UNJUK KERJA LPG ENGINE-GENERATOR SET MENGGUNAKAN SYN-GAS GASIFIKASI BATUBARA DENGAN VARIASI DERAJAT
PENGAPIAN DAN TEKANAN MASUK SYN-GAS
Edy Prasetyo1,*, Bambang Sudarmanta2,
1 Jurusan Teknik Mesin, Program Studi Magister Rekayasa Energi, Falkultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
2 Jurusan Teknik Mesin, Falkultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
1,2 Kampus ITS, Jl. Keputih, Sukolilo, Surabaya 60111.
Email: 1[email protected], 2[email protected]
Abstrak
Syn-gas gasifikasi batubara memiliki keunggulan seperti harganya murah, nilai kalor yang relatif tinggi dan menghasilkan polusi yang rendah. Syn-gas tersusun atas flammable gas (CO, H2 dan CH4) dan non flammable gas (CO2, N2 dan O2). Pada komposisi flammable gas tertentu, syn-gas ini dapat digunakan sebagai bahan bakar pada internal combution engines, baik pada mesin bensin, diesel dan gas engine. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja gas engine tipe LPG engine-generator set berkapasitas 4,6kW menggunakan bahan bakar syn-gas. Mengingat syn-gas memiliki LHV 1/8 dari LHV LPG dan flame speed ½ dari LPG, maka dalam penelitian ini dilakukan pengaturan jumlah syn-gas yang masuk melalui pengaturan tekanan injeksi serta pengaturan pengapian melalui advanced pengapian.
tekanan syn-gas divariasikan mulai dari 30mbar sampai 60mbar dengan interval kenaikan 10mbar, sedangkam derajat pengapian divariasikan mulai dari 20o sampai 26o sebelum TMA dengan interval kenaikan 2o. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa maksimum energi listrik yang dihasilkan oleh generator saat menggunakan bahan bakar syn-gas gasifikasi batubara mengalami penurunan sebesar 21% jika dibandingkan saat menggunakan bahan bakar LPG. Untuk mendapatkan daya optimum saat menggunakan syn-gas gasifikasi batubara suplai bahan bakar diperbesar dan derajat pengapian perlu dimajukan jika dibanding saat menggunakan LPG.
Kata kunci: engine-generator set, gasifikasi batubara, pengapian, tekanan syn-gas.
1. PENDAHULUAN
Indonesia mempunyai banyak sumber energi yaitu seperti batubara, gas alam, minyak bumi, energi air dan panas bumi. Dari semua sumber energi tersebut, batubara merupakan sumber energi dengan cadangan terbesar dan memiliki keunggulan seperti harga yang relatif lebih murah jika dibandingkan dengan cadangan sumber energi yang lainnya tersebut. Sehingga batubara akan masih menjadi bahan bakar yang paling dominan dan sangat potensial digunakan sebagai bahan bakar pembangkit listrik di masa depan. Batubara dalam bentuk padat banyak mengandung unsur- unsur seperti sulfur dan nitrogen yang bisa menimbulkan polusi dan batubara mengandung banyak unsur karbon yang bila dibakar akan menghasilkan gas CO2. Selain itu batubara berbentuk padat tidak dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar pada internal combution (IC) engines. Untuk mengatasi kendala-kendala tersebut, teknologi gasifikasi batubara merupakan alternatif yang dapat diterapkan (Sugiono, 2001).
Gasifikasi batubara merupakan konversi batubara menjadi produk gas dalam sebuah reaktor, dengan atau tanpa menggunakan pereaksi berupa udara, campuran udara dan uap air atau campuran oksigen dan uap air . Produk utama dari gasifikasi batubara adalah synthetic gas atau biasa disebut syn-gas. Syn-gas merupakan sejenis gas campuran yang terdiri atas gas karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H2). Terkadang gas ini juga mengandung karbon dioksida (CO2).
Syn-gas bersifat mudah terbakar dan bisa digunakan sebagai bahan bakar atau digunakan dalam proses untuk membuat zat kimia lain. Dalam proses gasifikasi batubara muncul material yang tidak diinginkan yang terkandung dalam batubara seperti kandungan partikel, tar, senyawa sulfur dan abu, sehingga material yang tidak diinginkan tersebut perlu dihilangkan dari syn-gas dengan
menggunakan metode tertentu sehingga dapat dihasilkan syn-gas yang bersih dan dapat dialirkan sebagai sumber energi.
Bahan bakar syn-gas gasifikasi batubara sangat berpotensi sebagai bahan bakar di masa depan karena harganya yang murah, dapat diaplikasikan pada IC engine dan gas buang yang dihasilkan oleh engine bersifat ramah lingkungan. Dalam aplikasinya pada pembangkit listrik, syn- gas dapat digunakan sebagai bahan bakar pada boiler, gas turbin maupun mesin diesel (Balat, 2009). Untuk gasifikasi batubara yang menghasilkan syn-gas dengan low heating value (LHV) maupun high heating value (HHV) dapat dimanfaatkan untuk bahan bakar pada IC engine-power generation. Sebagai bahan bakar pada IC engine, diperlukan syn-gas dengan kandungan partikel sebesar < 50mg/Nm3 dan tar sebesar <100mg/Nm3 (Hasler, 1999).
2. METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode eksperimental. Pengujian dilakukan pada gas engine dengan tipe LPG engine-generator set, dimana poros utama (main shaft) dari engine yang dipakai sebagai alat uji dihubungkan langsung dengan generator. Metode pengujian pada penelitian ini dibagi menjadi dua kelompok yaitu sebagai berikut : pengujian single fuel engine dengan bahan bakar LPG (liquefied petroleum gas) dan pengujian single fuel engine dengan bahan bakar Syn-gas gasifikasi batubara.
LPG engine-generator set yang digunakan sebagai mesin uji memiliki kapasitas daya maksimal 4800 watt, jumlah silinder 1 buah, volume silinder 389 CC dan berbahan bakar LPG.
Pembebanan yang dilakukan menggunakan beban lampu pijar sebanyak 10 buah dengan konsumsi daya masing-masing lampu sebesar 500 Watt, lampu-lampu ini disusun secara paralel dengan dilengkapi saklar pada tiap-tiap lampu untuk pengaturan beban. LPG yang digunakan adalah bahan bakar yang didapatkan dari pasaran yang diproduksi oleh Pertamina. Sedangkan Syn-gas yang digunakan pada penelitian ini adalah produksi gasifikasi batubara dengan menggunakan reaktor gasifikasi bertipe fixed bed-up draft, seperti yang ditunjukkan pada gambar 1. Komposisi syn-gas yang digunakan dalam penelitian ini memiliki nilai kalor sebesar 1.400-1.600 Kcal/Nm3 (150 btu/
ft3 atau 5,3 MJ/m3) dengan komposisi gas 18-22%H2, 24-28%CO, 0.4-0.5CO2, 1-2.2%CH4 dan 45- 55%N2. Untuk kandungan tar sebesar 1-4% dan kandungan oil sebesar 2-5% dari batubara yang dikonsumsi.
Gambar 1. Gasifikasi batubara plant
Prosedur pengujian dilakukan dengan menvariasikan tekanan bahan bakar syn-gas gasifikasi batubara yang dimasukan ke dalam ruang bakar melalui pengaturan tekanan pada pressure regulator. Variasi tekanan bahan bakar mulai dari 30 mbar sampai 60 mbar dengan interval kenaikan 10 mbar. Selain itu, dilakukan variasi pada derajat pengapian yaitu dari 20o sebelum TMA sampai 26o sebelum TMA dengan interval kenaikan 2o. Setiap variasi tekanan bahan bakar dan derajat pengapian dilakukan pembebanan secara bertahap dari 500 watt sampai 5000 watt dengan interval kenaikkan beban sebesar 500 watt. Data yang diambil antara lain mass flow
M
Blower
Meak up water
M
Pneumatik
Dumper flow rate
Steam Drum
MPemutarMotor Feeding
Batu bara
Fan
Storage Kompresor Tank
Tar
Cyclone Tar Precipitator Oil Precipitator
Sulphur Scubber Tower
Stabilizer Tank Reactor
Blower Blower
rate bahan bakar, tegangan listrik, arus listrik dan putaran engine. selama pengujian tekanan syn- gas masuk ruang bakar dijaga konstan atau stabil.
Berikut ini adalah gambar skema pengujian yang dilakukan dalam penelitian :
LPG Engine-Generator set Engine Generator Tangki Syn-gas
Tabung LPG
Pressure Regulator
Pressure gauge (mbar)
Flowmeter
Udara
Exhaust Gas Exhaust Analyzer
Electrical Panel board
Voltmeter
Amperemeter
Oli Pelumas
Thermocouple Thermocouple Thermocouple
Temperatur Oli Pelumas Multimeter
Temperatur Gas Buang
Temperatur Engine Manometer
Manometer
Frekuensi meter
Strobotester
Gambar 2. Skema pengujian.
Sebelum dilakukan pengujian dengan syn-gas, terlebih dahulu dilakukan dengan bahan bakar LPG sebagai bahan bakar standart engine. hal ini dimaksudkan agar didapatkan data awal sebagai acuan atau standart untuk melihat perubahan parameter-parameter yang terjadi saat menggunakan bahan bakar syn-gas gasifikasi batubara.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Analisa Daya
Gambar 3. Grafik daya terhadap beban
Pada gambar 3 secara umum menunjukkan bahwa daya efektif (Ne) mengalami kenaikkan seiring dengan penambahan beban. Pada pengujian menunjukkan bahwa penambahan beban menyebabkan putaran engine menjadi turun. Tetapi adanya penurunan putaran motor dapat dijaga dengan menambahkan bahan bakar dan udara melalui penambahan bukaan pada pressure regulator sehingga putaran mesin tetap konstan. Adanya penambahan bahan bakar juga menyebabkan kenaikan daya efektif, hal ini karena energi yang diberikan oleh bahan bakar juga bertambah.
Dengan derajat pengapian yang lebih maju maka semakin banyak jumlah udara-bahan bakar yang dapat dibakar sehingga energi pembakaran lebih besar. Energi hasil pembakaran yang
menggunakan bahan bakar syn-gas, karena semakin banyak campuran udara dan bahan bakar yang dapat terbakar maka daya motor akan bertambah.
Gambar 4. Power rate terhadap tekanan bahan bakar
Dari gambar 4 menunjukkan power rate saat menggunakan bahan bakar syn-gas gasifikasi batubara terbesar tercapai pada 26o sebelum TMA dengan tekanan masuk 50mbar yaitu sebesar 3037 watt. Sedangkan power rate yang dihasilkan saat menggunakan bahan bakar LPG sebasar 3884 watt. Sehingga power rate yang dihasilkan engine akan mengalami de-rating sebesar 21%
saat menggunakan bahan bakar syn-gas jika dibandingkan saat menggunakan LPG.
3.2 Analisa Torsi
Gambar 5. Grafik torsi terhadap beban
Torsi merupakan ukuran kemampuan dari engine untuk menghasilkan kerja. Dalam prakteknya torsi dari engine berguna untuk mengatasi hambatan untuk berakselerasi. Torsi mengalami kenaikan seiring dengan penambahan beban. Naiknya torsi seiring dengan derajat pengapian yang semakin maju karena semakin banyak tersedianya waktu pembakaran sehingga campuran udara-bahan bakar akan terbakar lebih besar. Pada gambar 5, torsi yang terbesar yang dihasilkan saat menggunakan syn-gas saat derajat pengapian 26o sebelum TMA dan tekanan masuk 60 mbar.
3.3 Analisa Bmep
Tekanan efektif rata-rata didefinisikan dengan tekanan tetap rata-rata teoritis yang bekerja sepanjang langkah kerja piston sehingga menghasilkan daya yang sama dengan daya poros efektif.
Torsi dari suatu engine sangat dipengaruhi oleh bmep yang dapat dihasilkan dari engine tersebut, sehingga grafik bmep identik dengan grafik torsi.
Secara umum, bmep mengalami kenaikan seiring dengan penambahan beban. Dari gambar 6 menunjukkan bahwa kenaikan bmep seiring dengan derajat pengapian yang semakin maju
karena semakin banyaknya tersedianya waktu pembakaran sehingga campuran udara-bahan bakar akan terbakar lebih banyak sekaligus energi hasil pembakaran yang dihasilkan akan lebih besar.
Gambar 6. Bmep terhadap beban
3.4 Analisa Bsfc
Pada gambar 7 terlihat secara umum saat menggunakan bahan bakar syn-gas dan LPG mempunyai harga bsfc yang semakin turun seiring dengan penambahan beban yang semakin besar, hal ini karena semakin besar beban maka engine akan semakin banyak memerlukan konsumsi bahan bakar pada rpm yang dipertahankan. Dari gambar 7 juga menunjukkan bahwa nilai sfc saat menggunakan bahan bakar syn-gas memiliki nilai lebih besar jika dibandingkan saat menggunkan bahan bakar LPG, hal ini disebabkan nilai kalor syn-gas yang lebih rendah jika dibandingkan dengan LPG sehingga untuk menghasilkan daya yang sama dibutuhkan konsumsi bahan bakar syn- gas yang lebih banyak. Pada beban yang rendah terjadi penurunan yang signifikan, hal ini disebabkan pada beban yang rendah temperatur pembakaran mulai optimum. Sedangkan pada beban tinggi, penurunan bsfc tidak signifikan lagi, karena pembakaran cenderung semakin kaya.
Gambar 7. Grafik Bsfc terhadap beban 3.5 Analisa Efisiensi Termal (ηth)
Efisiensi termal adalah ukuran besarnya pemanfaatan energi panas yang tersimpan dalam bahan bakar untuk diubah menjadi daya efektif oleh motor pembakaran dalam. Dari grafik 8 menunjukkan secara terlihat efisiensi termal naik seiring penambahan beban, namun pada beban tinggi kenaikan efisiensi tidak signifikan lagi atau bahkan kecenderungan turun. Meningkatnya efisiensi termal pada bahan bakar syn-gas seiring dengan kenaikan beban disebabkan karena konsumsi bahan bakar syn-gas lebih banyak, sehingga didapatkan efisiensi termal yang tinggi walaupun nilai kalor syn-gas lebih rendah.
Efisiensi termal syn-gas relatif lebih tinggi dibandingkan dengan efisiensi pada LPG, karena naiknya kwalitas pembakaran pada bahan bakar dengan merubah derajat pengapian dan tekanan bahan bakar.
Gambar 8. Grafik efisiensi termal terhadap beban
4. KESIMPULAN
Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa gas engine dengan spesifikasi 4-langkah, 1 buah silinder bertipe LPG engine-generator set bisa beroperasi secara baik saat menggunakan berbahan bakar 100% syn-gas gasifikasi batubara. Maksimum energi listrik yang dihasilkan oleh generator saat menggunakan bahan bakar syn-gas gasifikasi batubara mengalami penurunan sebesar 21% jika dibandingkan saat menggunakan bahan bakar LPG yaitu power rate maksimum yang dihasilkan saat menggunakan bahan bakar syn-gas sebesar 3037 watt sedangkan saat berbahan bakar LPG sebesar 3884 watt. Efisiensi termal meningkat saat hingga 2,8 kali lipat yaitu pada saat menggunakan LPG sebesar 9,8% sedangkan saat menggunakan syn-gas sebsar 28 %.
Untuk mendapatkan daya optimum saat menggunakan syn-gas gasifikasi batubara suplai bahan bakar diperbesar dan derajat pengapian perlu dimajukan jika dibanding saat menggunakan LPG.
DAFTAR NOTASI TMA = titik mati atas, o
BTDC = before top dead center, o ηth = Effisiensi Thermal, % DAFTAR PUSTAKA
Basu, Prabir. (2013). Handbook of Biomass Gasification, Pyrolysis and Torrefaction. second edition.
Hagos. Ftwi Yohaness, A. Rashid A. Aziz and Shaharin Anwar Sulaiman (2014). Trend of Syngas as a Fuel in Internal Combution Engines. Hindawi Publishing Corporation. Advances in Mechanical Engineering.Volume 2014, Article ID,01587, 10 pages.
Hasler, P & Nussbaurmer, Th. (1999). Gas Cleaning For IC Engine Aplication From Fixed Bed Biomass gasification. Journal of Miomass and Bioenergy 16. 385-395.
Heywood, JB(1998). Internal Combution Engine Fundamental. Mc Graw Hill. New York, USA.
Kawano, D. Sungkono. (2011). Motor Bakar Torak (Bensin). Surabaya: Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS.
Laurence.L.C dan Ashenafi.D (2011). Syngas treatment unit for scale gasification-aplication to IC engine gas quality requirement. Journal of aplied fluid mechanic, vol 5. No.1.pp 95-103.
Mathur, M. D, (1986). A Course in Internal Combustion Engine. Dhanpatrai & Sons, 3rd edition:
Newdehli.
Sridhar G H, Sridhar H V, Dasappa S, Paul P J, N K S Rajan and Mukunda H S (2002).
Development of Producer Gas Engines. Combustion Gasification and Propulsion Laboratory. Department of Aerospace Engineering.Indian Institute of Science , Bangalore, India.
Sugiono, Agus.(2001). Prospek Penggunaan Teknologi Bersih untuk Pembangkit Listrik dengan Bahan Bakar Batubara di indonesia. BPPT.
