OLEH :NANDANA DWI PRABOWO

(2109 105 019)

DOSEN PEMBIMBING :Dr. Bambang Sudarmanta, ST. MT.

JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA2011

Krisis bahan bakar minyak karena cadangan minyak semakin menipis

Peningkatan jumlah penduduk dan kemajuanindustrialisasi, kebutuhan bahan bakar meningkat

Diperlukan sumber energi alternatif baru yang lebih murah dan dapat diperbaharui (biomassa)

Biomassa ampas tebu di Indonesia sedemikian melimpah, namun belum terolah sepenuhnya

Ampas tebu sangat potensial dijadikan sumber energi alternatif dengan metode konversi energi yang tepat

Adalah bahan organik yang dihasilkan melalui prosesfotosintetis, baik berupa produk maupun buangan.

Keuntungan Biomassa :1. Sumber ENERGI yang dapat diperbaharui2. Jumlah yang melimpah di Indonesia3. Mengurangi polusi dan efek rumah kaca4. Hasil pembakaran biomassa relatif bersih5. Meningkatkan perekonomian di daerah pedesaan

Corn Switch grass

Cotton woods

Corn stover

Wood chips Bagasse

Ampas tebu sisa penggilingan pabrik gula yang dijual untuk digunakan sebagai bahan bakar pengganti minyak tanah tanpa metode konversi energi lebih lanjut.

Ampas tebu sisa pengolahan es tebu yang dibuang begitu saja dan dan sering dimusnahkan dengan cara dibakar .

Teknologi Proses thermo-kimia yang mengubah segala jenis Biomassa padat

menjadi Flammable Gas CO, H2, dan CH4

Bagaimana mendapatkan variasi rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio)

terbaik terhadap gasifikasi biomassa ampas tebu dengan variabel ukuran

biomassa ampas tebu tertentu.

Variasi rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) :

1. Rasio udara-bahan bakar (AFR) 0,79

2. Rasio udara-bahan bakar (AFR) 0,96

3. Rasio udara-bahan bakar (AFR) 1,11

4. Rasio udara-bahan bakar (AFR) 1,25

Variabel ukuran biomassa :

1. Ukuran ampas tebu (1-3) cm

2. Ukuran ampas tebu (1-7) mm

1. Mendapatkan identifikasi zone-zone proses gasifikasi (ampas tebu).

2. Mendapatkan variasi (AFR) yang tepat dengan variabel ukuran ampas tebu

terhadap :

kosentrasi yang terkandung di dalam produksi syn-gas (Vol.%)

nilai kandungan energi dilihat dari LHV (Lower Heating value) syn-gas

efisiensi gasifikasi

hasil visualisasi nyala api

1. Penelitian dan pembahasan Tugas Akhir hanya dilakukan denganmenggunakan model (prototipe) reaktor gasifikasi berkapasitas 5,5kg, dengan jenis gasifikasi aliran searah (downdraft gasification).

2. Penelitian tidak membahas tentang proses desain model (prototipe) reaktorgasifikasi.

3. Penelitian dilakukan di Research Center ITS, sehingga kondisitemperatur, tekanan, kecepatan udara yang digunakan sesuai dengankondisi setempat dan dianggap konstan.

4. Biomassa yang digunakan adalah ampas tebu dari sisa pengolahan gula diPG.Toelangan Sidoarjo dengan properti yang konstan.

5. Pada penelitian ini tidak dibahas mengenai perpindahan panas secararadiasi dikarenakan media yang dilalui di sekitar reaktor gasifikasi denganfluida yang bergerak.

Tahapan Proses :

1. Drying Zone (100 °C – 200 °C)Endoterm → MenghilangkanKandungan air

2. Pyrolisis (200 °C – 600 °C)Dekomposisi → Penguraian VolatileEndoterm → Menyerap Panas

3. Partial Oxidation (600 °C – 1000 °C)Eksoterm → Menghasilkan Panas

4. Reduction (400 °C – 600 °C) Mereduksi CO2 dengan :- Water Gas Reaction- Boudouard Reaction- Shift Conversion- Methanation

Kesetimbangan Massa

Kesetimbangan Energi

Dimana :

Energi Masuk

Energi Keluar

• Efisiensi Gasifikasi

• Heat Loss

JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA2011

qconv = h A (Ts - T∞)

υDVRe.

=

Catharina Erlich, dkk pada makalahnya yang berjudul ”Downdraft gasification of pellets made of wood, palm oil residues respective bagasse” di tahun 2011

Dampak dari variasi AF-RATIO, ukuran dan jenis butir terhadap cold-gas efisiensi, ditunjukkan pada grafik di bawah ini :

Gambar Efisiensi gasifikasi sebagai fungsi dari rasio udara-bahan bakar.

Gambar Temperatur gasifikasi sebagai fungsi rasio udara-bahan bakar.

Rasio udara-bahan bakar yang tinggi mengarah ke temperaturgasifikasi yang lebih tinggi dan konversi bahan bakar yang lebihbaik, ditunjukkan pada grafik, dimana suhu rata-rata gasifikasi (T8dalam grafik) ditampilkan sebagai fungsi rasio udara-bahan bakaruntuk kayu dan ampas tebu.

JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA2011

Water PumpElectric Generator

Diesel Engine

Ampas tebu Crusher Cacahan ampas tebu

Ts

Pada pengujian ini biomassa yang digunakan sebagai bahan baku proses gasifikasi tipe

downdraft adalah ampas tebu. Berikut pengujian propertis biomassa ampas tebu :

1. Analisa Ultimate :

Dapat diketahui karakteristik kandungan komposisi dari

karbon, hidrogen, nitrogen, belerang, dan oksigen yang dimiliki oleh bahan baku.

2. Analisa Proxymate :

Dianalisa mengenai kadar kandungan moisture bahan bakar, volatil matter, fixed

carbon, dan abu (ash) yang dimilikinya.

3. Analisa Nilai Kalor :

Dianalisa mengenai nilai kandungan kalor (Low Heating Value) yang di uji pada alat bomb

kalorimeter dimana nilai yang keluar dalam bentuk High Heating Value.

Karakteristik Briket Ampas Tebu“sugarcane leaf – bagasse gasifiers for industrial heating applications”(Rajeev Jorapur & Anil K. Rajvanshi)

Kandungan karbon dan oksigen menunjukan jumlah yang cukupdominan, unsur-unsur ini menjadi komponen utama dalam reaksipembentukan syngas

Mulai (START)

Pengambilan biomassa ampas tebu

Pengujian analisa Proximity biomassa ampas tebu

di laboratorium pusat studi energi dan rekayasa ITS

Studi Literatur : 1.Jurnal 2.Text Book

Pengujian analisa nilai kalor biomassa ampas tebu di laboratorium pusat studi

energi dan rekayasa ITS

Perhitungan analisa proximity : 1.Volatil matter 2.Moisture 3.Ash 4.Fixed Carbon

Perhitungan analisa nilai kalor : 1.Low Heating Value

Data awal : 1.Temperature udara ambient 2.Massa biomassa ampas tebu 3.Temperatur reaktor dan sistem perpipaan

Pengaturan variasi air fuel ratio (AFR) dengan dimmer yaitu :

AFR 1, II, III, IV

A

Pengolahan biomassa : - Crusher - Pengeringan

Proses pengujian Gasifikasi

Catat data proses : 1.Distribusi temperatur pada 5 titik 2.Kecepatan udara masuk ke reaktor 3.Kecepatan syn-gas keluar pipa burner 4.Kecepatan udara luar 5.Temperatur dinding reaktor dan sistem perpipaannya

Perhitungan : 1.Laju alir massa udara yang masuk ke reaktor gasifikasi 2.Laju alir massa syn-gas yang keluar pipa burner

Data akhir : 1.Massa Ash

Pengambilan sampel syn-gas untuk di uji komposisi kandungan syn-gas

Pengujian analisa nilai kalor ash di laboratorium pusat studi energi dan rekayasa ITS

Perhitungan analisa nilai kalor gas terbakar (combustible gas) dari syn-gas : 1.Low heating value CO 2.Low heating value CH4 3.Low heating value H2

A

B

Kesimpulan

Selesai (FINISH)

Pengolahan data berupa grafik dan gambar : 1.Distribusi Temperatur = f (dimmer) 2.Air Fuel Ratio = f (dimmer) 3.Kosentrasi kandungan syn-gas = f (dimmer) 4.Nilai kandungan energi (LHV) pada syn-gas = f (dimmer) 5.Effisiensi gasifikasi = f (dimmer) 6.Visualisasi api = f (dimmer)

Perhitungan : 1.Kesetimbangan massa 2.Kesetimbangan energi 3.Efisiensi gasifikasi 4.Heat loss perpindahan panas

Perhitungan analisa nilai kalor ash : 1.Low heating value

B

INPUT OUTPUT

Variabel Tetap VariabelBervariasi

DiukurDihitung Visualisasi

Sekali Data Proses

Dimensi reaktor Suplai udaramasuk Uji proximate T sepanjang

reaktorAnalisa

proximate Nyala api

Bahan baku Ukuran biomassa Nilai Kalor T dinding luar

reaktorLHV

biomassa

ṁ biomassa T udara luar T sistem perpipaan ṁ udara

V udara luar Heat Loss

∆h Manometer ṁ syngas

V gas LHV Ash&Char

MassaAsh & Char LHV syngas

KomposisiSyngas ηgasifikasi

Kandungan

(%)

Analisa ProximateLHV

(kJ/kg)Moisture

Content

Volatile

Matter

Ash

Content

Fixed

Carbon

4,95 77,3 1,5 16,25 16416

Kandungan

(%)

Analisa Ultimate

C H O N S

44,5 6,5 43,1 0,2 0,2

Kandungan karbon dan oksigen menunjukan jumlah yang cukupdominan, unsur-unsur ini menjadi komponen utama dalam reaksipembentukan syngas

0100200300400500600700800900

10001100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120

Tem

pera

tur

(ºC)

Waktu (menit)

Distribusi Temperatur = f (waktu)

T1T2T3T4T5

0100200300400500600700800900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120

Tem

pera

tur

(ºC

)

Waktu (menit)

Distribusi Temperatur = f (waktu)

T1T2T3T4T5

0100200300400500600700800900

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120

Tem

pera

tur (

ºC)

Waktu (menit)

Distribusi Temperatur = f (waktu)

T1T2T3T4T5

0100200300400500600700800900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120

Tem

pera

tur (

ºC )

Waktu (menit)

Distribusi Temperatur = f (waktu)

T1T2T3T4T5

Analisis Distribusi Temperatur Reaktor pada Ukuran Ampas Tebu 1-3 cm

AFR 0,79 AFR 0,96

AFR 1,11 AFR 1,25

0100200300400500600700800900

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120

Tem

pera

tur (

ºC)

Waktu (menit)

Distribusi Temperatur = f (waktu)

T1T2T3T4T5

0100200300400500600700800900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120

Tem

pera

tur (

ºC)

Waktu (menit)

Distribusi Temperatur = f (waktu)

T1T2T3T4T5

0100200300400500600700800900

10001100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120

Tem

pera

tur (

ºC)

Waktu (menit)

Distribusi Temperatur = f (waktu)

T1T2T3T4T5

0100200300400500600700800900

10001100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120

Tem

pera

tur (

ºC)

Waktu (menit)

Distribusi Temperatur = f (waktu)

T1T2T3T4T5

Analisis Distribusi Temperatur Reaktor pada Ukuran Ampas Tebu 1-7 mm

AFR 0,79 AFR 0,96

AFR 1,11 AFR 1,25

Dimmer ∆L manometer Air fuel ratio

(rasio udara

nomor (mm) bahan bakar)4 2 0,796 3 0,968 4 1,1110 5 1,25

Analisis Rasio Udara-Bahan Bakar (AFR)

Dengan kondisi laju alir biomassa ampas tebu yang konstan, Nilai Air Fuel Ratio(AFR) semakin naik seiring naiknya kecepatan suplai udara yang masuk kedalamthroat.

0,700,800,901,001,101,201,301,40

2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00

AFR

V udara (m/s)

Air fuel ratio (rasio udara bahan bakar) = f ( V udara )

Analisis Kandungan Syn-gas

Ukuranampas tebu

Air fuel ratio(rasio udarabahan bakar)

Kosentrasi kandungan syn-gasCO H2 CH4 CO2 N2 O2

(% Vol)

(% Vol)

(% Vol)

(% Vol)

(% Vol)

(% Vol)

(1-3) cm

0,79 23,12 5,44 2,02 11,89 47,62 9,910,96 22,01 4,53 2,13 12,73 48,51 10,091,11 19,67 3,79 1,94 13,6 47,42 13,581,25 17,13 3,06 1,56 13,46 51,53 13,26

(1-7) mm

0,79 24,84 5,75 2,55 12,73 45,49 8,640,96 21,63 5,61 3,42 12,87 46,09 10,381,11 17,91 4,93 4,26 13,26 48,42 11,221,25 14,67 4,1 4,76 13,96 49,7 12,81

0

10

20

30

40

50

60

0,79 0,96 1,11 1,25

Nila

i kos

entr

asi k

andu

ngan

synt

hetic

gas

(%

vol

)

Air Fuel Ratio

Grafik kosentrasi kandungan synthetic gas = f{Air Fuel Ratio pada ampas tebu (1-3) cm}

CO (% Vol)

H2 (% Vol)

CH4 (% Vol)

CO2 (% Vol)

N2 (% Vol)

O2 (% Vol)

0

10

20

30

40

50

60

0,79 0,96 1,11 1,25

Nila

i kos

entr

asi k

andu

ngan

syn

thet

ic g

as

(% v

ol)

Air Fuel Ratio

Grafik kosentrasi kandungan synthetic gas = f{Air Fuel Ratio pada ukuran ampas tebu(1-7) mm}

CO (% Vol)

H2 (% Vol)

CH4 (% Vol)

CO2 (% Vol)

N2 (% Vol)

O2 (% Vol)

Dengan kondisi laju alir biomassaampas tebu yang konstan pada0,000764 kg/s, maka apabila udarayang masuk ke dalam reaktorgasifikasi berlebih akan terbentuklebih banyak gas O2, N2, CO2 dancombustible gas (CO, H2, CH4)berkurang.

Analisis Nilai Kalor Ditinjau dari LHV Synthetic Gas (Low heating Value)

Ukuranampas tebu

Air fuel ratio Energi(rasio udara LHV Syn-gas

bahan bakar) kJ/Nm3

(1-3) cm

0,79 5103,93920,96 4648,47781,11 4065,52381,25 3440,3052

(1-7) mm

0,79 5490,56540,96 5126,4931,11 4500,76421,25 3845,566

3300350037003900410043004500470049005100530055005700

0,79 0,96 1,11 1,25Nila

i kan

dung

an e

nerg

i syn

thet

ic g

as

(kJ/

Nm

3)

Air Fuel Ratio

Grafik kandungan energi synthetic gas (Low Heating Value) = f (Air Fuel Ratio)

LHV Syn-gas ukuran ampas tebu (1-3 cm) kJ/Nm3

LHV Syn-gas ukuran ampas tebu (1-7 mm) kJ/Nm3

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)

UkuranAir fuel

ratio Dimmer Kesetimbangan massa masuk Kesetimbangan massa keluar

ampas(rasio udara nomor Laju alir massa Laju alir massa Laju alir massa

Laju alir massa

Laju alir massa

tebu bahan bakar)

ampas tebu (kg/s) udara (kg/s) Syn-gas (kg/s) ash (kg/s) char (kg/s)

(1-3) cm

0,79 4 0,000763889 0,000601852 0,001325691 2,18694E-05 1,81806E-05

0,96 6 0,000763889 0,000737115 0,001462561 0,00002235 1,60931E-05

1,11 8 0,000763889 0,000851147 0,001581454 2,36278E-05 9,95417E-06

1,25 10 0,000763889 0,000951611 0,001670079 3,86444E-05 6,77639E-06

(1-7) mm

0,79 4 0,000763889 0,000601852 0,001342357 1,35361E-05 9,84722E-06

0,96 6 0,000763889 0,000737115 0,001479227 1,40167E-05 7,75972E-06

1,11 8 0,000763889 0,000851147 0,00159812 1,52944E-05 1,62083E-06

1,25 10 0,000763889 0,000951611 0,001683632 3,03111E-05 1,55694E-06

Kesetimbangan massa (masuk dan keluar) berdasarkan Air Fuel Ratio dan ukuran ampas tebu

Energi Masuk

Energi Keluar

char

Perhitungan Kesetimbangan Energi (masuk dan keluar) berdasarkan Air Fuel Ratio dan ukuran ampas tebuUkuran Air fuel ratio Kesetimbangan energi masuk Kesetimbangan energi keluar Energiampas (rasio udara E.biomassa energi udara energi syn-gas energi ash energi char losses syngas

tebu bahan bakar) (kW) (kW) (kW) (kW) (kW)dan konveksi

(kW)

(1-3) cm

0,79 12,54 0,003030323 7,590978561 0 0,282144042 0,974919060,96 12,54 0,003711373 7,122882804 0 0,249748129 0,8344152151,11 12,54 0,004285524 6,775247184 0 0,154478713 0,7501635551,25 12,54 0,004791362 6,076908886 0 0,105162779 0,8221797

(1-7) mm

0,79 12,54 0,003030323 7,520887431 0 0,152819042 0,775834570,96 12,54 0,003711373 7,772473955 0 0,120423129 0,7903313131,11 12,54 0,004285524 7,709074141 0 0,025153713 0,8572119441,25 12,54 0,004791362 6,979794475 0 0,024162221 0,861488804

Energi yang masuk sistem adalah energiyang berupa ampas tebu yang memilikiLow Heating Value (LHV) tertentu danenergi dari udara masukan.

Energi outputnya berupa energiberguna, yaitu energi syngas, char, ash, danheat loss.

Dari data tersebut nantinya bisa ditentukannilai efisiensi sistem.

Kesetimbangan Energi

Efisiensi Gasifikasi

Ukuran ampas tebu

Air fuel ratio(rasio udarabahan bakar)

EffisiensiGasifikasi

(%)

(1-3) cm

0,79 60,53410,96 56,80131,11 54,02911,25 48,4602

(1-7) mm

0,79 59,97520,96 61,98151,11 61,47591,25 55,6602

4547495153555759616365

0,79 0,96 1,11 1,25

Nila

i eff

isie

nsi g

asifi

kasi

(%)

Air Fuel Ratio

Grafik Effisiensi Gasifikasi (%) = f (Air Fuel Ratio)

Efisiensi gasifikasi ukuran ampas tebu (1-3 cm) %

Efisiensi gasifikasi ukuran ampas tebu (1-7 mm) %

Nilai efisiensi gasifikasi yang terbaik diperoleh ketika prosentase kandunganenergi synthetic gas dan laju alir massa synthetic gas selama proses memilikikomposisi yang tepat.

Losses Syngas (1,2 %)

Losses energy

Uknown

(29,76 %)

Udara (0,03 %)

Losses energy

char+ash (0,96 %)

Biomassa

Ampas Tebu

(99,97%)

Proses

Gasifikasi

Useful energy Syn-gas

(61,96 %)

Heat loss

Dinding reaktor gasifikasi

(6,12 %)

• Penyederhanaan yang dilakukan dalam perhitungan, misalnya energi berupa panasyang mengendap di dalam reaktor, kerugian panas secara konveksi pada instalasiperpipaan dari reaktor gasifikasi sampai burner, termasuk pada cyclone, waterscrubbing, kebocoran yang tidak bisa dihindari (kebocoran sambungan-sambunganperpipaan)

Losses Unknown :

Sankey Diagram (AFR 0,96) Ukuran Ampas Tebu (1-7) mm

Visualisasi Nyala Api pada Ukuran Ampas Tebu 1-3 cm

AFR 0,79 AFR 0,96

AFR 1,11 AFR 1,25

Visualisasi Nyala Api pada Ukuran Ampas Tebu 1-7 mm

AFR 0,79 AFR 0,96

AFR 1,11 AFR 1,25

1. Kenaikan suplai udara selain mengakibatkan kenaikan terhadap laju alir massa gashasil gasifikasi juga mengakibatkan turunnya konsentrasi kandungan energi dalamsyn-gas.

2. Nilai (Air Fuel Ratio) terbaik dari variasi yang diteliti adalah pada AFR 0,96 dan ukuranampas tebu (1-7) mm karena memiliki kandungan energi syn-gas tertinggi yaitusebesar 7,7725 kJ/s.

3. Komposisi syn-gas terbaik pada AFR 0,96 dan ukuran ampas tebu (1-7) mmdidapatkan kadar CO, H2,CH4, N2,CO2, O2 berturut-turut adalah sebesar 21,63 % ;5,61 % ; 3,42 % ; 46,09 % ; 12,87 %, 10,38 %.

4. Visualisasi nyala api pada AFR 0,96 dan ukuran ampas tebu (1-7) mm merupakanyang terbaik karena memiliki nyala api yang stabil dan nyala api berwarna biru yangdominan. Hal ini dikarenakan memiliki kandungan flammable gas tertinggi yangdirepresentasikan dengan nilai energi syn-gas yang juga tinggi.

5. Variasi AFR dapat mempengaruhi efisiensi gasifikasi secara signifikan mulai 54,02-61,98% dengan efisiensi terbaik pada (61,98%) terjadi pada AFR 0,96

6. Pengecilan ukuran biomassa dari (1-3) cm menjadi (1-7) mm pd AFR terbaik dapatmeningkatkan effisiensi sebesar 9,12% dan peningkatan LHV syn-gas sebesar.10,28%

7. Peningkatan AFR cenderung menghasilkan LHV syn-gas yang lebih rendah.

Kesimpulan

KRITIK DAN SARAN SANGAT SAYA HARAPKAN DEMI KESEMPURNAAN TUGAS AKHIR