TUGAS AKHIR KONVERSI ENERGI

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR KONVERSI ENERGI KARAKTERISASI GASIFIKASI BIOMASSA SERPIHAN KAYU PADA REAKTOR DOWNDRAFT SISTEM BATCH DENGAN VARIASI AIR FUEL RATIO (AFR) DAN UKURAN BIOMASSA OLEH : FERRY ARDIANTO ( ) DOSEN PEMBIMBING : Dr. Bambang Sudarmanta, ST. MT. JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

2 LATAR BELAKANG : Cadangan bahan bakar fosil yang menipis akibat pemakaian secara terus menerus Kebutuhan bahan bakar untuk energi yang semakin meningkat akibat pertumbuhan penduduk yang meningkat Saat ini pemakaian biomassa masih sangat sedikit sekali diakibatkan harga bahan bakar fosil lebih murah (subsidi pemerintah) Sehingga diperlukan tuntutan penggunaan energi alternatif yang dapat diperbahrui yaitu biomassa A

3 A Potensi biomassa limbah serbuk kayu banyak yang tidak termanfaatkan, ini dapat dilihat dari limbah serbuk kayu yang dibuang seenaknya oleh pelaku industri mebel Limbah serbuk kayu ini dapat dijadikan sebagai sumber energi alternatif baru yaitu gasifikasi, selain itu dapat membantu kebersihan lingkungan dari industri mebel yang membuang sembarangan.

4 POTENSI LIMBAH SERPIHAN KAYU Home industri mebel di kawasan Keputih dan Mulyosari

5 Home industri mebel di kawasan Sukomanunggal

6 RUMUSAN MASALAH : Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) memegang peranan yang sangat penting terhadap proses gasifikasi dimana : apabila suplai udara terlalu berlebih maka tidak akan terjadi gasifikasi melainkan pembakaran (combustion) jika suplai udara terlalu kurang akan terjadi proses pirolisis, dan hasil yang diharapkan dari proses gasifikasi yaitu gas yang mudah terbakar (combustible gas) (CO, H 2, CH 4 ) tidak terbentuk

7 maka dalam proses gasifikasi dibutuhkan suplai udara yang terbatas dengan pengaturan rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) tidak lebih dari 1, 5 sesuai dengan gambar proses thermo kimia. Sehingga perumusan masalah penelitian ini : mengoptimasi proses gasifikasi dengan 4 variasi rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) 0,79 ; 0,96 ; 1,1 ; 1,24 dengan ukuran panjang biomassa serpihan kayu antara (1-3) cm dan (1-7) mm untuk mendapatkan (AFR dan ukuran biomassa) yang terbaik ditinjau dari (kandungan dan LHV) syn-gas, Efisiensi gasifikasi, visualisasi nyala api.

8 PROSES THERMOKIMIA GASIFIKASI (ref. 1)

9 TUJUAN PENELITIAN : 1. Mendapatkan identifikasi zone-zone proses gasifikasi untuk bahan baku serpihan kayu. 2. Mendapatkan variasi (Air Fuel Ratio dan ukuran biomassa) yang terbaik terhadap komposisi yang terkandung pada syn-gas (Vol. %). 3. Mendapatkan variasi (Air Fuel Ratio dan ukuran biomassa) yang terbaik terhadap nilai kandungan energi dilihat dari LHV (Lower Heating value) syn-gas. 4. Mendapatkan variasi (Air Fuel Ratio dan ukuran biomassa) yang terbaik terhadap efisiensi gasifikasi. 5. Mendapatkan variasi (Air Fuel Ratio dan ukuran biomassa) yang terbaik terhadap visualisasi nyala api.

10 TINJAUAN PUSTAKA BIOMASSA : adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintetis. Keuntungan Biomassa : 1. Sumber ENERGI yang dapat diperbaharui 2. Jumlah yang melimpah di Indonesia 3. Meningkatkan perekonomian di daerah pedesaan 4. Mengurangi polusi dan efek rumah kaca 5. Hasil pembakaran biomassa relatif bersih

11 CONTOH MACAM-MACAM BIOMASSA : Corn Switch grass Corn stover Cotton woods Wood chips Coconut shell

12 GASIFIKASI : Teknologi Proses thermo-kimia yang mengubah segala jenis Biomassa padat menjadi Flammable Gas CO, H 2, dan CH 4

13 KARAKTERISTIK GASIFIKASI 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) Eksoterm Menghasilkan Panas 4. Reduction (400 C 900 C) Mereduksi CO2 dengan : - Water Gas Reaction - Boudouard Reaction - Shift Conversion - Methanation

14 KESETIMBANGAN MASSA DENGAN SISTEM CONTROL VOLUME (KONDISI TUNAK) Kesetimbangan Massa untuk sistem volume atur (Ref. 10) Kesetimbangan Massa untuk sistem volume atur kondisi tunak Dimana kondisi tunak, maka dm cv /dt = 0

15 KESETIMBANGAN ENERGI DENGAN SISTEM CONTROL VOLUME (KONDISI TUNAK) Kesetimbangan Energi untuk sistem volume atur (Ref. 10) Dimana kondisi tunak, maka de cv /dt = 0 *jika tidak ada kerja poros berputar atau kerja mekanis maka Wcv = 0 * Energi kinetik dan energi potensial dari zat yang masuk dan keluar volume atur diabaikan karena terlalu kecil dibandingkan dengan perpindahan energi lainnya sehingga menjadi :

16 Keterangan :

17 Efisiensi Gasifikasi (Ref. 3) Heat Loss V. D R e (Ref. 8) External flow : Ref. 8 Re < 2x10^5 = laminar Re > 2x10^5 = turbulen q conv = h A (T s - T ) *Nilai n diambil dari Pr *Nilai C, m diambil dari Re Sesuai tabel 2.3 * Semua nilai diambil dari Temp udara sekita kecuali Prs dari Ts

18 PENELITIAN TERDAHULU : Penelitian terdahulu mengenai proses gasifikasi terhadap serbuk kayu telah banyak dilakukan, diantaranya oleh Yijun Zhao, dkk pada makalahnya yang berjudul Experimental study on sawdust air gasification in an entrained-flow reactor (ref. 4) di tahun Penelitian tersebut menggunakan reaktor gasifikasi tipe updraft dengan pendekatan sistem batch. Penelitian ini menggunakan temperatur reaksi pada zona oksidasi parsial dibuat dengan variabel yaitu 700 C, 800 C, 900,C 1000 C dengan Ekivalen ratio antara 0,22 0,34 pada proses gasifikasi. Pada proses gasifikasi berlangsung diamati 4 parameter sebagi tahapan penelitiannya yaitu low heating value, produksi gas bahan bakar, konversi karbon, effisiensi gasifikasi.

19 Hasilnya menunjukkan dengan peningkatan temperatur reaksi, kosentrasi CO menurun, sebaliknya kosentrasi CO 2 dan H 2 naik, ini dapat dilihat hasil tabel dibawah ini :

20 Kosentrasi CH 4, C 2 H 4, low heating value mempunyai nilai maksimum pada temperatur reaksi yaitu 800 C. Ekivalen ratio optimal pada temperatur reaksi 800 C yaitu 0.28, dimana konversi karbon dan efisiensi gasifikasi mencapai nilai maksimum, ini dapat dilihat pada grafik di bawah ini :

21 Gambar Efek ekivalen ratio pada konversi karbon dan effisiensi gasifikasi

22 SKEMA PENELITIAN Seerpihan Kayu Temperatur dinding reaktor

23 BAHAN UJI (BIOMASSA) 1. Analisa Ultimate : Pada pengujian ini dapat diketahui karakteristik kandungan komposisi dari : karbon, hidrogen, nitrogen, belerang, dan oksigen yang dimiliki oleh biomassa. 2. Analisa Proxymate : Pada pengujian ini dapat diketahui kadar kandungan moisture, volatil matter, fixed carbon, dan abu (ash) yang dimiliki oleh biomassa. 3. Analisa Nilai Kalor : Pada pengujian ini dapat diketahui nilai kandungan kalor (Low Heating Value) yang di uji pada alat bomb kalorimeter dimana, nilai yang keluar dari alat tersebut yaitu dalam bentuk High Heating Value.

24 ANALISA ULTIMATE, PROXIMATE, LHV Deskripsi Data Analisis Ultimate Carbon C (weight.%) 43,01 Hydrogen H (weight.%) 6,42 Oxygen O (weight.%) 39,64 Nitrogen N (weight.%) 0,17 Sulphur S (weight.%) 0,02 Analisis Proximity Volatil matter (weight.%) 77,33 Moisture (weight.%) 8,69 Ash (weight.%) 2,28 Fixed carbon (weight.%) 11,7 Nilai Kalor biomassa serbuk kayu Low Heating Value 14,88 Analisa ultimate diambil dari sumber : jurnal Experimental study on sawdust air gasification in an entrained-flow reactor-yijun zhao dkk, untuk proximity dan LHV di uji di lab. PSE ITS

25 FLOWCHART PERCOBAAN :

26

27 DESAIN EXPERIMEN INPUT Variabel tetap Variabel bervariasi OUTPUT Pengukuran Perhitungan Visualisasi Sekali (1x) Data proses Bahan baku Suplai udara h manometer Temp. Titik Uji proximate Nyala api masuk 1,2,3,4,5 Massa biomassa V udara masuk Temp. LHV biomassa Dinding reaktor Dimensi reaktor V syngas Temp. m udara ke throat Sistem perpipaan Putaran dimmer V udara luar m udara ke biomasa Komposisi syngas Massa ash Massa char Temp. Udara ambient m syn-gas LHV syngas LHV ash LHV char Effisiensi gasifikasi Heat loss

28 ANALISA PEMBAHASAN DISTRIBUSI TEMPERATUR UNTUK UKURAN (1-3) CM, AFR (0,79 ;0,96 ;1,11 ;1,24) AFR 0,96 AFR 0,79 AFR 1,11 AFR 1,24

29 DISTRIBUSI TEMPERATUR UNTUK UKURAN (1-7) mm, AFR (0,79 ;0,96 ;1,11 ;1,24) AFR 0,79 AFR 0,96 AFR 1,11 AFR 1,24

30 Analisis Rasio Udara-Bahan Bakar (AFR) (Ref. 10) Dengan kondisi laju alir biomassa serpihan kayu yang konstan, Nilai Air Fuel Ratio (AFR) semakin naik seiring naiknya kecepatan suplai udara yang masuk kedalam throat. Dimmer L manometer Air fuel ratio (rasio udara nomor (mm) bahan bakar) 4 2 0, , , ,24 AFR Air fuel ratio (rasio udara bahan bakar) = f ( V udara ) 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 V udara (m/s)

31 Kandungan syn-gas ukuran panjang biomassa (1-3) cm (1-7) mm,afr (0,79 ;0,96 ;1,11 ;1,24) Panjang serpihan kayu Rasio udarabahan bakar Komposisi Synthetic gas (% Vol.) CO H2 CH4 CO2 N2 O2 (1-3) cm 0,79 21,99 5, , , , ,64601 (1-3) cm 0,96 18,93 5, , , , ,38359 (1-3) cm 1,11 17,01 4, , , , ,22607 (1-3) cm 1,24 14,36 4,3951 5, , , ,81654 (1-7) mm 0,79 23,99 5, , , , ,97303 (1-7) mm 0,96 19,33 5, , , , ,53598 (1-7) mm 1,11 17,53 4, , , , ,57891 (1-7) mm 1,24 15,03 4, , , , ,79713

32 Analisis Nilai Kalor Ditinjau dari LHV Synthetic Gas (Low heating Value) Dari prosentase komposisi Synthetic gas dapat dilakukan perhitungan Low heating value (LHV) pada synthetic gas dengan persamaan (Ref. 3) Ukuran serpihan kayu Rasio udara bahan bakar Nilai kandungan energi (Air Fuel Ratio) LHVsynthetis gas (kj/m3) (1-3) cm 0, , (1-3) cm 0, , (1-3) cm 1, , (1-3) cm 1, , (1-7) mm 0, , (1-7) mm 0, , (1-7) mm 1, , (1-7) mm 1, , Nilai LHV synthetis gas semakin turun seiring dengan peningkatan nilai rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio)

33 Kesetimbangan massa (masuk dan keluar) berdasarkan Air Fuel Ratio dan ukuran serpihan kayu ukuran panjang Air fuel ratio dimmer Kesetimbangan massa masuk kesetimbangan massa keluar serpihan (rasio udara nomor laju alir massa laju alir massa laju alir massa laju alir massa laju alir massa kayu bahan bakar) serpihan kayu (kg/s) udara (kg/s) ash (kg/s) char (kg/s) Syn-gas (kg/s) (1-3) cm 0, , , , ,83194E-06 0, (1-3) cm 0, , , ,52583E-05 0, , (1-3) cm 1, , , , ,30417E-06 0, (1-3) cm 1, , , ,94611E-05 1,04139E-05 0, (1-7) mm 0, , , ,23569E-05 7,69722E-06 0, (1-7) mm 0, , , ,22181E-05 7,9625E-06 0, (1-7) mm 1, , , ,24681E-05 6,55972E-06 0, (1-7) mm 1, , , ,26819E-05 6,26806E-06 0,

34 Kesetimbangan Energi Energi yang masuk sistem adalah energi yang berupa serpihan kayu yang memiliki Low Heating Value (LHV) tertentu dan energi dari udara masukan. Energi outputnya berupa energi berguna, yaitu energi syngas, char, ash, dan heat loss. Dari data tersebut nantinya bisa ditentukan nilai efisiensi sistem. ukuran panjang Air fuel ratio kesetimbang an energi masuk kesetimbangan energi keluar energi Total selisih serpihan (rasio udara E.serpihan energi udara energi syn-gas energi ash energi char losses syngas kes.energi masuk kayu bahan bakar) kayu (kw) (kw) (kw) (kw) (kw) dan konveksi (kw) k.enrgi keluar(kw) (1-3) cm 0, , , , , , , (1-3) cm 0, , , , , , , (1-3) cm 1, , , , , , , (1-3) cm 1, , , , , , , (1-7) mm 0, , , , , , , (1-7) mm 0, , , , , , , (1-7) mm 1, , , , , , , (1-7) mm 1, , , , , , ,

35 Efisiensi Gasifikasi ukuran panjang biomassa (1-3) cm (1-7) mm,afr (0,79 ;0,96 ;1,11 ;1,24) Ukuran serpihan kayu Rasio udara bahan Efisiensi Gasifikasi (%) bakar (Air Fuel Ratio) (1-3) cm 0,79 65, (1-3) cm 0,96 66, (1-3) cm 1,11 65, (1-3) cm 1,24 64, (1-7) mm 0,79 66, (1-7) mm 0,96 67, (1-7) mm 1,11 66, (1-7) mm 1,24 64,

36 SANKEY DIAGRAM :

37 KESIMPULAN : Nilai Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) semakin naik, maka mengakibatkan kosentrasi kandungan synthetis gas pada gas mudah terbakar (combustible gas) cenderung mengalami penurunan, sebaliknya gas O 2, N 2, CO 2 mengalami kenaikan secara perlahan. Nilai Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) yang terbaik, untuk ukuran panjang serpihan kayu (1-3) cm dan (1-7) mm ditinjau dari total kosentrasi kandungan synthetis gas pada gas mudah terbakar (combustible gas) yaitu pada AFR 0,79 untuk panjang serpihan kayu (1-3) cm sebesar 29,63 %, untuk panjang serpihan kayu (1-7) mm sebesar 31,57 % Nilai Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) semakin naik, maka mengakibatkan penurunan nilai kandungan energi ditinjau dari Low Heating Value synthetis gas diakibatkan kandungan synthetis gas pada gas mudah terbakar (combustible gas) cenderung mengalami penurunan

38 Nilai Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) yang terbaik, untuk ukuran panjang serpihan kayu (1-3) cm dan (1-7) mm ditinjau dari nilai kandungan energi (Low Heating Value) synthetis gas yaitu pada AFR 0,79 untuk panjang serpihan kayu (1-3) cm sebesar 5019,44 kj/m3, untuk panjang serpihan kayu (1-7) mm sebesar 5318,42 kj/m3 Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) yang terbaik, untuk ukuran panjang serpihan kayu (1-3) cm dan (1-7) mm ditinjau dari efisieni gasifikasi (%) yaitu pada AFR 0,96. Dimana nilai efisiensi gasifikasi sebesar 67,798 % untuk ukuran panjang serpihan kayu (1-7) mm dan nilai efisiensi gasifikasi sebesar 66,627 % untuk ukuran panjang serpihan kayu (1-3) cm. Nilai Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) yang terbaik, untuk ukuran panjang serpihan kayu (1-3) cm dan (1-7) mm ditinjau dari visualisasi nyala api yaitu pada AFR 0,96 nyala api berwarna biru

39 Visualisasi nyala api ukuran panjang biomassa (1-3) cm, AFR (0,79 ;0,96 ;1,11 ;1,24) AFR 0,79 AFR 0,96 AFR 1,11 AFR 1,24

40 Visualisasi nyala api ukuran panjang biomassa (1-7) mm, AFR (0,79 ;0,96 ;1,11 ;1,24) AFR 0,79 AFR 0,96 AFR 1,11 AFR 1,24

41 KRITIK DAN SARAN SANGAT SAYA HARAPKAN DEMI KESEMPURNAAN TUGAS AKHIR