## ANALISA KINERJA CYCLONE COMBUSTOR PADA PROSES DOWNDRAFT GASIFIER DENGAN MEDIA SEKAM PADI UNTUK KAPASITAS  10 KG/JAM
A.Wahyu Cahyo Purnomo 1 , F.X. Eko Arianto 2 .
1,2 Program Studi Mesin Industri - Akademi Tehnik Mesin Industri (ATMI) Cikarang Jl. Kampus Hijau No. 3, Kawasan Jababeka Education Park, Cikarang Baru, Simpangan, Cikarang Utara, Bekasi, Jawa Barat 17520 wahyucahyopurnomo@yahoo.com

## Abstract
Biomass potency in Indonesia is very abundant both from the animal manure or plant. Agriculture and plantations waste which are abundant can be utilized as the energy source. One of them is the rice husk.  This  experiment  used  rice  husk  gasification  method  with  downdraft  gasifier  to  turn  it  into  a combustible gas that will be burned in the combustion chamber cyclone. The advantage of gasification compared to the method of the direct combustion is cleaner burning and particulates and contaminants can be removed before burning. The cyclone fuels can produce good mixing which is suitable for gas with low  calorific  value.  The  composition  of  syngas  produced  by  gasification  of  rice  husk  are  H 2 13,6%,  CO 14,9%, CO 2 12,9% dan CH 4 2,3% [1]. After leaving the reactor syngas entry cyclone separator to remove moisture and contaminants, and then go to the storage tank and eventually went to cyclone fuel to be burned after mixing with air through a different inlet. After that the different value of AFR will vary to see the changes in temperature of the flame, the fire position in the combustion chamber and the flame shape. From the experimental results in AFR = 1.59 fire in the combustion chamber air beetween 1 and 2, in the AFR = 1.14 The fire in the combustion chamber in the plane 2, in AFR = 0.69 fire in the combustion chamber 3 and in  the air beetween AFR = 0.27  fire outside the combustion chamber after mixing with fresh air.
Keyword : Rice husk, cyclone combustor, syngas, gasification, downdraft gasifier

## Abstrak
Potensi  biomassa  di  Indonesia  sangat  melimpah  baik  dari  limbah  hewan  maupun  tumbuhan. Limbah pertanian dan perkebunan yang cukup besar dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi. Salah satunya adalah sekam padi. Pada eksperimen ini pemanfaatan energi dari sekam padi dilakukan dengan metode gasifikasi menggunakan downdraft gasifier untuk mengubahnya menjadi gas-gas mampu bakar yang  selanjutnya  akan  dibakar  pada  cyclone  combustor.  Keuntungan  menggunakan  metode  gasifikasi dibandingkan pembakaran langsung adalah pembakaran lebih bersih, partikulat dan kontaminan dapat dihilangkan sebelum dibakar. Cyclone combustor dapat menghasilkan pencampuran yang baik  sehingga cocok digunakan untuk gas dengan nilai kalor rendah. Komposisi syngas yang dihasilkan dari gasifikasi sekam padi adalah H 2 13,6%, CO 14,9%, CO 2 12,9% dan CH 4 2,3% [1]. Setelah melewati cyclone separator untuk menghilangkan uap air dan kontaminan kemudian masuk ke storage tank yang selanjutnya masuk ke dalam cyclone combustor untuk dibakar setelah dicampur dengan udara melalui inlet yang berbeda. Kemudian akan divariasikan dengan berbagai AFR untuk mengetahui perubahan temperatur api, letak api  pada  combustor  dan  bentuk  apinya.  Dari  hasil  eksperimen  pada  AFR  =  1,58  terletak  di  dalam combustor pada daerah antara plane 1 dan 2, AFR = 1,13 api terletak di dalam pada plane 2, AFR = 0,69 api terletak di dalam pada plane 3  sedangkan pada AFR = 0,26 tidak terbentuk api di dalam tetapi di luar setelah bercampur dengan udara luar.
Kata kunci : Sekam padi, cyclone combustor, syngas, gasifikasi, downdraft gasifier

## 1.   PENDAHULUAN
Sejalan  dengan  meningkatnya  laju  pembangunan  dan  meningkatnya  pola  hidup  masyarakat, konsumsi energi di Indonesia terus meningkat dari tahun ke tahun. Peningkatan ini terjadi hampir pada semua sektor yang mencakup sektor industri, transportasi, komersial, rumah tangga, pembangkit listrik dan  sektor  lainnya.  Selain  biomassa,  konsumsi  energi  di  Indonesia  selama  ini  masih  bertumpu  pada energi fosil terutama bahan bakar minyak (BBM), batubara dan gas bumi.
Perkembangan  konsumsi  energi  berdasarkan  sektor  pengguna  di  Indonesia  tahun  2000-2013 ditunjukkan  pada  Grafik  3.15.  Konsumsi  energi  final  (termasuk  biomassa)  pada  periode  2000-2013 meningkat dari 764 juta SBM pada tahun 2000 menjadi 1.151 juta SBM pada tahun 2013 atau meningkat rata-rata  3,20%  per  tahun.  Konsumsi  energi  final  tersebut  tidak  mempertimbangkan  other  petroleum products, seperti pelumas, aspal, dan lainnya, di sektor industri.
Konsumsi  energi  final  menurut  jenis  selama  tahun  2000-2013  masih  didominasi  oleh  BBM (bensin, minyak solar, IDO, minyak tanah, minyak bakar, avtur dan avgas). Selama kurun waktu tersebut, total konsumsi BBM meningkat dari 315 juta SBM pada tahun 2000 menjadi 399 juta SBM pada tahun 2013 atau meningkat rata-rata 1,83% per tahun [2].
Pemanfaatan biomassa dapat dilakukan dengan cara pembakaran langsung untuk dimanfaatkan panasnya.  Tetapi  cara  ini  memiliki  kelemahan  efisiensi  konversi  energi  yang  rendah  dan  dampak polusinya.  Cara  lain  dengan  menggunakan  metode  gasifikasi.  Yaitu  mengubah  bahan  bakar  padat menjadi gas yang dapat dibakar berupa gas CO, H 2 dan CH 4 . Dengan metode ini akan didapat efisiensi konversi energi yang lebih tinggi dan tingkat polusi yang lebih rendah.
Pada  penelitian ini  sumber biomassa  yang digunakan sebagai penghasil gas adalah sekam padi. Berdasarkan studi pustaka, perbandingan untuk produksi gabah-sekam 1:0,24. Berarti setiap ton gabah yang dihasilkan maka akan menyisakan sekam 0,24 ton. Pada tahun 2014 produksi padi mencapai 74,8 juta ton sehingga sekam padi yang dihasilkan ± 17 juta ton [3]. B erbagai penelitian telah dilakukan untuk mengungkap  potensi  sekam  padi  di  Indonesia  seperti  Juwarno  [4]  mengutarakan  untuk  setiap  enam kilogram  sekam  menghasikan  energi  setara  satu  liter  solar.  Sehingga  potensi  sekam  padi  Indonesia setara dengan 2,7 juta kiloliter solar.
Tiga potensi keuntungan yang bisa didapatkan dari konversi biomassa menjadi gas yaitu:
1. Menghasilkan energi melalui panas
2. Bahan baku untuk memproduksi bahan kimia
3. Bahan bakar alternatif pengganti solar dan bensin.
Pemanfaatan termudah dari gas hasil gasifikasi dengan dibakar untuk mendapatkan panasnya, antara lain sebagai pengering atau pemanas di burner/combustor . Pada penelitian ini dipilih tipe cyclone combustor . Penelitian  mengenai cyclone  combustor telah  banyak  dilakukan.  Srinivasan  et  al.  meneliti karakteristik pencampuran  dan  pembakaran  pada cyclone  combustor secara  eksperimental  dan numerik.  Hasil  dari  kedua  pengukuran  dan  simulasi  mengindikasikan  pencampuran  yang  baik  antara bahan bakar – udara, adanya nyala api yang stabil [5]. Luo  et  al.    melakukan  eksperimen  dengan biomass  micron  fuel (BMF)  untuk  mengetahui pengaruh equivalence  ratio (ER)  dan  ukuran  partikel  BMF  terhadap  unjuk  kerja  pembakaran  pada cyclone  furnace .  Menunjukkan  hasil  emisi  CO  rendah,  konsentrasi  jelaga  dan  kandungan  C  dalam  abu juga  rendah.  Dengan  ER  1,2  didapat  temperatur    tertinggi  dalam  ruang  bakar  1200 o C  dan  makin  kecil ukuran partikel pembakaran makin baik [6].
Dengan  menggunakan micro-cyclone  combustor kelas  30  W  sebagai  sumber  panas  untuk generator  termoelektrik  1  W,  Byung-il  et  al.  melakukan  studi  mengenai  stabilitas  pembakaran    dan bentuk nyala api secara eksperimental dengan gas metana sebagai bahan bakarnya. Sedangkan simulasi numerik  digunakan  untuk  mengetahui  detail  struktur  api  dan  mekanisme  stabilisasi  api  dalam combustor .  Karakteristik  pencampuran  dan  aliran  non-reaksi  dan  reaksi  dipelajari  menggunakan  hasil simulasi [7].
Zyred et  al.  melakukan pengamatan pembakaran pada  cyclone combustor dengan bahan bakar hasil  gasifikasi  sampah  biomassa  pada  cyclone  gasifier.  Didapatkan  bahwa  cyclone  combustor menghasilkan  pusaran  aliran  yang  kuat  dengan  pencampuran  yang  baik  dan  pembakaran  sempurna menciptakan    kondisi  pembakaran  stabil.  Lubang exhaust dipasang  secara  tangential  pada combustor mengurangi  penurunan  tekanan  pada  sistem  dan  memberikan  profil  kecepatan exhaust yang  hampir seragam.  Hasil  gas  dengan  nilai  kalori  rendah  dapat  terbakar  sempurna.  Karena combustor
menghasilkan  aliran  yang  stabil  dengan  pencampuran  dan  laju  pembakaran  yang  baik  serta  kondisi keluar yang seragam maka dapat dioperasikan pada kondisi miskin untuk meminimalkan NOx [8].
K.A.  Al-attab  dan  Z.A.  Zainal  mempelajari  unjuk  kerja pressurized  cyclone  combustor (PCC) berbasis turbocharger ,  2  tingkat  gas  turbin  mikro  untuk  pembakaran  LPG  dan  LPG  dan  gas  LHV  hasil gasifikasi  biomassa  untuk  campuran  2  bahan  bakar. Combustor mencapai  emisi  CO  dan  NOx  sangat rendah kurang lebih 5 dan 7 ppm untuk LPG dan 55 dan 12 ppm untuk bahan bakar campuran LPG dan gas LHV [9].
Cheol-Hong  et  al.  menyelidiki  secara  eksperimental  karakteristik  pembakaran  dari cyclone  jet hybrid  combustor untuk  mencapai  stabilitas  pembakaran  yang  tinggi    dan  emisi  polutan  yang  rendah menggunakan  2  macam  cara  pembakaran:  pembakaran  difusi  (DC)  yang  terdiri  dari  aliran  udara berpusar dan api difusi jet, dan pembakaran hibrida (HC) yang terdiri dari aliran premixed berpusar dan api  difusi  jet.  Pada  cara  HC  efek  geometri nozzle campuran  bahan  bakar – udara  diselidiki  dalam kaitannya  dengan  stabilitas  api  dan  emisi  polutan.  Hasilnya  dengan  cara  HC  terjadi  pengurangan  yang signifikan emisi jelaga, CO, dan NOx pada daerah api yang stabil dibandingkan cara DC. Tetapi emisi CO pada cara HC menigkat dengan tajam ketika overall equavalence ratio turun dibawah 0,75. Pada nozzle bahan bakar dengan banyak lubang menunjukkan pengurangan NOx hingga 55% dibandingkan cara DC [10].
Reddy et al. melakukan percobaan pada combustor 2 tingkat secara eksperimental dan numerikal untuk  mendapatkan  pembakaran  tanpa  nyala  api  ( flameless ).  Udara  dimasukkan  melalui  4  lubang didasar combustor secara tangensial dan bahan bakar dimasukkan secara terpusat melalui pressure swirl injector . Dari eksperimen didapat pembakaran tanpa nyala api tercapai ketika zona reaksi pembakaran dan temperatur terdistribusi merata dalam combustor . Emisi CO dan NOx berkurang dari 350 menjadi 11 ppm  dan  45  menjadi  12  ppm  pada equivalence  ratio 0,92  di  saat  operasi  pembakaran  berubah  dari konvensional menjadi tanpa nyala api [11].
Najim et. al. menyelidiki pergerakan api pada berbagai variasi AFR pada cyclone combustor [12]. Hasilnya terlihat pada gambar di bawah
Mode  I  terjadi  pada  campuran  kaya,  pembakaran  sebagian  berada  di  dalam combustor tetapi sebagian  besar  berada  di  luar.  Mode  II  terjadi  pada  campuran  mendekati  stoikiometrik,  api  terutama berada pada inlet/outlet manifold dan memanjang kearah dalam ruangan cyclone. Mode III terjadi pada campuran miskin, api berbentuk annular dan berada 0,75 diameter ruangan cyclone [12].

## 2.   METODE PENELITIAN
Penelitian  yang  dilakukan  bersifat  eksperimental.  Dimulai  dari  studi  literatur  dengan  mencari referensi  dari  buku,  jurnal,  dan  lain-lain.  Kemudian  diikuti  dengan  setup  burner  yang  akan  digunakan. Selanjutnya  pengambilan  data  temperatur  dan  besarnya  aliran  udara  dan  syngas  serta  dokumentasi meliputi foto dan video nyala api. Diagram alir kegiatan yang akan dilakukan sebagai berikut.
Gambar 1. Diagram alir penelitian
Gambar 2. Pesiapan alat uji Gambar 3. Letak termolopel
Pengujian  meliputi  pengukuran  temperatur  nyala  api  dengan  menggunakan termocouple , pengukuran aliran gas dan udara masuk ke combustor .
Pengambilan data temperatur api dalam burner dan bentuk apinya akibat pengaruh dari variasi AFR.  Bahan  bakar  bersumber  dari syngas hasil gasifier sekam  padi  yang  ditarik  dengan  menggunakan blower  menuju  ke combustor sedangkan  udara  disuplai  dari  blower  yang  menyedot  udara  luar. Termokopel  digunakan  untuk  mengetahui  temperatur  dan  posisi  api  dalam combustor yang  akan direkam  datanya  menggunakan  DAQ  Adamtech  ke  dalam  komputer.    Besarnya  aliran syngas diatur dengan menggunakan inverter untuk mengatur kecepatan putar blower sedangkan udara diatur dengan menggunakan  katup  sebelum  masuk  ke combustor .  Besarnya  aliran syngas dan  udara diukur  dengan menggunakan rotameter. Selanjutnya api yang terbentuk didokumentasikan dengan kamera.
Melihat  proses  pencampuran  udara  dan  bahan  bakar  di  dalam cyclone  combustorc maka dilakukan cold mixing simulation menggunakan perangkat lunak ANSYS 15.0.

## 3.   PENGUJIAN DAN ANALISA
Pengujian yang dilakukan dihasilkan
Tabel 1. Hasil Pengujian 1 2 3 4 Laju aliran udara (m 3 /h) 6 4,3 2,6 1 Temperatur pirolisis 700-800 o C 500-700 o C 650-700 o C 600-800 o C Profil temperatur AFR 1,58 1,13 0,69 0,26
(1) (2) (3) (4) Gambar 4. Grafik temperatur combustor dan pirolisis

## 4.   SIMPULAN
1.  Pada  AFR  ˂  stoikiometrik  letak  api  cenderung  ada  dibagian  belakang combustor ujung  api  tidak sampai keluar combustor .
2. Pada  AFR mendekati  stoikiometrik letak  api pada  plane 2 dengan ujung api menyembur keluar dari combustor .
3.  Pada  AFR  ˃  stoikiometrik  tidak  terjadi  pembakaran  di  dalam combustor karena  udara  yang  disuplai dari inlet tidak cukup untuk terjadinya pembakaran sehingga pembakaran terjadi di luar combustor setelah bercampur dengan udara luar.
4. Temperatur api tertinggi terjadi pada AFR mendekati stoikiometrik pada temperatur 800 – 900 o C.
5. Temperatur api terendah terjadi pada AFR ˃ stoikiometrik pada tempera tur 600 o C. 6.  Bentuk api bila pembakaran terjadi di dalam combustor berupa annular.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] S. J. Yoon, Y.-I. Son, Y.-K. Kim, and J.-G. Lee, "Gasification and power generation characteristics of rice husk  and rice husk  pellet using a  downdraft  fixed-bed gasifier," Renewable  Energy, vol. 42, pp. 163-167, 6// 2012.
[2] A. Agus Sugiyono, M. Sidik Boedoyo, and Adiarso, "Outlook Energi Indonesia 2015," BPPT, Ed., ed. Jakarta: PTPSE, 2015.
[3] Noorjenah, E. H.  Subagya, Iswadi, R. R. Amalia, S. H. Siagian, R. Poerwaningsih , et al. , "Produksi Tanaman Pangan," S. H. Hardjo and Kadarmanto, Eds., 1 ed Jakarta: BPS, 2015, p. 185.
[4] K.  Samsudin  Anis,  Samsudin,  and  Wara  Dyah  P.R,  "Studi  Eksperimen  Pemanfaatan  Sekam  Padi sebagai Bahan Bakar Gasifikasi Penghasil Syngas."
[5] S. Dattarajan, R. Kaluri, and G. Sridhar, "Development of a Combustor to burn raw producer gas," Fuel Processing Technology, vol. 126, pp. 76-87, 10// 2014.
[6] S. Luo, B. Xiao, Z. Hu, S. Liu, and M. He, "Experimental study on combustion of biomass micron fuel (BMF) in cyclone furnace," Energy Conversion and Management, vol. 51, pp. 2098-2102, 11// 2010.
[7] B.-i. Choi, Y.-s. Han, M.-b. Kim, C.-h. Hwang, and C. B. Oh, "Experimental and numerical studies of mixing and flame stability in a micro-cyclone combustor," Chemical Engineering Science, vol. 64, pp. 5276-5286, 12/16/ 2009.
[8] C. Syred, W. Fick, A. J. Griffiths, and N. Syred, "Cyclone gasifier and cyclone combustor for the use of biomass derived gas in the operation of a small gas turbine in cogeneration plants," Fuel, vol. 83, pp. 2381-2392, 12// 2004.
[9] K. A. Al-attab and Z. A. Zainal, "Design and performance of a pressurized cyclone combustor (PCC) for high and low heating value gas combustion," Applied Energy, vol. 88, pp. 1084-1095, 4// 2011.
[10]  C.-H.  Hwang,  S.  Lee,  J.-H.  Kim,  and  C.-E.  Lee,  "An  experimental  study  on  flame  stability  and pollutant emission in a cyclone jet hybrid combustor," Applied Energy, vol. 86, pp. 1154-1161, 7// 2009.
[11]  V.  Mahendra  Reddy,  D.  Sawant,  D.  Trivedi,  and  S.  Kumar,  "Studies  on  a  liquid  fuel  based  two stage flameless combustor," Proceedings of the Combustion Institute, vol. 34, pp. 3319-3326, // 2013.
[12]  S. E. Najim, A. C. Styles, and N. Syred, "Flame Movement Mechanism and Characteristics of Gas Fired  Cyclone  Combustors,"  presented  at  the  Eighteenth  Symposium  (International)  on Combustion, 1981.
[13]  C. Higman and M. v. d. Burgt, Gasification . New York: Elsevier, 2003.
[14]  P. Basu, Biomass Gasification, Pyrolysis, and Torrefaction , 2 ed. London: Elsevier, 2013.
[15]  A.  K.  Rajvanshi,  "Biomass  Gasification,"  in Alternative  Energy  in  Agriculture .  vol.  2,  Y.  Goswami, Ed., 1 ed: CRC Press, 1986.
[16]  H.  F.  Guo,  Z.  Y.  Chen,  and  C.  W.  Yu,  "Simulation  of  the  effect  of  geometric  parameters  on tangentially  injected  swirling  pipe  airflow," Computers  &  Fluids, vol.  38,  pp.  1917-1924,  12// 2009.
[17]  F.  Chang  and  V.  K.  Dhir,  "Turbulent  flow  field  in  tangentially  injected  swirl  flows  in  tubes," International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 15, pp. 346-356, 1994/10/01 1994.
[18]  N. Syred and J. M. Beér, "Combustion in swirling flows: A review," Combustion and Flame, vol. 23, pp. 143-201, 1974/10/01 1974.
[19]  P. Mullinger and B. Jenkins, Industrial and Process Furnaces , 1 ed. Oxford: Elsevier, 2008.
[20]  M. J. Moran and H. N. Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics , 5 ed. West Sussex: John Wiley and Sons Ltd, 2006.