Gambar 2.7 Kayu Borneo(Borneo wood).
Hasil dan Pembahasan
1) Rancang Bangun Gasifier Unggun Tetap Jenis Imbert Aliran ke Bawah
Reaktor gasifier dirancang dengan batasan yang mampu membangkitkan tenaga sebesar 20 kW dan pola operasi enam jam tanpa penambahan umpan kayu, serta menghasilkan gas mampu bakar yang optimum. Berdasarkan batasan laju aliran gas minimum untuk aliran ke bawah, maka gasifier yang dirancang mempunyai diameter reaktor 600 mm, diameter throat 120 mm, dan tinggi reaktor 1800 mm. Reaktor dilapisi dengan bata tahan api setebal 100 mm untuk meminimalkan kerugian energi akibat kehilangan panas ke lingkungan. Lihat gambar pada Lampiran 38.
2) Analisis Proksimat dan Ultimat Kayu
Pengambilan sampel gas hasil gasifikasi pada gasifier unggun tetap aliran ke bawah yang memanfaatkan kayu borneo, asem, dan lamtorogung sebagai umpan
dilakukan masing-masing dua kali dan dianalisis dengan menggunakan
Gas Chromatography di Laboratorium Sumber Daya Energi Puspipptek Serpong. Analisa menggunakan metoda Thermal Conductivity Ditection (TCD) dan Firing Ionization Ditection (FID). Hasil analisis laboratorium komposisi umpan kayu yang meliputi kandungan karbon, hidrogen, dan oksigen ditampilkan pada Tabel 2.4.
Tabel 2.4 Hasil analisis proksimat dan ultimat kayu Borneo, Asem, dan Lamtorogung
No Jenis Analisis Kayu Borneo Kayu Asem Kayu Lamtorogung
1 Proximate Kadar air (%) 9.25 7.78 12.98 Bahan menguap (%) 72.18 78.55 73.04 Karbon tetap (%) 18.31 12.06 12.96 2 Ultimate Kandungan abu (%) 0.25 1.59 1.02 Karbon (%) 47.87 43.86 42.85 Hidrogen (%) 5.23 5.23 4.93 Nitrogen (%) 1.43 0.25 0.15 Oksigen (%) 35.98 41.29 38.07 3 Nilai kalor (kJ/kg) 18 897.12 17 224.29 16 351.34
Berdasarkan Tabel 2.4, komposisi unsur C, H, dan O dari tiga umpan kayu tersebut bervariasi. Hal ini disebabkan oleh kerapatan kayu Borneo, Asem, dan Lamtorogung berbeda. Komposisi bahan menguap kayu Borneo paling kecil dibanding dua jenis kayu lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa kayu Borneo memiliki kepadatan dan kekerasan paling tinggi. Selain itu, kayu Borneo memiliki kandungan karbon tetap dan karbon terikat yang tinggi, yang mempengaruhi komposisi gas mampu bakar, terutama gas mampu bakar CO. Tingginya kadar karbon pada kayu borneo menyebabkan nilai kalornya paling tinggi, yaitu sebesar 18 897.12 kJ/kg.
Kayu lamtorogung mengandung karbon paling rendah, namun menghasilkan gas mampu bakar CH4 tertinggi (Tabel 2.4). Hal itu disebabkan karena kadar air kayu lamtorogung paling tinggi, yaitu sebesar 12.98%. Selain itu kayu lamtorogung mengandung nitrogen paling sedikit, yaitu sebesar 0.15%. Kandungan nitrogen dalam umpan kayu mempengaruhi suhu pembakaran di zona oksidasi. Semakin rendah kandungan nitrogen dalam umpan kayu, maka semakin tinggi suhu di zona oksidasi. Dengan demikian, kayu lamtorogung menghasilkan suhu tertinggi di zona oksidasi.
Berdasarkan analisis kromatografi gas yang diambil pada sisi keluar reaktor, terlihat bahwa kandungan karbon, hidrogen, dan oksigen umpan kayu, mempengaruhi komposisi gas mampu bakar yang dihasilkan reaktor gasifier. Komposisi gas mampu bakar yang dihasilkan oleh ketiga umpan kayu dapat di lihat pada Tabel 2.5.
Tabel 2.5 Data analisis gas mampu bakar hasil gasifikasi
Jenis Kayu
Komposisi dan Uraian H2 (%wt) CO (%wt) CO2 (%wt) CH4 (%wt) C2H6 (%wt) C3H8 (%wt) Borneo 0 55.59 42.90 1.14 0.299 0.075 Lamtorogung 0 41.23 55.86 2.10 0.660 0.150 Asem 0 43.10 54.28 1.93 0.520 0.170
Komposisi gas mampu bakar yang dihasilkan oleh ketiga jenis umpan kayu terdiri dari hidrogen, karbon monoksida, karbon dioksida, metana, propana, etana,
dan gas lainnya. Kayu Borneo memberikan komposisi gas mampu bakar CO jauh lebih tinggi dibanding dengan Lamtorogung dan Asem, karena kayu Borneo mengandung karbon tetap dan karbon terikat tertinggi. Komposisi gas mampu bakar lainnya tidak berbeda jauh, kemungkinan besar disebabkan oleh proses pembentukan CO dari hasil pembakaran di zona reduksi berlangsung cepat dan merata. Gas mampu bakar dari ketiga jenis umpan kayu tidak mengandung hidrogen. Hal ini disebabkan karena kandungan air ketiga jenis umpan kayu relatif rendah, yaitu dibawah 13%.
3) Distribusi suhu gas di dalam Gasifier
Distribusi suhu terhadap waktu untuk zona oksidasi dan reduksi cenderung berfluktuatif. Secara teoritis, suhu di zona oksidasi dan di zona reduksi seharusnya memiliki nilai suhu yang sama dan tidak berubah terhadap waktu. Perubahan suhu ini disebabkan oleh dua hal, pertama zona oksidasi dan zona reduksi tidak berhubungan langsung dengan reaksi pembakaran, melainkan mendapatkan energi termal dari proses pembakaran di zona oksidasi. Kedua, jumlah umpan kayu di reaktor menurun secara intermitten, sehingga kecepatan pembakaran tidak seragam untuk periode waktu yang sama. Berdasarkan suhu uji coba, pada jarak antara 0 sampai 150 mm dari zona oksidasi, suhu tinggi dan relatif konstan. Setelah berjarak 200 mm dari zona oksidasi, suhu cenderung menurun tajam.
Daerah yang berjarak 200 mm dari zona oksidasi merupakan zona pirolisis dan zona pengeringan. Penurunan suhu ini disebabkan oleh jarak yang relatif jauh dari zona oksidasi, sehingga rambatan energi panas dari zona oksidasi cenderung menurun. Pola distribusi suhu di zona oksidasi, reduksi, pirolisis, dan pengeringan untuk ketiga jenis umpan uji ditampilkan pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Pola Suhu terhadap waktu pengujian (a) Kayu Borneo, (b) Kayu Asem, dan (c) Kayu Lamtorogung.
Pengeringan Pirolisis Oksida Reduksi Udara Z 0 L 200 400 600 800 1 2 3 4 5 6 7 8
Waktu Pengujian (jam)
S uhu ( oC) 0 1 2 3 4 5 Pengeringan Pirolisis Oksidasi Reduksi Lingkungan 1 2 3 4 5 (b)
Waktu Pengujian (jam)
Suhu ( ˚ C) 200 400 600 800 1000 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 Pengeringan Pirolisis Oksidasi Reduksi Lingkungan 1 2 3 4 5 (c) 0 200 400 600 800 1000 1 2 3 4 5 6 S uhu ( oC) 1 2 3 4 5 Pengeringan Pirolisis Oksidasi Reduksi Lingkungan 1 2 3 4 5
4) Simulasi Pola Distribusi Suhu di Gasifier
Perbandingan pola distribusi perubahan suhu terhadap jarak ketinggian gasifier hasil simulasi dan hasil uji ditampilkan pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Pola distribusi suhu hasil uji dan simulasi.
Pada grafik pola distribusi suhu, terjadi perbedaan distribusi suhu antara perhitungan numerik dengan hasil uji coba. Suhu awal simulasi dimulai dari 1000 oC, sedangkan suhu hasil uji di zona oksidasi berkisar antara 1000 oC sampai dengan 1150 oC. Hal ini disebabkan karena pasokan oksigen melebihi jumlah yang dibutuhkan untuk pembakaran tidak sempurna, sehingga menghasilkan energi panas hasil reaksi pembakaraan yang lebih besar. Dari Gambar 2.11 terlihat bahwa temperatur hasil uji di atas zona oksidasi nilainya lebih rendah dibanding dengan pendekatan teoritis. Perbedaan kecenderungan pola distribusi suhu ini disebabkan karena reaktor tidak diisolasi, sehingga terjadi perpindahan panas dari dinding reaktor ke udara sekitarnya. Namun secara umum, keduanya memiliki kecenderungan bentuk kurva yang sama. Perhitungan disribusi suhu tersaji pada Lampiran 1.
Pada penelitian ini, zona I atau daerah di bawah grate (20 cm di bawah), suhu gasifier menurun. Hal ini dapat terjadi karena pada zona tersebut merupakan tempat penampungan abu dari sisa proses oksidasi, jadi panas di zona ini cenderung merupakan sisa panas dari proses oksidasi. Berdasarkan persamaan model matematika distribusi suhu di atas, profil suhu pada zona II (oksidasi, reduksi, dan pirolisis) dapat digambarkan pada grafik berikut ini.
Profil Suhu Zona II pada Gasifier (di atas Grate)
100 300 500 700 900 1100 1300 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Jarak Terhadap Grate (m)
Suh u ( o C) Simulasi Hasil uji
Gambar 2.11 Profil suhu pada zona oksidasi.
Gambar 2.12 Profil suhu pada zona reduksi.
Gambar 2.13 Profil suhu pada zona pirolisis.
Profil Suhu Gasifier pada Zona Oksidasi ( 29 cm di atas Grate) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 0.1 0.2 0.3 0.4
Jarak Terhadap Grate (meter)
S
u
hu (
o C)
Profil Suhu Gasifier pada Zona Pirolisis
200 250 300 350 400 450 0.38 0.385 0.39 0.395 0.4 Jarak Terhadap Grate (meter)
S
uhu (
o C)
Profil Suhu Gasifier pada Zona Reduksi (29 - 38 cm di Atas Grate) 0 200 400 600 800 1000 1200 0.28 0.33 0.38 0.43
Jarak Terhadap Grate (meter)
S
uhu (
Berdasarkan grafik di atas, zona oksidasi, suhu cenderung naik, sepanjang 29 cm di atas grate. Zona yang terletak pada interval jarak 29-38 cm di atas grate adalah zona reduksi. Pada zona ini, suhu sedikit menurun dengan interval suhu antara 600-980oC. Zona yang terletak pada interval jarak 38-40 cm di atas grate adalah zona pirolisis, dengan interval suhu antara 400-600 oC.
Berdasarkan data suhu pada zona oksidasi, zona reduksi, dan zona pirolisis dapat disimpulkan bahwa semakin jauh letak zona dari grate, maka suhu akan menurun. Dengan demikian suhu zona pengeringan memiliki suhu terendah, yaitu sebesar 146 oC. Hasil simulasi ini memperkuat temuan Manurung yang mengungkapkan bahwa profil suhu pada gasifier jenis konvensional memiliki karakteristik suhu yang semakin menurun seiring dengan semakin jauhnya jarak dari grate (panggangan).
5) Analisis Energi
Konsumsi bahan bakar spesifik menggambarkan sejauh mana proses konversi energi bahan bakar menjadi energi mampu bakar yang dapat dimanfaatkan untuk mesin pembangkit tenaga listrik dalam suatu instalasi gasifier unggun tetap aliran kebawah. Hasil analisis pemakaian bahan bakar spesifik dan energi selama 6 jam ditampilkan pada Tabel 2.6 dan rincian perhitungan energi pada Lampiran 16.
Tabel 2.6 Ketersediaan energi dan konsumsi bahan bakar
Uraian Borneo Lamtorogung Asem
Konsumsi kayu (kg) 29.70 30.60 37.00
Konsumsi arang (kg) 5.00 5.00 5.00
Abu (Ash) (kg) 1.20 0.90 1.10
Ketersediaan energi dalam reaktor (MJ) 561.24 500.34 637.29
Energi pembakaran per satuan waktu (kW) 25.98 23.16 29.51
Konsumsi kayu spesifik (kg/kWh) 1.98 2.04 2.47
Dengan menggunakan data yang diperoleh dari hasil pengukuran dan analisis laboratorium, maka dapat dihitung besarnya konsumsi bahan bakar spesifik kayu dan energi pembakaran, yang dinyatakan sebagai Qg. Berdasarkan Tabel 2.6,
konsumsi kayu spesifik borneo paling rendah dibandingkan dengan dua bahan uji lainnya, hal ini disebabkan karena kayu borneo memiliki kandungan karbon tetap dan karbon terikat yang paling tinggi, sehingga untuk waktu pembakaran yang sama, jumlah kayu Borneo yang diperlukan untuk pembakaran tersebut lebih sedikit. Untuk menghasilkan besaran daya yang relatif sama, kayu Borneo memberikan konsumsi kayu spesifik yang paling baik.
Umpan kayu Borneo menghasilkan energi reaktor sebesar 27.22 kW, angka ini diperoleh dari hasil perkalian konsumsi kayu per satuan waktu terhadap nilai kalor bawah bahan bakar (LCV). Sehingga dengan asumsi efisiensi termal mesin pembangkit tenaga sebesar 33%, dapat digunakan mesin pembangkit berkapasitas maksimum 10 kW dan gas buang dari mesin pembangkit tenaga tersebut dapat dimanfaatkan untuk pemanas generator mesin pendingin adsorpsi pasangan methanol-silikagel.
6) Analisis Keseimbangan Termal
Dengan mengunakan data hasil perhitungan energi pembakaran dan energi gas buang, hasil pengukuran daya efektif di terminal generator, dan referensi mesin diesel tanpa turbocharger (naturally aspirated engines) dengan efisiensi mekanis 80% dan efisensi generator 97.50%, maka dapat dihitung keseimbangan termal pada beban nominal dapat dilihat pada Tabel 2.7 dan rincian perhitungan energi tersaji pada Lampiran 16.
Tabel 2.7 Ketersediaan dan pemanfaatan energi termal pada gasifier dan mesin pembangkit berbahan bakar solar dan kayu borneo pada beban 75%
Uraian Notasi/rumus Daya
(kW) (%) A. Energi per satuan waktu dari gasifier
1. Energi Masukan Qp = Qg + Qs 41.40 100.00 B. Energi per satuan yang digunakan oleh mesin
1. Daya poros kWP = (kWg)/(ηg) 6.25 15.10 2. Daya gesek kWF = (kWP)/(ηm) - kWP 1.10 2.66 3. Energi gas buang Qgb = Qgb CO2 + Qgb H2O + Qgb O2 + Qgb N2 6.85 16.55
4. Energi lainnya Qlainnya = Qpendinginan + Qrugi-rugi pembakaran+Qrad 27.2 65.79 Total energi per satuan waktu yang digunakan mesin 41.40 100.00
Berdasarkan tabel di atas, energi termal yang dihasilkan oleh Borneo 40% dan solar 60% berturut-turut sebesar 27.22 kW dan 14.17 kW. Energi tersebut dikonversi menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros sebesar 6.25 kW dan energi termal gas buang 6.85 kW. Efisiensi termal gasifikasi campuran kayu dan bahan bakar solar sebesar 15.10% sedangkan efisiensi termal dengan menggunakan bahan bakar solar 100% sebesar 26.46%. Penurunan efisiensi termal disebabkan oleh kekurangan suplai oksigen pada proses pembakaran, sehingga gas mampu bakar CO tidak terbakar sempurna. Hal itu menyebabkan energi termal hasil proses pembakaran berkurang.
Peningkatan efisiensi termal dapat dilakukan dengan menambah suplai oksigen sehingga gas CO dapat terbakar sempurna. Penambahan oksigen (excess air) dapat dilakukan dengan menggunakan supercharged engine atau turbocharged engineI. Alat ini memanfatkan gas buang untuk menambah suplai oksigen dengan cara mendorong paksa udara ke ruang bakar.
Simpulan
Berdasarkan data tiga kali pengujian kayu borneo, asem, dan lamtorogung, yang dilanjutkan dengan analisis kromatografi gas dan analisis proksimat, ultimat serta nilai kalor bahan bakar, maka disimpulkan sebagai berikut
1. Gasifier memiliki diameter reaktor 600 mm, diameter throat 120 mm, dan tinggi reaktor 1800 mm dengan umpan kayu dalam bentuk kubus ukuran 3 cm x 3 cm x 3mm sebesar 40 kg.
2. Umpan kayu terbaik adalah borneo, dimana kandungan CO = 55.59%, CO2 = 42.90%, CH4 =1.14%, C2H6=0.299%, dan C3H8 = 0.075%, energi pembakaran = 27.22 kW, dan konsumsi kayu spesifik = 1.98 kg/kWh.
3. Model matematika distribusi suhu di zona oksidasi, pirolisis, dan reduksi cenderung sama dengan data simulasi, yaitu pada zona oksidasi suhu gasifier terhadap jarak grate cenderung meningkat hingga berjarak 0.2 m dari grate, kemudian menurun, sedangkan pada zona reduksi dan pirolisis suhu gasifier cenderung menurun seiring dengan bertambahnya jarak dari grate.
4. Proses gasifikasi biomassa dengan campuran umpan kayu Borneo dan solar mampu menghasilkan ketersediaan energi sebesar 41.40 kW. Energi ini
dikonversi menjadi energi poros sebesar 6.25 kW dan energi gas buang sebesar 6.85 kW. Efisiensi termal gasifikasi campuran kayu dan bahan bakar solar sebesar 15.10% sedangkan efisiensi termal dengan menggunakan bahan bakar solar 100% sebesar 26.46%. Penurunan efisiensi termal disebabkan oleh kekurangan suplai oksigen.
Saran
1. Pengambilan dan penyimpanan sampel gas mampu bakar yang ditempatkan pada plastik sebaiknya pada suhu dibawah 10 oC sehingga molekul hidrogen tidak keluar dari sampel plastik.
2. Untuk mendapatkan efisiensi termal yang optimum dibutuhkan penggantian mesin penggerak diesel dengan supercharged engine atau turbocharged engine dengan boost pressure rasio lebih dari 1.2.