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