Abstrak—Penelitian ini dimaksudkan untuk pemanfaatan hasil
gasifikasi biomassa (syn-gas) sebagai bahan bakar burner gas tipe
non-premixed dengan tujuan untuk mendapatkan kondisi operasi
yang optimal. Untuk mencapai kondisi yang optimal dibutuhkan proses pembakaran yang baik dengan perbandingan udara dan bahan bakar yang disebut AFR. Metode yang dilakukan adalah eksperimental dengan variasi AFR mulai 2,06 sampai 9,54 dengan cara merubah voltage regulator blower pada voltase 50 V, 100 V, 150 V, 175 V dan 200 V pada tekanan syn-gas dari 0,2 bar sampai 1,2 bar dengan kenaikan 0,2 bar. Dari hasil penelitian didapatkan kondisi operasi pada burner gas tipe non-premixed pada AFR 3 sampai 6 untuk mencapai proses pembakaran yang optimal.
Kata Kunci—AFR, Burner, Non-Premixed, Performance, Syn-Gas.
I. PENDAHULUAN
iomassa merupakan sumber energi terbarukan yang mengacu pada bahan biologis yang berasal dari organisme yang belum lama mati (dibandingkan dengan bahan bakar fosil). Kayu merupakan salah satu jenis bahan bakar padat yang bias dibakar secara langsung yang biasa dimanfaatkan untuk rumah tangga dan industri skala kecil. Suhu yang dihasilkan cukup untuk skala kecil biasanya hanya sampai 600 0C dan emisi gas yang dihasilkan dari kayu yang dibakar secara adalah sangat tinggi sehingga tidak baik untuk lingkungan. Untuk itu jika ingin dimanfaatkan lebih menghasilkan suhu yang lebih tinggi dan emisi yang berkurang diperlukan adanya gasifikasi dari biomassa kayu. menampilkan seluruh artikel ilmiah secara konsisten.
Pada penelitian ini menggunakan jenis burner gas tipe non-premixed adalah bentuk burner yang menggunakan gas dari hasil gasifikasi atau dikenal dengan synthetic gas, yaitu menggunakan bahan bakar biomassa serbuk kayu yang diolah menjadi gas yang kemudian akan dimanfaatkan untuk pembakaran sehingga diketahui performance burner tersebut dengan dikombinasi swirl air. Swirl air berfungsi untuk mencampur antara udara dan bahan bakar sehingga terjadi pencampuran yang baik dalam ruang bakar dan api yang dihasilkan dapat stabil.
Dari studi eksperimen (burner gas tipe non-premixed) dengan variasi AFR (variasi tekanan bahan bakar dan variasi udara (blower) diharapkan dapat mengetahui performance yang baik yaitu dengan melakukan proses analisa secara percobaan distribusi temperatur, daya burner, konsumsi bahan bakar spesifik dan efisiensi burner.
II. URAIANPENELITIAN A. Studi Litelatur
Bahan bakar singkatnya adalah zat yang mudah terbakar. Di dalam hal ini penekanan akan diberikan kepada bahan bakar hidrokarbon, yang mengandung hidrogen dan karbon. Sulfur dan zat-zat kimia lainnya juga mungkin ada. Bahan bakar hidrokarbon dapat memiliki bentuk cair, gas, dan padat. Pembakaran merupakan oksidasi cepat bahan bakar disertai dengan produksi panas dan cahaya. Bahan bakar akan terbakar sempurna hanya jika ada pasokan oksigen (O2) yang cukup.
Jumlah oksigen mencapai 20,9% dari udara, dan sebanyak hampir 79% merupakan nitrogen (N2) dan sisanya adalah
elemen lain.
B. Perbedaan Premixed Burner dan Non-Premixed Burner Pembakar (burner) adalah alat yang digunakan untuk mereaksikan secara baik antara bahan bakar dengan oksidator sehingga dapat terjadi proses pembakaran.
1. Premixed Burner
Pembakar (burner) tipe ini dilakukan sebelum dipantik. Hasil dari pembakar (burner) tipe ini adalah api yang lebih pendek dan intens jika dibandingkan dengan pembakaran secara difusi Temperatur hasil pembakaran dengan premixed burner ini lebih tinggi dibandingkan dengan difusi. Kerugian pembakar (burner) tipe ini adalah besarnya kadar emisi gas buang NOx. Oksidator yang biasa dipakai pada pembakar (burner) ini adalah udara.
2.Non-Premixed Burner
Pada pembakar (burner) tipe ini, tidak dilakukan pencampuran terlebih dahulu sebelum campuran dipantik. Keuntungan dari pembakar (burner) ini adalah api yang lebih panjang dan temperatur api lebih seragam. Jika oksidator yang
digunakan adalah oksigen murni, biasanya menggunakan pembakar (burner) tipe ini untuk menghindari adanya percikan balik (flash back).
Studi Eksperimental Unjuk Kerja Burner Gas
Tipe
Non-Premixed
Berbahan Bakar
Syn-Gas
Biomassa Serbuk Kayu Dengan Variasi AFR
Henik Indahyani dan Bambang Sudarmanta
Teknik Mesin, Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail:sudarmanta@me.its.ac.id
B
C. Campuran Bahan Bakar (AFR)
Jika nilai aktual lebih besar dari nilai AFR, maka terdapat udara yang jumlahnya ebih banyak daripada yang dibutuhkan sistem dalam proses pembakaran dan dikatakan miskin bahan bakar dan jika nilai aktual lebih kecil dari AFR stoikiometrik maka tidak cukup terdapat udara pada sistem dan dikatakan kaya bahan bakar.
(1)
D. Indikator Performance Burner
Performance suatu burner dapat dikatakan baik atau tidak bisa dilihat dari beberapa indikator menurut Haryowibowo (2008), [10] sebagai berikut:
1. Distrubusi temperatur
Burner dikatakan beroperasi dengan baik jika menghasilkan temperatur yang tinggi. Distribusi temperatur dapat diukur dengan thermocouple dengan beberapa titik penempatan, sehingga didapatkan data distribusi temperatur api.
2. Daya Burner
Daya pembakaran adalah dengan mengkalikan laju aliran massa bahan bakar dan dengan entalpi pembakaran.
𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷= 𝑚𝑚̇𝑠𝑠𝐷𝐷𝐷𝐷 −𝑔𝑔𝐷𝐷𝑠𝑠𝑥𝑥ℎ𝑅𝑅𝑅𝑅 (kW)
(2)
Untuk memperoleh hRP = hP - hR, dimana karena reaktan dan
produk merupakan suatu campuran gas dengan jumlah mol tertentu, maka:
ℎ�𝐷𝐷𝑟𝑟= ∑ 𝐷𝐷𝑅𝑅 𝑟𝑟ℎ�𝑟𝑟− ∑ 𝐷𝐷𝑅𝑅 𝑅𝑅ℎ�𝑅𝑅 (3)
Untuk mengetahui entalpi pembakaran dalam basis massa, maka perludiketahui massa molar rata-rata dari gas adalah:
𝑀𝑀𝐷𝐷𝐷𝐷𝑟𝑟𝐷𝐷 −𝐷𝐷𝐷𝐷𝑟𝑟𝐷𝐷 = ∑ 𝐷𝐷𝑖𝑖𝑀𝑀𝑖𝑖 (4)
Dimana ni (komposisi bahan bakar) dan Mi (molar massa
bahan bakar) sehingga hRP adalah:
ℎ𝑅𝑅𝑅𝑅= �𝑀𝑀 ℎ�𝑅𝑅𝑅𝑅 𝐷𝐷𝐷𝐷𝑟𝑟𝐷𝐷 −𝐷𝐷𝐷𝐷𝑟𝑟𝐷𝐷� (5) 3. Efisiensi Burner 𝜂𝜂𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 = 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷ℎ𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝑏𝑏𝐷𝐷𝐷𝐷 𝑥𝑥 100% (6) Dimana,
Daya bahan bakar = 𝑚𝑚̇𝐷𝐷𝐷𝐷ℎ𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝑏𝑏𝐷𝐷𝐷𝐷𝑥𝑥𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐷𝐷𝐷𝐷ℎ𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝑏𝑏𝐷𝐷𝐷𝐷 (7)
4. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
SFC = ṁsyn−gas(kgs)
Daya burner (kW ) x 3600 (h) (8)
E. Langkah-langkah pengujian
Penelitian ini dilakukan dengan 2 tahapan yaitu: 1. Tahap Persiapan
Menyiapkan semua peralatan yang ada pada skema pengujian di bawah ini:
2. Tahap Pengujian
Pada tahap ini merupakan tahap memfungsikan burner sampai menghasilkan nyala api, yaitu
1. Membuka pressure regulator syn-gas (awal penyalaan P = 0,2 bar).
2. Kemudian menyalakan dengan pemantik api (nyala api
keluar dari burner).
3. Menyalakan blower dan ditutup (voltage regulator). 4. Menunggu sampai api stabil dan siap melakukan
pengambilan data. 3. Tahap Pengambilan Data
Pada tahap ini merupakan tahap pengambilan data dengan memvariasikan tekanan syn-gas dan bukaan blower, langkah-langkahnya sebagai berikut:
1. Menaikkan tekanan 0,2 bar dari tekanan sebelumnya. 2. Kemudian blower divariasikan voltage regulator yaitu
50 V, 100 V, 125 V, 150 V, 175 V dan 200 V. 3. Tunggu 1 menit.
4. Ambil data.
5. Ulangi percobaan 1, 2, 3 dan 4 sampai variasi tekanan 1,2 bar.
6. Setelah Pengambilan data, posisikan pressure regulator pada posisi 0 dan matikan blower posisikan voltage regulator pada posisi 0.
III. HASILDANANALISA
Berdasarkan hasil pengujian pada laboratorium LPMM ITS didapatkan nilai komposisi bahan bakar syn-gas dalam bentuk massa adalah f f a a f a N M N M m m AFR . . . . . .
Gambar. 2. Non-Premixed Burner
Sehingga dari hasil perhitungan Kebutuhan Udara Teoritis syn-gas didapatkan nilai AFR adala 1,803.
A. Hasil analisa Distribusi Temperatur
Gambar 5. Grafik Distribusi Temperatur Terhadap Posisi Thermocouple
dengan Variasi AFR pada Tekanan 0,2 bar
Pada gambar 5 menunjukkan bahwa distribusi temperatur api dengan variasi AFR 3,78 lebih besar dibandingkan distribusi temperatur api dengan variasi AFR 9,45. Hal ini dikarenakan kandungan kaya pada pencampuran bahan bakar pada AFR 3,78 adalah kondisi optimal. Temperatur tertinggi pada variasi AFR 3,78 berada pada T = 265,78 oC dengan posisi thermocouple 3 dan temperatur terendah bada pada T = 64,45 oC dengan posisi thermocouple 8.
Gambar 6. Grafik Distribusi Temperatur Terhadap Posisi Thermocouple
dengan Variasi AFR pada Tekanan 0,4 bar
Pada gambar 6 menunjukkan bahwa distribusi temperatur api dengan variasi AFR 3,54 lebih besar dibandingkan
distribusi temperatur api dengan variasi AFR 7,09 dan AFR 8,51. Hal ini dikarenakan kandungan kaya pada pencampuran bahan bakar pada AFR 3,54 adalah kondisi optimal pada tekanan 0,4 bar. Pada tekanan 0,4 bar mampu mencapai 3 variasi dibandingkan dengan pada tekanan 0,2 bar hanya bisa 2 variasi AFR. Temperatur tertinggi pada variasi AFR 3,54 berada pada T = 278,64 oC dengan posisi thermocouple 4 dan temperatur terendah bada pada T = 55,04 oC dengan posisi thermocouple 8 pada variasi AFR 8,51.
Gambar 7. Grafik Distribusi Temperatur Terhadap Posisi Thermocouple
dengan Variasi AFR pada Tekanan 0,6 bar
Pada grafik 7 menunjukkan bahwa distribusi temperatur api dengan variasi AFR 3,54 lebih besar dibandingkan distribusi temperatur api dengan variasi AFR 7,09 dan AFR 8,51. Hal ini dikarenakan kandungan kaya pada pencampuran bahan bakar pada AFR 3,54 adalah kondisi optimal. Pada tekanan 0,6 bar juga mampu mencapai 3 variasi AFR. Temperatur tertinggi pada variasi AFR 3,31 berada pada T = 355,15 oC dengan posisi thermocouple 4 dan temperatur terendah bada pada T = 81,23 oC dengan posisi thermocouple 8 pada variasi AFR 8,51.
Gambar 8. Grafik Distribusi Temperatur Terhadap Posisi Thermocouple
dengan Variasi AFR pada Tekanan 0,8 bar
Pada grafik 8 menunjukkan bahwa distribusi temperatur api dengan variasi AFR 3,54 lebih besar dibandingkan distribusi temperatur api dengan variasi AFR 2,84, AFR 4,96 dan AFR 5,67. Hal ini dikarenakan kandungan kaya pada pencampuran bahan bakar pada AFR 3,54 adalah kondisi optimal. Pada tekanan 0,8 bar juga mampu mencapai 4 variasi AFR. Dan pada tekanan 0.8 bar mencapai temperatur tertinggi dibandingkan variasi tekanan lainnya. Temperatur tertinggi pada variasi AFR 3,54 berada pada T = 458,76 oC dengan posisi thermocouple 4 dan temperatur terendah bada pada T = Tabel 1. Komposisi syn-gas Komposisi % CO 19,57 H2 5,34 CH4 1,81 N2 49,26 CO2 11,23 O2 12,79
53,78 oC dengan posisi thermocouple 8 pada variasi AFR 5,67.
Gambar 9. Grafik Distribusi Temperatur Terhadap Posisi Thermocouple
dengan Variasi AFR pada Tekanan 1 bar
Pada grafik 9 menunjukkan bahwa distribusi temperatur api dengan variasi AFR 4,41 lebih besar dibandingkan distribusi temperatur api dengan variasi AFR 2,52 dan AFR 5,67. Hal ini dikarenakan kandungan kaya pada pencampuran bahan bakar pada AFR 4,41 adalah kondisi optimal. Pada tekanan 1 bar mampu mencapai 3 variasi AFR. Temperatur tertinggi pada variasi AFR 4,41 berada pada T = 326,73 oC dengan posisi thermocouple 4 dan temperatur terendah bada pada T = 96,41
o
C dengan posisi thermocouple 8 pada variasi AFR 5,67.
Gambar 10. Grafik Distribusi Temperatur Terhadap Posisi Thermocouple
dengan Variasi AFR pada Tekanan 1,2 bar
Pada grafik 10 menunjukkan bahwa distribusi temperatur api dengan variasi AFR 3,61 lebih besar dibandingkan distribusi temperatur api dengan variasi AFR 2,06; AFR 2,58; AFR 4,12; AFR 4,64 dan AFR 5,67. Hal ini dikarenakan kandungan kaya pada pencampuran bahan bakar pada AFR 3,61 adalah kondisi optimal. Pada tekanan 1,2 bar mampu mencapai 6 variasi AFR akan tetapi temperatur tertinggi pada tekanan 0,8 bar. Temperatur tertinggi pada variasi AFR 3,61 berada pada T = 391,37 oC dengan posisi thermocouple 3 dan temperatur terendah bada pada T = 68,42 oC dengan posisi thermocouple 8 pada variasi AFR 5,67.
B. Hasil analisa daya burner
Gambar 11. Grafik Daya Burner Terhadap AFR pada masing-masing Tekanan
Pada gambar grafik 11 menunjukkan bahwa daya burner terhadap AFR pada masing- semakin tekanan dinaikkan semakin tinggi dayanya, sering dengan bertambahnya AFR. Daya burner tertinggi sebesar 133,62 kW diperoleh pada tekanan 1,2 bar pada AFR 5,67 pembakaran merupakan fungsi laju aliran massa, sesuai dengan kenaikan tekanan maka laju aliran massa juga meningkat.
C. Hasil analisa konsumsi bahan bakar spesifik
Gambar 12. Grafik Konsumsi Bahan Bakar Spesifik Terhadap AFR pada masing-masing Tekanan
Pada gambar grafik 12 menunjukkan konsumsi bahan bakar spesifik burner terhadap perubahan tekanan syn-gas. Konsumsi bahan bakar spesifik ini menunjukan kemampuan bahan bakar mengasilkan daya (kW) dalam waktu satu jam dimana hasil menurun seiring dengan bertambahnya AFR, meskipun nilai SFC berubah-berubah pada masing-masing tekanan. AFR yang bertambah merupakan keadaan kaya udara sehingga nilai SFC nya semakin turun meskipun berubah-ubah pada masing-masing tekanan. Konsumsi bahan bakar spesifik terendah pada tekanan 0,4 bar pada AFR 3,61.
Gambar 13. Grafik Efisiensi Burner Terhadap AFR pada masing-masing Tekanan
Pada gambar grafik 13 menunjukan trendline efisiensi semakin meningkat dengan bertambahnya AFR. Nilai efisiensi didapatkan lebih rendah dibandingkan dengan partially premixed burner, hal ini dikarenakan dapat dilihat dari sistem pencampuran antara bahan bakar dan udara. Dimana pada non-premixed burner pembakaran terjadi diluar sistem sedangkan partially premixed burner pembakaran terjadi didalam sistem. Efisiensi tertinggi terdapat pada tekanan 0,8 bar pada AFR 5,67.
E. Hasil analisa visualisasi nyala api
(a)
(b)
(c)
Gambar 14. Bentuk Api dengan (a) AFR < 3, (b) 3<AFR<6, (c) AFR > 6 Dari gambar 14 menunjukkan bahwa semakin bertambahnya AFR api yang dihasilkan semakin pendek. Hal ini dikarenakan dengan AFR yang bertambah menunjukkan adanya suplai udara yang berlebih merupakan campuran miskin. Campuran miskin mengindikasi bahwa tidak terjadi pembakaran yang sempurna shingga api yang dihasilkan pendek.
IV. KESIMPULAN
Dari penelitian ini didapatkan hasil burner yang memiliki distribusi temperatur api maksimum sebesar 458,76 oC pada kondisi operasi AFR 3,54. Serta diperoleh daya tertinggi sebesar 133,62 kW pada kondisi operasi AFR 5,67 dimana seiring dengan tekanan bahan bakar yang bertambah, efisiensi tertinggi sebesar 33,2% pada kondisi operasi AFR 5,67 dimana pada kondisi ini kalor yang dilepaskan maksimal dan belum terjadi loses yang tinggi dan konsumsi bahan bakar spesifik terendah sebesar 1,17 kg/kW.h pada AFR 5,67
dimana pada kondisi campuran miskin bahan bakar. UCAPANTERIMAKASIH
Penulis, Henik Indahyani, mengucapkan terima kasih kepada dosen pembimbing dan pembahas yang telah memberikan kritik dan saran untuk penulisan artikel ini. Penulis Juga mengucapkan terima kasih kepada keluarga besar penulis yang memberikan dukungan baik secara moral dan finansial dalam penyusunan paper ini.
DAFTARPUSTAKA
[1] DEPHUT. Departemen Kehutanan. Balai Penelitian dan Pengesahan Hasil Hutan. Laporan Tahunan. Bogor. 1990.
[2] BAUEKAL,C.E. Industrial Burners Handbook. CRC Press. 2003. [3] Pengertian bahan bakar dan jenisnya.
http://id.wikipedia.org/wiki/bahanbakar.html. 2012. [4] Teori Pembakaran. www.energyefficiencyasia.org.html. 2011.
[5] Moran, Michael J., Shapiro, Howard N dalam Fundamentals of EngineeringThermodynamics 4TH Edition, John Wiley and Sons, Inc, 2000.
[6] Anil K. Rajvanshi. Biomass Gasification. Nimbakar Agricultural Research Institute. Maharashtra. India. 1986.
[7] Thomas B. Reed, Agua Das, Handbook of biomass Down drfat Gasifier Engine Systems, Solar Energy Research Institute, Colorado,1988. [8] Zho, Yijun, Sun shaozeng, haou zhou, rui sun, hongming tian, jiyi luan
& juan qian.“experimental study on sawdust air gasification in an entrained flow reactor”,China. 2010.
[9] Bambang, Nur Cahyo. Studi Eksperimen Pengaruh Variasi Kecepatan Swirler Air Terhadap Panjang Nyala Api Pada Pembakaran Bahan Bakar Batubara. InstitutTeknologi Sepuluh Nopember. 2014.
[10] Riarno Haryowibowo. Perancangan Dan Pembuatan Pembakar (Burner) Untuk Reaktor Gasifikasi Berbahan Bakar Biomassa (Sekam Padi). InstitutTeknologi Sepuluh Nopember. 2008.
[11] Muhammad Syahriyal. Unjuk KerjaKompor Berbahan Bakar Biogas Efisiensi Tinggi Dengan Penambahan Reflektor. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. 2012.
[12] Ferry Ardianto. Karakterisasi gasifikasi biomassa serpihan kayu pada reaktor down draft sistem batch dengan variasi air fuel ratio (AFR) dan ukuran biomassa. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. 2012. [13] Lars Waldheim dan Torbjorn Nilsson. Heating Value Of Gases From
