung Kelapa 5% Sekam Padi 4. % Sekam Padi Data dari distribusi pembakaran pada kondisi kerja atau self sustain combustion diplot kedalam bentuk grafik menjadi: Grafik Self Sustained Combuson % Tempurung Kelapa Gambar 5 Grafik Self Sustained Combustion % Tempurung Kelapa Grafik Self Sustained Combuson 5% Tempurung Kelapa 5% Sekam Padi Gambar 6 Grafik Self Sustained Combustion 5% Tempurung Kelapa 5% Sekam Padi Grafik Self Sustained Combuson 25% Tempurung Kelapa 75% Sekam Padi Gambar 7 Grafik Self Sustained Combustion 25% Tempurung Kelapa 75% Sekam Padi 5 Studi variasi..., Aziz Fahmirriza Rusydi, FT UI, 25

6 Grafik Self Sustained Combuson % Sekam Padi Gambar 8 Grafik Self Sustained Combustion % Sekam Padi Pada pembakaran menggunakan bahan bakar % Sekam Padi, temperatur pada lebih tinggi dibandingkan dengan temperatur pada. Sedangkan pada pembakaran menggunakan bahan bakar % Tempurun Kelapa, temperatur pada lebih rendah dibandingkan dengan temperatur pada. Hal ini menunjukkan perbedaan karakteristik dari kedua bahan bakar tersebut. Sekam padi memiliki nilai karbon yang lebih rendah bila dibandingkan dengan nilai karbon dari tempurung kelapa. Dengan nilai karbon yang lebih rendah, sekam padi lebih mudah terbakar bila dibandingkan dengan tempurung kelapa. Selain nilai karbon, yang menyebabkan sekam padi lebih mudah terbakar adalah luas penampangnya. Sekam padi memiliki ukuran partikel yang lebih kecil bila dibandingkan dengan tempurung kelapa. Sekam padi memiliki ukuran partikel 5 µm, sedangkan tempurung kelapa memiliki ukuran,5cm - cm. Karena sifatnya yang mudah terbakar, saat sekam padi masuk dan menyentuh pasir (bed), sekam padi langsung terbakar habis. Hal ini mengakibatkan temperatur pada lebih tinggi bila dibadingkan temperatur pada. Temperatur dan menunjukkan proses perpindahan energi dari pasir (bed) ke ruang bakar (freeboard) terus menurun. Sedangkan tempurung kelapa lebih sulit terbakar. Saat tempurung kelapa masuk dan menyentuh pasir (bed), tempurung kelapa memerlukan energi lebih untuk mulai terbakar. Hal ini mengakibatkan proses perpindahan energi dari pasir (bed) ke ruang bakar (freeboard) terus meningkat dan nilai temperatur pada lebih tinggi bila dibandingkan temperatur pada. Penelitian 5%Tempurung Kelapa 5% Sekam Padi dan 25% Tempurung Kelapa 75% Sekam Padi menunjukan perbedaan persentase sekam padi yang digunakan sebagai bahan bakar. Perbedaan ini menunjukan bahwa volume dari sekam padi yang masuk kedalam ruang bakar berbeda. Penelitian 5%Tempurung Kelapa 5% Sekam Padi memiliki persentase volume sekam padi yang lebih banyak, membuat volume abu yang dihasilkan dari pembakaran sekam lebih banyak yang jatuh pada bed sehingga proses fluidisasi terganggu akibat dari penggumpalan pasir silica dan abu sekam padi. Penelitian 25% Tempurung Kelapa 75% Sekam Padi memiliki persentase volume sekam padi lebih sedikit dari penelitian 5%Tempurung Kelapa 5% Sekam Padi. Jumlah abu dari pembakaran sekam padi lebih sedikit, sehingga proses fluidisasinya lebih tahan lama. Penggumpalan pada bed baru terjadi ketika proses pembakaran sendiri sudah berjalan selama 39 menit. Dengan adanya penggumpalan di bed, menyebabkan proses pembakaran sendiri tidak bisa dilanjutkan Adapun durasi yang mampu dicapai setiap bahan bakar untuk menahan kondisi kerja atau self sustained combustion, adalah sebagai berikut: Komposisi Bahan Bakar Durasi Kondisi Kerja (menit) % Tempurung Kelapa 2 menit 5% Tempurung Kelapa 5% Sekam Padi 39 menit 25% Tempurung Kelapa 75% Sekam Padi menit % Sekam Padi 7 menit Tabel 4 Durasi Kondisi Kerja (Self Sustained Combustion) Bahan bakar dengan komposisi 5% tempurung kelapa dan 5% pada self sustained combustion memiliki hasil yang paling baik pada pengujian kali ini. Hal ini terlihat dari distribusi temperatur yang paling stabil. Selain itu, komposisi ini juga memiliki durasi kondisi kerja yang paling lama, yaitu 39 menit. 5. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil antara lain :. Dengan penggunaan tempurung kelapa sebagai bahan bakar pada pemanasan awal, kondisi kerja atau self sustained combustion dapat dicapai setelah menit 3 detik. 2. Bahan bakar sekam padi lebih mudah terbakar bila dibandingkan bahan bakar tempurung kelapa karena sekam padi memiliki nilai karbon yang lebih rendah bila dibandingkan tempurung kelapa. 3. Volume penggunaan bahan bakar sekam padi mempengaruhi terjadinya penggumpalan pada pasir (bed). 4. Jenis penggunaan bahan bakar pada kondisi self sustained combustion mempengaruhi durasi dari kondisi self sustained combustion itu sendiri. 5. Penggunaan bahan bakar % tempurung kelapa pada saat self sustained combustion, mampu mempertahankan kondisi self sustained combustion selama 2 menit. 6. Penggunaan bahan bakar campuran 5% tempurung kelapa dan 5% sekam padi pada saat self sustained combustion, mampu mempertahankan kondisi self sustained combustion selama 39 menit. 6 Studi variasi..., Aziz Fahmirriza Rusydi, FT UI, 25

7 7. Penggunaan bahan bakar campuran 25% tempurung kelapa dan 75% sekam padi pada saat self sustained combustion, mampu mempertahankan kondisi self sustained combustion selama menit. 8. Penggunaan bahan bakar % sekam padi pada saat self sustained combustion, mampu mempertahankan kondisi self sustained combustion selama7 menit. 9. Bahan bakar dengan campuran 5% tempurung kelapa dan 5% pada self sustained combustion memiliki hasil yang paling baik pada pengujian kali ini. 5. Daftar Referensi [] Howard, J. R., Fluidized Beds Combustion and Applications. London: Applied Science Publishers,983. [2] Oka, Simeon N. Fluidized Bed Combustion (Marcel Dekker, Inc. 24) [3] Surjosatyo, Adi. Fluidized Bed Incineration of Palm Shell & Oil Sludge Waste. Tesis, Program Magister Engineering Universiti Teknologi Malaysia, 998. [4] Basu, Prabir. Combustion and Gasification in Fluidized Beds (Taylor & Francis Group 26). [5] Muntaqo, Azmi. Studi Karakteristik Pembakaran Biomassa Tempurung Kelapa pada Fluidized Bed Combustor UI dengan Partikel Hamparan Pasir Berukuran Mesh 2-4. Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok, 2. [6] Prima, Nanda. Studi Karakteristik Pengujian Pembakaran Biomassa Tempurung Kelapa Ukuran x cm dan,5x,5 cm pada Fluidized Bed Combustor UI. Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok, 2. [7] Yuwana, Arya. Studi Kinerja Fluidized Bed Combustor Dengan Diversifikasi Bahan Bakar Cngkang Kelapa Ke Pemanfaatan Limbah Biomassa Daun Kering Di Lingkungan Kampus UI Depok. Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok, 22. [8] Sabrizal, Achmad. Kajian Eksperimental Aliran Dingin Pada Distributor Fkuidized Bed Combustor Universitas Indonesia Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok 23. [9] Alfiantoni, Syarief. Studi Implementasi Distributor dan Exhaust Pipe Modifikasi Pada Fluidized Bed Combustion Universitas Indonesia Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok 24. d 7 Studi variasi..., Aziz Fahmirriza Rusydi, FT UI, 25