STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH CO-FIRING HIDROGEN DAN METANA TERHADAP TEMPERATUR NYALA, KECEPATAN RAMBAT API, DAN EMISI GAS BUANG

MAHADEWI RESTI KIRANA, Dr. Ir. Jayan Sentanuhady, S.T., M.Eng., IPU., ASEAN Eng.

2025 | Skripsi | TEKNIK MESIN

Hidrogen merupakan bahan bakar masa depan yang bersih, bernilai kalor tinggi, dan memiliki kecepatan rambat api lebih besar dibandingkan metana. Namun, penggunaannya sebagai bahan bakar tunggal terkendala kestabilan nyala rendah, densitas energi volumetrik kecil, serta emisi NOx tinggi. Co-firing dengan CH? menjadi salah satu solusi untuk menyeimbangkan karakteristik pembakaran.

Penelitian ini menganalisis pengaruh fraksi H? (0–30%) dan equivalence ratio (? = 0,6–1,4) terhadap temperatur nyala api, panjang nyala, kecepatan rambat api, dan emisi pada pembakaran difusi berbasis swirl burner. Temperatur diukur dengan thermocouple tipe-K, citra nyala diproses menggunakan MATLAB, dan emisi dianalisis dengan MRU emission analyzer.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan hidrogen meningkatkan temperatur nyala dan mempercepat proses penyalaan metana, menghasilkan nyala yang lebih pendek, lebih panas, dan lebih stabil. Kecepatan rambat api juga meningkat seiring bertambahnya fraksi hidrogen, terutama pada kondisi stoikiometri, sedangkan pada kondisi kaya maupun miskin bahan bakar kecepatannya menurun akibat ketidakseimbangan reaktan. Dari sisi emisi, penambahan hidrogen menurunkan emisi berbasis karbon seperti CO? dan CO karena hidrogen tidak mengandung karbon dan mempercepat oksidasi, namun meningkatkan emisi nitrogen (NO, NO?, dan NOx) akibat kenaikan temperatur pembakaran.

Secara keseluruhan, co-firing CH?/H? meningkatkan efisiensi dan kualitas pembakaran dengan menurunkan emisi karbon, meskipun peningkatan NOx perlu dikendalikan. Strategi yang direkomendasikan adalah menurunkan temperatur nyala melalui pengoperasian sistem pada kondisi sedikit lean hingga mendekati stoikiometri, sehingga reaksi tetap stabil namun pembentukan NOx dapat ditekan tanpa menurunkan efisiensi pembakaran.

Hydrogen is a promising future fuel due to its clean characteristics, high heating value, and higher flame propagation speed compared to Methane. However, its direct use is limited by low flame stability, small volumetric energy density, and high NOx emissions. Co-firing with CH? offers a potential solution to balance combustion characteristics.

This study investigates the effect of H? fraction (0–30%) and equivalence ratio (? = 0.6–1.4) on flame temperature, flame length, flame propagation speed, and exhaust emissions in diffusion combustion using a swirl burner. Temperature was measured with a K-type thermocouple, flame images were processed using MATLAB, and emissions were analyzed with an MRU emission analyzer.

The results show that increasing hydrogen fraction enhances flame temperature and accelerates methane ignition, producing a shorter, hotter, and more stable flame. Flame propagation speed also increases with hydrogen enrichment, especially under stoichiometric conditions, while both lean and rich mixtures result in lower propagation speeds due to reactant imbalance. In terms of emissions, hydrogen addition reduces carbon-based emissions (CO? and CO) since hydrogen contains no carbon and promotes more complete oxidation, but it increases nitrogen-based emissions (NO, NO?, and NOx) as a result of higher flame temperatures and stronger thermal-NO formation.

Overall, CH?/H? co-firing improves combustion efficiency and stability while reducing carbon emissions. However, the rise in NOx emissions must be controlled. The recommended strategy is to lower flame temperature by operating slightly lean to near-stoichiometric conditions, which maintains combustion stability while minimizing NOx formation without compromising efficiency.

Kata Kunci : Hydrogen, Methane, Co-firing, Combustion, Emission, Temperature, Flame Propagation