NASKAH PUBLIKASI KARYA ILMIAH Pengaruh Kecepatan Udara Terhadap Kerja Reaktor Bubble Fluidized Bed Gasifire.
NASKAH PUBLIKASI
KARYA ILMIAH
Pengaruh Kecepatan Udara Terhadap Kerja
Reaktor Bubble Fluidized Bed Gasifire
Disusun Untuk Memenuhi Syarat Mendapatkan Gelar Sarjana S1
Pada Jurusan Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh:
GANET ROSYADI SUKARNO
D 200 090 097
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
DESEMBER 2015
Pengaruh Kecepatan Udara Terhadap Kerja Reaktor Bubble Fluidized
Bed Gasifire
Ganet Rosyadi S, Nur Aklis, Sartono Putro
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. Ahmad Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura
Email : [email protected]
ABSTRAKSI
Biomassa sekam padi merupakan sumber energi yang dapat
diperbaharui dan cukup potensial di Indonesia. Melalui teknologi reaktor
bubble fluidized bed gasifire, sekam padi dibakar dengan oksigen terbatas
untuk menghasilkan gas metan yang dapat langsung dibakar. Pengujian
gasifikasi sekam padi ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh kecepatan
udara terhadap temperatur pembakaran, nyala efektif dan efisiensi
pembakaran.
Penelitian ini diawali dengan mengatur udara dari kompresor pada
gasifier, kemudian udara tersebut divariasikan kecepatannya. Kecepatan
udara yang digunakan adalah 3.5 m/s, 4 m/s dan 4.5 m/s, kemudian diukur
temperatur pembakaran setiap 2 menit dengan 4 titik thermocouple yang
terpasang.
Hasil
penelitian
menunjukan
variasi
kecepatan
udara
sangat
berpengaruh terhadap temperatur pembakaran, nyala efektif serta efisiensi
tungku. Pada kecepatan udara 3.5 m/s menghasilkan temperature rata-rata
pembakaran sebesar 1620C, nyala efektif selama 80 menit, dan efisiensi
tungku sebesar 22,63%. Kecepatan udara 4 m/s temperatur pembakaran
tertinggi sebesar 3060C, nyala efektif selama 90 menit dan efisiensi tungku
sebesar 9,77%. Kecepatan 4,5 m/s temperatur pembakaran tertinggi sebesar
2650C, nyala efektif selama 126 menit dan efisiensi sebesar 7,04%.
Kata kunci: reaktor fluidized bed gasifire, sekam padi, kecepatan udara
Pengaruh Kecepatan Udara Terhadap Kerja Reaktor Bubble Fluidized
Bed Gasifire
Ganet Rosyadi S, Nur Aklis, Sartono Putro
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. Ahmad Yani Tromol post I Pabelan, Kartasura
Email: [email protected]
ABSTRACTION
Rice husk biomass is a renewable energy source and potential in
Indonesia. Through a fluidized bed reactor technology bubble gasifire, burnt
rice husk with limited oxygen to produce methane gas that can be directly
burned. Rice husk gasification testing aims to determine the effect of air
velocity on the combustion temperature, effective flame and combustion
efficiency.
This study begins by setting the air from the compressor to the
gasifier, the air then varied the speed. Air speed used was 3.5 m / s, 4 m / s
and 4.5 m / s, then measured the temperature of combustion every 2 minutes
with 4 points thermocouple attached.
The results showed variations in airspeed affects the combustion
temperature, effective flame and furnace efficiency. In the air velocity 3.5 m /
s generates an average temperature of combustion at 1620C, effective flame
for 80 minutes, and amounted to 22.63% efficiency furnace. Air velocity 4 m /
s highest combustion temperature of 3060C, effective flame for 90 minutes
and furnace efficiency by 9.77%. Speed of 4.5 m / s the highest combustion
temperature of 2650C, effective flame for 126 minutes and an efficiency of
7.04%.
Keywords: fluidized bed reactor gasifire, rice husks, airspeed
A.PENDAHULUAN
Latar Belakang
Salah satu alat yang digunakan
untuk
meningkatkan
efisiensi
dalam proses pembakaran limbah
biomassa
adalah
dengan
menggunakan alat gasifikasi, salah
satunya adalah dengan reaktor
gasifikasi fluidized bed gasifier.
Proses
ini
berlangsung
dalam
suatu alat yang disebut reaktor
gasifikasi fluidized bed gasifier.
Reaksi heterogen antara gas dan
padatan dalam reaktor gasifikasi
disebut
fluidizasi.
fluidizasi
banyak
Teknologi
diaplikasi
di
teknologi reaktor gasifikasi, salah
satunya
adalah
reaktor
bubble
fluidized bed gasifier. Fluidizasi
adalah
padat
proses
halus
dimana
(partikel)
benda
diubah
menjadi fase yang berkelakuan
seperti
fluida
cair
(Kunii
dan
Levenspiel 1969)
Fluidized bed gasifire membuat
bahan bakar padatan tertiup ke
atas karena tiupan udara dari
blower yang ada di bawahnya.
Teknologi ini dapat menjadi salah
satu teknologi pembakaran limbah
partikel atau padatan dalam jumlah
relatif besar dan cepat. Teknologi
fluidized bed gasifier ini juga lebih
baik
teknologi
dibandingkan
pembakaran
konvensional,
dengan
biomasa
karena
laju
pembakaran cukup tinggi dan juga
dapat membakar limbah biomasa
yang berkadar air tinggi.(dalam
irvandi 2010)
Pembatasan Masalah
Penelitian ini hanya
berkonsentrasi pada :
a. Alat produksi gas metan dengan
jenis reaktor bubble fluidized
bad gasifire dengan diameter
464,38 mm, tinggi ruang bakar
898,50 mm dengan kapasitas 5
kg sekam padi.
b. Massa bahan bakar sekam padi
yang digunakan adalah 5 kg.
c. Pasir yang digunakan adalah
pasir silica berasal dari klaten.
Gambar 1 Ilustrasi proses fluidisasi
d. Udara yang dialirkan berasal
dari kompresor.
e. Uji
efisiensi
thermal
menggunakan uji pendidihan air.
temperature pendidihan air tiap 3
menit.
Irvandi,P.A.D.(2010),”Studi
f. Air yang dipanaskan sebanyak 2
liter.
Karakteristik
Tujuan Penelitian
1. Untuk
Cangkang
mengetahui
variasi
Pembakaran
pengaruh
kecepatan
udara
Kelapa
Menggunakan
Sawit
Fluidized
Bed
Combustor Universitas Indonesia”.
terhadap temperature gasifier
Pada
dan temperature pembakaran
combustor
reaktor
bubbling fluidized bed (BFB) yang
bubble
fluidized
bad
gasifier.
2. Untuk
penelitian
UI
Fluidized
termasuk
bed
jenis
mana saat beroperasi kecepatan
mengetahui
pengaruh
aliran udara tidak cukup tinggi
udara
untuk membawa partikel hamparan
terhadap waktu nyala efektif
yaitu pasir untuk terbawa keluar
dan lama pendidihan air.
dari reactor melewati riser menuju
variasi
3. Untuk
udara
kecepatan
mengetahui
optimum
kecepatan
dari
ke
Riza R (2011),”Studi Variasi
3
kecepatan
Suplai
Tinjauan Pustaka
Pembakaran
Sekam
penelitian
ini
Untuk
Pada Eksperimen Uji Bahan Bakar
Fluidized Bed Combustor” Pada
Temperature
penelitian Fluidized bed combustor
Pada
Gasifikasi
Blower
Udara
Kecepatan
Terhadap
Udara
Pencapaian Pembakaran Mandiri
Handoyo(2013),”Pengaruh
Variasi
siklon.
Tungku
Padi”.
termasuk
fluidized
bed
jenis
bubbling
(BFB).
Pada
dengan
penelitian ini digunakan 2 varisi
memodifikasi saluran udara dari
suplai udara 0.085 m/s dan 0.093
blower divariasikan kecepatannya.
m/s guna menganalisa mengenai
Kecepatan udara yang digunakan
perbedaan temperature kerja pada
adalah 3,5 m/s, 4,0 m/s, dan
saat pemanasan menuju kondisi
4,5m/s.
kerja
temperature
diawali
Pada
UI
Kemudian
pembakaran
diukur
dan
reaktor
Aklis(2013),”Studi
gasifikasi.Nur
Eksperimen
Karakteristik
Bubbling
Gelembung
Fluidized
Bed”.
Pada
bahan
bakar
adalah
karbon,
Pada
hydrogen dan sedikit sulfur.
penelitian ini dilakukan dengan
Pembakaran sendiri di bedakan
menggunakan
menjadi 2, Yaitu
instalasi
fluidized
bed 2 dimensi yang terbuat dari
1. Pembakaran sempurna, yaitu
kaca dengan ukuran 260 x 35 x
pembakaran
dimana
800 mm. Distributor udara yang
konstituen
yang
digunakan
membentuk
adalah
distibutor
tiga
udara
jenis
yang
terdiri
gas
semua
terbakar
karbon
dioksida, air dan sulfur sehingga
distributor tipe 1 (jumlah lubang 3),
tidak ada bahan yang tersisa.
tipe 2 (jumlah lubang 5), dan
2. Pembakaran tidak sempurna,
distributor tipe 3 (jumlah lubang 7).
yaitu
Sedangkan
menghasilkan
partikel
yang
pembakaran
yang
karbon
digunakan terdiri dari : partikel
monoksida dimana salah satu
100%
penyebabnya adalah kurangnya
pasir
kuarsa,
partikel
campuran 75% pasir + 21,7%
oksigen
kokas + 33,% kapur, dan partikel
Biomassa
campuran 80% pasir + 5% kokas
Biomassa didefinisikan sebagai
+15% kapur
bagian dari tumbuhan yang dapat
B.Dasar Teori
dipakai sebagai bahan bakar padat
Pembakaran
atau diubah ke dalam bentuk cair
Pembakaran
adalah
reaksi
atau
gas
untuk
menghasilkan
kimia cepat antara bahan bakar
energi. Berbagai jenis biomassa
dengan
disertai
dapat digunakan dalam proses
timbulnya panas atau kalor. Reaksi
gasifikasi, mulai dari kertas, kayu,
oksidasi
oksigen
sekam
dengan
jagung.
dari
oksigen
membutuhkan
udara
komposisi
yang
bebas
oksigen
21%
dan
padi
bahan
yang
pengolahanya
dalam dalam
bonggol
Energi biomassa adalah jenis
nitrogen 79%. Unsur terbanyak
terkandung
hingga
bakar
mengkonversi
yang
cara
dengan
cara
bahan
biologis
seperti tanaman, kotoran hewan
murni
dan mikroorganisme
molekul CO2 dan dua molekul H2O
melepaskan
satu
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Gasifikasi
Gasifikasi
adalah
konversi
bahan bakar padat menjadi gas
dengan
akan
oksigen
yang
terbatas
Kalor
Kalor
adalah
energi
yang
merambat atau berpindah karena
serta menghasilkan gas yang bisa
ada
dibakar, seperti: CH4, H2 dan CO.
temperatur.
Jenis-jenis reaktor gasifikasi:
didefinisikan sebagai energi panas
1. Gasifikasi aliran searah
yang
(downdraft gasification)
(updraft gasification)
atau
juga
dapat
Kalor
dimiliki
oleh
suatu
zat.
adanya kalor yang dimiliki oleh
suatu
3. Crossdraft gasification
benda
yaitu
dengan
mengukur suhu benda tersebut.
Gasifikasi
Tipe
Fluidized Bed
Kalor
bergerak
dari
daerah
bersuhu tinggi ke daerah bersuhu
Syngas
adalah
suhu
Secara umum untuk mendeteksi
2. Gasifikasi aliran berlawanan
4. Reaktor
perbedaan
hidrokarbon
paling
rendah.
Ketika
suatu
melepas
panas
ke
benda
sekitarnya
sederhana yang berbentuk gas
dapat dituliskan Q < 0, sedangkan
dengan rumus kimia CH4. syngas
ketika benda menyerap panas dari
murni
sekitarnya dapat dituliskan
tidak
digunakan
berbau,
tapi
jika
untuk
keperluan
Q>0
komersial, biasanya ditambahkan
Kalor pada suhu 25
sedikit
bau
mendeteksi
mungkin
komponen
- 100
belerang
untuk
(kalor sensible air) dapat dicari
kebocoran
yang
dengan persamaan:
terjadi.
utama
Sebagai
gas
alam,
Q=m
...............................(1)
Dimana:
methana adalah sumber bahan
Q = kalor sensible air (KJ)
bakar utama. Pembakaran satu
M = massa air mula-mula (Kg)
molekul metana dengan oksigen
= kalor jenis air (4,200 KJ/Kg.
=
(perubahan suhu
)
)
Kalor pada saat air mendidih (kalor
laten air), dapat dicari dengan
persamaan:
0%
Dimana:Kalor yang terpakai = kalor
Q=
.
..............................................(2)
Dimana:
Q
x10
=
sensible air + kalor laten air
Pasir silica
Pasir silica adalah salah satu
= kalor laten air (KJ)
mineral yang umum ditemukan di
= massa uap (Kg)
kerak kontinen bumi. Mineral ini
=
memiliki struktur kristal heksagonal
enthalpi
penguapan
(KJ/Kg)
yang terbuat dari silika trigonal
Massa uap air dapat dicari :
terkristalisasi
=
.
(silikon
dioksida,
SiO2), dengan skala kekerasan
Mohs 7 dan densitas 2,65 g/cm³.
..............................................(3)
Bentuk
Dimana:
umum
kuarsa
adalah
= massa air mula-mula (Kg)
prisma segienam yang memiliki
= massa air akhir (Kg)
ujung piramida segienam.( Sumber
Kalor yang dihasilkan dari proses
pembakaran sekam padi dapat
Dalam penelitian kali ini, ukuran
pasir yang digunakan adalah 0,3 –
dicari dengan persamaan:
Q=
Wikipedia)
.
0,425 mm. maka proses ayakan
LHV............................................(4)
(sleving)
yang
Dimana:
dengan
lubang
Q
= kalor biomassa (KJ)
diatas dan ayakan berlubang kecil
= massa bahan bakar (Kg)
dibawah secara berurutan. Dapat
= nilai kalor terendah bahan
dicari ukuran diameter nominal
bakar (KJ/Kg)
pasir
Sehingga efisiensi thermal reaktor
persamaan :
ayakan
disusun
besar
menggunakan
=
dapat dicari dengan persamaan
sebagai berikut:
dengan
ayakan
Dimana :
= Diameter nominal pasir silika
Instalasi Pengujian
= Diameter mesh bawah
= Diameter mesh atas
Diagram Alir Penelitian
Kegiatan
penelitian
dilaksanakan
diagram
alir
sesuai
pada
ini
dengan
gambar
di
bawah ini.
Mulai
Gambar 3 Instalasi Pengujian
Gambar 3 menunjukkan system
Tahap persiapan,
survei alat dan bahan
reaktor gasifikasi bubble fluidized
bed gasifire untuk eksperimen.
Desain alat
Instalasi pengujian terdiri dari :
Pembuatan alat
Persiapan alat dan bahan
tidak
Uji coba
iya
Minimun Fluidisasi
Partikel 0,36 mm
Uji Kecepatan
Udara 3.5 m/s
Uji Kecepatan
Udara 4 m/s
Uji Kecepatan
Udara 4.5 m/s
a. Kompresor
b. Tangki filter
c. Anemometer
d. Kompor
e. plenum
f. Timbangan
g. manometer
h. Thermometer
raksa
i. Bed
j.
k. Reaktor
l. Gelas ukur
m. Tangki air
Pengambilan data
Pengolahan data dan menarik kesimpulan
selesai
Gambar 2 Diagram alir penelitian
Stopwatch
C.Hasil Penelitian
masuk bed sebesar 3.6 m/s. Dari
kecepatan
garis
perpotongan
inilah
yang
minimum fluidisasi pada pasir
menunjukkan kecepatan minimum
silica ukuran 0,36 mm
fluidisasi sebesar 3.6 m/s.
Hasil dan pembahasan selisih
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
hx (tekanan naik)
temperature reaktor gasifikasi
hx (tekanan turun)
dengan 3 variasi
kecepatan
udara.
1
1.5
2 2.5 3 3.5
kecepatan ( m/s )
4
4.5
5
Gambar 4 karakteristik kecepatan
minimum fluidisasi ukuran partikel
0.36 mm
Gambar 4.1 menunjukkan grafik
Temperatur reaktor(°C)
Tekanan (cmC2OH42 )
Karakteristik
masik bed dengan kecepatan 1
m/s dengan tekanan 0.5 cm/oil.
Diketahui
bahwa
.
/s
/s
.
/s
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130
Waktu (Menit)
karakteristik kecepatan minimum
fluidisasi partikel 0.36 mm. Udara
∆T kecepata
∆T kecepata
∆T kecepata
350
330
310
290
270
250
230
210
190
170
150
130
110
90
70
50
Gambar 5 Hasil dan pembahasan
selisih temperature reaktor gasifikasi
dengan 3 variasi kecepatan udara.
tekanan
Pada Gambar 4.5 menunjukkan
maksimum bed terjadi pada saat
Selisih temperature pasir silica
kecepatan
0,36 mm dan bahan bakar pada 3
udara
masuk
bed
sebesar 3.6 m/s. Penambahan
variasi
kecepatan
silika yang digunakan adalah pasir
akan
menyebabkan
kecepatan
udara
Pasir
tekanan bed turun dan cenderung
silika
konstan saat udara masik bed
kecepatan
sebesar 4.2 m/s. Dengan menarik
temperature rata-rata awal 570C
garis horizontal yang menunjukkan
dan temperature rata-rata akhir
tekanan bed konstan dan menarik
162 0C. Pada kecepatan udara 4
garis vertical dari kecepatan udara
m/s temperature awal rata-rata
ukuran
0,36
udara
mm.
Pada
3.5
m/s
53.50C, pada menit ke 86 terjadi
kenaikan
suhu
sedangkan
0
sebesar
309 C
temperature
akhir
udara
m/s
menunjukkan
temperature awal titik api sebesar
640C,
temperature
tertinggi
tercatat 3060C pada menit ke 88.
sebesar 296 0C pada menit ke 88
Pada kecepatan udara 4.5 m/s
dan lama nyala api selama 80
temperature
temperature
awal
akhir
53.50C
0
265 C
dan
pada
menit dari gasifikasi 5kg sekam
padi.
Pada kecepatan udara 4,5 m/s
menit ke 126.
Hasil
dan
pembahasan
temperature titik api pada 3
variasi kecepatan udara
kecepatan 3.5 m/s
320
kecepatan 4 m/s
kecepatan 4.5 m/s
menunjukkan
temperature
awal
titik api sebesar45 0C, temperature
tertinggi sebesar
259
0
C pada
menit ke 66 dan lama nyala api
265
selama 126 menit dari gasifikasi
210
5kg sekam padi
155
Hasil
dan
pendidihan
100
pembahasan
air pada 3 variasi
kecepatan udara.
45
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130
Waktu (Menit)
Gambar 6 Hasil dan pembahasan
temperature titik api pada 3 variasi
kecepatan udara
Pada gambar 4.6 menunjukkan
perbandingan temperature titik api
pada 3 variasi kecepatan udara.
Pada kecepatan udara 3,5 m/s
menunjukkan
temperature
awal
titik api sebesar 730C, temperature
tertinggi sebesar
318
0
C pada
menit ke 4 dan lama nyala api
selama 80 menit dari gasifikasi
5kg sekam padi.Pada kecepatan
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatur (°C)
Temperatur Pembakaran (°C)
4
kec 3.5 m/s
kec 4 m/s
kec 4.5 m/s
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130
Waktu (Menit)
Gambar 7 Hasil dan pembahasan
pendidihan air pada 3 variasi
kecepatan udara.
Gambar di atas menunjukkan
V
perbandingan
(m/s)
(Kj)
3.5
(%)
(Kj)
22.63
3752.275 Kj
%
1619.074 Kj
16576.56Kj
m/s, 4,5 m/s. dari gambar diketahui
7.04%
Kj
Tabel efisiensi thermal reaktor pada
kecepatan udara 3.5, m/s, 4 m/s, 4.5
percobaan
thermal
berbeda.
tiap
Pada
kecepatan udara 3.5 m/s didapat
efisiens thermal sebesar 22,63 %,
untuk
percobaan
dengan
menggunakan kecepatan udara 4
m/s
Dengan adanya tabel diatas,
m/s
sebesar
9,77
%
dan
perbandingan
percobaan dengan menggunakan
efisiensi kinerja tungku dibawah
kecepatan udara 4.5 m/s sebesar
ini.
7,
maka
25
efisiensi
percobaan dengan menggunakan
1167.50072
4.5
9.77%
thermal
reaktor pada kecepatan 3,5 m/s, 4
bahwa
4
efisiensi
didapatkan
04
%.
thermal
22.63
%
Sehingga
terbesar
efisiensi
adalah
pada
20
percobaan dengan menggunakan
15
kecepatan udara 3,5 m/s sebesar
22, 63 %. Hal ini disebabkan uap
9.77 %
10
7.04 %
yang
5
di
luapkan
lebih
besar,
sehingga kalor yang digunakan
0
1
2
3
Gambar 8 Perbandingan efisiensi
thermal reaktor pada 3 variasi
kecepatan udara
untuk pendidihan air lebih besar.
Kesimpulan
Berdasarkan
analisa
dan
pembahasan data hasil pengujian
pengaruh
kecepatan
terhadap
kerja
fluidized
bed
udara
reaktor
gasifier
bubble
didapat
kesimpulan sebagai berikut:
1. Untuk mengetahui pengaruh
variasi
kecepatan
udara
terhadap temperature reaktor
bubble fluidized bad gasifier.
2 Untuk mengetahui pengaruh
variasi
kecepatan
udara
terhadap waktu nyala efektif
dan lama pendidihan air.
3 Untuk mengetahui kecepatan
udara
optimum
kecepatan
dari
ke
3
DAFTAR PUSTAKA
Aklis. Nur, 2013. Pengaruh Perbedaan Jumlah Lubang Pada Distributor
Udara Terhadap Karakteristik Gelembung Pada Bubbling Fluidized
Bed Dengan Beberapa Jenis Partikel Yang Berbeda. Universitas
Gajah Mada
Basu, 1994. Combustion and Gasification in Fluidized Bed,
Inc., New York.
Handoyo, 2013. Pengaruh variasi kecepatan udara terhadap temperatur
pembakaran pada tungku gasifikasi sekam padi. Jurusan Teknik
Mesin Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Kunii. D. and Levenspiel. O. 1969. Fluidization Engineering. John Wiley and
Sons, Inc., New York.
Sony, 2012.Studi Karakteristik Gasifikasi Berbahan Limbah gerajen Glugu
Dengan Variasi kecepatan Udara.Sekripsi. Surakarta : Fakultas Teknik,
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
KARYA ILMIAH
Pengaruh Kecepatan Udara Terhadap Kerja
Reaktor Bubble Fluidized Bed Gasifire
Disusun Untuk Memenuhi Syarat Mendapatkan Gelar Sarjana S1
Pada Jurusan Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh:
GANET ROSYADI SUKARNO
D 200 090 097
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
DESEMBER 2015
Pengaruh Kecepatan Udara Terhadap Kerja Reaktor Bubble Fluidized
Bed Gasifire
Ganet Rosyadi S, Nur Aklis, Sartono Putro
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. Ahmad Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura
Email : [email protected]
ABSTRAKSI
Biomassa sekam padi merupakan sumber energi yang dapat
diperbaharui dan cukup potensial di Indonesia. Melalui teknologi reaktor
bubble fluidized bed gasifire, sekam padi dibakar dengan oksigen terbatas
untuk menghasilkan gas metan yang dapat langsung dibakar. Pengujian
gasifikasi sekam padi ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh kecepatan
udara terhadap temperatur pembakaran, nyala efektif dan efisiensi
pembakaran.
Penelitian ini diawali dengan mengatur udara dari kompresor pada
gasifier, kemudian udara tersebut divariasikan kecepatannya. Kecepatan
udara yang digunakan adalah 3.5 m/s, 4 m/s dan 4.5 m/s, kemudian diukur
temperatur pembakaran setiap 2 menit dengan 4 titik thermocouple yang
terpasang.
Hasil
penelitian
menunjukan
variasi
kecepatan
udara
sangat
berpengaruh terhadap temperatur pembakaran, nyala efektif serta efisiensi
tungku. Pada kecepatan udara 3.5 m/s menghasilkan temperature rata-rata
pembakaran sebesar 1620C, nyala efektif selama 80 menit, dan efisiensi
tungku sebesar 22,63%. Kecepatan udara 4 m/s temperatur pembakaran
tertinggi sebesar 3060C, nyala efektif selama 90 menit dan efisiensi tungku
sebesar 9,77%. Kecepatan 4,5 m/s temperatur pembakaran tertinggi sebesar
2650C, nyala efektif selama 126 menit dan efisiensi sebesar 7,04%.
Kata kunci: reaktor fluidized bed gasifire, sekam padi, kecepatan udara
Pengaruh Kecepatan Udara Terhadap Kerja Reaktor Bubble Fluidized
Bed Gasifire
Ganet Rosyadi S, Nur Aklis, Sartono Putro
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. Ahmad Yani Tromol post I Pabelan, Kartasura
Email: [email protected]
ABSTRACTION
Rice husk biomass is a renewable energy source and potential in
Indonesia. Through a fluidized bed reactor technology bubble gasifire, burnt
rice husk with limited oxygen to produce methane gas that can be directly
burned. Rice husk gasification testing aims to determine the effect of air
velocity on the combustion temperature, effective flame and combustion
efficiency.
This study begins by setting the air from the compressor to the
gasifier, the air then varied the speed. Air speed used was 3.5 m / s, 4 m / s
and 4.5 m / s, then measured the temperature of combustion every 2 minutes
with 4 points thermocouple attached.
The results showed variations in airspeed affects the combustion
temperature, effective flame and furnace efficiency. In the air velocity 3.5 m /
s generates an average temperature of combustion at 1620C, effective flame
for 80 minutes, and amounted to 22.63% efficiency furnace. Air velocity 4 m /
s highest combustion temperature of 3060C, effective flame for 90 minutes
and furnace efficiency by 9.77%. Speed of 4.5 m / s the highest combustion
temperature of 2650C, effective flame for 126 minutes and an efficiency of
7.04%.
Keywords: fluidized bed reactor gasifire, rice husks, airspeed
A.PENDAHULUAN
Latar Belakang
Salah satu alat yang digunakan
untuk
meningkatkan
efisiensi
dalam proses pembakaran limbah
biomassa
adalah
dengan
menggunakan alat gasifikasi, salah
satunya adalah dengan reaktor
gasifikasi fluidized bed gasifier.
Proses
ini
berlangsung
dalam
suatu alat yang disebut reaktor
gasifikasi fluidized bed gasifier.
Reaksi heterogen antara gas dan
padatan dalam reaktor gasifikasi
disebut
fluidizasi.
fluidizasi
banyak
Teknologi
diaplikasi
di
teknologi reaktor gasifikasi, salah
satunya
adalah
reaktor
bubble
fluidized bed gasifier. Fluidizasi
adalah
padat
proses
halus
dimana
(partikel)
benda
diubah
menjadi fase yang berkelakuan
seperti
fluida
cair
(Kunii
dan
Levenspiel 1969)
Fluidized bed gasifire membuat
bahan bakar padatan tertiup ke
atas karena tiupan udara dari
blower yang ada di bawahnya.
Teknologi ini dapat menjadi salah
satu teknologi pembakaran limbah
partikel atau padatan dalam jumlah
relatif besar dan cepat. Teknologi
fluidized bed gasifier ini juga lebih
baik
teknologi
dibandingkan
pembakaran
konvensional,
dengan
biomasa
karena
laju
pembakaran cukup tinggi dan juga
dapat membakar limbah biomasa
yang berkadar air tinggi.(dalam
irvandi 2010)
Pembatasan Masalah
Penelitian ini hanya
berkonsentrasi pada :
a. Alat produksi gas metan dengan
jenis reaktor bubble fluidized
bad gasifire dengan diameter
464,38 mm, tinggi ruang bakar
898,50 mm dengan kapasitas 5
kg sekam padi.
b. Massa bahan bakar sekam padi
yang digunakan adalah 5 kg.
c. Pasir yang digunakan adalah
pasir silica berasal dari klaten.
Gambar 1 Ilustrasi proses fluidisasi
d. Udara yang dialirkan berasal
dari kompresor.
e. Uji
efisiensi
thermal
menggunakan uji pendidihan air.
temperature pendidihan air tiap 3
menit.
Irvandi,P.A.D.(2010),”Studi
f. Air yang dipanaskan sebanyak 2
liter.
Karakteristik
Tujuan Penelitian
1. Untuk
Cangkang
mengetahui
variasi
Pembakaran
pengaruh
kecepatan
udara
Kelapa
Menggunakan
Sawit
Fluidized
Bed
Combustor Universitas Indonesia”.
terhadap temperature gasifier
Pada
dan temperature pembakaran
combustor
reaktor
bubbling fluidized bed (BFB) yang
bubble
fluidized
bad
gasifier.
2. Untuk
penelitian
UI
Fluidized
termasuk
bed
jenis
mana saat beroperasi kecepatan
mengetahui
pengaruh
aliran udara tidak cukup tinggi
udara
untuk membawa partikel hamparan
terhadap waktu nyala efektif
yaitu pasir untuk terbawa keluar
dan lama pendidihan air.
dari reactor melewati riser menuju
variasi
3. Untuk
udara
kecepatan
mengetahui
optimum
kecepatan
dari
ke
Riza R (2011),”Studi Variasi
3
kecepatan
Suplai
Tinjauan Pustaka
Pembakaran
Sekam
penelitian
ini
Untuk
Pada Eksperimen Uji Bahan Bakar
Fluidized Bed Combustor” Pada
Temperature
penelitian Fluidized bed combustor
Pada
Gasifikasi
Blower
Udara
Kecepatan
Terhadap
Udara
Pencapaian Pembakaran Mandiri
Handoyo(2013),”Pengaruh
Variasi
siklon.
Tungku
Padi”.
termasuk
fluidized
bed
jenis
bubbling
(BFB).
Pada
dengan
penelitian ini digunakan 2 varisi
memodifikasi saluran udara dari
suplai udara 0.085 m/s dan 0.093
blower divariasikan kecepatannya.
m/s guna menganalisa mengenai
Kecepatan udara yang digunakan
perbedaan temperature kerja pada
adalah 3,5 m/s, 4,0 m/s, dan
saat pemanasan menuju kondisi
4,5m/s.
kerja
temperature
diawali
Pada
UI
Kemudian
pembakaran
diukur
dan
reaktor
Aklis(2013),”Studi
gasifikasi.Nur
Eksperimen
Karakteristik
Bubbling
Gelembung
Fluidized
Bed”.
Pada
bahan
bakar
adalah
karbon,
Pada
hydrogen dan sedikit sulfur.
penelitian ini dilakukan dengan
Pembakaran sendiri di bedakan
menggunakan
menjadi 2, Yaitu
instalasi
fluidized
bed 2 dimensi yang terbuat dari
1. Pembakaran sempurna, yaitu
kaca dengan ukuran 260 x 35 x
pembakaran
dimana
800 mm. Distributor udara yang
konstituen
yang
digunakan
membentuk
adalah
distibutor
tiga
udara
jenis
yang
terdiri
gas
semua
terbakar
karbon
dioksida, air dan sulfur sehingga
distributor tipe 1 (jumlah lubang 3),
tidak ada bahan yang tersisa.
tipe 2 (jumlah lubang 5), dan
2. Pembakaran tidak sempurna,
distributor tipe 3 (jumlah lubang 7).
yaitu
Sedangkan
menghasilkan
partikel
yang
pembakaran
yang
karbon
digunakan terdiri dari : partikel
monoksida dimana salah satu
100%
penyebabnya adalah kurangnya
pasir
kuarsa,
partikel
campuran 75% pasir + 21,7%
oksigen
kokas + 33,% kapur, dan partikel
Biomassa
campuran 80% pasir + 5% kokas
Biomassa didefinisikan sebagai
+15% kapur
bagian dari tumbuhan yang dapat
B.Dasar Teori
dipakai sebagai bahan bakar padat
Pembakaran
atau diubah ke dalam bentuk cair
Pembakaran
adalah
reaksi
atau
gas
untuk
menghasilkan
kimia cepat antara bahan bakar
energi. Berbagai jenis biomassa
dengan
disertai
dapat digunakan dalam proses
timbulnya panas atau kalor. Reaksi
gasifikasi, mulai dari kertas, kayu,
oksidasi
oksigen
sekam
dengan
jagung.
dari
oksigen
membutuhkan
udara
komposisi
yang
bebas
oksigen
21%
dan
padi
bahan
yang
pengolahanya
dalam dalam
bonggol
Energi biomassa adalah jenis
nitrogen 79%. Unsur terbanyak
terkandung
hingga
bakar
mengkonversi
yang
cara
dengan
cara
bahan
biologis
seperti tanaman, kotoran hewan
murni
dan mikroorganisme
molekul CO2 dan dua molekul H2O
melepaskan
satu
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Gasifikasi
Gasifikasi
adalah
konversi
bahan bakar padat menjadi gas
dengan
akan
oksigen
yang
terbatas
Kalor
Kalor
adalah
energi
yang
merambat atau berpindah karena
serta menghasilkan gas yang bisa
ada
dibakar, seperti: CH4, H2 dan CO.
temperatur.
Jenis-jenis reaktor gasifikasi:
didefinisikan sebagai energi panas
1. Gasifikasi aliran searah
yang
(downdraft gasification)
(updraft gasification)
atau
juga
dapat
Kalor
dimiliki
oleh
suatu
zat.
adanya kalor yang dimiliki oleh
suatu
3. Crossdraft gasification
benda
yaitu
dengan
mengukur suhu benda tersebut.
Gasifikasi
Tipe
Fluidized Bed
Kalor
bergerak
dari
daerah
bersuhu tinggi ke daerah bersuhu
Syngas
adalah
suhu
Secara umum untuk mendeteksi
2. Gasifikasi aliran berlawanan
4. Reaktor
perbedaan
hidrokarbon
paling
rendah.
Ketika
suatu
melepas
panas
ke
benda
sekitarnya
sederhana yang berbentuk gas
dapat dituliskan Q < 0, sedangkan
dengan rumus kimia CH4. syngas
ketika benda menyerap panas dari
murni
sekitarnya dapat dituliskan
tidak
digunakan
berbau,
tapi
jika
untuk
keperluan
Q>0
komersial, biasanya ditambahkan
Kalor pada suhu 25
sedikit
bau
mendeteksi
mungkin
komponen
- 100
belerang
untuk
(kalor sensible air) dapat dicari
kebocoran
yang
dengan persamaan:
terjadi.
utama
Sebagai
gas
alam,
Q=m
...............................(1)
Dimana:
methana adalah sumber bahan
Q = kalor sensible air (KJ)
bakar utama. Pembakaran satu
M = massa air mula-mula (Kg)
molekul metana dengan oksigen
= kalor jenis air (4,200 KJ/Kg.
=
(perubahan suhu
)
)
Kalor pada saat air mendidih (kalor
laten air), dapat dicari dengan
persamaan:
0%
Dimana:Kalor yang terpakai = kalor
Q=
.
..............................................(2)
Dimana:
Q
x10
=
sensible air + kalor laten air
Pasir silica
Pasir silica adalah salah satu
= kalor laten air (KJ)
mineral yang umum ditemukan di
= massa uap (Kg)
kerak kontinen bumi. Mineral ini
=
memiliki struktur kristal heksagonal
enthalpi
penguapan
(KJ/Kg)
yang terbuat dari silika trigonal
Massa uap air dapat dicari :
terkristalisasi
=
.
(silikon
dioksida,
SiO2), dengan skala kekerasan
Mohs 7 dan densitas 2,65 g/cm³.
..............................................(3)
Bentuk
Dimana:
umum
kuarsa
adalah
= massa air mula-mula (Kg)
prisma segienam yang memiliki
= massa air akhir (Kg)
ujung piramida segienam.( Sumber
Kalor yang dihasilkan dari proses
pembakaran sekam padi dapat
Dalam penelitian kali ini, ukuran
pasir yang digunakan adalah 0,3 –
dicari dengan persamaan:
Q=
Wikipedia)
.
0,425 mm. maka proses ayakan
LHV............................................(4)
(sleving)
yang
Dimana:
dengan
lubang
Q
= kalor biomassa (KJ)
diatas dan ayakan berlubang kecil
= massa bahan bakar (Kg)
dibawah secara berurutan. Dapat
= nilai kalor terendah bahan
dicari ukuran diameter nominal
bakar (KJ/Kg)
pasir
Sehingga efisiensi thermal reaktor
persamaan :
ayakan
disusun
besar
menggunakan
=
dapat dicari dengan persamaan
sebagai berikut:
dengan
ayakan
Dimana :
= Diameter nominal pasir silika
Instalasi Pengujian
= Diameter mesh bawah
= Diameter mesh atas
Diagram Alir Penelitian
Kegiatan
penelitian
dilaksanakan
diagram
alir
sesuai
pada
ini
dengan
gambar
di
bawah ini.
Mulai
Gambar 3 Instalasi Pengujian
Gambar 3 menunjukkan system
Tahap persiapan,
survei alat dan bahan
reaktor gasifikasi bubble fluidized
bed gasifire untuk eksperimen.
Desain alat
Instalasi pengujian terdiri dari :
Pembuatan alat
Persiapan alat dan bahan
tidak
Uji coba
iya
Minimun Fluidisasi
Partikel 0,36 mm
Uji Kecepatan
Udara 3.5 m/s
Uji Kecepatan
Udara 4 m/s
Uji Kecepatan
Udara 4.5 m/s
a. Kompresor
b. Tangki filter
c. Anemometer
d. Kompor
e. plenum
f. Timbangan
g. manometer
h. Thermometer
raksa
i. Bed
j.
k. Reaktor
l. Gelas ukur
m. Tangki air
Pengambilan data
Pengolahan data dan menarik kesimpulan
selesai
Gambar 2 Diagram alir penelitian
Stopwatch
C.Hasil Penelitian
masuk bed sebesar 3.6 m/s. Dari
kecepatan
garis
perpotongan
inilah
yang
minimum fluidisasi pada pasir
menunjukkan kecepatan minimum
silica ukuran 0,36 mm
fluidisasi sebesar 3.6 m/s.
Hasil dan pembahasan selisih
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
hx (tekanan naik)
temperature reaktor gasifikasi
hx (tekanan turun)
dengan 3 variasi
kecepatan
udara.
1
1.5
2 2.5 3 3.5
kecepatan ( m/s )
4
4.5
5
Gambar 4 karakteristik kecepatan
minimum fluidisasi ukuran partikel
0.36 mm
Gambar 4.1 menunjukkan grafik
Temperatur reaktor(°C)
Tekanan (cmC2OH42 )
Karakteristik
masik bed dengan kecepatan 1
m/s dengan tekanan 0.5 cm/oil.
Diketahui
bahwa
.
/s
/s
.
/s
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130
Waktu (Menit)
karakteristik kecepatan minimum
fluidisasi partikel 0.36 mm. Udara
∆T kecepata
∆T kecepata
∆T kecepata
350
330
310
290
270
250
230
210
190
170
150
130
110
90
70
50
Gambar 5 Hasil dan pembahasan
selisih temperature reaktor gasifikasi
dengan 3 variasi kecepatan udara.
tekanan
Pada Gambar 4.5 menunjukkan
maksimum bed terjadi pada saat
Selisih temperature pasir silica
kecepatan
0,36 mm dan bahan bakar pada 3
udara
masuk
bed
sebesar 3.6 m/s. Penambahan
variasi
kecepatan
silika yang digunakan adalah pasir
akan
menyebabkan
kecepatan
udara
Pasir
tekanan bed turun dan cenderung
silika
konstan saat udara masik bed
kecepatan
sebesar 4.2 m/s. Dengan menarik
temperature rata-rata awal 570C
garis horizontal yang menunjukkan
dan temperature rata-rata akhir
tekanan bed konstan dan menarik
162 0C. Pada kecepatan udara 4
garis vertical dari kecepatan udara
m/s temperature awal rata-rata
ukuran
0,36
udara
mm.
Pada
3.5
m/s
53.50C, pada menit ke 86 terjadi
kenaikan
suhu
sedangkan
0
sebesar
309 C
temperature
akhir
udara
m/s
menunjukkan
temperature awal titik api sebesar
640C,
temperature
tertinggi
tercatat 3060C pada menit ke 88.
sebesar 296 0C pada menit ke 88
Pada kecepatan udara 4.5 m/s
dan lama nyala api selama 80
temperature
temperature
awal
akhir
53.50C
0
265 C
dan
pada
menit dari gasifikasi 5kg sekam
padi.
Pada kecepatan udara 4,5 m/s
menit ke 126.
Hasil
dan
pembahasan
temperature titik api pada 3
variasi kecepatan udara
kecepatan 3.5 m/s
320
kecepatan 4 m/s
kecepatan 4.5 m/s
menunjukkan
temperature
awal
titik api sebesar45 0C, temperature
tertinggi sebesar
259
0
C pada
menit ke 66 dan lama nyala api
265
selama 126 menit dari gasifikasi
210
5kg sekam padi
155
Hasil
dan
pendidihan
100
pembahasan
air pada 3 variasi
kecepatan udara.
45
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130
Waktu (Menit)
Gambar 6 Hasil dan pembahasan
temperature titik api pada 3 variasi
kecepatan udara
Pada gambar 4.6 menunjukkan
perbandingan temperature titik api
pada 3 variasi kecepatan udara.
Pada kecepatan udara 3,5 m/s
menunjukkan
temperature
awal
titik api sebesar 730C, temperature
tertinggi sebesar
318
0
C pada
menit ke 4 dan lama nyala api
selama 80 menit dari gasifikasi
5kg sekam padi.Pada kecepatan
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatur (°C)
Temperatur Pembakaran (°C)
4
kec 3.5 m/s
kec 4 m/s
kec 4.5 m/s
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130
Waktu (Menit)
Gambar 7 Hasil dan pembahasan
pendidihan air pada 3 variasi
kecepatan udara.
Gambar di atas menunjukkan
V
perbandingan
(m/s)
(Kj)
3.5
(%)
(Kj)
22.63
3752.275 Kj
%
1619.074 Kj
16576.56Kj
m/s, 4,5 m/s. dari gambar diketahui
7.04%
Kj
Tabel efisiensi thermal reaktor pada
kecepatan udara 3.5, m/s, 4 m/s, 4.5
percobaan
thermal
berbeda.
tiap
Pada
kecepatan udara 3.5 m/s didapat
efisiens thermal sebesar 22,63 %,
untuk
percobaan
dengan
menggunakan kecepatan udara 4
m/s
Dengan adanya tabel diatas,
m/s
sebesar
9,77
%
dan
perbandingan
percobaan dengan menggunakan
efisiensi kinerja tungku dibawah
kecepatan udara 4.5 m/s sebesar
ini.
7,
maka
25
efisiensi
percobaan dengan menggunakan
1167.50072
4.5
9.77%
thermal
reaktor pada kecepatan 3,5 m/s, 4
bahwa
4
efisiensi
didapatkan
04
%.
thermal
22.63
%
Sehingga
terbesar
efisiensi
adalah
pada
20
percobaan dengan menggunakan
15
kecepatan udara 3,5 m/s sebesar
22, 63 %. Hal ini disebabkan uap
9.77 %
10
7.04 %
yang
5
di
luapkan
lebih
besar,
sehingga kalor yang digunakan
0
1
2
3
Gambar 8 Perbandingan efisiensi
thermal reaktor pada 3 variasi
kecepatan udara
untuk pendidihan air lebih besar.
Kesimpulan
Berdasarkan
analisa
dan
pembahasan data hasil pengujian
pengaruh
kecepatan
terhadap
kerja
fluidized
bed
udara
reaktor
gasifier
bubble
didapat
kesimpulan sebagai berikut:
1. Untuk mengetahui pengaruh
variasi
kecepatan
udara
terhadap temperature reaktor
bubble fluidized bad gasifier.
2 Untuk mengetahui pengaruh
variasi
kecepatan
udara
terhadap waktu nyala efektif
dan lama pendidihan air.
3 Untuk mengetahui kecepatan
udara
optimum
kecepatan
dari
ke
3
DAFTAR PUSTAKA
Aklis. Nur, 2013. Pengaruh Perbedaan Jumlah Lubang Pada Distributor
Udara Terhadap Karakteristik Gelembung Pada Bubbling Fluidized
Bed Dengan Beberapa Jenis Partikel Yang Berbeda. Universitas
Gajah Mada
Basu, 1994. Combustion and Gasification in Fluidized Bed,
Inc., New York.
Handoyo, 2013. Pengaruh variasi kecepatan udara terhadap temperatur
pembakaran pada tungku gasifikasi sekam padi. Jurusan Teknik
Mesin Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Kunii. D. and Levenspiel. O. 1969. Fluidization Engineering. John Wiley and
Sons, Inc., New York.
Sony, 2012.Studi Karakteristik Gasifikasi Berbahan Limbah gerajen Glugu
Dengan Variasi kecepatan Udara.Sekripsi. Surakarta : Fakultas Teknik,
Universitas Muhammadiyah Surakarta.