View
11
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
OLEH :
FERRY ARDIANTO (2109 105 039)
DOSEN PEMBIMBING :
Dr. Bambang Sudarmanta, ST. MT.
KARAKTERISASI GASIFIKASI BIOMASSA SERPIHAN KAYU
PADA REAKTOR DOWNDRAFT SISTEM BATCH DENGAN
VARIASI AIR FUEL RATIO (AFR) DAN UKURAN BIOMASSA
TUGAS AKHIR – KONVERSI ENERGI
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
Kebutuhan bahan bakaruntuk energi yang semakinmeningkat akibatpertumbuhan pendudukyang meningkat
Sehingga diperlukan tuntutanpenggunaan energi alternatif yangdapat diperbahrui yaitu biomassa
Cadangan bahan bakar fosilyang menipis akibatpemakaian secara terusmenerus
Saat ini pemakaian biomassa masihsangat sedikit sekali diakibatkanharga bahan bakar fosil lebih murah(subsidi pemerintah)
A
LATAR BELAKANG :
Potensi biomassa limbah serbukkayu banyak yang tidaktermanfaatkan, inidapat dilihat dari limbah serbukkayu yang dibuang seenaknya olehpelaku industri mebel
Limbah serbuk kayu ini dapatdijadikan sebagai sumber energialternatif baru yaitu gasifikasi,selain itu dapat membantukebersihan lingkungan dariindustri mebel yang membuangsembarangan.
A
Home industri mebel di kawasan Keputih dan Mulyosari
POTENSI LIMBAH SERPIHAN KAYU
•Home industri mebel di kawasan Sukomanunggal
RUMUSAN MASALAH :
Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) memegangperanan yang sangat penting terhadap prosesgasifikasi dimana :
apabila suplai udara terlalu berlebih maka tidak akanterjadi gasifikasi melainkan pembakaran (combustion)
jika suplai udara terlalu kurang akan terjadi prosespirolisis, dan hasil yang diharapkan dari prosesgasifikasi yaitu gas yang mudah terbakar (combustiblegas) (CO, H2, CH4) tidak terbentuk
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.
PROSES THERMOKIMIA GASIFIKASI(ref. 1)
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.
TUJUAN PENELITIAN :
BIOMASSA : adalah bahan organik yang dihasilkanmelalui proses fotosintetis.
Keuntungan Biomassa :
1. Sumber ENERGI yang dapat diperbaharui
2. Jumlah yang melimpah di Indonesia
3. Meningkatkan perekonomian di daerahpedesaan
4. Mengurangi polusi dan efek rumah kaca
5. Hasil pembakaran biomassa relatif bersih
TINJAUAN PUSTAKA
Corn Switch grass
Cotton woods
Corn stover
Wood chips
Coconut shell
CONTOH MACAM-MACAM BIOMASSA :
Teknologi Proses thermo-kimia yang mengubah
segala jenis Biomassa padat
menjadi Flammable Gas CO, H2, dan CH4
GASIFIKASI :
Tahapan Proses :
1. Drying Zone (100 °C – 300 °C)
Endoterm → MenghilangkanKandungan 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
KARAKTERISTIK GASIFIKASI DOWNDRAFT
KESETIMBANGAN MASSA DENGAN SISTEM
CONTROL VOLUME (KONDISI TUNAK)
Kesetimbangan Massa untuk sistem volume atur
Kesetimbangan Massa untuk sistem volume atur kondisi tunak
Dimana kondisi tunak, maka dmcv/dt = 0
(Ref. 10)
KESETIMBANGAN ENERGI DENGAN SISTEM
CONTROL VOLUME (KONDISI TUNAK)
Kesetimbangan Energi untuk sistem volume atur
Dimana kondisi tunak, maka dEcv/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 :
(Ref. 10)
Keterangan :
Efisiensi Gasifikasi
Heat Loss
qconv = h A (Ts - T )
DVRe
.
(Ref. 3)
(Ref. 8) External flow : Ref. 8
Re < 2x10^5 = laminar
Re > 2x10^5 = turbulen
*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
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 2010.
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.
PENELITIAN TERDAHULU :
Hasilnya menunjukkan dengan peningkatan temperatur reaksi,
kosentrasi CO menurun, sebaliknya kosentrasi CO2 dan H2 naik, ini
dapat dilihat hasil tabel dibawah ini :
Kosentrasi CH4, C2H4, low heating valuemempunyai nilai maksimum pada temperaturreaksi yaitu 800˚C. Ekivalen ratio optimal padatemperatur reaksi 800˚C yaitu 0.28, dimanakonversi karbon dan efisiensi gasifikasi mencapainilai maksimum, ini dapat dilihat pada grafik dibawah ini :
Gambar Efek ekivalen ratio pada konversi karbon dan effisiensi gasifikasi
Seerpihan Kayu
Temperatur dinding reaktor
SKEMA PENELITIAN
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.
BAHAN UJI (BIOMASSA)
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
ANALISA ULTIMATE, PROXIMATE, LHV
FLOWCHART PERCOBAAN :
INPUT OUTPUT
Variabel tetap Variabel
bervariasi
Pengukuran Perhitungan Visualisasi
Sekali (1x) Data proses
Bahan baku Suplai udara
masuk
∆h manometer Temp. Titik
1,2,3,4,5
Uji proximate Nyala api
Massa biomassa V udara masuk Temp.
Dinding
reaktor
LHV biomassa
Dimensi reaktor V syngas Temp.
Sistem
perpipaan
m ̇ udara ke throat
Putaran dimmer V udara luar m ̇ udara ke biomasa
Komposisi syngas m ̇ syn-gas
Massa ash LHV syngas
Massa char LHV ash
Temp. Udara
ambient
LHV char
Effisiensi gasifikasi
Heat loss
DESAIN EXPERIMEN
ANALISA PEMBAHASAN DISTRIBUSI TEMPERATUR UNTUK UKURAN (1-3) CM, AFR (0,79 ;0,96 ;1,11 ;1,24)
AFR 0,79AFR 0,96
AFR 1,11 AFR 1,24
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
Dimmer ∆L manometer Air fuel ratio
(rasio udara
nomor (mm) bahan bakar)4 2 0,796 3 0,968 4 1,1110 5 1,24
Analisis Rasio Udara-Bahan Bakar (AFR)
Dengan kondisi laju alir biomassa serpihan kayu yang konstan, Nilai Air Fuel Ratio (AFR) semakin naik seiring naiknya kecepatan suplai udarayang masuk kedalam throat.
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00
AF
R
V udara (m/s)
Air fuel ratio (rasio udara bahan bakar) = f ( V udara )
(Ref. 10)
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 udara-
bahan bakar
Komposisi Synthetic gas (% Vol.)
CO H2 CH4 CO2 N2 O2
(1-3) cm 0,79 21,99 5,59789 2,0417 12,73917 49,98523 7,64601
(1-3) cm 0,96 18,93 5,19365 5,42276 12,87131 41,19869 16,38359
(1-3) cm 1,11 17,01 4,79341 4,98052 13,26141 43,72859 16,22607
(1-3) cm 1,24 14,36 4,3951 5,55557 13,96489 45,9079 15,81654
(1-7) mm 0,79 23,99 5,79989 1,78738 12,89085 48,55885 6,97303
(1-7) mm 0,96 19,33 5,38998 5,17623 13,05853 40,50928 16,53598
(1-7) mm 1,11 17,53 4,85131 4,89251 13,33939 42,80788 16,57891
(1-7) mm 1,24 15,03 4,51593 5,17735 13,79393 44,68566 16,79713
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
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
Nilai LHV synthetis gas
semakin turun seiring
dengan peningkatan nilai
rasio udara-bahan bakar (Air
Fuel Ratio)
Ukuran serpihan kayu Rasio udara bahan bakar
(Air Fuel Ratio)
Nilai kandungan energi
LHVsynthetis gas (kJ/m3)
(1-3) cm 0,79 5019,439883
(1-3) cm 0,96 4850,030106
(1-3) cm 1,11 4415,096424
(1-3) cm 1,24 3997,715944
(1-7) mm 0,79 5318,424026
(1-7) mm 0,96 4944,683473
(1-7) mm 1,11 4492,405121
(1-7) mm 1,24 4085,389302
(Ref. 3)
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 0,785603528 4 0,000763889 0,000600114 0,000018875 7,83194E-06 0,001337296
(1-3) cm 0,962163892 6 0,000763889 0,000734986 2,52583E-05 0,00001265 0,001460967
(1-3) cm 1,111011164 8 0,000763889 0,000848689 0,000018375 6,30417E-06 0,001587899
(1-3) cm 1,242148243 10 0,000763889 0,000948863 1,94611E-05 1,04139E-05 0,001682877
(1-7) mm 0,785603528 4 0,000763889 0,000600114 1,23569E-05 7,69722E-06 0,001343949
(1-7) mm 0,962163892 6 0,000763889 0,000734986 1,22181E-05 7,9625E-06 0,001478695
(1-7) mm 1,111011164 8 0,000763889 0,000848689 1,24681E-05 6,55972E-06 0,00159355
(1-7) mm 1,242148243 10 0,000763889 0,000948863 1,26819E-05 6,26806E-06 0,001693802
Energi yang masuk sistem adalah energi yangberupa serpihan kayu yang memiliki LowHeating Value (LHV) tertentu dan energi dariudara masukan.
Energi outputnya berupa energi berguna, yaituenergi syngas, char, ash, dan heat loss.
Dari data tersebut nantinya bisa ditentukan nilaiefisiensi sistem.
Kesetimbangan Energi
ukuran panjang Air fuel ratio
kesetimbangan
energi masuk kesetimbangan energi keluar energi Total selisih
serpihan (rasio udara E.serpihan energi udara energi syn-gas energi ash energi char losses syngaskes.energi
masuk
kayu bahan bakar) kayu (kW) (kW) (kW) (kW) (kW)dan konveksi
(kW)k.enrgi
keluar(kW)(1-3) cm 0,785603528 11,3666667 0,169241695 7,483608537 0 0,109532234 0,661794759 3,111731138(1-3) cm 0,962163892 11,3666667 0,207277898 7,573306454 0 0,176914273 0,696009682 2,920436258(1-3) cm 1,111011164 11,3666667 0,239343901 7,486725201 0 0,088165776 0,675688979 3,116086711(1-3) cm 1,242148243 11,3666667 0,267594616 7,285082295 0 0,145641548 0,725693628 3,210249196
(1-7) mm 0,785603528 11,3666667 0,169241695 7,53580871 0 0,1076481 0,690650033 3,032559823(1-7) mm 0,962163892 11,3666667 0,207277898 7,706377072 0 0,111358095 0,735838363 2,813093136(1-7) mm 1,111011164 11,3666667 0,239343901 7,544120805 0 0,091739801 0,753426043 2,977380017(1-7) mm 1,242148243 11,3666667 0,267594616 7,344090588 0 0,08766075 0,764931517 3,169983811
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
bakar (Air Fuel Ratio)
Efisiensi Gasifikasi (%)
(1-3) cm 0,79 65,83819827
(1-3) cm 0,96 66,62732951
(1-3) cm 1,11 65,86561761
(1-3) cm 1,24 64,09163309
(1-7) mm 0,79 66,29743733
(1-7) mm 0,96 67,79803876
(1-7) mm 1,11 66,37056427
(1-7) mm 1,24 64,61076764
SANKEY DIAGRAM :
KESIMPULAN :
Nilai Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) semakin naik, makamengakibatkan kosentrasi kandungan synthetis gas pada gas mudahterbakar (combustible gas) cenderung mengalami penurunan, sebaliknyagas O2, N2, CO2 mengalami kenaikan secara perlahan.
Nilai Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) yang terbaik, untuk ukuranpanjang serpihan kayu (1-3) cm dan (1-7) mm ditinjau dari totalkosentrasi 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 sebesar31,57 %
Nilai Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) semakin naik, makamengakibatkan penurunan nilai kandungan energi ditinjau dari LowHeating Value synthetis gas diakibatkan kandungan synthetis gas padagas mudah terbakar (combustible gas) cenderung mengalami penurunan
Nilai Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) yang terbaik, untukukuran panjang serpihan kayu (1-3) cm dan (1-7) mm ditinjau darinilai kandungan energi (Low Heating Value) synthetis gas yaitupada AFR 0,79 untuk panjang serpihan kayu (1-3) cm sebesar5019,44 kJ/m3, untuk panjang serpihan kayu (1-7) mm sebesar5318,42 kJ/m3
Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) yang terbaik, untukukuran panjang serpihan kayu (1-3) cm dan (1-7) mm ditinjau dariefisieni gasifikasi (%) yaitu pada AFR 0,96. Dimana nilai efisiensigasifikasi sebesar 67,798 % untuk ukuran panjang serpihan kayu(1-7) mm dan nilai efisiensi gasifikasi sebesar 66,627 % untukukuran panjang serpihan kayu (1-3) cm.
Nilai Rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) yang terbaik, untukukuran panjang serpihan kayu (1-3) cm dan (1-7) mm ditinjau darivisualisasi nyala api yaitu pada AFR 0,96 nyala api berwarna biru
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 1,24AFR 1,11
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 1,24AFR 1,11
KRITIK DAN SARAN SANGAT SAYA HARAPKAN DEMI KESEMPURNAAN TUGAS AKHIR
Recommended