## Pengaruh persentase CO

## 2 terhadap temperatur dan kecepatan api premixed
laminar pada oxy-butane combustion

## Lilis Yuliati, Francisca Gayuh Utami Dewi, Ichtiaraka Amarullah
Jurusan Teknik Mesin, Universitas Brawijaya Jl. Mayjend Haryono No. 167, Malang, 65145 Email korespondensi: lilis_y@ub.ac.id

## Abstrak
Oxy-combustion merupakan salah satu teknologi yang dikembangkan untuk mengurangi jumlah CO 2 yang dilepas  ke atmosfer  dalam  rangka  mengurangi  efek  rumah  kaca  dan pemanasan global.  Resirkulasi  gas  hasil pembakaran pada oxy-combustion mengakibatkan adanya CO 2 dalam proses pembakaran. Kajian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh persentase CO 2 terhadap kecepatan api premixed laminar pada proses pembakaran oxy-butane. Pengujian dilakukan pada rasio ekuivalen sebesar 0,6, 0,8, 1, 1,2 dan 1,4. Kadar CO 2 divariasikan sebesar  50%,  55%,  60%,  65%  dan  70%,  dihitung  berdasarkan  jumlah  oksigen  dalam  proses  pembakaran. Pengukuran kecepatan api premixed laminar dilakukan pada cylindrical tube burner. Hasil kajian menunjukkan bahwa suhu nyala api dan  kecepatan  api premixed laminar berkurang dengan bertambahnya persentase CO 2 dalam oksidator. Adanya CO 2 mengakibatkan kalor yang dihasilkan dari proses pembakaran sebagian diserap untuk  meningkatkan suhu  CO 2 , sehingga suhu nyala api  berkurang. Adanya  CO 2 dalam reaktan menghalangi bertemu  dan  bereaksinya  butana  dan  oksigen,  sehingga  kecepatan  pembakaran  menjadi  lebih  lambat. Penurunan  suhu  pembakaran  juga  merupakan  salah  satu  penyebab  penting  terjadinya  penurunan  kecepatan pembakaran pada campuran dengan kandungan CO 2 . Selain itu, diketahui bahwa untuk setiap persentase CO 2 dalam  oksidator,  nyala  api  memiliki  suhu  dan  kecepatan  pembakaran  maksimum  pada  rasio  ekuivalen  sama dengan satu.
Kata kunci : oxy-combustion, persentase CO 2 , temperatur api, kecepatan api premixed laminar.

## Abstract
Oxy-combustion  is  one  of  the  technologies  developed  to  reduce  the  amount  of  CO 2 released  into  the atmosphere in order to reduce the greenhouse effect and global warming. Gas recirculation in oxy-combustion results in the presence of CO 2 in the oxidizer. This study was conducted to determine the effect of the percentage of CO 2 on the laminar premixed flame speed in the oxy-butane combustion process. Experiment was conducted on  equivalent  ratios  of 0.6,  0.8, 1,  1.2  and  1.4.  CO 2 content  were  varied  by  50%,  55%,  60%, 65%  and  70%, calculated  based  on  the  amount  of  oxygen  in  the  combustion  process.  The  measurement  of  laminar  premixed flame speed was carried out on a cylindrical tube burner. The results showed that the flame temperature and the laminar premixed flame speed decreased with the increasing of CO 2 percentage in the oxidizer. The presence of CO 2 causes the heat generated from the combustion process absorbed by CO 2 , so that the flame temperature is reduced. The decreasing in the flame temperature is an important factor which caused the decreasing in laminar premixed flame speed in a mixture with CO 2 content. Furthermore, the presence of CO 2 in the reactants prevents the butane and oxygen from mixing and reacting, hence the flame speed becomes lower. In addition, it is known that for every percentage of CO 2 in the oxidizer, the flame has a maximum flame temperature and speed at an equivalent ratio of unity.
Keywords: oxy-combustion, CO 2 percentage, flame temperature, laminar premixed flame speed.

## 1. Pendahuluan
Kekhawatiran  mengenai  terjadinya  pemanasan global  dan  regulasi  emisi  yang  kian  diperketat, mendorong berkembangnya teknologi untuk mengurangi pelepasan gas rumah kaca (salah satunya karbon  dioksida)  ke  atmosfer.  Salah  satu  metode untuk  menjaga  kadar  karbon  dioksida  (CO 2 )  di atmosfer  tetap  rendah  adalah  dengan  penerapan metode oxy-combustion dan carbon  captured  and storage (CCS).  Dalam  metode oxy-combustion ,  O 2 murni  digunakan  sebagai  oksidator  dan  pada pembakaran  bahan  bakar  hidro  karbon,  gas  hasil
pembakarannya  adalah  CO 2 dan  H 2 O.  Selanjutnya H 2 O dipisahkan dari CO 2 dengan metode kondensasi, dan CO 2 yang tersisa dapat disimpan dengan metode tertentu,  sehingga  tidak  dilepaskan  ke  atmosfer  dan menimbulkan efek rumah kaca.
Tingginya suhu gas buang mendorong dilakukannya resirkulasi gas hasil pembakaran ke ruang bakar. Hal ini  dilakukan  untuk  mengurangi heat  loss yang terjadi dalam proses pembakaran dengan memanfaatkan kembali kalor yang terdapat di dalam proses pembakaran. Resirkulasi gas buang mengakibatkan suhu reaktan masuk ke daerah reaksi
lebih  tinggi,  yang  menghasilkan  peningkatan kecepatan  pembakaran.  Tetapi  resirkulasi  gas  hasil pembakaran  ini  juga  mengakibatkan  penambahan konsentrasi CO 2 dan H 2 O pada reaktan dalam proses oxy-combustion ,  yang  mengakibatkan  penurunan kecepatan pembakaran. Adanya CO 2 dan H 2 O dalam reaktan  menghalangi  terjadinya  reaksi  antara  bahan bakar  dengan  oksigen.  Kandungan  CO 2 yang  tinggi mengakibatkan karakteristik  nyala bahan bakar oxy- combustion berbeda  dengan  pembakaran  yang menggunakan  oksidator  udara  [1].  Sifat-sifat  CO 2 berbeda dari N 2 di udara, yang mengubah kecepatan nyala laminar, suhu nyala api dan karakteristik nyala api  lainnya  dari  pembakaran  butana.  Kecepatan nyala  laminar  adalah  salah  satu  karakteristik  nyala yang  paling  penting  dan  kecepatan  nyala  laminar dari  bahan  bakar oxy-combustion mengalami perubahan dengan persentase CO 2 yang tinggi.
Kecepatan  nyala  laminar  adalah  properti  intrinsik yang  penting  dari  campuran  yang  mudah  terbakar. Parameter  ini  didefinisikan  sebagai  kecepatan  di mana  nyala  adiabatik,  merambat  relatif  terhadap campuran  yang  terbakar  [2].  Kecepatan  nyala laminar  mengandung  informasi  fisikokimia  tentang difusivitas, reaktivitas, dan eksotermisitas. Variabel- variabel  tersebut  mempengaruhi  atau  bahkan menentukan  tingkat  pembakaran  campuran  bahan bakar/udara  pada  suatu  sistem  pembakaran  [3]. Selain  itu,  banyak  fenomena  api premixed ,  seperti api  padam, flash  back ,  dan lift  off dapat dikarakterisasi  dengan  kecepatan  api premixed laminar  sebagai  parameter  referensi  [4].  Salah  satu metode  untuk  menentukan  besarnya  kecepatan  api premixed laminar  adalah  dengan  menggunakan Bunsen  burner [5].  Metode  ini  sangat  umum digunakan  karena  kesederhanaan  instalasi  dan struktur  api  yang  jelas  [6].  Dalam  kajian  ini  akan diamati  kecepatan  api premixed laminar  yang menggunakan  butana  sebagai  bahan  bakar.  Butana adalah  sebuah  senyawa  hidrokarbon  alkana  dengan rumus  kimia  C 4 H 10 .  Butana  merupakan  komponen terbesar  yang  terkandung  dalam  LPG.  Gas  butana merupakan salah satu gas yang berasal dari gas alam mentah.  Gas  butana  merupakan  gas  yang  mudah terbakar,  tidak  mempunyai  warna  dan  mudah dicairkan,  sehingga  mudah  dalam  penyimpanan  dan transportasinya.  Sifat-sifat  tersebut  mengakibatkan butana  banyak digunakan, baik dalam bentuk murni ataupun dalam bentuk campuran dengan bahan bakar gas yang lain.

## 2. Metode
Pengamatan  dilakukan  pada  pembakaran premixed butana-oksigen  dengan  tambahan  karbon  dioksida pada Bunsen burner . Gambar 1 menunjukkan skema instalasi  kajian  yang  digunakan. Bunsen  burner berupa  silinder  yang  terbuat  dari stainless  steel dengan diameter dalam 5 mm dan panjang 150 mm.
Gambar 1. Skema instalasi.
Keterangan Gambar 1: 1) Tabung butana, 2) Tabung oksigen,  3)  Tabung  karbon  dioksida,  4,5,6) Regulator,  7,8,9) Flow  meter ,  10) Mixing  chamber untuk  oksidator  11) Mixing  chamber butana– oksidator,  12) Bunsen  burner ,  13) Data  logger – termokopel, 14) Ignitor , 15) Kamera, 16) Tripod .
Bahan  bakar  butana  dialirkan  dari  tabung  1, sedangkan  oksidatornya  adalah  campuran  oksigen dan  karbon  dioksida  dialirkan  dari  tabung  2  dan  3 dengan  persentase  tertentu.  Debit  dari  butana, oksigen  dan  karbon  dioksida  masing-masing  diatur dan diukur dengan flow meter 7, 8, dan 9. Regulator
4,  5, dan 6  digunakan untuk mengatur agar tekanan butana,  oksigen  dan  karbon  dioksida  tetap  sebesar 0,1  MPa  saat  mengalir  menuju flow  meter .  Oksigen dan  karbon  dioksida  dicampur  terlebih  dahulu  pada mixing  chamber 10,  kemudian  oksidator  ini dicampur  dengan  butana  pada mixing  chamber 11 membentuk  campuran/ premixed sebelum  memasuki bunsen  burner 12.  Campuran  bahan  bakar  udara dinyalakan  dengan ignitor 14  pada  ujung burner . Kamera  15  diletakkan 20 cm  dari burner , berfungsi untuk  mengambil  gambar  nyala  api  untuk  setiap variasi, dilanjutkan pengolahan gambar menggunakan AutoCAD untuk mengukur tinggi api dan sudut nyala api. Rangkaian termokopel dan data logger 13 digunakan untuk mengukur suhu nyala api. Dalam  kajian  ini  digunakan  termokopel  tipe  R dengan diameter 0,2 mm [7,8].
Dalam kajian ini nilai equivalence ratio divariasikan sebesar  0,6,  0,8,  1,0,  1,2,  dan  1,4,  sedangkan kandungan  CO 2 pada  oksidator  untuk  setiap  nilai rasio  ekuivalen  bervariasi  dari  50%,  55%,  60%, 65%,  dan  70%.  Dalam  kajian  ini  diamati  beberapa parameter  dari  nyala  api premixed laminar  yang terdiri  dari  dimensi  api,  suhu  nyala  api,  dan kecepatan  api premixed laminar  pembakaran  gas butana  (C 4 H 10 )  dengan  oksidator  berupa  O 2 /CO 2 . Debit  aliran  oksigen  yang  masuk  ke  dalam burner dijaga konstan yaitu sebesar 1 L/min.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Kecepatan  nyala  api premixed laminar  dan  suhu nyala  api  diamati  sebagai  fungsi  dari  nilai  rasio ekuivalen dan persentase oksigen didalam oksidator, di  mana  persentase  oksigen  =  100%  -  persentase
CO 2 . Dalam kajian ini, persentase oksigen bervariasi dari  30%,  35%,  40%,  45%  hingga  50%.  Gambar  2 dan  3  berturut-turut  menunjukkan  besarnya kecepatan  api premixed laminar  sebagai  fungsi  dari rasio ekuivalen dan persentase oksigen.
Gambar 2 di bawah ini menunjukkan pengaruh rasio ekuivalen  terhadap kecepatan  api premixed laminar. Gambar  2  menunjukkan  bahwa  kecepatan  api premixed laminar  berubah  seiring  terjadinya perubahan  rasio  ekuivalen.  Kecepatan  api premixed laminar  mencapai  nilai  maksimum  pada  rasio ekuivalen  =  1.  Kondisi  tersebut  terjadi  pada  semua persentase karbon  dioksida dalam oksidator. Seiring dengan  penambahan  bahan  bakar  mulai  dari  rasio ekuivalen  0,6–1,0,  kecepatan  api premixed laminar terus  mengalami  peningkatan.  Hal  ini  disebabkan oleh  sifat  dari  bahan  bakar  yang  sekaligus  menjadi pendingin  dalam  pembakaran  itu  sendiri.  Bahan bakar  yang  tidak  terbakar  menyebabkan  terjadinya api  difusi,  sehingga  terjadi  ujung  api  terbuka  ( open tip ). Ketika terdapat bahan bakar berlebih justru akan menyerap  energi  yang  dihasilkan  dari  pembakaran untuk  menyalakan  campuran.  Akibatnya,  kecepatan api premixed laminar  justru  akan  mengalami penurunan  dan  menyebabkan  api bunsen sekunder berupa api difusi.
Gambar 2. Pengaruh rasio ekuivalen terhadap kecepatan api premixed laminar.
Gambar 2 di atas menunjukkan bahwa kecepatan api premixed laminar  tertinggi  didapatkan  ketika persentase  oksigen  terbesar.  Hal  ini  disebabkan karena  oksigen  merupakan  oksidator  dalam pembakaran oxy-combustion .  Sedangkan  pada persentase oksigen yang rendah, grafik kecepatan api premixed laminar  cenderung  mengalami  penurunan yang signifikan ketika equivalence ratio berada pada campuran kaya bahan bakar. Hal ini disebabkan CO 2 yang menghambat reaksi campuran dan bahan bakar berlebih  yang  justru  menyerap  lebih  banyak  energi yang  dihasilkan  oleh  pembakaran  yang  secara signifikan  akan  menurukan  kecepatan  api premixed laminar.
Gambar 3. Pengaruh persentase oksigen/karbon dioksida terhadap kecepatan api premixed laminar.
Gambar 3 di bawah ini menunjukkan pengaruh kadar oksigen  (atau  karbon  dioksida)  dalam  oksidator terhadap kecepatan api premixed laminar. Peningkatan  kadar  oksigen  (penurunan  kandungan karbon  dioksida)  dalam  oksidator  mengakibatkan meningkatnya  kecepatan  api premixed laminar. Kecenderungan  di  atas  terlihat  sama  untuk  setiap nilai rasio ekuivalen yang digunakan. Gambar 3 juga menunjukkan  bahwa  campuran  kaya  bahan  bakar memiliki kecepatan api premixed laminar yang lebih rendah, perbedaan semakin besar pada kadar karbon dioksida yang lebih besar.
Kandungan  karbon  dioksida  dalam  oksidator menyebabkan  penurunan  kecepatan  api premixed laminar.  Hal  ini  disebabkan  oleh  sifat  CO 2 yang bersifat  sebagai  inhibitor  penghambat  tumbukan reaksi  antara  oksigen  sebagai  oksidator  dengan bahan bakar. CO 2 tidak bereaksi dengan bahan bakar dan  adanya  CO 2 menjadi  penghalang  terjadinya pencampuran  dan  reaksi  antara  butana  dan  oksigen, hal  ini  menyebabkan  penurunan  kecepatan  api premixed laminar.
Grafik  peningkatan  kecepatan  api premixed laminar pada  campuran kaya  lebih  besar  daripada  campuran miskin,  hal  ini  disebabkan  karena  penurunan kandungan  karbon  dioksida  lebih  signifikan  dalam mempengaruhi kecepatan api premixed laminar pada campuran  kaya,  di  mana  banyak  bahan  bakar  yang belum terbakar akan bereaksi membentuk api bunsen sekunder.  Dalam  campuran miskin,  tidak  terjadi  api bunsen sekunder,  sehingga  pengaruh  penurunan karbon dioksida tidak sebesar seperti pada campuran kaya  bahan  bakar.  Bagian  berikut  mengamati perubahan  suhu  nyala  api  sebagai  fungsi  dari perubahan rasio ekuivalen dan kadar karbon dioksida dalam oksidator. Gambar 4 dan 5 menunjukkan suhu nyala  api  pada  berbagai  variasi  rasio  ekuivalen  dan kadar karbon dioksida.
Gambar 4. Pengaruh rasio ekuivalen terhadap suhu nyala api.
Gambar  4  di  atas  menunjukkan  bahwa  suhu  api mencapai nilai maksimum pada rasio ekuivalen = 1. Suhu nyala api berkurang ketika nilai ekuivalen rasio menjadi  lebih  kecil  ataupun  lebih  besar  dari  1. Kecenderungan  di  atas  sama  untuk  setiap  kadar karbon  dioksida/oksigen  yang  diamati,  tetapi perubahan  suhu  nyala  api  yang  paling  besar  terjadi pada  kandungan  karbon  dioksida  sebesar  50%,  di mana campuran  ini  memiliki kadar oksigen  terbesar bila  dibandingkan  dengan  variasi  kadar  karbon dioksida yang lainnya.
Suhu  nyala  api  semakin  tinggi  ketika equivalence ratio mendekati  nilai  1.  Hal  ini  dikarenakan  ketika campuran  mendekati  stoikiometri,  jumlah  bahan bakar  dan  oksidator  yang  bereaksi  akan  mendekati sempurna, sehingga reaksi terjadi secara lebih cepat. Reaksi  yang  cepat  terjadi  karena  tidak  ada  bahan bakar  sisa  ataupun excess  air berlebih  yang  tidak terbakar yang justru menjadi penghambat reaksi dan reaksi  yang  lebih  cepat  akan  menyebabkan  suhu yang lebih tinggi pula.
Perubahan  suhu  terbesar  terjadi  ketika  karbon dioksida  paling  rendah,  di  mana  terjadi  kenaikan suhu  yang  signifikan  ketika  campuran  berada  pada area  stoikiometrinya.  Hal  ini  di  sebabkan  oleh rendahnya kandungan karbon dioksida itu sendiri, di mana  peran  karbon  dioksida  sebagai inhibitor tidak terlalu signifikan, sehingga kenaikan dan penurunan suhu  hanya  disebabkan  oleh equivalence  ratio dari campuran.  Sedangkan  kecenderungan  penurunan suhu  yang  lebih  besar  ketika  campuran  kaya  bahan bakar  pada  karbon  dioksida  yang  tinggi  disebabkan oleh  energi  yang  dihasilkan  oleh  pembakaran, banyak  diserap  oleh  bahan  bakar  yang  belum terbakar  untuk  membentuk  api  sekunder  dan  juga terhambat  oleh  karbon  dioksida  berlebih  yang menghambat reaksi pembakaran.
Gambar  5  menunjukkan  bahwa  suhu  nyala  api meningkat  dengan  bertambahnya  kadar  oksigen (penurunan kadar karbon dioksida) dalam oksidator. Secara  umum  terlihat  bahwa  campuran  kaya  bahan bakar memiliki suhu nyala api yang lebih rendah dari
pada  campuran  stoikiometri  dan  campuran  miskin bahan bakar.
Gambar 5. Pengaruh persentase oksigen/karbon dioksida terhadap temperatur nyala api.
Kenaikan suhu nyala api disebabkan oleh penurunan persentase CO 2 pada udara pembakaran. CO 2 bersifat sebagai inhibitor yang  mencegah  reaksi  tumbukan antara  oksigen  dengan  bahan  bakar  butana,  ketika besaran  CO 2 dikurangi,  maka  suhu  nyala  api  akan semakin mengalami peningkatan. Disinilah diketahui fungsi  CO 2 itu  sendiri  sebagai inhibitor yang menurukan kecepatan dan juga suhu pembakaran.
Peningkatan suhu nyala api yang lebih tinggi terjadi ketika  campuran  miskin  bahan  bakar  daripada campuran kaya bahan bakar, hal ini disebabkan pada campuran  miskin  bahan  bakar,  penurunan  karbon dioksida akan lebih mempercepat reaksi pembakaran,  sehingga  suhu  akan  naik  lebih signifikan  daripada  pada  campuran  kaya,  di  mana masih  banyak  energi  yang  terserap  untuk pembentukan  api  sekunder  dari  bahan  bakar berlebih.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  kajian,  analisis  dan  pembahasan pada pengujian dengan variasi equivalence ratio dan persentase  O 2 /CO 2 dapat  disimpulkan  bahwa kecepatan nyala api premixed laminar mencapai nilai maksimum pada rasio ekuivalen = 1, pada saat kadar CO 2 dalam oksidator paling sedikit, dalam kajian ini sebesar 50%. Suhu nyala api maksimum terjadi pada kondisi yang sama, hal tersebut menunjukkan bahwa kecepatan  nyala  api premixed laminar  dan  suhu pembakaran mempunyai hubungan yang sangat erat, suhu  pembakaran  yang  tinggi  menyebabkan kecepatan  nyala  api  yang  lebih  besar,  sebaliknya kecepatan  nyala  api  yang  besar  menghasilkan  suhu nyala  api  yang  tinggi  sehubungan  dengan  tingginya heat  release yang  dihasilkan  pada  proses pembakaran.

## Ucapan Terima Kasih
Kami  mengucapkan  terima  kasih  kepada  BPPM Fakultas  Teknik,  Universitas  Brawijaya  yang  telah menyediakan dana untuk kajian ini.

## Daftar Pustaka
[1] N.S.  Yuzbasi,  N.  Selcuk.  2012,  “Air  and  Oxy- fuel  Combustion  Behaviour  of  Petrole/lignite Blends”, Fuel, Vol. 92, issue 1, 137-144.
[2] J.  Buffam,  K.  Cox,  H.  Schiess.  2008, “Measurement of Laminar Burning Velocity of Methane-Air Mixtures Using a Slot and Bunsen Burner”, Worcester Polytechnic Institute.
[3] K.F. Mustafa, S. Abdullah, M. Z. Abdullah, K. Sopian.  2015,  “Combustion  Characteristics  of Butane  Porous  Burner  for  Thermoelectric Power  Generation”,  Journal  of  Combustion,
Vol. 2015, Article ID 121487, 1-13.
[4] I  M.  K.  Dhiputra,  H.A.  Hartono,  C.P. Mahandari. 2008, Flame Height of Propane and the Propane Flame lift-up. Proc 1 st International Meeting  on  Advanced  in  Thermo-Fluid,  UTM Johor, Malaysia, 26 August.
[5] C.P. Mahandari, I M. K. Dhiputra. 2007, Flame Lift-up  on  a  Bunsen  Burner;  A  Preliminary Study.  Proc  10 th International  Conference  on Quality  15  in  Research  (QIR)  Engineering Center University of Indonesia, EPE-13.
[6] H.A. Becker, D. Liang. 1978, “Visible height of vertical  free  turbulent  diffusion  flames”, Combustion and Flame, Vol. 32, 115-137.
[7] X.  Hu,  Q.  Yu.  2018,  “Effect  of  the  Elevated Initial  Temperature  on  the  Laminar  Flame Speeds of Oxy-methane Mixture”,  Energy, Vol. 147, 876-883.
[8] A.  Nair,  R.K.  Velamati,  S.  Kumar.  2016, “Effect  of  CO 2 /N 2 Dillution  On  Laminar Burning  Velocity  of  Liquid  Petroleum  Gas-Air Mixtures  at  Elevated  Temperatures”,  Energy, Vol. 100, 145-153.