Mega Nur Sasongkoa * dan Widya Wijayantibeprints.ulm.ac.id/625/1/KE-45.pdf · Ruang bakar tipe counterflow burner digunakan dalam penelitian ini. Skema ... dialirkan dari sisi luar

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-45

Karakteristik Api Premiks Biogas pada Counterflow Burner

Mega Nur Sasongkoa * dan Widya Wijayantib

Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya

Jl. Mayjend. Haryono 167 Malang,

Telp. +62-341-562454, Indonesia [email protected], [email protected]

AbstrakMenipisnya jumlah bahan bakar minyak di dunia memaksa kita untuk mengembangkan energialternatif pengganti BBM. Salah satu bahan bakar altenatif tersebut adalah Biogas. Tetapi karenaBiogas masih masih mengandung gas impurities yang memiliki sifat merugikan dalampembakarannya, maka aplikasi Biogas secara langsung dalam mesin konversi energi masihmemerlukan penelitian yang lebih mendalam. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruhkandungan gas CO2 dalam Biogas terhadap karakteristik pembakaran premiks biogas. Dalampenelitian ini, struktur nyala api dan kestabilan api premiks biogas yang diwakili oleh gas CH4 danCO2 diteliti pada konfigurasi api counterflow. Konsentrasi CO2 dalam biogas divariasikan dalam0% sampai 50%, sedangkan massa alir reaktan divariasikan dalam 6 L/min dan 8 L/min L/min.Hasil penelitian menunjukkan bahwa, pada equivalence ratio mendekati 1 muncul fenomena apiflash back atau api premiks bergerak kearah aliran reaktan. Flash back menunjukkan bahwakecepatan pembakaran biogas berlangsung sangat cepat, sehingga untuk mendapatkan performasipembakaran yang tinggi, Biogas direkomendasikan selalu dikontrol pada equivalence ratiomendekati 1. Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa minimum oksigen konsentrasi tertinggiuntuk menjaga api premiks biogas tetap stabil terjadi pada prosentase CO2 dalam biogas berkisar 30%.

Kata kunci : Prosentase CO2, Biogas, api premiks, kestabilan api, flash back

Pendahuluan

Seiring dengan semakin meningkatnyakebutuhan publik akan bahan bakar untukmobilitas transnportasi, sedangkan disisi yanglain, semakin menipisnya cadangan minyakdunia, hal tersebut memaksa kita untukmencari dan mengembangkan sumber energialternatif pengganti bahan bakar fosil. Salahsatu sumber energi baru yang menjanjikansebagai alternatif energi masa depan adalahBiogas. Biogas merupakan bahan bakar yangramah lingkungan karena didapat dari prosesfermentasi limbah organik seperti sampah,sisa-sisa makanan, kotoran ternak dan limbahindustri makanan. Bahan bakar ini secaraumum mengandung gas metana (50% - 70%),CO2 (30% - 40%), N2 (1-2 %), H2O (0,3%),H2 (5-10%) dan H2S (0-3%) [1]. Metana yangmendominasi kandungan utama dalam biogasmerupakan sumber energi alternatif.

Sedangkan, kandungan lainnya seperti CO2

dan N2 merupakan zat pengotor yangmemiliki sifat yang merugikan.

Pembakaran bahan bakar biogas yangmasih mengandung zat pengotor CO2 akanmemberikan dampat yang kurang baik dalamproses dan hasil pembakarannya. Dampaknegatif tersebut antara lain: CO2 akanmenurunkan nilai kalor pembakaran dengancukup signifikan. Nilai kalor bahan bakaryang rendah akan berakibat rendahnya energipembakaran yang dihasilkan dari prosespembakaran [2,3]. CO2 mempunyai kalorspesifik yang tinggi sehingga sebagian panaspembakaran akan terserap oleh zat ini seiringdengan meningkatnya temperatur. Yangterakhir, CO2 yang terlarut dalam bahan bakarakan menurunkan laju reaksi pembakaran,akibatnya lama waktu pembakaran biogasakan semakin lama.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-45

Pengunaan Biogas sebagai bahan bakardalam mesin pembakaran busi telah banyakdilakukan oleh peneliti sebelumnya. Contohmisalnya, penelitian yang dilakukan olehporpathan [4] menyimpulkan bahwakandungan gas CO2 dalam biogasberpengaruh besar terhadap kinerja mesin.Efisinsi mesin pembakaran busi akanmeningkat dengan signidfikan jika kandunganCO2 dalam Biogas diturunkan dari 41 %menjadi 20 %. Selain itu, semakinmenurunnya kandungan CO2 dalam Biogasjuga dapat menurunkan level emisi darihidrokarbon HC dan NO hasil pembakaran dimesin bensin. Sejalan dengan mesin bensin,aplikasi biogas pada mesin diesel jugamemiliki kecenderungan yang sama. Efekdari kandungan gas CO2 akan menurunkanefisiensi termal dari mesin diesel [5]. Hasilyang lebih menjanjikan dari penggunaanBiogas dalam mesin diesel adalah jika mesindiesel tersebut menerapkan mode HCCI.Efisiensi termal mesin diesel mode HCCIdengan bahan bakar biogas mendekati nilaiyang sama dengan efisiensi mesin dieselbahan bakar fosil [4]. Dari beberapa hasilpenelitian diatas menunjukkan bahwa untukmengaplikasikan biogas sebagai bahan bakarbaru dalam sistem mesin konversi energimasih memerlukan pengetahuan tentangkarakteristik dari proses pembakaran biogasyang lebih detail.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahuipengaruh dari kandungan CO2 dalam biogasterhadap karakteristik dari pembakaranpremiks biogas. Perilaku dari nyala api, dandistribusi temperatur api pada berbagai variasikandungan CO2 dalam biogas akan ditelitilebih mendalam dengan menggunakanmetode counterflow burner.

Metode Penelitian

Ruang bakar tipe counterflow burnerdigunakan dalam penelitian ini. Skemacounterflow burner diadopsi dari penelitianyang dilakukan sebelumnya [6]. Detailinstalasi penelitian ini dapat dilihat padagambar 1. Ruang bakar ini terdiri dari duabuah silinder konsentrik yang dipasang salingberlawanan dari sisi bawah dan atas. Pada

penelitian ini, campuran gas CH4 dan CO2

digunakan sebagai pengganti dari bahan bakarBiogas dengan tujuan untuk lebihmemudahkan dalam melakukan variasiprosentase CO2 dalam Biogas. Campuran gastersebut dialirkan dari ujung pipa konsentrikbagian bawah bersama-sama denganoksidator yang dalam hal ini menggunakangas oksigen murni. Sedangkan gas inertnitrogen dialirkan dari ujung pipa bagian atasdengan momentum yang sama dengan alirangas dari sisi bawah.

Gambar 1. Instalasi penelitian

Pada kondisi campuran yang sesuai, apipremiks akan terbentuk tepat ditengah-tengahatau di daerah stagnasi antara pipa konsentriksisi bawah dan atas. Gas nitrogen yang laindialirkan dari sisi luar masing-masing pipakonsentrik dengan tujuan sebagai pembatasagar pengaruh oksigen atau oksidator yangmasuk ke dalam api dari bagian luar ruangbakar tidak ada. Tujuan lain dari suplai alirannitrogen ini adalah untuk menjaga agar apimenyala lebih stabil di daerah stagnasi

N2

O2

Methane

CH4

+

O2

+

CO2

Flame

CO2

N2

+

O2

Data Logger

Thermocouple

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-45

tersebut. Massa alir dari masing-masing gasdiatur oleh rotameter (KOFLOC 1250)dimana setiap rotameter dilengkapi denganvalve pengatur aliran gas.

Pada penelitian ini prosentase CO2 dalambahan bakar divariasikan dalam 0 % sampai50 %, sedangkan massa alir total aliran gasdari saluran sisi bawah maupun atas dijagakonstan pada 8 L/min. Selain itu, konsentrasioksigen dalam saluran oksidator dari saluransisi atas juga juga divariasikan dari 20 %sampai 40 %.

Untuk pengukuran temperatur api,dipasang sebuah termokopel tipe Kberdiameter kecil yang dihubungkan dengansebuah data logger dan komputer. Posisi daritermokopel terhadap api dapat dikontrolsecara otomatis oleh sistem motor stepping.Sehingga temperatur lingkungan di semuaposisi di sekitar api dapat diambil datanyatanpa mengganggu proses pengambilan datayang lain. Kamera digital NIKON D5000dipasang sejajar dengan nyala api untukmelihat karakteristik nyala api. Pengambilangambar nyala api harus dilakukan dalamkondisi lingkungan yang gelap agar gambaryang dihasilkan benar-benar gambar dari apitersebut tanpa adanya pengaruh cahaya dariluar.

Hasil dan pembahasan

Karakteristik Nyala ApiPada konfigurasi ruang bakar ini, Api

premiks berbentuk mendatar/flat akan munculpada daerah stagnasi antara ruang bakarsaluran bawah dan atas seperti terlihat padagambar 2. Gambar 2 memperlihatkanvisualisasi api premiks biogas untukkonsentrasi oksigen 30% dan 40% padabeberapa variasi kandungan CO2 pada lajualir bahan bakar 6 L/min. Dari gambar terlihatbahwa meningkatnya kandungan CO2 tidakmenunjukkan perbedaan warna api yangsignifikan. Warna api cenderung memudardari warna biru menjadi biru keputihandengan intensitas warna yang semakin lemahpada kandungan CO2 yang semakin besar.Peningkatan jumlah prosentase CO2 maupunO2 dalam bahan bakar tidak banyak merubahwarna api tetapi lebih berpengaruh terhadap

lebar api premiks counterflow. Terlihat padagambar 3, semakin besar prosentase CO2,lebar api premiks cenderung semakin kecil.Pengaruh prosentase O2 lebih menunjukkanperbedaan yang signifikan terhadap lebar apipremiks. Api melebar cukup besar untukprosentase oksidator yang lebih besar

O2 30%, CO2 0% , Ф = 2,34 O2 40%, CO2 0% , Ф 1,50

O2 30%, CO2 10% , Ф = 2,11 O2 40%, CO2 10% , Ф 1,35

O2 30%, CO2 20% , Ф = 1.87 O2 40%, CO2 20% , Ф 1,20

O2 30%, CO2 30% , Ф = 1.64 O2 40%, CO2 30% , Ф 1,05

O2 30%, CO2 40% , Ф = 1.40 O2 40%, CO2 40% , Ф 0.90

O2 30%, CO2 50% , Ф = 1.17 O2 40%, CO2 50% , Ф 0.75

Gambar 2. Visualisasi api premiks untukkonsentrasi oksigen 30% dan 40%pada

beberapa variasi konsentrasi CO2 (debit = 6L/min)

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-45

3

3.5

4

4.5

5

5.5

0% 10% 20% 30% 40% 50%

Leba

r Api

(cm

)

Prosentase CO2 Pada Bahan Bakar

Grafik Lebar Api Pada Variasi CO2O2 40%O2 30%O2 20%

Gambar 3. Lebar api premiks padabeberapa variasi prosentase CO2 dan O2

dalam bahan bakarLebar api semakin besar seiring dengan

penambahan prosentase oksidator tauaoksigen. Hal ini dikarenakan dengan suplaioksidator yang lebih besar, bahan bakar akandapat terbakar habis dengan sempurna akansemakin banyak sehingga memperlebardaerah api premiks. Di sisi lain, ketikaoksigen dikurangi, campuran reaktan akanterjadi pada kondisi yang semakin kaya bahanbakar. Sehingga banyak bahan bakar yangtidak terbakar akan berpeluang untuk menjadipenghambat dari proses pembakaran tersebut.Pengaruh penambahan CO2 pada campuranbahan bakar juga menunjukkan peran yangcukup signifikan. Bahwa lebar api yangterbentuk akan semakin mengecil seiringpenambahan CO2. Hal ini disebabkan olehsifat dari CO2 sebagai zat inhibitor padaproses pembakaran. CO2 akan menyerapsejumlah kalor pembakaran sehinggatemperatur api akan menurun. Turunnyatemperature api akan mengakibatkan lajureaksi pembakaran yang melambat. Sehinggamenyebabkan api tidak dapat menyebardengan baik dan api yang terjadi tidak dapatmembakar semua molekul bahan bakar yangada.

Fenomena menarik tentang visualisasi apipremiks pada penelitian ini terlihat padagambar 2 untuk konsentrasi oksigen 40%.Terlihat pada gambar diatas, pada konsentrasiCO2 mendekati angka 30 % keatas, apipremiks counterflow memunculkan fenomenaflash back. Pada fenomena ini, api premikscounterflow bergerak turun menuju ujungburner. Flash back terjadi karena kecepatan

pembakaran lebih besar dibandingkan dengankecepatan aliran reaktan, sehinggaketidaksetimbangan ini menyebabkan apiakan bergerak kearah aliran reaktannya. Padapenelitian ini, flash back hanya terjadi padavariasi konsentrasi oksigen 40% untuk massaalir reaktan 6 L/min. Jika dicermati lebihlanjut, pada konsentrasi oksigen 40 % dankonsentrasi CO2 30 % keatas, equivalenceratio antara bahan bakar dan oksigen beradapada angka mendekati satu (Tabel 1). Hal inimenunjukkan bahwa pada pembakaran biogasdengan equivalence ratio mendekati satu,kecepatan pembakaran biogas berlangsungsangat cepat meskipun biogas tersebutmengandung campuran konsentrasi CO2 yangtidak sedikit. Sehingga dapat disimpulkanbahwa untuk mendapatkan pembakaranbiogas yang baik, campuran bahan bakar danoksigen harus dikondisikan berada padacampuran dengan equivalence ratio sekitarsatu tanpa mempertimbangkan konsentrasiCO2 yang terkandung di dalam biogas.Statemen ini dapat dibuktikan lebih lanjutpada pengukuran tentang distribusitemperatur api premiks.

Kestabilan Api

Gambar 4 menjelaskan grafik kestabilanapi premiks counterflow. Kestabilan apidinyatakan dengan jumlah minimumkonsentrasi oksigen (YO2ext) yang diperlukandalam proses pembakaran biogas padaberbagai variasi konsentrasi CO2 dalamBiogas dan massa alir reaktan padacounteflow konfigurasi. Daerah diatas titikYO2ext menunjukkan bahwa pembakaran apipremiks berlangsung stabil, sedangakandibawah titik tersebut menunjukkan daerahapi padam. Data minimum konsentrasioksigen saat extinction didapat dengan caramenurunkan konsentrasi oksigen sedikit demisedikit dan sampai api padam. Tetapi, padasaat menurunkan konsentrasi oksigentersebut, massa alir total gas reaktan tetapdijaga konstan dengan jalan mengatur alirangas nitrogen.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-45

Gambar 4 Konsentrasi oksigen saat extinctionapi premiks pada variasi prosentase

CO2 dan massa alir gas reaktan

Dari gambar 4 tersebut terlihat bahwaYO2ext, awalnya cenderung meningkat dengankenaikan prosentase CO2 dalam Biogas dankemudian menurun pada konsentrasi CO2

diatas 30%. Walaupun ada perubahan massaalir gas reaktan, tetapi trend grafik extinctionini masih memperlihatkan kecenderunganyang sama. Hal ini menunjukkan bahwadalam proses pembakaran premiks,penambahan konsentrasi CO2 dalam Biogastidak selalu membutuhkan suplai oksigenyang lebih besar. Pada variasi penelitian yangtelah dilakukan, api premiks dengankonsentrasi CO2 30 % membutuhkan suplaioksigen yang lebih besar untuk menjagakestabilannya. Fenomena ini dapat dijelaskandari perbedaan komposisi biogas padamasing-masing variasi kandungan CO2.Penelitian tentang kestabilan api atauextinction ini dilakukan pada kondisi yangkaya bahan bakar, sehingga banyakkandungan bahan bakar yang tidak ikutbereaksi dalam proses pembakaran.Akibatnya bahan bakar yang tidak terbakartersebut akan menyerap sejumlah kalor daripanas pembakaran dan secara signifikan akanmenurunkan temperatur api serta laju reaksipembakaran. Metana yang merupakan sumberbahan bakar di dalam Biogas mempunyaikapasitas panas yang sangat besar hamper 4kali lipat dibanding CO2. Pada kondisipenelitian dengan variasi konsentrasi CO2 30% kandungan metana yang tidak terbakarmasih cukup besar sehingga banyak kalorpembakaran yang diserap oleh metana. Hal inimengakibatkan pada kondisi ini memerlukan

suplai oksigen yang besar seperti terlihat padagrafik 4

Tabel 1. Kalkulasi equivalence rasioVariasi CO2

AFRactual

AFRstoi

k

Ф

Varia

si O

2

40%

0% 1.330 2 1.50

10% 1.477 2 1.35

20% 1.662 2 1.20

30% 1.900 2 1.05

40% 2.216 2 0.90

50% 2.659 2 0.75

30%0% 0.855 2 2.34

10% 0.950 2 2.11

20% 1.069 2 1.87

30% 1.221 2 1.64

40% 1.425 2 1.40

50% 1.710 2 1.17

Kesimpulan

Hasil penelitian menunjukkan bahwa, padaequivalence ratio mendekati 1 munculfenomena api flash back atau api premiksbergerak kearah aliran reaktan. Flash backmenunjukkan bahwa kecepatan pembakaranbiogas berlangsung sangat cepat, sehinggauntuk mendapatkan performasi pembakaranyang tinggi, Biogas direkomendasikan selaludikontrol pada equivalence ratio mendekati 1.Hasil penelitian juga menunjukkan bahwaminimum oksigen konsentrasi tertinggi untukmenjaga api premiks biogas tetap stabil

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-45

terjadi pada prosentase CO2 dalam biogasberkisar 30 %.

Referensi

[1] Price, E.C and Cheremisinoff, P.N. 1981.Biogas Production and Utilization.UnitedStates of America: Ann Arbor SciencePublishers, Inc.

[2] Karim, G.A., Wierzba, I., Methane-Carbon dioxide Mixtures as a Fuel,AFRC/JFRC International Symposium,Hawai, October 1998.

[3] Karim, G.A., Hanafi. A. S., Zhou, G., Akinetic Investigation of the Oxidation ofLow Heating Value Fuel Mixtures ofMethane and Diluents, Journal ofEmerging Energy Technology, Vol 41,1992, page 103.

[4] Porpatham, E., Ramesh,A.,Nagalingam,B., Investigation on theEffect of Concentration of Methane inBiogas when Used as a Fuel for a SparkIgnition Engine, Journal of Fuel, Vol.87,Issue 8-9, 2008, p. 1651-1659

[5] Yoon, S.H., Lee, C.S., ExperimentalInvestigation on the Combustion andExhaust Emission Characteristics ofBiogas-Biodiesel Dual-fuel Combustionin a CI engine, Journal of Fuel ProcessingTechnology, Vol. 92, Issue 5, 2011, p.992-1000

[6] Sasongko, M. N., Mikami, M., T. Seo,Counterflow Diffusion Flame withPolydisperse Water Sprays, Proceedingsof the Combustion Institute Volume 33,Issue 2, 2011, p. 2555-2562