Validasi Model Simulasi - HASIL DAN ANALISIS

BAB IV HASIL DAN ANALISIS

4.3 Validasi Model Simulasi

Validasi merupakan suatu langkah yang dilakukan untuk membuktikan kebenaran dari system yang dibangun dalam hal ini adalah untuk menguji kebenaran model Siklus Ideal dengan pembakaran biomassa sebagai sumber panasnya.

Langkah validasi yang dilakukan adalah dengan mengambil data-data kondisi simulasi pada jurnal yang berhubungan kemudian melakukansimulasi ulang untuk model yang dibangun dan membandingkan hasil yang diperoleh.Untuk bagian model pembakaran biomassa divalidasi kepada system model yang dikeluarkan Aspen Plus, Aspen Plus, Getting Started Modeling Processes with Solid [16].

Tabel 4.4 Validasi Sistem Model

Bagian Model Simulasi Parameter Hasil Model Sekarang

Pembakaran Biomassa

Temperatur (℃) 700 s/d 900

Excess air 20% s/d 30%

4.4 Analisis Kebutuhan Udara

Sebelum melakukan simulasi dengan menggunakan perangkat lunak Aspen Plus® perlu dilakukan perhitungan kebutuhan udara (udara teoritis + exces air) untuk masing-masing bahan bakar. Perhitungan ini dilakukan agar diketahui kebutuhan udara teoritis bahan bakar. Adapun kebutuhan udara untuk masing-mesing bahan bakar adalah sebagai berikut:

1. Bahan Bakar Biomassa TKKS

Mengacu pada persamaan (2.5) dan data komposisi bahan bakar TKKS Tabel 3.2 Bab III,maka kebuuhan udara adalah:

Udara Teoritis = {(2,67 x %C) + (%S) + (2,29 x %𝑁₂) – (%𝑂₂)}/ 0,23 Udara Teoritis = 10,22 kg udara / kg bahan bakar

2. Bahan Bakar Cangkang

Mengacu pada persamaan (2.5) dan data komposisi bahan bakar Cangkang Tabel 3.2 Bab III,maka kebuuhan udara adalah:

Udara Teoritis = {(2,67 x %C) + (%S) + (2,29 x %𝑁₂) – (%𝑂₂)}/ 0,23 Udara Teoritis = 7,48 kg udara / kg bahan bakar

3. Bahan Bakar Serat Buah

Mengacu pada persamaan (2.5) dan data komposisi bahan bakar Serat buah Tabel 3.2 Bab III,maka kebuuhan udara adalah:

Udara Teoritis = {(2,67 x %C) + (%S) + (2,29 x %𝑁₂) – (%𝑂₂)}/ 0,23 Udara Teoritis = 7,14 kg udara / kg bahan bakar

Secara teoritis, kebutuhan udara berdasarkan masing-masing perthitungan diatas sudah cukup untuk melakukan pembakaran secara sempurna. Namun pada kondisi pembakaran aktual pembakaran sempurna tidak terjadi dengan hanya mengandalkan kebutuhan udara teoritis. Untuk itu diperlukan kelebihan udara (excess air) agar pembakaran depat terjadi mendekati kondisi sempurna. Berikut ini proses pembakaran dengan kelebihan udara (excess air) dari masing-masing bahan bakar seperti yang ditunjukkan pada Table 4.4

Tabel 4.5 Kebutuhan Udara Pembakaran

Bahan Bakar

Dapat dilihat dari hasil perhitungan di atas terjadi perbedaan kebutuhan udara untuk masing-masing bahan bakar. Kondisi tersebut disebabkan oleh perbedaan komposisi masing-masing bahan bakar terutama karbon dan hydrogen yang membutuhkan udara pembakaran yang sangat tinggi. Kebutuhan udara tertinggi dimiliki oleh biomassa TKKS yaitu 10,22 kg udara / kg kg bahan bakar. Hal ini dikarenakan TKKS memiliki kadar

atom karbon dan hydrogen yang lebih tinggi dari biomassa lainnya pada penelitian ini.

4.5 Analisa Hasil Simulasi

Proses simulasi mengacu kepada kontrol yang telah ditetapkan pada Bab III yaitu dengan penggabungan ketiga biomassa sebagai bahan bakar. Hasil simulasi ini akan ditampilkan berupa table temperature, tekanan, entalphi, dan kualitas uap.

4.5.1 Hasil Simulasi Pembakaran Biomassa dengan Variasi Temperatur dan Komposisi Biomassa

Berdasarkan skenario penelitian pada Bab 3 tabel 3.3, bahwa Simulasi ini dilakukan dalam 6 skenario dengan variasi temperatur mulai dari 700℃, 800℃ dan 900℃ yang diaplikasikan untuk pembakaran TKKS, Cangkang dan Serat buah.

Namun demikian hasil simulasi tersebut tetap berbeda jika ditinjau dari aspek lain yang akan dibahas pada subbab berikutnya. Secara lengkap akan ditampilkan pada grafik berikut ini

1. Hasil Pembakaran TKKS

Pada simulasi pembakaran pertama dilakukan dengan menggunakan 100%

TKKS pada temperature 700°C s/d 900°C yang hasilnya dapat dilihat pada gambar 4.2

Gambar 4.2 Grafik Temperatur -vs- Kandungan KO2 pada 100% TKKS

1.95E-14 3.71E-13

Pada Gambar 4.2 diatas bahwa temperatur berbanding lurus dengan peningkatan kadar terbentuknya potassium pada saat pembakaran, terlihat kecenderungan peningkatan secara berkala diantara masing-masing teperatur.

2. Hasil Pembakaran Cangkang

Pada simulasi pembakaran pertama dilakukan dengan menggunakan 100%

Cangkang pada temperature 700°C s/d 900°C yang hasilnya dapat dilihat pada gambar 4.3.

Gambar 4.3 Grafik Temperatur -vs- Kandungan KO2 pada 100%

Cangkang

Sama halnya seperti pembakaran pada 100% TKKS, kecederungan munculnya Kalium lebih besar terjadi apabila temperatur pembakaran meningkat, meskipun pada kasus ini potassium yang terbentuk tidak sebanyak pada pembakaran 100% TKKS

1.02E-14

1.91E-13

2.54E-12

0.00E+00 5.00E-13 1.00E-12 1.50E-12 2.00E-12 2.50E-12 3.00E-12

700°C 800°C 900°C

KO2

Temperatur

KO

₂

-vs- Temperatur

3. Hasil Pembakaran Serat Kelapa Sawit

Pada simulasi pembakaran pertama dilakukan dengan menggunakan 100%

Serat Sawit pada temperature 700°C s/d 900°C yang hasilnya dapat dilihat pada gambar 4.4.

Gambar 4.4 Grafik Temperatur -vs- Kandungan KO2 pada 100 Serat Sawit

Kecenderungan nilai Kalium terbesar didapatkan pada 100% pembakaran TKKS dan yang terendah pada pembakaran 100% Cangkang. Hal itu disebabkan karena komposisi kandungan yang terdapat pada bahan bakar tersebut berbeda-beda.

4. Hasil Pembakaran Campuran

Pada simulasi pembakaran terakhir dilakukan dengan mencampurkan ketiga bahan bakar dengan mengkondisikan kandungan serat sebagai parameter tetap sedangkan cangkang dan TKKS sebagai parameter yang divariasikan.

Perbandingan 52% serat, 36% TKKS, dan 12% cangkang dengan excess air 20% yang hasilnya dapat dilihat pada gambar 4.5

8.72E-15 1.67E-13

2.25E-12

0.00E+00 5.00E-13 1.00E-12 1.50E-12 2.00E-12 2.50E-12

700°C 800°C 900°C

KO2

Temperatur

KO

₂

-vs- Temperatur

Gambar 4.5 Grafik Temperatur -vs- Kandungan KO2 pada 52% serat, 36% TKKS, dan 12% cangkang sawit dengan 20% excess air

Gambar 4.6 Grafik Temperatur -vs- Kandungan KO2 pada 52% serat, 36% TKKS, dan 12% cangkang sawit dengan 30% excess air Sama halnya pada pembakaran 100% masing-masing biomassa, pada pembakaran campuran juga faktor peningkatan temperatur juga mempengaruhi

2.45E-14

terbentuknya kadar Kalium dan juga variasi yang dilakukan dengan menambah kelebihan udara pembakaran juga mempengaruhi peningkatan terbentuknya kadar kalium.

5. Hasil Pembakaran Campuran

Pada simulasi pembakaran terakhir dilakukan dengan mencampurkan ketiga bahan bakar dengan perbandingan 52% serat, 12% TKKS dan 36%

cangkang yang hasilnya dapat dilihat pada gambar 4.6

Gambar 4.7 Grafik Temperatur -vs- Kandungan KO2 52% serat, 12% TKKS dan 36% cangkang dengan excess air 20%

Setelah dilakukan simulasi pembakaran pada masing masing jenis bahan bakar dan juga pada campuran ketiganya maka dihasilkan pembentukan kandungan Kalium yang mengalami kenaikan pasca kenaikan temperature, perubahan excess air dan diikuti gas yang lain seperti H2, NO2, NO, CO, S, HCL, dan SO2.

8.11E-13 4.41E-12

6.29E-11

0.00E+00 1.00E-11 2.00E-11 3.00E-11 4.00E-11 5.00E-11 6.00E-11 7.00E-11

700°C 800°C 900°C

KO

₂

vs Temperatur

Gambar 4.8 Grafik Temperatur -vs- Kandungan KO2 52% serat, 12% TKKS dan 36% cangkang dengan excess air 30%

Kenaikan Kalium paling singnifikan apabila campuran dilakukan dengan memperbanyak komposisi TKKS, sementara apabila dilakukan campuran dengan komposisi cangkang yang lebih besar potassium yang terbentuk akan lebih sedikit.

Dari hasil simulasi yang diperoleh, memperlihatkan bahwa TKKS menjadi penyebab utama munculnya Kalium pada proses pembakaran, berbeda dengan cangkang dan serat sawit yang lebih sedikit kemunculan Kalium.

9.98E-13 7.26E-12

8.41E-11

0.00E+00 1.00E-11 2.00E-11 3.00E-11 4.00E-11 5.00E-11 6.00E-11 7.00E-11 8.00E-11 9.00E-11

700°C 800°C 900°C

KO2

Temperatur

KO

₂

-vs- Temperatur

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Setelah dilakukan analisis dan simulasi yang dibahas pada Bab IV, maka kesimpulan yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah:

1. Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan maka didapat nilai proksimat untuk kandungan abu terbesar terdapat pada biomassa serat yaitu 8,12%

sedangkan terendah pada cangkang yaitu 1,85% untuk volatile matter nilai tertinggi terdapat pada TKKS yaitu 9,03% dan terendah pada cangkang yaitu 6,66% dan pada fixed karbon nilai tertinggi terdapat pada cangkang yaitu 83,51% dan terendah pada TKKS yaitu 62,87%

2. Begitu juga dengan analisa ultimat, nilai potassium terbesar terdapat pada TKKS yaitu 0,06% dan terendah pada cangkang yaitu 0,02%, untuk nilai karbon terbesar pada cangkang yaitu 56,77% dan terendah pada serat yaitu 53,07% juga pada oksigen nilai terbesar terdapat pada cangkang yaitu 34,13% dan terendah pada TKKS 24,36%

3. Berdasarkan hasil analisa diketahui bahwa nilai kalor TKKS, serat dan cangkang kelapa sawit dari PTPN IV Kebun Adolina dengan moisture masing-masing 21,87%, 7,98%, dan 7,97%, untuk Bomkalorimeter IKA C6000 menghasilkan TKKS yaitu 24212,81kj/kg, cangkang yaitu 21434,83 kj/kg dan serat sawit yaitu 21953,45kj/kg

4. Dari hasil simulasi pembakaran dengan variasi komposisi biomassa, untuk parameter tetap pada 52% serat sawit menghasilkan kandungan potassium paling banyak terdapat pada campuran dengan komposisi 36% TKKS dan 12% cangkang dengan 30% excess air yaitu menghasilkan 7,26 × 10^-12dan paling rendah terjadi pada campuran 36% cangkang dan 12% TKKS dengan 20% excess air yang menghasilkan 8,11 × 10^-13kandungan Kalium. Hal itu menunjukkan bahwa TKKS memiliki nilai kandungan paling besar untuk kemunculan Kalium pada pipa boiler.

5. Setelah dilakukan simulasi pembakaran dengan variasi temperatur dan excess air maka didapatkan bahwa kandungan Kalium yang terbentuk berbanding lurus dengan kenaikan temperatur dan excess air, itu terlihat pada komposisi biomassa yang sama dimana pada temperatur 700°C dan excess air 20% menghasilkan 2,45 × 10^-14 lebih kecil dibandingkan pada temperatur 900°C dan excess air 30% yang menghasilkan 7,26 × 10^-12 kandungan Kalium.

5.1 Saran

Untuk penelitian selanjutnya adapun saran yang dapat diberikan antara lain:

1. Perlu untuk memperbanyak variasi-variasi yang mungkin terjadi pada fenomena munculnya deposit sebagai literatur untuk mencegah terjadinya fenomena deposit.

2. Perlu dilakukan penelitian terhadap komposisi abu dari berbagai sumber yang bisa dijadikan referensi untuk mencegah terjadinya fenomena deposit 3. Pengujian kadar komposisi bahan bakar biomassa yang lebih variatif sangat bermanfaat untuk memperoleh jenis biomassa yang paling cocok untuk mengurangi fenomena deposit

4. Diharapkan untuk lebih memperhatikan kandungan moisture pada biomassa yang akan mempengaruhi nilai kalor bahan bakar untuk keperluan simulasi pembakaran

5. Perlu dilakukan pengujian eksperimental seperti pengujian DSC (Differensial Scaning Calorimetry) dan TGA (Thermo Gravimetric Analysis) untuk membandingkan hasil simulasi sebelumnya.

DAFTAR PUSTAKA

[1] 2016,” Jurnal Material dan Energi Indonesia Vol. 06, No. 02(1 – 6) [2] 2014, “Outlook energi Indonesia”. Jakarta

[3] Joaquin Dix. 24 Agustus 2015,” Slagging dan Fouling”.

[4] Perpres 22 Tahun 2017, “Rencana Umum Energi Nasional”. Jakarta [5] Efri Yendri. 2013,” Ketel Uap”, PLN corporate University, Jakarta [6] https://misterkelapasawit.wordpress.com/category/sejarah-kelapa-sawit/

diakses pada tanggal : 5 Maret 2018

[7] http://www.idbiodiversitas.com/2016/04/monografi-tumbuhan-sawit-data-lengkao.html diakses pada tanggal : 5 Maret 2018

[8] Knudsen, Thomas. 2010. “Simulation of an Integrated Gasification Combined Cycle with an Organic Rankine Cycle” (Tesis). Denmark:

Technical University of Denmark.

[9] Binous, Housam dan Nasri Zakia. 2009. “Aplication of the Peng-Robinson Equation of State Using Matlab”. Michigan: Volume 43, Nomor 2.

[10] Aspentech 2013. “Aspen plus getting started modeling Process with Solid”

Burlington: Aspen Technology, Inc

[11] Anonim. “Chapter 2 Combustion Fundamental”

[12] Jenkins,B.M, dkk 1998, “Combustion properties of biomass,fuel processing technology 54, 17-46”

[13] Cengel Yunus A. And Michael A. Boles. 1998. “Thermodynamics and Enggineering Approach”. Third Edition. McGraw-Hill Inc

[14] Djokosetyardjo, IR. M. J. 2003. “Ketel Uap”. Cetakan Kelima. Jakarta:

Pradnya Paramita

[15] UNEP, 2008, “Boiler & Pemanas Fluida Thermis”, United Nation Environment Program

[16] Zhang, Dongke 2013. “Ultra-supercritical coal power plants: materials, technologies and optimization”. Woodhead Publishing.

[17] Shimogori, Yoshio. “Ultra Super Critical Pressure Coal Fired Boiler” -State of the Art Technology Applications, Babcock-Hitachi K.K.

[18] Anonim, “Bom Kalorimeter”, Undip 2016 diakses: 27 Mei 2018

[19] April 2013, “Penyerapan gas CO hasil pembakaran sampah menggunakan Sorbent termodifikasi dalam reactor Fixed Bed”

[20] Anonim, “Bahan bakar dan Pembakaran” diakses: 27 Mei 2018

[21] Onny artikel Teknologi, “Polutan-polutan hasil pembakaran” diakses: 28 Mei 2018

[22] Yamamoto, Kenjiro et all Sept 2013. Design Technology for Supercritical Sliding Pressure Operation Vertical Water Wall Boilers: First report:

History of Practical Application and Introduction of Enhanced Rifled Tube.

Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 50 No. 3

[23] Shingledecker, JP, et all. “Managing Steam-Side Oxidation and Exfoliation in USC Boiler Tubes”. ASM International. 2013

[24] Farel H Napitupulu 2016. Jurnal sistem Teknik industry vol 7 no 1,”

Pengaruh nilai kalor suatu bahan bakar terhadap perencaanaan ruang bakar ketel uap berdasarkan perhitugan nilai kalor bahan bakar yang digunakan”.

[25] 2009, “Review of models and tools for SnF prediction for biomassa co-combustion, University of Twente

[26] Daud Patabang, “Analisis kebutuhan udara pembakaran untuk membakar berbagai jenis Batubara” Jurnal SMARTek, Vol. 7, No. 4, Nopember 2009:

279 – 282

[27] Khairil., 2003, “Study on Combustion Characteristics of Bio-Briquete, Proceedings” of the International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion, Bali, Indonesia, December 7-11,2003

[28] Muin, Syamsir A. 1986. “Pesawat-pesawat Konversi Energi I (Ketel Uap)”.

Jakarta. CV.Rajawali.

[29] Nhuchhen, Daya Ram. 2016. “Prediction of carbon, hydrogen, and oxygen compositions of raw and torrefied biomass using proximate analysis”.

Canada: Dalhousie University.

[30] Gaol, Dosma Putra Lumban. 2016. “Analisa Efisiensi Water Tube Boiler Berbahan Bakar Fiber, Cangkang Sawit Dan Kulit Kayu Menggunakan Metode Langsung” (skripsi). Medan: Universitas Sumatera Utara

[31] Thayab, Awaluddin. 2003. “Buku Panduan Praktikum Bom Kalorimeter”.

Universitas Sumatera Utara.

[32] Ependi, Safrul. 2017. “Desain dan Analisis Termodinamika Sistem Siklus Rankine Organik Berbahan bakar Biomassa” (skripsi). Medan: Universitas Sumatera Utara.

[33] http://www.academia.edu/29297517/6_BAHAN_BAKAR_BOILER diaksess: 3 Mei 2018

LAMPIRAN 1

Langkah Simulasi Pembakaran Dengan Aspen Plus^®

Adapun langkah-langkah simulasi yang dilakukan pada penelitian dengan menggunakan perangkat lunak Aspen Plus adalah sebagai berikut:

1. Menjalankan Program Aspen Plus: Dekstop > Program > Aspen Plus 2. Memulai Simulisi: Klik File > New > Blank Simulation > Create

3. Selanjut adalah menentukan material component yang dibutuhkan pada saat simulasi: Ketik nama material pada Componen Id > Enter (Misalkan H2O untuk air).

4. Pemilihan Metode Properti. Klik Methods > input metode property pilihan

di kolom Base Methods > Run

5. Selanjutnya dilakukan tahapan pembuatan flowsheet pada lembar kerja. Klik Simulation hingga muncul lembar kerja dan set model palette yang dibutuhkah (Klik and Drag)

6. Selanjutnya input data material komponen

a. Input data Biomassa : Double Klik Biomassa > Input Data Specifications >

Composition > Component Attribute ( ULTANAL / PROXANAL / SULFANAL ) > Particle Size Distribution

b. Input Data Udara: Double Klik Udara > Input data specifications >

Compositions

c. Set model kalkulasi Kompresor: Double Klik Kompresor > Model (Compressor) > Type (Insentropic) > Discharge Pressure

d. Input Data Temperatur pembakaran: Double Klik Kompresor > Calculation option (Calculate phase equilibrium and chemical equilibrium) > Pressure >

Temperature

7. Lalu klik Run

LAMPIRAN 2

Data Komponen Hasil Simulasi Pembakaran

A. Data hasil simulasi pembakaran 100% Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS).