Pembakaran Gas Hasil Gasifikasi Biomassa di PremixedGas Burner dengan Metoda 3D Computational Fluid Dynamic Adi Surjosatyo Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Jakarta E-mail: adi.surjosatyo@ui.ac.id; adi_sur@eng.ui.ac.id ABSTRAK Denganmenipisnyacadanganminyakduniadanmasalahlingkunganyangdiakibatkan olehpembakaranbahanbakarfossil,makadiperlukanenergialternatifdalammengatasihal tersebut.Bahanbakargasdariprosesgasifikasibiomassa(producergas)adalahsalahsatu energi alternatif yang dapat menggantikan bahan bakar fosil. Pemanfaatan producer gas untuk aplikasipengeringandanpemanasanboilermemerlukansuatusistemgasburneryangdapat menghasilkanpanastinggidanpolusirendah.Padapenelitianinisebuahmodelgasburner berbahanbakarproducergasdilakukanpemodelansimulasisecara3DmenggunakanCFD. Simulasi dilakukan dengan menggunakan swirl gas burner dengan menggunakanconical flame stabilizerdan tanpa menggunakan conical flame stabilizerpada variasi kecepatan udara masuk tangensial3m/s,6m/sdan9m/s.Hasilsimulasimenunjukkanpenambahanconicalflame stabilizermenghasilkanapiyanglebihpendekdanstabil.Penambahankecepatanudara memendekkan panjang api dan menurunkan temperatur api. Validasi eksperimentaldilakukan padagasswirlburneryangmenggunakanconicalflamestabilizer.Simulasidaneksperiment menunjukkan hasil yang tidak jauh berbeda.

Kata kunci: CFD, producer gas, gas burner, conical flame stabilizer. ABSTRACT Thedepletionofworlwideenergyreservationandenvironmentalissuecausedbyfossilfuel pollution urge mankind to find a suitable alternative energy to overcome this problem.Producer gas from biomass gasification is an example of an alternative energy that could substitute fossil fuelinacertaincombustionoperation.Usingproducergastogenerateheatneedsgasburner system that can produce an effective gas flame with low emission gas. This study is using modeling andsimulationofgasflameusing3D-CFDmethod.Thegasburnermodelhastwocondition, namely,usingconicalflamestabilizerandwithoutconicalflamestabilizer,andthevelocity tangential air supply is varied into three speed of 3 m/s, 6 m/s and 9 m/s, respectively. The result ofthissimulationshowstheadditionalofconicalflamestabilizerproducesashorterflame, increasesflamesstabilityandreducesCOemission.Theexperimentalresultshowsasimilar pattern compared with that of the simulation result.

Keywords: CFD, producer gas, gas burner, conical flame stabilizer. PENDAHULUAN Denganmenipisnyacadanganminyakdunia danmasalahlingkunganyangdihadapioleh pembakarandenganmenggunakanbahanbakar fossilmakadiperlukanenergialternatifdalam mengatasi hal tersebut. Gasifikasi biomassa adalah salahsatucaraalternatifuntukmenggurangi ketergantungandaribahanbakarfosil.Proses gasifikasibiomassaakanmengahasilkangas mampubakaryaituCO,CH4,danH2yangdapat dimanfaatkansebagaibahanbakarbaikuntuk mesinpembakarandalamataupunburneruntuk memanaskan boiler. Aplikasipadaboilermemerlukansuatujenis burnertertentuyangdapatmenghasilkanefisiensi pembakaranyangtinggisampingemisiNOxdan COxrendah.Apiyangdihasilkandarireaksi pembakaranpadaburnertersebutakanmengisi Combustion Chamber dan karakteristik api tersebut akan mempengaruhi panas yang dihasilkan.Salahsatucarauntukmengetahuidistribusi temperaturdanemisiyangdihasilkandariproses pembakaranadalahmenggunakanCFD (ComputationalFluidDynamic).CFDmerupakan suatu analisis aliran fluida di dalam sistem dengan menggunakanmetodealgoritmanumericyang berbasiskomputer.7JURNAL TEKNIK MESIN Vol. 12, No. 1, April 2010: 712 8 Beberapapenelitiansimulasipadagasburner telah dilakukan. Adi Surjosatyo dkk [1]melakukan penelitiansimulasi3DmengunakanCFDpada swirl gas burner dengan variasi sudut vane 200, 300, dan 400, fluida kerja yang digunakan adalah udara. Hasil penelitian menunjukkan semakin besar sudut swirl semakin meningkat kecepatan udara tangensial yangselanjutnyaakanmenyebabkanpeningkatanstabiltasapijikaterjadiprosespembakaran.Bode dkk [2] melakukan simulasi 2D menggunakan CFD danmodel aliranturbulen RNG K- padaswirl gas burner dengankondisi tampa reaksicampuran gas CH4danudarauntukmelihatfenomenapola percampuran pada aliran. Hasil penelitian menunjuk-kanmodelturbulenRNGK-memberikanhasil yangmemuaskandalammemprediksipolaper-campuran aliran. Hodor dkk, [3] melakukan simulasi 2-DGasodynamykburnerdenganduageometri berbedauntukmendapatkanmetodepercampuran CH4danudara.Hasilpenelitianyamenunjukkan desainburneryangbaikmemilikikonturtekanan keluar yang lebih besar dari kerugian tekanan pada fluegasmelewatichamber.Chiummodkk[4] melakukanpenelitiansimulasi2Dmenggunakan CFD pada Duct Gas burner menggunakan bluff body berbahanbakarCH4.Hasilpenelitianmenunjukkan burnerdengansudutbluffbody600menunjukkan peningkatankecepatanlebihbaikdanstabilitas flamelebih baik.Penelitian ini bertujuan mensimulasikan proses pembakaranpadaswirlgasburnerdengan menggunakan bluff body berbentuk conical (conical flamestabilizer)dantanpaconicalflamestabilizer padabeberapavariasikecepatantangensialudara masukdanmelakukanvalidasieksperimenpada gasburneryangmenghasilkantemperaturtinggi dan emisi CO rendah. METODE PENELITIAN Sebelumdilakukansimulasiterlebihmembuat model3dimensigasburnerdenganmenggunakan solidwork.Prinsipkerjagasburneryangdi simulasikan dapatdijelaskansebagai berikut.Udara pembakaranmasukmelaluisalurantangensial yang selajutnya melewati swirl. Producer gas masuk melewatisaluranaksialdanbercampurdengan udara.Campuranudaradanproducergas selajutnyamelewaticonicalflamestabilizerdan dibakardalamruangbakar(combustionchamber) untukmenghasilkanpanassepertiyangdi-perlihatkan pada Gambar 1. Dimensisystemgasburneradalahsebagai berikut:saluranmasukbahanbakardengan diameter66mmdanpanjang200mm.Saluran masuk udara tangensialdengan diameter22 mmdanpanjang102mm.Burnerdengandiameter daerahmasuk96mm,panjang155mmdan diameter daerah keluar 166 mm. Ruang percampuran dengandiameter 166 mm, panjang 102 mm. Ruang bakardenganpanjang952mmdandimeter422 mm.Swirldengan,panjang60mm,sudut kemiringanterhadapgarisnormal300danjumlah vane8.Conicalflamestabilizerberbentukkerucut dengan diameter 30 mm dan panjang sisi 21 mm Modelgasburnerdarisolidselajutnyadilaku-kanmeshingmenggunakansoftwareGambit.Type meshyangdigunakanadalahtetrahybridseperti yang diperlihatkan pada Gambar 2. Simulasidilakukanmenggunakansoftware Fluent. Model penyelesaian yang digunakan adalah:Tunak (steady state) Perpindahan panas Turbulensi k- epsilon RNG PerpindahanSenyawa(specestransport)atau Pembakaran gasReaksidihitungmenggunakanmodelEddy disipasi Persamaanpersamaanyangdigunakanpada modelpenyelesaianadalahpersamaankonservasi massa,konservasimomentum,konservasienergi, TurbulensiRNGK-edanPerpindahansenyawa (speces transport) masingmasing persamaan 1, 2, 3, 4 dan 5 di bawah ini. (1)

(2)

Gambar 1. Model Gas Burner dan RuangBakar Gambar 2. Hasil Meshing Surjosatyo, Pembakaran Gas Hasil Gasifikasi Biomassa di PremixedGas Burner dengan Metoda 3D Computational Fluid Dynamic 9 (3) (4) (5) Dimanavvektorkecepatan(m/s),massjenis gasgas(kg/m3),SmadalahSorceTermakibat penambahanmasakephasayangkontinuisdari dispesrsedpasakedua,Ptekananstatik(Pa),r merupkantensortegangan(Pa), grgayagrafitasi bodi (N), Frgaya ekternal bodi (N), E entalpi (J/kg), henthalfisenyawa(J/kg),Jilajualiranmassa difusitas senyawa i (kg/m2s2), Sh source term akibat panasreaksi,kturbulencekinetikenergi(m2/s2),u kecepatan(m/s),effviskositandynamikefektif (kg/ms),Gkpembangkitturbulenkinetikenergi akibatgradienkecepatantengah,Gbpembangkit turbulenkinetikakibatbuoyancy,lajuturbulen disipasi(m2/s3),Ympengaruhfluktuasidilatasiturbulenkompresibleterhadaplajudisipasi,Sk sourcetermyangditentukanpengguna,Yifraksi massamasing-masingsenyawa,Riadalahlaju produksibersihsenyawaiolehreaksikimia (kg/m3s2), Si adalah source termakibat penambahan dari fase tertentu. Denganmengasumsikankondisitunakmaka komponenperubahanmenurutwaktu(/t)pada persamaan di atas dihilangkan. Setelah melakukan pemodelan proses untuk simulasi maka selanjutnya dilakukan penentuan kondisi batas simulasi yaitu: 1.Komposisi fraksi massa gas pada producer gas CO = 25% H2 = 12% CH4= 1,5% CO2 = 10% N2= 51,5% 2.Kecepatan producer gas sebesar 1 m/s 3.Kecepatan injeksi udara tangensial, divariasikan mulai dari 3 m/s, 6 m/s, 9 m/s. 4.Temperaturproducergassebesar200oCdan temperatur udara tangensial sebesar 27oC. Setelahmendapatkanhasilsimulasimaka selanjutnyadilakukanpembuatandanpengujian swirlgasburnerdenganconicalflamestabilizer.PengujiandilakukanpadaLaboratoriumGasifikasi Termodinamika Depertemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,UniversitasIndonesia.Hasilpengujian kemudiandibandingkandenganhasilsimulasi sebagaibahanvalidasi.Sistimgasifikasibiomassa danunitgasburneryangdigunakansepertipada Gambar 3 dan 4. Distribusi suhu pada ruang bakardiukurmenggunakan dua termokopel type K(cromneldanalumnel)yangdipasangpadaruangbakar secara aksialdengan jarak masing 0.3 m dan0,6 m daribagianpangkalruangbakar.Pengukuran komposisiCOdilakukanpadajarakaksial0,3m daribagianpangkalruangbakardanjarakradial 0,1mdaripusatruangbakarmenggunakanSCX gas analyzer. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh Variasi Kecepatan Udara Masuk

Semakin meningkatnya kecepatan udara masuk akanmengurangitemperaturdanmemendekkan flamebaikmenggunakanconicalflamestabilizer maupuntanpaconicalflamestabilizersepertiyang diperlihatkan pada Gambar 5,6,7,8,9 dan 10. Hal ini dikarenakan semakin meningkatnnya jumlah udara makaakanmenambahudaralebih(excessair) pembakarandenganperbandinganudarabahan bakar(A/Fratio)1,2;2,4dan3untukuntuk kecepatan udara masing masing 3 m/s, 6 m/s dan 9 m/s.Peningkatanexessairpembakaranmenyebab-kanbanyaknyaoksigendannitrogenyangtidak ikutdalamprosespembakaranyangselanjutnya menyerappanashasilprosespembakaran. Penyerapanpanasolehnitrogendanoksigenini mengakibatkantemperaturyangdihasilkanoleh proses pembakaran menjadi rendah. Gambar 3. Eksperimental Set up Unit JendelaPengambilan Foto Gambar 4. Unit Gas Burner JURNAL TEKNIK MESIN Vol. 12, No. 1, April 2010: 712 10 Gambar5.KonturDistribusiTemperatur(0K) Kecepatan 3m/s tanpa Conical Flame Stabilizer Gambar6.KonturDistribusiTemperatur(0K) Kecepatan 3m/s dengan Conical Flame Stabilizer Gambar7.KonturDistribusiTemperatur(0K) Kecepatan 6 m/s tanpa Conical Flame Stabilizer Gambar8.KonturDistribusiTemperatur(0K) Kecepatan 6 m/s denganConical Flame Stabilizer Gambar9.KonturDistribusiTemperatur(0K) Kecepatan 9 m/s tanpaConical Flame Stabilizer Gambar10.KonturDistribusiTemperatur(0K) Kecepatan 9 m/sdenganConical Flame Stabilizer Peningkatan kecepatan udara, seperti di Gambar 7,8,9,dan10menunjukkantelahmenjauhkan temparatur maksimum api dari bagian atas burner baiktanpaconicalflamestabilizermaupundenganconical flame stabilizer seperti pada Gambar 11 dan 12. Hal tersebut diakibatkan oleh semakin tingginya kecepatanudaradidalamruangbakaryang menyebabkan adanya udara berlebih dan menghasil-kanintensitasturbulenyanglebihbesar.Semakin besar intensitas turbulen, waktu percampuran yang terjadi akan semakin lama sebelum penyalaan. Efekpeningkatankecepatantangentialudara masuk,mengakibatkanpulaperubahanpolaapi yangmengikutiarahpusarantubulensi,seperti cenderungkearahbawahataulidahapime-lengkungkebawah.Inisesungguhnyabentukapi yangberputar,kemudiankarenapotonganme-manjangmenunjukkanseolah-olahapihanya melengkung ke bawah.Hasil simulasisebenarnya tidakmengambarkan bentukapiakantetapimengambarkandistribusi suhuyangterjadihasilprosespembakaran.Pada kontur temperatur hasilsimulasi memang terlihat sedikitsekaliperbadaanjarakantaratemperatur maksimumyangdihasilkanburnermenggunakan conicalflamestabilizerdantanpaconicalflame stabilizer akan tetapi jika dikeluarkan dalam bentuk grafikbisaterlihatdenganjelassepertipada Gambar 11 dan 12.Surjosatyo, Pembakaran Gas Hasil Gasifikasi Biomassa di PremixedGas Burner dengan Metoda 3D Computational Fluid Dynamic 11 Gambar11.DistribusiTemperaturBerdasarkan JarakdariPangkalRuangBakartanpaConical Flame Stabilizer Gambar12.DistribusiTemperaturBerdasarkan JarakdariPangkalRuangBakarMenggunakan Conical Flame Stabilizer Padasimulasi3Ddimensikitatidakmeng-asumsikanduabelahansamadansimetrisakan tetapiberdasarkankondisirealyangdidapatpada simulasisehinggakonturdistribusitemperatur yang dihasilkan tidak simetris. PengaruhPenambahanConicalFlame Stabilizer Penambahanconicalflamestabilizerakan memberikanpengaruh pada bentuk apikhususnya pada kecepatan 3 m/s seperti pada Gambar 5 dan 6 terlihat perbandingan bentuk api antara pengunaan conicalflamestabilizerdantanpaconicalflame stabilizer,penambahanconicalflamestabilizear akan menghasilkan suatu aliran balik (reverse flow) pada aliran yang menghasilkan central recirculation zone(CRZ)menyebabkansuatukonsentrasiper-campuran antara bahan bakar dan udara yang lebih sempurna.Sehinggapadasaatterjadipembakaran maka maka api akan lebih pendek dan kurus akan tetapitemperaturyangdihasilkanlebihtinggi karenaudaradanbahanbakarbercampurlebih sempurna.Dengankatalain,kecepatankinetik pembakaranlebihtinggidenganmeningkatnyaefek pusaran (IRZ dan CRZ). Temperaturmaksimumuntukmasingmasing kecepatanudarapembakarandenganmengguna-kan conical flame stabilizer lebih tinggi dikarenakan denganpengunaanconicalflamestabilizerakan meningkatkandaerahresirkulasi(recirculation zone)yangdapatmeningkatkanlajupercampuran bahanbakardenganudarasehinggapembakaran lebihsempurnasertamengurangipanjangapidan dapat mengurangi panjang combustor [5]. Pengaruhpenambahanconicalflamestabilizer juga dapat dilihat dari kandungan karbon monoksida yangdihasilkandalamfraksimol.Kandungan karbonmonoksidatanpamenggunakanconical flamestabilizaerlebihbesarsepertiyangdiperlihat-kanpadaGambar13dan14,halinidikarenakan penambahanconicalflamestabilizerakanlebih meningkatkanpercampuranbahanbakarsehingga pembakaran lebih sempurna. Perbandingan Hasil Simulasi dan Eksperimen Berdasarkan informasi simulasi yang kita dapat burner dengan conical flame stabilizer lah yang lebih baikditinjaudaridistribusisuhudanCOyang dihasilkan. Sehingga validasi terhadap ekseperimen dilakukan hanya menggunakan burner menggunakan conical flame stabilizer. Gambar 13. Komposisi CO (mol) pada ArahDiameter Ruang Bakar pada Jarak0,3 m dari Pangkal Ruang Bakar tanpa Conical Flame Stabilizer Gambar 14. Komposisi CO (mol) dalam Arah Ruang BakaradaJarak0,3mdariPangkalRuangBakar dengan Conical Flame StabilizerJURNAL TEKNIK MESIN Vol. 12, No. 1, April 2010: 712 12 Gambar15.BentukApidenganConicalFlame Stabilizer di Luar dan Dalam Ruang Bakar Perbandinganhasileksperimendansimulasi menunjukkantemperaturhasileksperimendibawah nilai dari yang diprediksi untuk berbagai kecepatan sepertiyangdiperlihatkanolehTabel1.Halini dikarenakanadanyakerugianpanasakibatradiasi dalamruangbakarakantetapihasilinisimulasi cukup memuaskan.Komposisi CO hasil simulasi dan Eksperimentaldiperlihatkan pada Tabel 2. Untuk kecepatan 3 m/s terlihat nilai CO tidak terlalu jauh berbeda dengan hasil simulasi maksimum. Pada kecepatan di atas 3 m/snilaiCOtidakdapatterdeteksiolehalatukur karena nilainya sangat kecil. Apiyangdihasilkanolehgasburnerdengan menggunakan conical flame stabilizer didalam ruang bakar melalui jendela pengambilan foto dan di luar ruang bakar diperlihatkan pada Gambar 15. Bentuk apimelengkungkeataspadaeksperimenkarena pengaruh pergerakkan arah tekanan udara. KESIMPULAN Penggunaanconicalflamestabilizerpadagas burnerakanmenyebabkanpanjangapilebih pendek,suhulebihapitinggi,apilebihstabildan kandungan CO yang lebih rendah. Validasi pada gas burnermenggunakanconicalflamestabilizermenunjukkan hasil eksperimen dan simulasi hampir mendekatihalterlihatpadadistribusitemperatur, komposisiCOdanbentukapidalamruangbakar. DenganbantuansofwareFluentdapatmemper-mudahdalamdesaindanpemilihansistemgas burnerterutamauntukmemprediksisuhudan emisiCOyangdihasilkandarisuatusistemgas burner. Ucapan Terima Kasih Ucapanterimakasihiniditujukankepada mahasiswaPascaSarjanaFajriVidiandanmaha-siswaTingkatAkhiryaituYudhoDanu,Fiki,Razi danAdamyangtelahmembantumelaksanakan ExperimendanSimulasisehinggaselesainyastudi ini.UcapanterimakasihjugakepadaDRPMUI yang telah mendanai studi ini hingga selesai. DAFTAR PUSTAKA 1.Surjosatyo,Adi.,Nasir,Farid.,ACFDbased ISOTHERMALModelofSwirlBurnerDevelopment,The14thInternationalSymposium onTransportPhenomena,Bali,Indonesia,610 July, 2003. 2.Bode,Florin,Hodor,Victor,NumericalInvesti-gationonASwirlBurnerwithInternalFlue Recirculation.3ndWorkshoponVortexdominated Flow, Timiosoara, Rumania, 1-2 June, 2007. 3.Hodor,Victor.,Bode,Florin.,CFDFirst Prediction In Designing A 50 Kw Swirling Burner WithinItsCombustionChamber,3ndWorkshop on Vortex dominated Flow, Timiosoara, Rumania, 1-2 June 2007. 4.Chimno, G., Di Nardo, A., Parametrical Analysis onaExhaustGas-Methane-BurnerinSteady StateCondition:APostCombustionCase, DepartementofMechanicalEngieneeringand Energetic University of Naples, Italy, 2006. 5.Bhoi, PR., Channiwula, S.A.,EmissionCharac-teristic and axial Flame Temperature Distribution ofProducerGasFiredPremixedBurner,Inter-nationalJournalBiomass&Bioenergy,Vol33, 2009, hal.469-477.6.FluentInc.,Fluent6.3UsersGuide.Fluent Incoporated, Lebanon. 7.Kuo, K.K., Principles of Combustion, John Wiley and Sons, New York, 2006. Tabel 1. Perbandingan Hasil Eksperimental dan Simulasi untuk Temperatur Temperatur (0K) Kecepatan 3 m/sKecepatan6 m/sKecepatan 9 m/s Jarak aksialdaripusat ruang bakar (m)EksperimentalSimulasiEksperimentalSimulasiEksperimentalSimulasi 0.310781128698751501533 0.6769815488528412454 Tabel 2. Perbandingan Hasil Eksperimental dan Simulasi untuk Komposisi CO Komposisi CO (fraksi mol) Kecepatan 3 m/sKecepatan 6 m/sKecepatan 9 m/s Jarak aksialdari pusat ruang bakar (m)Arah diameter daripusatruangbakar (m)EksperimentalSimulasiEksperimentalSimulasiEksperimentalSimulasi 0,30,19 x 10 -4 1.82 x 10 -3 Tidak terukur2 x 10 -7Tidak terukur1,23x 10-9