Abstrak—Produksi limbah serbuk kayu di Indonesia sangat berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai bahan bakar alternatif melalui proses gasifikasi. Dalam usaha untuk memanfaatkan gas hasil gasifikasi (syngas) dibutuhkan desain burner gas yang sesuai. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan dimensi diameter outlet bahan bakar yang tepat dan kondisi operasi yang optimal untuk burner syngas type partially premixed. Metode yang dilakukan adalah eksperimental dengan variasi perubahan dimensi diameter outlet bahan bakar pada burner sebesar 11 mm, 12 mm, 13 mm, dan 14 mm. Variasi tekanan bahan bakar syngas sebesar 0,2 bar sampai 1,2 bar dengan kenaikan 0,2 bar. Dari hasil penelitian ini didapatkan hasil untuk temperatur api tertinggi yang dihasilkan burner syngas adalah 639o celcius pada posisi diameter outlet bahan bakar 12 mm pada tekanan 1,2 bar. Daya burner tertinggi mencapai 178 kW pada posisi diameter outlet bahan bakar 12 mm pada tekanan 1,2 bar. Untuk konsumsi bahan bakar spesifik yang optimal pada diameter outlet bahan bakar 12 mm pada tekanan 1 bar dengan nilai sebesar 0,8009 Kg / kW .H. Effisiensi tertinggi pada diameter outlet bahan bakar 12 mm pada tekanan 1.2 bar sebesar 48.5 %. Kata Kunci— burner, biomassa, serbuk kayu, synthetic-gas, partially premixed.
I. PENDAHULUAN
roses gasifikasi biomassa adalah proses konversi secara thermal biomassa padat menjadi bahan bakar gas. Pada proses gasifikasi ini, biomassa dibakar dengan udara terbatas, sehingga gas yang dihasilkan sebagian besar mengandung hidrogen, karbonmonoksida, dan metana. Gas-gas tersebut kemudian direaksikan lagi dengan oksigen (diperoleh dari udara) sehingga dihasilkan panas dari pembakaran tersebut. Proses gasifikasi ini di maksudkan untuk meningkatkan nilai kalor bahan bakar biomassa. Gas yang di hasilkan yang biasa di sebut syngas atau gas sintetik.
Untuk memaksimalkan proses pembakaran dengan syngas, dibutuhkan sebuah pembakar (burner) yang tepat. Burner adalah alat yang digunakan untuk mereaksikan secara baik antara bahan bakar dengan oksidator sehingga dapat terjadi proses pembakaran.
Pada penelitian ini menggunakan jenis burner gas tipe non-premixed adalah bentuk burner yang menggunakan gas dari hasil gasifikasi atau dikenal dengan synthetic gas dengan variasi diameter outlet bahan bakar.
Dari studi eksperimen (burner gas tipe non-premixed) dengan variasi diameter outlet 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. Jenis Burner
Pembakar (burner) adalah alat yang digunakan untuk mereaksikan secara baik antara bahan bakar dengan oksidator sehingga dapat terjadi proses pembakaran[1].
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.
Gambar. 1. Premixed Burner
2.Diffusion-mixed 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).
Gambar. 2. Diffusion-mixed Burner
3.Partially-Premixed Burner
Partially premixed burner merupakan gabungan antara premixed dan diffusion-mixed burner. Pada awal / bagian
Studi Eksperimen
Burner Type Partially
Premixed
Dengan Bahan Bahan Bakar
Syngas
Biomassa Serbuk Kayu Dengan Variasi
Diameter
Outlet
Bahan Bakar
Falah Kahardiansyah dan Bambang Sudarmanta
Teknik Mesin, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
:sudarmanta@me.its.ac.id
depan burner, ada sebagian oksidator dan bahan bakar yang telah dicampur terlebih dahulu sedangkan pada ujung burner (ketika akan dipantik) ada saluran untuk suplai oksidator dan bahan bakar.
Gambar. 3 Partially-Premixed Burner B. Campuran Primary dan Secondary Air
Primary air dalam istilahnya dapat dikatakan sebagai udara primer atau udara utama. Dalam berbagai kasus di dunia industri, primary air digunakan sebagai pengantar dari bahan bakar burner sebelum dilakukannya pemantikan. Secondary air atau udara sekunder yaitu sumber udara yang digunakan untuk mendukung primary air sebagai suplai udara pembakaran. Pada burner tipe partially premixed, menggunakan dua kombinasi antara primary dan secondary air.
C. Indikator Performance Burner
Performance suatu burner dapat dikatakan baik atau tidak bisa dilihat dari beberapa indikator menurut Haryowibowo [2] sebagai berikut:
1. Distribusi 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 mengurangkan Daya Bahan Bakar dengan 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠.
𝐷𝑎𝑦𝑎𝑏𝑢𝑟𝑛𝑒𝑟= 𝐷𝑎𝑦𝑎𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 − 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠 (kW)
(1) Untuk memperoleh 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠, dimana merupakan pengalian ℎ𝑅𝑃dengan 𝑚̇𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 , dimana ℎ𝑅𝑃didapatkan dari:
ℎ�𝑟𝑝= ∑ 𝑛𝑝ℎ�𝑝𝑃 − ∑ 𝑛𝑅ℎ�𝑅𝑅 (3) Untuk mengetahui entalpi pembakaran dalam basis massa, maka perludiketahui massa molar rata-rata dari gas adalah: 𝑀𝑟𝑎𝑡𝑎−𝑟𝑎𝑡𝑎 = ∑ 𝑛𝑖𝑀𝑖 (4) Dimana ni (komposisi bahan bakar) dan Mi (molar massa bahan bakar) sehingga hRP adalah:
ℎ𝑅𝑃= �𝑀𝑟𝑎𝑡𝑎−𝑟𝑎𝑡𝑎ℎ�𝑅𝑃 � (5)
3. Efisiensi Burner
𝜂𝑏𝑢𝑟𝑛𝑒𝑟 = 𝐷𝑎𝑦𝑎𝐷𝑎𝑦𝑎𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛𝑏𝑢𝑟𝑛𝑒𝑟𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 𝑥 100% (6) Dimana,
Daya bahan bakar = 𝑚̇𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟𝑥𝐿𝐻𝑉𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 (7) 1. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
SFC = ṁsyn-gas(kgs)
Dayaburner (kW) x 3600 (h) (8) D. 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. Menyambungkan inlet syngas ke burner, dan memastikan tidak terjadi kebocoran pada rangkaian alat pengujian.
2. Menyetel diameter outlet ukuran 1,1 cm.
3. Mengatur regulator syngas dan setel pada tekanan 0,2 bar.
4. Menyalakan api dengan pemantik di ujung burner atau pada ruang bakar.
5. Menyalakan blower, untuk masukan udara dengan 𝑚̇ primary air 0.015 (kg/s) dan 𝑚̇ secondary air udara sebesar 0.06 (kg/s)
6. Mengulangi langkah 1-5 dengan variasi tekanan syngas masing-masing 0,4 ; 0,6 ; 0,8 ; 1 ; 1,2 (bar)
7. Menunggu sampai api stabil dan ambil data.
8. Mengulangi langkah 1-6 dengan variasi diameter outlet syngas masing-masing 1,2; 1,3; dan 1,4 cm.
9. Menunggu sampai api stabil dan ambil data.
Gambar. 4. Skema Pengujian Keterangan : 1. Blower sentrifugal 2. Inclined Manometer (θ = 15o) 3. Storage Tank 4. Pressure Regulator 5. Pressure gauge
6. Burner Type Partially Premixed 7. Thermocouple
8. Thermocouple Display
III. HASILDANANALISA
Berdasarkan hasil pengujian pada laboratorium LPMM ITS [3]
Tabel 1Komposisi syngas serbuk kayu dalam persen mol
Kompo nen Basis massa (kg.%) Berat Molekul (kg/kmol) tabel A-1 (kmol. %) Basis mol (kmol.%) CO 19.57 28.01 0.00699 0.12168 H2 5.34 2.106 0.02536 0.44160 CH4 1.81 16.04 0.00113 0.01965 N2 49.26 28.01 0.01759 0.30629 CO2 11.23 44.01 0.00255 0.04444 O2 12.19 32 0.00381 0.06634 TOTAL 0.05742 1
A. Hasil Analisa Distribusi Temperatur
Gambar 5. Grafik Distribusi temperatur diameter outlet bahan bakar 11 mm
Temperatur api meningkat dari posisi thermocouple 1-3 kemudian temperatur perlahan turun sampai pada posisi thermocouple 8. Temperatur tertinggi yang di dapat pada tekanan syngas 1 bar adalah 389oC pada posisi thermocouple no 3. Sedangkan termperatur terendah pada posisi thermocouple ke 7 sebesar 147oC pada tekanan syngas 0,2 bar. Peningkatan nilai temperatur dari setiap thermocouple seharusnya berbanding lurus dengan tekanan bahan bakar syngas, dengan peningkatan tekanan bahan bakar menyebabkan 𝑚̇𝑔𝑎𝑠meningkat. Dari grafik diatas masih terjadi fluktuasi nilai temperatur yang saling memotong, hal ini disebabkan faktor kualitas api yang kurang seragam akibat dari pencampuran udara dan bahan bakar yang kurang baik sehingga nilai temperatur dari thermocouple menjadi fluktuatif
Gambar 6. Grafik Distribusi Temperatur Diameter Outlet Bahan Bakar 12 mm
Temperatur api meningkat dari posisi thermocouple 1-4 kemudian temperatur perlahan turun sampai pada posisi thermocouple 8. Temperatur tertinggi yang di dapat, pada tekanan syngas 1 bar adalah 639oC pada posisi thermocouple no 4. Sedangkan termperatur terendah pada posisi thermocouple ke 8 sebesar 81oC pada tekanan syngas 0,2 bar.
Jika dibandingkan dengan distribusi temperatur pada variasi diameter outlet bahan bakar 11 mm, terjadi pergeseran temperatur maksimum pada variasi diameter outlet bahan bakar 12 mm. Hal ini dikarenakan peningkatan diameter berbanding lurus dengan 𝑚̇ 𝑔𝑎𝑠yang menyebabkan panjang
api yang dihasilkan lebih panjang. Sehingga posisi tengah api dimana posisi terpanas dari api juga menjadi lebih panjang
Gambar 7. Grafik Distribusi Temperatur Diameter Outlet Bahan Bakar 13 mm
Temperatur tertinggi yang di dapat pada tekanan syngas 1,2 bar adalah 415oC pada posisi thermocouple no 6. Sedangkan temperatur terendah pada posisi thermocouple ke 1 sebesar 83oC pada tekanan syngas 0,2 bar.Jika dibandingkan dengan distribusi temperatur pada variasi diameter outlet bahan bakar sebelumnya, terjadi pergeseran temperatur maksimum pada variasi diameter outlet bahan bakar 13 mm. Api yang terbentuk mengalami lift-off, dimana api yang terbentuk tidak menyentuh ujung burner namun tetapi stabil. Hal ini mengakibatkan panjang api stabil disekitar thermocouple 4-7 sehingga terjadi pergeseran temperatur maksimumnya.
Gambar 8. Grafik Distribusi Temperatur Diameter Outlet Bahan Bakar 14 mm
Temperatur tertinggi yang di dapat pada tekanan syngas 1,2 bar adalah 493oC pada posisi thermocouple no 6. Sedangkan termperatur terendah pada posisi thermocouple ke 1 sebesar 80oC pada tekanan syngas 0,8 bar.
Jika dibandingkan dengan distribusi temperatur pada variasi diameter outlet bahan bakar 11 dan 12 mm, terjadi pergeseran temperatur maksimum pada variasi diameter outlet bahan bakar 14 mm. Api yang terbentuk mengalami lift-off, dimana api yang terbentuk tidak menyentuh ujung burner namun tetapi stabil. Hal ini mengakibatkan panjang api stabil disekitar thermocouple 4-7 sehingga terjadi pergeseran temperatur maksimumnya jika dibandingkan temperatur pada variasi yang sebelumnya. Jika dibandingkan dengan variasi
70 170 270 370 470 570 670 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 te mp era tu r a pi ( oc) jarak aksial (cm) 1.2 bar 1 bar 0.8 bar 0.6 bar 0.4 bar 0.2 bar 70 170 270 370 470 570 670 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 te mp era tu r a pi ( oc) jarak aksial (cm) 1.2 bar 1 bar 0.8 bar 0.6 bar 0.4 bar 0.2 bar 70 170 270 370 470 570 670 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 te mp era tu r a pi ( oc) jarak aksial (cm) 1.2 bar 1 bar 0.8 bar 0.6 bar 0.4 bar 0.2 bar 70 170 270 370 470 570 670 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 te mp era tu r a pi ( oc) jarak aksial (cm) 1.2 bar 1 bar 0.8 bar 0.6 bar 0.4 bar 0.2 bar
outlet bahan bakar 13 mm dengan kondisi api yang terbentuk sama-sama lift-off, temperatur yang terjadi untuk variasi ini lebih tinggi. Hal ini dikarenakan peningkatan diameter berbanding lurus dengan 𝑚̇𝑔𝑎𝑠yang menyebabkan api yang dihasilkan lebih panjang dan lebih panas.
B. Hasil Analisa Daya Burner
Gambar 9. Grafik Daya Burner Terhadap Fungsi Tekanan
Nilai daya tertingi yaitu 178 kW pada diameter outlet bahan bakar 12 mm dengan tekanan 1.2 bar sedangkan untuk nilai daya terkecil yaitu 64 kW pada diameter 11 pada tekanan 0,2 bar.Terlihat pada grafik, nilai tertinggi pada posisi diameter outlet 12 mm. Trendline terlihat berimpit dengan nilai daya untuk diameter outlet bahan bakar 13 dan 14 mm. Seharusnya nilai daya pada diameter outlet bahan bakar 13 dan 14 mm dapat lebih optimal dengan mengkondisikan udara yang pas sehingga tidak terjadi lift-off yang menyebabkan penurunan temperatur.
C. Hasil Analisa Konsumsi Bahan Bakar Spesifik
Gambar 10. Grafik SFC Burner Terhadap Fungsi Tekanan
Nilai SFC tertinggi yaitu 0,9602 kg/kWH terdapat pada posisi diameter 13 mm dengan tekanan syngas 1,2 bar sedangkan untuk nilai SFC terendah yaitu 0,8009 pada posisi diameter 12 mm pada tekanan 1 bar. Pada grafik efisiensi untuk diameter outlet bahan bakar 13 mm terlihat trendline grafik memotong nilai efisiensi pada diameter outlet bahan bakar 12 mm. terjadi nya fenomena lift-off pada posisi ini mengakibatkan pembakaran tidak dapat terjadi dengan baik yang imbasnya menyebabkan penurunan performa dari variasi.
D. Hasil Analisa Efisiensi Burner
Gambar 11. Grafik Efisiensi Burner Terhadap Fungsi Tekanan
Nilai Effisiensi tertinggi yaitu 0,485 terdapat pada posisi diameter outlet bahan bakar 12 mm dengan tekanan syngas 1,2 bar sedangkan untuk nilai effisiensi terendah yaitu 0,405 pada posisi diameter outlet bahan bakar 13 mm pada tekanan 0,2 bar. Pada grafik efisiensi untuk diameter outlet bahan bakar 13 mm terlihat trendline grafik memotong nilai efisiensi pada diameter outlet bahan bakar 12 mm. terjadi nya fenomena lift-off pada posisi ini mengakibatkan pembakaran tidak dapat terjadi dengan baik yang imbasnya menyebabkan penurunan performa dari variasi.
E. Hasil analisa visualisasi nyala api
40 70 100 130 160 190 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 day a ( kW )
bahan bakar syngas (bar)
diameter 11 diameter 12 diameter 13 diameter 14 0.7500 0.8000 0.8500 0.9000 0.9500 1.0000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 sf c( kg /kW H)
bahan bakar syngas (bar)
diameter 11 diameter 12 diameter 13 diameter 14 39 41 43 45 47 49 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 ef isie ns i(% )
bahan bakar syngas (bar)
diameter 11 diameter 12 diameter 13 diameter 14
Outlet burner
Gambar 12.Visualisasi Api Pada Diameter Outlet Bahan Bakar 12 mm pada tekanan (a) 1,2 bar, (b) 1 bar, (c) 0,8 bar, (d) 0,6 bar, (e) 0,4 bar, dan
(f) 0,2 bar..
Dari gambar 12 merupakan gambar visualisasi api pada diameter outlet bahan bakar 12 mm. Hasil visualisasi pada diameter outlet bahan bakar 12 mm merupakan visualisasi yang terbaik jika dibandingkan dengan hasil visualisasi dari variasi yang lainnya. Pada gambar diatas terdapat 6 gambar visualisasi nyala api pada posisi diameter outlet bahan bakar dengan variasi tekanan 1,2 bar, 1 bar, 0,8 bar, 0,6 bar, 0,4 bar dan 0,2 bar. Pada tekanan 1,2 bar panjang nyala api mencapai ± 18 cm dan menurun seriring dengan penurunan tekanan. Nyala api berbentuk laminer dan berwarna biru. Biasanya api berwarna biru memiliki temperatur yang tinggi. Penurunan panjang nyala api ini disebabkan penurunan tekanan yang berbanding lurus dengan penurunan laju aliran massa gas, sehingga bahan bakar yang bisa terbakar semakin berkurang.
IV. KESIMPULAN
Temperatur api tertinggi burner syngas adalah 639o celcius pada posisi diameter outlet bahan bakar 12 mm pada tekanan 1.2 bar. Daya burner mengalami peningkatan berbanding lurus dengan peningkatan tekanan. Daya burner tertinggi mecapai 178 kW pada diameter outlet bahan bakar 12 mm dan tekanan 1.2 bar. Konsumsi bahan bakar spesifik mengalami peningkatan berbanding terbalik dengan peningkatan tekanan, konsumsi bahan bakar spesifik yang optimal atau yang paling rendah terjadi pada posisi diameter outlet bahan bakar 12 mm tekanan 1 bar dengan nilai sebersar 0,8009 Kg / kW .H. Effisiensi tertinggi pada posisi pada posisi diameter outlet bahan bakar 12 mm tekanan 1.2 bar sebesar 48.5 %. Variasi dimensi burner dengan unjuk kerja terbaik yang memiliki daya burner, visualisasi api, panjang api, efisiensi, SFC dan distribusi temperatur tertinggi pada diameter outlet bahan bakar 12 mm.
UCAPANTERIMAKASIH
Penulis, Falah Kahardiansyah, 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 materiill dalam penyusunan paper ini. Serta tidak lupa kepada teman-teman Laboratorium Teknik Pembakaran dan Bahan bakar.
DAFTARPUSTAKA
[1] Baukal, C.E. Industrial Burners Handbook. CRC Press. 2003.
[2] Hatyowibowo, Riarno, perencanaan dan pembuatan burner untuk Reaktor Gasifikasi berbahan bakar Biomassa (sekam padi),ITB, Bandung, 2008
[3] Putra, Mahatma. P., Studi Eksperimen Burner Type Partially Premixed Dengan Bahan Bahan Bakar Syngas Biomassa Serbuk Kayu Dengan Variasi Dimensi Mixed Chamber, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2015.
[4] Moran, Michael J. and Howard N. Saphiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 4th edition, John Wiley and Sons, Inc, 2000.
[5] Surjosatyo, Adi, pembakaran gas hasil gasifikasi biomassa di premixed gas burner dengan metode 3D computional fluid dynamics, Teknik Mesin Universitas Indonesia, Jakarta, 2010
[6] Tamadonfar, Parsa., L. Gülder, Ömer L. Gülder. Effect of burner diameter on the burning velocity of premixed turbulent flames stabilized on Bunsen-type burners, Canada, 2015.
[7] Waldheim, Lars. and Nilsson, Torbjörn, Heating Value Of Gases From Biomass Gasification, TPS Termiska Processer AB, 2001.
[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
