PENGARUH VARIASI RASIO UDARA-BAHAN BAKAR (AIR FUEL RATIO) TERHADAP GASIFIKASI BIOMASSA BRIKET SEKAM PADI PADA REAKTOR DOWNDRAFT SISTEM BATCH

PENGARUH VARIASI RASIO UDARA-BAHAN BAKAR (AIR FUEL RATIO) TERHADAP GASIFIKASI BIOMASSA BRIKET SEKAM PADI PADA REAKTOR DOWNDRAFT SISTEM BATCH Oleh : ASHARI HUTOMO (2109.105.001) Pembimbing : Dr. Bambang Sudarmanta, ST. MT. JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Kebutuhan & Ketergantungan terhadap Minyak Bumi LATAR BELAKANG Indonesia Negara Agraris Krisis Energi Sekam Padi Melimpah Tuntutan Penggunaan Energi Alternatif Yang Renewable Sumber Energi Baru JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

BIOMASSA BIOMASSA adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintetik. Biomassa dapat digunakan sebagai sumber ENERGI (Bahan Bakar).

Proses Konversi Biomasssa

Proses Gasifikasi Biomassa Padat Gasifikasi Energi Renewable Downdraft Kelebihan : Mampu menghasilkan gas yang rendah Tar JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Perumusan Masalah Bagaimana mendapatkan karakterisasi gasifikasi biomassa briket sekam padi yang dinyatakan dalam parameterparameter 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 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

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. JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Tinjauan Pustaka Biomass Energy Sekam Padi Pencacahan Pencampuran Pengeringan Pembriketan Komposisi Briket Sekam Padi : Bahan : Sekam Padi Halus Pengikat : Organik (Kanji) Ukuran : 5cm x 5cm Tekanan : 600 Kg/cm 2 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

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 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Analisa Ultimate & Proximate Karakteristik Briket Sekam Padi Kandungan (%) Kandungan (%) Moisture Content Parameter Proximate Volatile Ash Matter Content Fixed Carbon Nilai Kalor (kj/kg) 9,19 65,34 16,98 16,89 15545 Parameter Ultimate [Satake] C H O N S 37,7 5,4 36,15 0,32 0,04 Kandungan karbon dan oksigen menunjukan jumlah yang cukup dominan, unsur-unsur ini menjadi komponen utama dalam reaksi pembentukan syngas Penelitian yang dilakukan Dimas [12] dan Daniar [13] didapatkan nilai Kalor sekam padi sebesar 12453 kj/kg JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Gasifikasi Flammable Gas CO, H 2, dan CH 4 Teknologi Proses Konversi Biomassa JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Reaksi Pada Reaktor 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 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Kesetimbangan Energi dan Massa Kesetimbangan Massa Σ m in = Σ m out Energi Masuk m biomassa + m udara = m char + m ash + m syngas Kesetimbangan Energi Σ E in = Σ E out E biomassa + E udara = E char + E ash + E syngas + Heat Loss RRRRRRR Dimana : E biomassa = m biomassa LHV biomassa E udara = m udara Cp udara T udara E char = m char LHV char E ash = m ash LHV ash E syngas = m syngas LHV syngas ρ ssssss Energi Keluar

Perumusan Efisiensi Gasifikasi η rrrrrrr = Heat Loss Reaktor m Nu D = C Re Reaktor EEEEEE SSSSSS EEEEEE BBBBBB SSSSS PPPP q conv = h A (T s - T ) Pr n Pr P rreaktor 1 4 R e = ν udara D RRRRRRR ϑ h = Nu D K r D Reaktor JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

PENELITIAN TERDAHULU Karakteristik Proses Gasifikasi Downdraft Berbahan Baku Sekam Padi Dengan Desain Sistem Pemasukkan Biomassa Secara Kontinyu Dengan Variasi Perbandingan Udara-Bahan Bakar (AFR) Dimas, 2010 drying zone pada suhu 50 200 0 C, pirolisis sampai suhu 500 0 C, oksidasi parsial sampai suhu 621 0 C dan reduksi pada suhu 200 400 0 C, Komposisi syngas yang dihasilkan pada variasi AFR terbaik 1,25 didapatkan kadar sebagai berikut: H 2 = 14,22 %, O 2 = 8,29 %, N 2 = 51,12 %, CO 2 = 8,82%, CO = 15,33%, CH 4 = 1,52%, dan C 2 H 6 = 0,22% Low Heating Value (LHV) sebesar 3289,38 kj/kg. Secara menyeluruh, efisiensi dari reaktor gasifikasi mencapai 39,68 %.

Aplikasi Water Pump Electric Generator Diesel Engine JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Skema Penelitian JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011

Flowchart Pembuatan Briket Sekam Padi

Flowchart Penelitian

Penentuan Setting Kecepatan Udara Masuk Berdasarkan AFR Perhitungan Manual AFR V Udara Hitung (m/s) AFR = ṁ Udara ṁ Briket Sekam Padi 0,5 2,2537 0,8 3,6059 1,1 4,9582 1,4 6,3104 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 Profil Distribusi Temperatur pada Reaktor Temperatur ( C) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 Time (menit) T1 T2 T3 T4 T5 Temperatur ( C) 1000 800 600 400 200 0 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 Time (menit) T1 T2 T3 T4 T5 AFR 0,5 AFR 0,8 1000 1000 Temperatur ( C) 800 600 400 200 T1 T2 T3 T4 Temperatur ( C) 800 600 400 200 T1 T2 T3 T4 0 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 T5 0 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 T5 Time (menit) Time (menit) AFR 1,1 AFR 1,4

Komposisi Syngas (AFR 0,8) Hasil Uji Komposisi SynGas Komponen Satuan Nilai H 2 % vol 17,83 CH 4 % vol 2,35 CO % vol 19,78 N 2 % vol 49,48 CO 2 % vol 7,34 O 2 % vol 3,22 LHV syngas LHV Syngas = (Y CO LHV CO ) + (Y CC4 LHV CC4 ) + (Y H2 LHV H2 ) = 19,78 12696 kj + 2,35 10768 kj + ( 17,83 35866 kj LHV Syngas 100 Nm 3 100 Nm 3 100 = 9159,22 kk Nm 3 LHV Syngas Nm 3)

Kesetimbangan Massa Hasil Perhitungan Massa Masuk dan Keluar selama 100 menit Dimmer Kesetimbangan Massa Masuk (Kg/s) Kesetimbangan Massa Keluar (Kg/s) Selisih AFR Nomor 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

Kesetimbangan Energi Hasil Perhitungan Energi Masuk dan Keluar selama 100 menit AFR Kesetimbangan Energi Masuk (kj/s = kwatt) Kesetimbangan Energi Keluar (kj/s = kwatt) Selisih Energi Energi Briket Energi Energi Losses Energi Udara Energi Char Energi Ash Heatloss Sekam Padi Syn-gas Syngas 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

Efisiensi Reaktor Gasifikasi AFR V syngas (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 m Syngas = ρ Syngas ν Syngas A Burner E Syngas = m Syngas LHV Syngas Grafik Efisiensi Gasifikasi Grafik Perbandingan AFR terhadap LHV Syngas 50 10000 Effisiensi Gasifikasi (%) 40 30 20 10 AFR 0,5 AFR 0,8 AFR 1,1 AFR 1,4 LhV Syngas (kj/nm3) 8000 6000 4000 2000 AFR 0,5 AFR 0,8 AFR 1,1 AFR 1,4 0 VARIASI AFR 0 Variasi AFR

Visualisasi Nyala Api AFR 0,5 Dimmer no 3 Menit ke 2 7 menit, T = 290 C CO 18,14 % H2 16,54 % CH4 2,07 % CO2 8,29 % N2 50,32 % O2 4,64 % Menit ke 5

Visualisasi Nyala Api AFR 0,8 Dimmer no 5 Video 10 menit, T = 320 C CO 19,78 % H2 17,83 % CH4 2,35 % CO2 7,34 % N2 49,48 % O2 3,22 %

Visualisasi Nyala Api AFR 1,1 Dimmer no 7 Video 13 menit, T = 330 C CO 15,73 % H2 12,91 % CH4 1,74 % CO2 9,08 % N2 54,31 % O2 6,23 %

Visualisasi Nyala Api AFR 1,4 Dimmer no 9 Video 15 menit, T = 340 C CO 13,79 % H2 9,93 % CH4 1,43 % CO2 10,36 % N2 57,12 % O2 7,37 %

Sankey Diagram (AFR 0,8) Heat Loss Reaktor (Konveksi) Energy (Char + Ash) Briket Sekam Padi 99,25 % Useful Energy (Syngas) Udara 0,75 % Losses Syngas Losses Energy (Unknown) 24,52 % Losses Unknown : 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.

Kesimpulan Nilai variasi AFR terbaik adalah AFR 0,8 karena memiliki kandungan energi LHV (Lower Heating Value) syngas tertinggi sebesar 9159,22 kk Nm 3 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, H 2, CH 4, N 2, CO 2, 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 (CH 4 ) 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 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012

Komposisi Syngas Kosentrasi Kandungan Syngas Kandungan Energi AFR 0,5 CO (% Vol) 18,14 H2 (% Vol) 16,54 CH4 (% Vol) 2,07 CO2 (% Vol) 8,29 N2 (% Vol) 50,32 O2 (% Vol) 4,64 LHVi (CO) kj/nm3 12696 LHV Syngas kj/nm3 8458,19 0,8 19,78 17,83 2,35 7,34 49,48 3,22 LHVi (H2) 9159,22 1,1 15,73 12,91 1,74 9,08 54,31 6,23 kj/nm3 6814,74 1,4 13,79 9,93 1,43 10,36 57,12 7,37 35866 5466,25 LHVi (CH4) kj/nm3 10768 Temp. T5 Kapasitas Panas Spesifik Tiap-Tiap Gas Pada Temperatur Syngas (Cp = kj/kg.k) AFR Syngas Cp Syn-gas Cp Gas CO Cp Gas H2 Cp Gas CH4 Cp Gas CO2 Cp Gas N2 Cp Gas O2 ( K) 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 Temp. T5 Massa Jenis Tiap-Tiap Gas Pada Temperatur Syngas (kg/nm3) (Kg/m3) AFR Syngas ρ Syngas ρ Gas CO ρ Gas H2 ρ Gas CH4 ρ Gas CO2 ρ Gas N2 ρ Gas O2 ( K) 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