3.3 Skema Ruang Bakar Fluidized Bed Combustion
Gambar 3.8 Ruang Bakar Fluidized Bed Combustion
FDFBlower
Abu
IDFBlower
Flue Gas Analyzer
Flow Meter Katub
Udara
Gas Asap
Udara Gas Asap
Universitas Sumatera Utara
Peralatan utama ruang bakar berupa tabung vertikal yang terbuat dari bahan baja karbon. Selama eksperimen oksidan yang digunakan dalam proses pembakaran
adalah udara atmosfir yang disuplai oleh sebuah Force Draught Fan FDFblower dengan daya 4 hp. Udara memiliki dua fungsi, yaitu sebagai reaktan dan sebagai
medium fluidisasi. Laju aliran udara yang masuk ruang bakar melalui nozel distributor diukur menggunakan alat anemometer. Untuk menghindari fluktuasi
tekanan udara dalam ruang bakar akibat ketidakstabilan motor blower atau faktor eksternal lainnya, udara keluaran blower terlebih dahulu ditampung dalam sebuah
kotak udara di bagian bawah distributor udara untuk selanjutnya masuk ke ruang bakar.
Bahan bakar dimasukkan ke dalam ruang bakar menggunakan konveyor ulir melalui bagian atas ruang bakar. Sedangkan LPG digunakan sebagai pemanasan awal
ruang bakar yang menaikkan suhu bed, sehingga di atas titik nyala bahan bakar. Gas hasil pembakaran kemudian masuk ke cyclone untuk memisahkan partikel-partikel
berat yang bercampur dengan producer gas. Setelah melalui cyclone, gas dialirkan melalui pipa pembuangan dengan menggunakan Induced Draught FanBlower IDF.
Pengambilan data dicatat secara manual ketika suhu pembakaran kira-kira mencapai keadaan konstan 900
C
Universitas Sumatera Utara
3.4. Rancangan Pembakaran Sistem Fluidisasi
Data-data yang ditetapkan dalam merancang pembakaran sistem fluidisasi adalah 1. Udara
To = 30
o
C ρ
g
= 1,16 kgm
3
μ= 1,86 x 10
-5
N-sm
2
2. Pasir Pasir adalah bagian terpenting dalan pembakaran fluidisasi yang berfungsi
sebagai medium penyimpan panas hasil reaksi pembakaran. Pasir dipilih dari pasir sungai yang memiliki sifat tahan panas. Pasir yang digunakan pasir yang lolos ayakan
ukuran 20 mesh dan tertahan pada ayakan ukuran 35 mesh .
Permukaan pasir akan meningkatkan bidang kontak antara permukaan panas dengan udara yang akan dilaluinya, sehingga saat mencapai ruang bakar diharapkan
suhu udara sudah mendekati suhu pembakaran. Setelah melewati zona ini, udara selanjutnya masuk ke ruang bakar dan bereaksi secara kimiawi dengan bakan bakar.
Dari hasil analisa sifat-sifat fisis pasir didapat data-data sebagai berikut: Diameter , dp = 417 - 833
μm Sifat bentuk bola,
φ
S
= 0,86 Fraksi gelembung fraction void,
ε
mf
= 0,48 Massa jenis pasir,
ρ
S
= 1,4429 gml atau 1442,9 kgm
3
Universitas Sumatera Utara
3.4.1. Pemilihan Zona Fluidisasi
Teknologi fluidized bed adalah merupakan lapisan alas bed berisi partikel padat atau fluidisasi oleh kekuatan udara melalui lapisan alas. Bila kecepatan udara
dinaikkan di atas kecepatan minimum fluidisasi, aliran udara melalui lapisan membentuk gelembung. Zona seperti ini dinamakan Bubbling Fluidized Bed BFB.
Metode untuk menentukan kecepatan minimum fluidisasi dengan eksperimen adalah menentukan titik perpotongan garis kejatuhan tekanan teoritis maksimum
WA
b
pada grafik hubungan kejatuhan tekanan ekspansi lapisan alas terhadap kecepatan udara yang dikeluarkan blower.
Pengambilan data kejatuhan tekanan udara dilakukan dengan mengatur laju aliran udara blower untuk tiap pembukaan katup pada pipa tekan blower setiap 10
dimulai dari 0 hingga 90 . Ketika pembukaan katup sebesar 10
, diukur kejatuhan tekanan udara di alat manometer. Setelah diukur kejatuhan tekanannya, katup
kembali dibuka tiap 10 hingga 90
lalu diukur kembali besar kejatuhan tekanannya.
Tinggi bed 7,50 cm
Berdasarkan data hasil pengujian yang dilakukan kemudian ditampilkan dalam bentuk Tabel 3.3 seperti di bawah ini.
Tabel 3. 3 Hasil Eksperimen Kejatuhan Tekanan dengan Kecepatan Fluidisasi
Posisi katup
o
U
O
ms Q
m
3
s ΔP
cm H
2
O 10
20 30
0,109219 0,008239
0,2 0,8
1,8
Universitas Sumatera Utara
40 50
55 60
70 80
90 0,157169
0,261062 0,332987
0,391592 0,511467
0,660645 0,745889
0,011856 0,019694
0,025120 0,029541
0,038584 0,049838
0,056269 3,7
5,2 5,3
5,6 5,7
6,2 6,3
Berdasarkan hasil pada pengujian di atas , dapat diubah dalam bentuk grafik
hubungan antara kejatuhan tekanan versus kecepatan udara seperti pada Gambar 3.9.
1 2
3 4
5 6
7 8
0.1 0.2
0.3 0.4
0.5 0.6
0.7 0.8
Uo ms K
a ja
tu ha
n te
k a
n a
n c
m H
2 O
Gambar 3.9 Hubungan Kejatuhan Tekanan vs Kecepatan Udara pada Tinggi Bed 7,5 cm
Kejatuhan tekanan teoritis maksimum:
Pa m
s m
m m
m kg
A g
V A
W
b b
s b
5315 ,
1060 31
, 4
8 ,
9 .
075 ,
. 31
, 4
. 9
, 1442
. .
2 2
2 3
= =
=
π π
ρ
= 10,8234 cm H
2
O
Universitas Sumatera Utara
Dari grafik pada Gambar 3.9, tidak didapatkan garis perpotongan kejatuhan tekanan teoritis maksimum pada garis kejatuhan tekanan ekspansi lapisan alas. Oleh karena
itu, proses ekspansi lapisan alas tidak mengalami zona bubbling fluidized bed.
Tinggi bed 10 cm Berdasarkan data hasil pengujian yang diambil kemudian ditampilkan dalam bentuk
Tabel 3.4 di bawah ini. Tabel 3.4 Hasil Eksperimen Kejatuhan Tekanan
dengan Kecepatan Fluidisasi
Posisi katup
o
U
O
ms Q
m
3
s ΔP
cm H
2
O 10
20 30
40 50
55 60
70 80
90 0,049282
0,105224 0,217107
0,247742
0,336982 0,430219
0,554089 0,596712
0,003718 0,007938
0,016378 0,018689
0,025421 0,032455
0,041799 0,045015
0,2 0,6
2,1 4,4
7,6 7,8
8,0 8,5
8,7 9,0
Berdasarkan hasil pada pengujian diatas , dapat diubah dalam bentuk grafik hubungan antara kejatuhan tekanan versus kecepatan udara, Gambar 3.10.
2 4
6 8
10 12
0.05 0.1
0.22 0.25
0.34 0.43
0.55 0.6
Uo ms K
ej a
tu h
an t
ekan a
n cm
H 2O
Gambar 3.10 Hubungan Kejatuhan Tekanan vs Kecepatan Udara pada Tinggi Bed 10 cm
Universitas Sumatera Utara
Kejatuhan tekanan teoritis maksimum:
Pa m
s m
m m
m kg
A g
V A
W
b b
s b
042 ,
1414 31
, 4
8 ,
9 .
10 ,
. 31
, 4
. 2
, 825
. .
2 2
2 3
= =
= π
π ρ
O cmH
2
4313 ,
14 =
Berdasarkan pengujian yang dilakukan, didapatkan kejatuhan tekanan teoritis maksimum sebesar 10,8234 cmH
2
O dan 14,4313 cmH
2
O. Dua perbedaan tinggi bed yang dilakukan pada pengujian tersebut, yaitu pada tinggi bed 7,50 cm dan 10 cm.
Dari kedua kondisi tersebut kejatuhan tekanan teoritis maksimum berada diatas kejatuhan tekanan ekspansi. Hal ini disebabkan tidak meratanya fluidisasi pada bed.
Sebaliknya dari pengamatan visual titik fluidisasi terjadi 7,8 cmH
2
O tinggi bed 10 cm. Oleh karena itu, kecepatan minimum fluidisasi ditentukan sebesar 0,247742
ms. Sebab pada kecepatan tersebut didapatkan awal terjadinya fluidisasi. Pada awal fluidisasi tampak daerah pusat bed kelihatan fluidisasi sedangkan bagian sisi luar bed
partikel pasir hampir tidak bergerak.
3.4.2. Perhitungan Rasio Udara Bahan Bakar Air- Fuel Ratio
Air fuel ratio adalah salah satu parameter yang penting dalam pembakaran bahan bakar, yaitu perbandingan antara massa udara dengan massa bahan bakar. Bila
perbandingan bahan bakar lebih kecil daripada perbandingan udara-bahan bakar teoritis atau stoikiometrik yang diperlukan untuk pembakaran lengkap, sebagian
Universitas Sumatera Utara
karbon bersenyawa dengan oksigen membentuk karbon monoksida dan bukan karbon dioksida.
Pembakaran stoikiometrik stoichiometric combustion adalah pembakaran di dalam mana semua atom-atom oksigen di dalam pengoksidasi bereaksi secara kimia
untuk muncul di dalam hasil-hasil tersebut. Udara sebagai pengoksidasi, dengan kandungan campuran dari 21 oksigen dan 79 nitrogen sehingga persamaan
kimia untuk pembakaran stoikiometrik batubara:
0,5067C + 0,0483H
2
+ 0,2403 O
2
+ 0,0092 N
2
+ 0,0079 S + a O
2
+ 3,76N
2
→ b CO
2
+ d H
2
O + e SO
2
+ f N
2
dimana: a, b, d, e, dan f adalah koefisien-koefisien stoikiometrik. Neraca unsur-unsur:
Karbon: b = 0,5067 Hidrogen: d = 0,0483
Oksigen: b + d2 + e = 0,2403 + a atau: e = 0,2403 + a –b – d2 = 0,2403 + a – 0,5067 – 0,04832
e = a -0,29055 Sulphur: e = 0,0079
maka: a = 0,0079 + 0,29055 = 0,2984 Nitrogen: f = 0,0092 + 0,2984 x 3,76 = 1,1313
Persamaan pembakaran dengan udara teoritis adalah: 0,5067C + 0,0483H
2
+ 0,2403 O
2
+ 0,0092 N
2
+ 0,0079 S + 0,29055 O
2
+ 3,76N
2
Universitas Sumatera Utara
→ 0,5067 CO
2
+ 0,0483 H
2
O + 0,0079 SO
2
+ 1,1313 N
2
Berat molekul batubara: 0,5067 x 12 + 0,0483 x 2 + 0,2403 x 32 + 0,0092 x 28 + 0,0079 x 32 = 14,377 kgmol
Jadi, perbandingan berat udara-bahan bakar teoritis, AF
teor
:
AF
teor
= 137,9 ⎥⎦
⎤ ⎢⎣
⎡ −
+ +
32 2403
, 32
0079 ,
2 0483
, 5
, 12
5067 ,
1
AF
teor
= 137,9
[ ]
00750 ,
0002468 ,
0120 ,
0422 ,
− +
+
AF
teor
= 6,4740 kgkg bb
3.4.3. Perhitungan Laju Aliran Udara Teoritis
Untuk 1 kg batubara sebagai dasar, berat oksigen dibutuhkan untuk membakar dalam 1 kg batubara: 0,5067 x
12 32
= 1,3512 Demikian pula, untuk pembakaran hydrogen dalam bahan bakar, oksigen
dibutuhkan sebesar: 0,0483 x 2
16 = 0,3864. Sedangkan untuk pembakaran sulphur
dalam bahan bakar, oksigen dibutuhkan: 0,0079 x 32
32 = 0,0079. Total oksigen
dibutuhkan adalah 1,7455 kg per kg batubara. Tetapi 0,2403 kg oksigen adalah tersedia dalam batubara. Oleh karena itu, oksigen dibutuhkan adalah 1,7455 –
0,2403 = 1,5052 kg tiap kg batubara. Berdasarkan berat, udara mengandung 23 oksigen. Oleh karena itu, berat udara disuplai adalah 1,5052 x 10023 = 6,5443 kg
tiap kg batubara. Ambil berat molekul rata-rata udara sebagai 29, densitas udara
Universitas Sumatera Utara
pada NTP adalah 4
, 22
29 = 1,29 kgm
3
22,4 m
3
adalah volume molekul gas. Oleh
karena itu, volume udara dibutuhkan untuk pembakaran: 29
, 1
5443 ,
6 = 5,0731 m
3
per kg batubara.
Tabel 3. 5 Hubungan Jumlah Bahan Bakar, Udara Teoritis dan Kecepatan Udara
Mbb kghr
Af
teor
kgkgbb Mud
m
3
s
U
ms
10,00 10,50
11,00 11,50
12,00 12,50
13,00 13,50
14,00 14,50
6,4740 6,4740
6,4740 6,4740
6,4740 6,4740
6,4740 6,4740
6,4740 6,4740
0,01394 0,01463
0,01533 0,01603
0,01672 0,01742
0,01812 0,01882
0,01951 0,02021
0,18479 0,19403
0,20327 0,21251
0,22175 0,23099
0,24023 0,24947
0,25871 0,26795
Dengan menentukan laju udara pembakaran untuk satu kg batubara, laju aliran batubara dan perbandingan berat udara-bahan bakar teoritis, maka total udara
pembakaran dapat ditentukan. Dari Tabel 3. 5 diperoleh hubungan antara laju aliran batubara, perbandingan berat udara-bahan bakar teoritis air-fuel ratio, dan laju
aliran udara pembakaran. Berdasarkan hasil dari Tabel tersebut, ditentukan laju aliran udara teoritis sebesar 0,01882 m
3
s dan laju aliran batubara 13,50 kghr. Sebab laju aliran udara teoritis berada pada gejala mulai fluidisasi U
= 0,24947 ms. Eksperimen terhadap seluruh sampel bahan bakar dengan laju aliran konstan
Mbb = 13,50 kghr menggunakan udara berlebihan. Dari hasil perhitungan
Universitas Sumatera Utara
ditampilkan hubungan antara excess air , laju aliran bahan bakar, dan laju aliran udara pembakaran, seperti terlihat pada Tabel 3.6.
Tabel 3. 6 Hubungan Excess air, Perbandingan Udara-Bahan Bakar Excess Air AFteoritis
kgkgbb AFaktual
kgkgbb Mbb
kgjam Laju Udara
m
3
s 1,00
1,10 1,20
1,30 1,40
6,4740 6,4740
6,4740 6,4740
6,4740 6,4740
7,1214 7,7688
8,4162 9,0636
13,50 13,50
13,50 13,50
13,50 0,01882
0,02070 0,02258
0,02446 0,02634
3.5 Prosedur Pengujian 3.5.1 Pengujian Karakteristik Pembakaran
Pelaksanaan penelitian ini dilakukan atas 5 kelompok menurut jenis campuran bahan bakar lihat Tabel 3.7. Hal ini dilakukan agar analisa dapat dilakukan per-
kelompok sampel, sehingga pengujian dapat berlangsung secara efektif. Tabel 3. 7 Pengelompokan Data Sampel
Jenis Campuran
Kandungan Sekam padi Dalam Campuran
Excess Air Batubara
Batubara + Sekam padi
Tanpa sekam padi 10
20 30
40 10, 20, 30, 40
10, 20, 30, 40 10, 20, 30, 40
10, 20, 30, 40 10, 20, 30, 40
Prosedur dari pengujian ini adalah sebagai berikut: 1. Melakukan pengujian analisa ultimate dan nilai kalor terhadap sampel uji
batubara dan sekam padi lihat Tabel 3.1
Universitas Sumatera Utara
2. Persiapan sampel uji Gerus crush sampel sesuai dengan mesh yang diinginkan.
Lakukan pencampuran sampel batubara dengan biomassa sesuai dengan komposisi yang direncanakan, yaitu: 10, 20, 30, dan 40 menurut basis
berat. o
Gunakan timbangan mengukur berat masing-masing sampel sebelum dilakukan pencampuran.
o Lakukan pencampuran sampel secara merata dengan cara mengaduk
campuran dalam wadah. 3. Persiapan pengukuran pengujian
o Aktifkan sistim suplai oksigen oksidan dengan cara mengaktifkan
FDFblower o
Lakukan pemanasan awal heating up menggunakan LPG terhadap combustor hingga mencapai suhu pembakaran yang diharapkan 750
C dan tempatkan pasir setinggi 10 cm, sementara katup kontrol dibuka agar proses pembakaran berlangsung stabil.
4. Pengambilan data o
Set putaran konveyor sesuai dengan kapasitas bahan bakar. o
Masukkan sampel uji ke dalam combustor dengan menggunakan konveyor setelah suhu pembakaran mencapai suhu 750
C. Kemudian secara perlahan-lahan katup kontrol pada pipa discharge di set pada
debit suplai oksidan pembakaran sesuai kondisi excess air 10, 20,
Universitas Sumatera Utara
30, dan 40 yang diinginkan dengan pencatatan kecepatan aliran oksidan pada alat anemometer pada pipa discharge blower. Selama
eksperimen kapasitas bahan bakar untuk tahapan kondisi pembakaran di set tetap pada kapasitas 13,50 kgjam.
o Setelah suhu pembakaran stabil 900
C, maka dilakukan pencatatan data penelitian.
5. Eksperimen kedua dan seterusnya o
Sesuaikan kondisi parameter sampel yang akan diuji dalam eksperimen.
Universitas Sumatera Utara
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Penelitian
Pengujian ini dilaksanakan dalam bentuk eksperimen terhadap bahan bakar batubara dan sekam padi dalam ruang bakar combustor sistim fluidisasi dengan
memberikan perlakuan excess air yang bervariasi. Ruang bakar sistim fluidisasi berdiameter ø 32 cm.
Kegiatan pengambilan data dari penelitian adalah melakukan penentuan zone fluidisasi bubbling fluidization, pengujian sifat phisik bahan bakar batubara dan
sekam padi dan pengujian emisi gas asap. Pengukuran emisi gas asap dilakukan pada excess air sebesar 10, 20, 30, dan 40 0,02070 m
3
s, 0,02258 m
3
s, 0,02446 m
3
s, dan 0,02634 m
3
s. Dalam proses pembakaran bahan bakar tiap pengujian, kapasitas bahan bakar adalah 13,50 kgjam dengan rasio berat 10, 20, 30, dan
40 sekam padi. Sebagai dasar penelitian adalah hasil analisis ultimate batubara dan sekam
padi, perbandingan berat udara-bahan bakar teoritis air-fuel ratio teoritis sebesar 6,4858 kg udarakg bahan bakar. Dalam penelitian, kapasitas bahan bakar untuk
semua kondisi pembakaran di set tetap pada kapasitas 13,50 kgjam. Kebutuhan udara teoritis pembakaran 0,01882 m
3
s. Presedure pengambilan data dari penelitian adalah menentukan zona fluidisasi, dilanjutkan pengambilan komposisi gas asap pada
excess air sebesar 10, 20, 30, dan 40.
Universitas Sumatera Utara
Kategori