i
TUGAS AKHIR – TM 141585
STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUHU PROSES GASIFIKASI PELLET MUNICIPAL SOLID WASTE (MSW) TERHADAP UNJUK KERJA REAKTOR GASIFIKASI TIPE DOWNDRAFT BERPENGENDALI SUHU PADA ZONA PARTIAL COMBUSTION SISTEM KONTINYU
MUHAMMAD AJI TRIANTO NRP 2115 105 055
Dosen Pembimbing
Dr. BAMBANG SUDARMANTA, ST.,MT
PROGRAM SARJANA
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TENOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA 2017
ii
FINAL PROJECT – TM 141585
EXPERIMENTAL STUDY OF EFFECT TEMPERATURE ON THE GASIFICATION PROCESS OF PELLETS MUNICIPAL SOLID WASTE (MSW) THROUGH OF THE PERFORMANCE REACTOR GASIFICATION DOWNDRAFT TYPE WITH TEMPERATURE CONTROL IN PARTIAL COMBUSTION ZONE CONTINOUS SYSTEM
MUHAMMAD AJI TRIANTO NRP 2115 105 055
Advisor
Dr. BAMBANG SUDARMANTA, ST.,MT
DEPARTEMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY
SEPULUH NOPEMBER INSTITUTE OF TECHNOLOGY
SURABAYA 2017
iii
iv
STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUHU PROSES GASIFIKASI PELLET MUNICIPAL SOLID
WASTE (MSW) TERHADAP UNJUK KERJA REAKTOR GASIFIKASI TIPE DOWNDRAFT BERPENGENDALI SUHU PADA ZONA PARTIAL
COMBUSTION SISTEM KONTINYU
Nama Mahasiswa : Muhammad Aji Trianto
NRP : 2115105055
Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS
Dosen Pembimbing : Dr.BambangSudarmanta, ST., MT
ABSTRAK
Sampah merupakan permasalahan yang terjadi di
masyarakat. Salah satu teknologi yang memungkinkan untuk
mengubah sampah menjadi energi terbarukan (renewable
energy) adalah dengan menggunakan proses termokimia
atau gasifikasi yang mampu mengubah sampah menjadi
syngas yang dapat dimanfaatkan untuk bahan bakar pada
diesel engine dan pembangkit listrik. Jenis reaktor yang tepat
digunakan adalah tipe downdraft yang mampu mengurangi
kadar tar yang tinggi. MSW dibentuk menjadi pellet MSW
untuk menghasilkan kandungan LHV yang lebih tinggi
tinggi. Salah satu faktor yang berpengaruh terhadap proses
gasifikasi adalah suhu sehingga perlu diawasi dan
dikendalikan. Untuk meningkatkan unjuk kerja gasifikasi
pada reaktor tipe downdraft salah satunya dengan
menggunakan pengendali suhu pada zona partial combustion
dengan mengatur pasokan udara sesuai setpoint suhu yang
telah ditentukan sehingga kualitas dan kuantitas syngas
dapat dikendalikan. Pembacaan suhu pada reaktor gasifikasi
menggunakan thermocouple tipe K. Dari thermocouple tipe K tersebut diubah menjadi sinyal listrik yang akan diolah oleh pengendali suhu. Setelah itu, pengendali suhu akan memberikan sinyal pada actuator yang berupa pulse width modulator (PWM) untuk mengatur duty cycle arus listrik pada motor yang digunakan untuk menggerakkkan blower sehingga laju alir massa udara yang akan masuk ke dalam reaktor gasifikasi dapat berubah sesuai setpoint suhu pada zona partial combustion.
Penelitian ini bersifat eksperimental karena diperlukan proses pengujian untuk mengetahui pengaruh suhu proses gasifiksi pellet MSW terhadap unjuk kerja gasifikasi .Penguian dilakukan dengan cara diberikan variasi setpoint suhu pada zona partial combustion yaitu 800
0
C , 850
0C, 900
0C,dan 950
0C Setiap variasi suhu tersebut akan diukur variabel-variabel utama proses gasifikasi, yaitu suhu zona-zona proses gasifikasi yang diukur menggunakan termokopel, komposisi flammmable syngas yang diukur menggunakan Gas Cromathography.
Hasil dari penelitian ini didapatkan nilai setpoint optimum pada 950
0C. Komposisi syn-gas (CO,H
2,dan CH
4) pada nilai setpoint 800
0C – 950
0C meningkat dari 20,02 % menjadi 24,8 %, 7,84 % menjadi 9,92 % dan 2,38 % menjadi 2,44 %. Kemudian meningkatkan LHV syngas dari 4228,53 kJ/m
3menjadi 5078,2 kJ/m
3. Cold gas efficiency meningkat dari 38,84 % menjadi 54,23 %
Kata kunci : Gasifikasi, Dowmdraft, Partial Combustion
vi
EXPERIMENTAL STUDY OF EFFECT TEMPERATURE ON THE GASIFICATION PROCESS OF PELLETS MUNICIPAL SOLID
WASTE (MSW) THROUGH OF THE PERFORMANCE REACTOR GASIFICATION DOWNDRAFT TYPE WITH TEMPERATURE CONTROL IN PARTIAL COMBUSTION ZONE
CONTINOUS SYSTEM
Student Name : Muhammad Aji TriantoNRP : 2115105055
Departement : Mechanical Engineering FTI-ITS Advisor : Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT
ABSTRACT
Garbage is a problem that occurs in the community. One technology that allows to turn waste into renewable energy (renewable energy) is using thermochemical or gasification processes capable of converting waste into syngas that can be used for fuel in diesel engines and power plants. The right type of reactor used is a type downdraft that is capable of reducing the high levels of tar. MSW formed into pellets to produce a higher content of higher LHV. One of the factors that influence the gasification process is the temperature that needs to be monitored and controlled. To improve performance downdraft gasification reactor one using a temperature controller on the partial combustion zone by regulating the supply air according to a predetermined setpoint temperature so that the quality and quantity of syngas can be controlled. The temperature reading on the gasification reactor using a thermocouple type K. From the K- type thermocouple is converted into electrical signals to be processed by a temperature controller. After that, the temperature controller will give a signal to the actuator in the form of a pulse width modulator (PWM) to regulate the duty cycle of electric current to the motor that is used to move blower so that the mass
flow rate of air going into the gasification reactor can be changed according to the setpoint temperature in partial combustion zone.
This study is experimental because the testing process is required to determine the effect of process temperature on the performance pellet MSW gasification .Experiment work done by given setpoint temperature variations in the partial combustion zone is 800 0C, 850 0C, 900 0C and 950 0C each of these temperature variations will be measured main variables gasification process, the temperature of the gasification process zones are measured using thermocouples, flammmable syngas composition measured using Gas Cromathography.
The results of this study, the optimum setpoint value at 950
0C. The composition of syn-gas (CO, H2, and CH4)at the setpoint value 800 0C - 950 0C increased from 20.02% to 24.8%, 7 , 84% to 9.92% and 2.38% to 2.44%. Then increase the LHV syngas from 4228.53 kJ / m3to 5078.2 kJ / m3.Cold gas efficiency increased from 38.84% to 54.23%
Keywords:, Gasification, Dowmdraft, Partial Combustion
viii
KATA PENGANTAR
Segala Puji dan Syukur penuis curahkan sepenuhnya kepada Allah SWT, karena atas berkah dan izin-Nya tugas akhir ini dapat terselesaikan. Penulis menyadari bahwa keberhasilan dalam penulisan tugas akhir ini tak lepas dari dukungan dan bantuan berbagai pihak. Melalui kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah banyak membantu dan mendukung baik secara moril maupun materil dalam proses penyelesaian tugas akhir ini, antara lain:
1. Bapak Dr. Bambang Sudarmanta, ST.,MT, selaku dosen pembimbing tugas akhir yang selalu memberikan saran, motivasi, dan ilmu – ilmu yang sangat bermanfaat bagi penulis .
2. Bapak Ir. Bambang Pramudjati, M.Sc. Eng. Ph.D selaku Kepala Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan motivasi dan dukungan kepada penulis untuk segera menyelesaikan studinya.
3. Kedua orang tua yang senantiasa memberi dukungan kepada penulis untuk segera menyelesaikan studinya 4. Bapak Prof. Dr. Ir Djatmiko Ichsani, M.Eng, Bapak Dr. Ir.
Budi Utomo Kukuh Widodo, ME, Bapak Ary Bachtiar K.P, ST., MT., Ph.D selaku dosen penguji tugas akhir penulis, terima kasih atas saran yang diberikan
5. Bapak Dr. Wawan Aris Widodo selaku dosen wali penulis, yang telah sabar menghadapi penulis selama ini.
6. Rekan satu tim tugas akhir penulis, yang selalu memberikan dukungan, semangat kerja selama menyelesaikan tugas akhir.
7. Teman – teman Teknik Mesin LJ 2015 yang telah berjuang bersama-sama, memberikan dukungan dan semangat kepada penulis.
8. Teman-teman lab TPBB yang selalu mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
9. Seluruh Dosen dan Karyawan jurusan Teknik Mesin ITS 10. Seluruh civitas akademik Teknik Mesin ITS
11. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan penulis
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan tugas akhir ini, oleh karena itu saran dan masukan dari semua pihak sangat penulis harapkan. Penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat dan sumbangsih bagi perkembangan ilmu pengetahuan
Surabaya, 29 Juli 2017 Penulis
x
HALAMAN JUDUL ... i
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
ABSTRAK……… ………...iv
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR TABEL ... xv
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ... 11.2 Perumusan Masalah ... 4
1.3 Batasan Masalah ... 4
1.4 Tujuan Penelitian ... 5
1.5 Manfaat Penelitian ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Biomassa ...72.2 Karakteristik Biomassa ... 8
2.2.1 Analisa Ultimate dan Proximate ... 8
2.2.2 Nilai Kalor ... 8
2.3 Pellet MSW (Municipal Solid Waste) ... 9
2.4 Gasifikasi.. ... 10
2.4.1 Reaktor Gasifikasi ... 11
2.4.2 Media Gasifikasi ... 12
2.4.3 Proses Gasifikasi ... 13
2.5 Faktor Yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi ... 14
2.6 Parameter Unjuk Kerja Reaktor Gasifikasi ... 18
2.7 Pengendali Suhu ... 20
2.8 Penelitian sebelumnya ... 23
BAB III METODOLOGI
3.1 Rancangan Penelitian ... 283.2 Bahan Uji … ... 29
3.3 Skema Penilitian ……. ... 30
3.4 Skema Pengukuran Umpan Pellet MSW ... 30
3.5 Pengendali Suhu … ... 32
3.5.1 Komponen Alat Pengendali Suhu ... 33
3.5.2 Mekanisme Kerja Pengendali Suhu ... 35
3.5.3 Mekanisme Putaran Blower ... 36
3.5.4 Mekanisme Pengambilan Data ... 37
3.6.Peralatan Penelitian … ... 38
3.7 Alat Ukur .. ... 39
3.8 Prosedur Pengujian ... 42
3.9 Parameter Rancangan Penelitian … ... 44
3.10 Diagram Alir Pengujian………...45
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisis Properties Pellet Municipal Solid Waste ... 484.2 Analisis Penggunaan Pengendali Suhu… ... 49
4.3 Analisis Distribusi Suhu Pada Reaktor Gasifikasi……. . 53
4.3.1 Distribusi Suhu Reaktor Gasifikasi Pada Setpoint 800 0C ... 53
4.3.2 Distribusi Suhu Reaktor Gasifikasi Pada Setpoint 850 0C………… ... 55
4.3.3 Distribusi Suhu Reaktor Gasifikasi Pada Setpoint 900 0C……… ... 56
4.3.4 Distribusi Suhu Reaktor Gasifikasi Pada Setpoint 950 0C….. ... 57
4.4 Air Fuel Ratio ... 59 4.5 Analisis Komposisi Kandungan Syngas…... 60 4.6 Analisis Nilai Kalor Yang Ditinjau Dari Syngas……. ... 63 4.7 Analisis Cold Gas Efficiency Proses Gasifikasi ... 66 4.7 Analisis kesetimbangan massa (mass balance ) ... 69
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ... 73
5.2 Saran………..…...……...
74
DAFTAR PUSTAKA ... 76 LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Konversi biomassa ... 11
Gambar 2.2 Reaktor downdraft ... 12
Gambar 2.3 Proses gasifikasi ... 15
Gambar 2.4 Efek perubahan ER terhadap (a) temperatur (b) mole friction (c) energi (d) low Heating Value………..17
Gambar 2.5 Profil suhu dan zona pada reaktor downdraft ... 18
Gambar 2.6 Blok diagram dasar dari proses gasifikasi ... 21
Gambar 2.7 Diagram blok sistem pengendalian proses dalam reaktor gasifikasi……...22
Gambar 2.8 PID sistem pengendalian proses dalam reaktor gasifikasi ... ………….22
Gambar 2.9 Grafik suhu vs waktu……… 23
Gambar 2.10 Grafik perbandingan efisiensi energi, LHV syngas, laju alir massa, dan suhu rata-rata zona partial combustion terhadap laju alir masa udara ... …24
Gambar 2.11 Grafik perbandingan komposisi gas pada proses gasifikasi tanpa pengendali suhu dan dengan pengendali suhu (Sivakumar)... 26
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 28
Gambar 3.2 Skema penelitian ... 30
Gambar 3.3 Skema umpan pellet MSW ... 31
Gambar 3.4 Alat pengendali suhu ... 32
Gambar 3.5 Arduino Mega 2560 ... 33
Gambar 3.6 Keypad 4x4 ... 33
Gambar 3.7 LCD 2x16 ... 34
Gambar 3.8 Max 6675 ... 34
Gambar 3.9 Termocouple tipe K ... 35
Gambar 3.10 Mekanisme pengendali suhu ... 36
Gambar 3.11 Mekanisme putaran blower ... 37
Gambar 3.12 Grafik waktu terhadap suhu andi,2012) ... 38
Gambar 3.15 Reaktor downdraft ... 38
Gambar 3.16 (a)Blower (b) Induced fan ... 39
Gambar 3.17 (a)Cyclone (b) Water Scrubber ... 39
Gambar 3.18 Pitot tube ... 40
Gambar 4.1 Grafik Pengendali suhu pada setpoint 800 0C ... 50
Gambar 4.2 Grafik Pengendali suhu pada setpoint 850 0C ... 51
Gambar 4.3 Grafik Pengendali suhu pada setpoint 900 0C ... 51
Gambar 4.4 Grafik Pengendali suhu pada setpoint 950 0C ... 52
Gambar 4.5 Distribusi suhu pada setpoint 800 0C ... 53
Gambar 4.6 Distribusi suhu pada setpoint 850 0C ……….…..55
Gambar 4.7 Distribusi suhu pada setpoint 900 0C ... 56
Gambar 4.8 Distribusi suhu pada setpoint 950 0C ... 57
Gambar 4.9 Distribusi suhu pada setpoint 800 0C,850 0C,900 0C,dan 950 0C………58
Gambar 4.10 Grafik hubugan antara AFR dan laju alir massa. . 60
Gambar 4.11 Grafik hubungan antara nilai setpoint dan komposisi syngas ... 61
Gambar 4.12 Grafik hubungan nilai setpoint dan LHV syngas . 65 Gambar 4.13 Grafik hubungan nilai setpoint dan cold gas efficiency ... 68
Gambar 4.14 Skema analisis kesetimbangan massa ... 69
Gambar 4.15 mass balance reakror ... 70
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Analisis proximate dan ultimate komponen MSW ... 9
Tabel 3.1 Parameter rancangan penelitian ... 44
Tabel 4.1 Data hasil pengujian pellet MSW ... 49
Tabel 4.2 Air fuel ratio gasifikasi pellet MSW ... 59
Tabel 4.3 Hasil uji komposisi syngas ... 61
Tabel 4.4 LHV flammable gas ... 64
Tabel 4.5 LHV syngas pada setiap variasi setpoint ... 64
Tabel 4.7 Nilai cold gas efficency pada variasi setpoint ... 67
Tabel 4.8 Mass balance ... 70
1 1.1 Latar Belakang
` Pertumbuhan penduduk di Indonesia semakin meningkat sehingga pemakaian energi fosil dalam jumlah yang besar dan secara terus – menerus akan menyebabkan cadangan bahan bakar fosil kian menipis. Oleh karena itu, perlu adanya solusi untuk mengurangi atau menggantikan pemakaian energi fosil yang selama ini menjadi sumber energi utama sehingga perlu dilakukan pengembangan energi alternatif untuk mengatasi hal tersebut.
Pada saat ini perkembangan dari teknologi memungkinkan untuk menjadikan sampah sebagai sumber energi terbarukan dengan menggunakan proses termokimia. Sampah yang dapat dikonversikan menjadi energi adalah sampah hasil masyarakat atau yang lebih dikenal dengan Minicipal Solid Waste (MSW). MSW dapat digunakan sebagai sumber biomassa setelah melalui proses pemilihan, pengeringan, dan pencacahan saja atau dapat juga dibuat dalam bentuk briket atau pellet. Kelebihan utama dari pellet dengan MSW adalah Nilai kalori dari hasil 4000 kkl/kg lebih besar daripada MSW baku yaitu 1000 kkl/kg sehingga kualitas pembakaran lebih bagus daripada MSW baku. Selain itu, pellet dapat menurunkan jumlah kandungan SOX, NOx, dan CO2
(Rollingson,2017). Sedangkan kelebihan briket dibanding dengan pellet adalah briket mempunyai ukuran lebih besar dari pellet sehingga menimbulkan celah antara briket tersebut sehingga proses gasifikasi yang terjadi sangat minimum (Moni dan Sulaiman, 2014), Selain itu, pellet dapat meningkatkan HHV (Higer Heating Value) dan kadar air (moisture content) pada bahan baku (Nyakuma, 2016). Hal ini membuktikan bahwa pellet dapat menghasilkan nilai kalor yang tinggi.
Gasifikasi adalah proses termokimia dimana zat karbon (biomassa, batubara, dan plastik) diubah menjadi gas dengan adanya media gasifikasi (udara, uap air, oksigen, CO2, atau campuran, gas yang dihasilkan sering disebut syngas yang terdiri
dari H2, CO, CO2, N2, partikel-partikel kecil dari char (padat residu karbon), abu ,tar, dan minyak (Ruiz,2013). Gas yang dihasilkan oleh proses gasifikasi disebut sebagai syngas (synthetic gas).
Syngas yang dihasilkan oleh proses gasifikasi dapat digunakan secara langsung dengan cara dibakar, dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk motor pembakaran dalam, ataupun digunakan sebagai bahan baku untuk proses kimia lebih lanjut.
Gasifikasi sangat tepat bila digunakan pada proses pengolahan MSW menjadi energi. Hal utama yang menjadikannya sangat menarik adalah karena gasifikasi dapat meng-konversikan MSW ataupun bahan bakar bernilai rendah, menjadi bahan kimia bernilai tinggi, (Basu, 2010). Proses gasifikasi dengan menggunakan reaktor gasifikasi memiliki beberapa parameter operasional. Suhu adalah salah satu parameter operasional yang penting pada proses gasifikasi karena jumlah dan komposisi dari gas yang diproduksi sangat dipengaruhi oleh suhu demikian juga kandungan tar di dalam syngas. Sumber energi panas yang dibutuhkan pada proses gasifikasi berasal dari partial combustion.
Partial combustion ini terjadi karena jumlah oksigen yang digunakan kurang dari jumlah mol oksigen yang diperlukan untuk pembakaran sempurna, atau dalam kata lain pembakaran parsial ini adalah pembakaran yang tidak sempurna. Pada pembakaran parsial ini jumlah oksigen sangat berpengaruh pada temperatur.
Pengaturan jumlah udara yang masuk dalam reaktor gasifikasi untuk mengendalikan suhu proses gasifikasi menjadi salah satu kunci dari pengendalian komposisi dan jumlah syngas (Red dan Das,1988) Bila reaktor gasifikasi digunakan pada kondisi biomassa dengan karakteristik yang berubah-ubah, maka dapat menimbulkan potensi perubahan suhu pada proses gasifikasi sehingga komposisi syngas berubah-ubah pula ataupun terjadi kondisi reaktor yang tidak bisa berfungsi. Oleh karena itu, suhu operasi dari reaktor gasifikasi secara kontinyu diawasi agar saat terjadi perubahan suhu dapat diatasi, salah satu caranya yaitu dengan mengatur jumlah udara masuk dalam reaktor.
Dari beberapa reaktor gasifikasi, tipe fixebed, tipe downdraft dapat menghasilkan kandungan tar terendah yaitu pada kisaran 0,015-3,0g/Nm3 (Basu,2010).Hal ini dikarenakan biomassa bergerak dari atas ke bawah sedangkan udara diinjeksikan dari satu sisi pada zona combustion partial (oksidasi) sehingga udara bercampur dengan produk dari pirolisis (tar, arang, dan abu) akan turun dan dapat dibakar di daerah combustion partial (Ruiz, 2013).
Kelebihan dari reaktor gasifikasi tipe downdrft adalah kandungan tar yang dihasilkan kurang dari dari 100 mg/Nm3 sehingga sangat cocok digunakan sebagai bahan bakar motor pembakaran dalam (Arena,2012).
Sudarmanta (2015) telah melakukan penelitian unjuk kerja mesin diesel dual fuel dengan menggunakan bahan bakar biodiesel dan syngas dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa penggunaan syngas dapat mengurangi pemakaian bahan bakar diesel hingga 60 %. Dari hal tersebut maka sangat beralasan untuk memanfaatkan syngas sebagai bahan bakar motor pembakaran dalam yang dapat menghemat penggunaan bahan bakar fosil.
Yuwono (2016) telah melakukan penelitian berkaitan dengan penggunaan pengendali suhu otomatis pada reaktor downdraft dengan menggunakan AFR optimum dari eksperimen sebelumnya,dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa penggunaan alat pengendali suhu meningkatkan efisiensi sebesar 16 % pada proses gasifikasi menggunakan briket dibanding dengan tanpa menggunakan pengendali suhu. Penggunaan sistem pengendali suhu dimaksudkan untuk mengendalikan suhu proses gasifikasi yang terjadi pada zona partial combustion. Penggunaan sistem tersebut diharapkan dapat menambah nilai ekonomis dari pengendali suhu dan dapat mengurangi tenaga kerja yang ada.
Gandhi(2012) telah melakukan penelitian pengendali suhu untuk proses gasifikasi dengan menggunakan variable termanipulasi berupa air flow rate dan frequency grate sedangkan temperature dan rasio CO/CO2 sebagai variabel proses dan variabel disturbance berupa kadar air. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa
penggunaan pengendali otomatis memberikan kinerja yang lebih baik pada proses gasifikasi biomassa.
Proses pengendalian suhu dilakukan pada reaktor gasifikasi secara otomatis pada zona partial combustion (oksidasi) dengan cara mengatur banyaknya jumlah media gasifikasi ke dalam reaktor gasifikasi. Proses ini diatur sesuai dengan biomassa yang digunakan dan memiliki karakteristik tertentu dan akan menghasilkan syngas dengan karakteristik tertentu juga. Penelitian ini menggunakan biomassa pellet MSW dengan reaktor gasifikasi tipe downdraft yang dilengkapi dengan pengendali suhu pada zona partial cumbastion (oksidasi) sehingga dapat diketahui pengaruh penggunaan pengendali suhu secara otomatis pada proses gasifikasi terhadap unjuk kerja dari reaktor gasifikasi.
1.2 Perumusan Masalah
Dalam penilitian ini, permasalahan dirumuskan sebagai berikut:
1. Bagaimana pengaruh perubahan suhu pada zona partial combustion terhadap distribusi suhu pada reaktor gasifikasi dan komposisi flammable gas
2. Bagaimana pengaruh perubahan suhu pada zona partial combustion tehadap unjuk kerja reaktor gasifikasi.(cold gas efficiency)
1.3 Batasan Masalah
Pada penelitian ini dibatasi oleh beberapa hal :
1. Penelitian ini akan dilakukan secara eksperimental dengan menggunakan reaktor gasifikasi tipe downdraft yang ada pada laboratorium Jurusan Teknik Mesin ITS Surabaya.
2. Bahan baku yang digunakan dalam proses gasifikasi adalah pellet MSW dengan komposisi 60 % bahan organik dan 40 % bahan anorganik
3. Media gasifikasi menggunakan udara pada kondisi suhu normal.
4. Penelitian ini tidak membahas mengenai kesetimbangan energi pada proses gasifikasi
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Untuk mengetahui pengaruh perubahan suhu pada zona partial combustion terhadap distribusi suhu pada reaktor gasifikasi dan komposisi flammable gas
2. Untuk mengetahui pengaruh perubahan suhu pada zona partial combustion tehadap unjuk kerja reaktor gasifikasi.(cold gas efficiency)
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Dapat memberikan informasi dan wacana tentang penggunaan
pengendali suhu secara pada proses gasifikasi, khususnya gasifikasi pada pelet MSW.
2. Dapat digunakan sebagai pijakan untu penelitian lebih lanjut yang terkait dengan pengendalian proses pada reaktor gasifikasi secara otomatis.
3. Dapat memberikan kontribusi dalam upaya pemanfaatan sampah sebagai sumber energi terbarukan.
Halaman ini sengaja dikosongkan
7 2.1 Biomassa
Biomassa secara umum adalah bahan organik yang berasal dari tumbuh-tumbuhan baik secara langsung maupun tidak langsung dan dimanfaatkan sebagai energi atau bahan dalam jumlah besar (Yokayama,2008).
Pada umumnya biomassa yang digunakan dalam proses gasifikasi terdiri dari unsur karbon(C),hidrogen(H), oksigen(O), nitrogen(N), dan abu(ash). Sumber-sumber umum dari biomassa (Basu, 2010) adalah sebagai berikut :
a. Pertanian dan peternakan :biji-bijian, ampas tebu, tongkol jagung, jerami, kulit buah atau biji, kotoran ternak.
b. Hutan :batang kayu,serbuk kayu,dan sisa penggerajian c. Masyarakat :sampah rumah tangga, potongan tanaman
rumah
d. Tanaman energi : kayu sengon, sawit kelapa, kedelai e. Biologis :kotoran hewan, tanaman air, sampah
biologis
Selain itu biomassa juga dapat dibagi menjadi 2 kelompok yaitu : a. Biomassa murni, seperti contohnya : kayu, tanaman,
daun, hasil, pertanian, dan sayuran.
b. Biomassa sampah, baik dalam bentuk padat ataupun cair, seperti: sampah rumah tangga, lumpur selokan, kotoran hewan atau manusia, gas dari TPA, dan sampah pertanian.
Untuk memanfaatkan potensi dari energi biomaasa ini maka diperlukan pemahaman mengenai karakteristik pada biomassa yang nantinya akan menentukan karakteristik dari proses gasifikasi itu sendiri dan hasil akhirnya. Karakteristik dari biomassa ini dapat diketahui dengan melakukan beberapa analisis diantaranya adalah analisis ultimate, proximate, dan analisis nilai kalor
2.2 Karakteristik Biomassa
2.2.1 Analisis Ultimate dan Proximate
Pada analisa ini komposisi hidrokarbon dari bahan biomassa akan diketahui, kecuali kandungan air dan abu yang dinyatakan dalam bentuk persentase berat dari masing-masing elemen unsurnya sehingga bila dijumlahkan total persentase berat unsur hidrokarbon, persentase kandungan air, dan presentase abu adalah 100%. Analisis ultimate menyatakan hidrogen dan oksigen yang terdapat pada biomassa.
Analisis proximate menyatakan komposisi biomassa secara global, dalam hal ini adalah komposisi dari kandungan air, volatile matter, abu, dan karbon tetap. Volatile matter dari biomassa adalah gas terkondensasi atau tidak terkondensasi yang dilepaskan oleh biomassa saat dipanaskan. Jumlahnya tergantung oleh laju pemanasan dan suhu saat biomassa tersebut dipanaskan.
Karbon tetap (fixed carbon) menyatakan jumlah karbon padat yang tetap berada pada arang dari biomassa saat proses pirolisis setelah terjadinya proses devolatilisasi. Karbon tetap ini juga merupakan parameter penting dalam proses gasifikasi karena sebagian besar proses konversi dari karbon tetap ini menjadi gas menentukan laju dan hasil gasifikasi. Abu (Ash) merupakan sisa padatan inorganik yang terjadi setelah biomassa terbakar seluruhnya. Kandungan utama dalam abu adalah silika, aluminum, besi, kalsium, jumlah kecil kandungan magnesium, titanium, sodium, dan potasium.
2.2.2 Nilai Kalor
Nilai kalor merupakan suatu angka yang menyatakan jumlah energi panas (kalor) yang dilepaskan bahan bakar pada waktu terjadinya oksidasi unsur-unsur kimia yang ada pada bahan bakar tersebut. Nilai kalor berhubungan langsung dengan kadar C dan H yang dikandung oleh bahan bakar padat. Semakin besar kadar keduanya, semakin besar pula nilai kalor yang dikandung.
Ditinjau dari nilai kalor bahan bakar dibedakan atas :
1. High Heating Value (HHV) Nilai kalor yang diperoleh dari pembakaran 1 kg bahan bakar dengan memperhitungkan panas
kondensasi uap (air yang dihasilkan dari pembakaran berada dalam wujud cair)
2. Low Heating Value (LHV) Nilai kalor yang diperoleh dari pembakaran 1 kg bahan bakar dengan memperhitungkan panas kondensasi uap (air yang dihasilkan dari pembakaran berada dalam wujud gas atau uap) atau besarnya energi yang dikeluarkan saat pembakaran sempurna biomassa tanpa mengikutsertakan besarnya energi yang digunakan untuk menguapkan kandungan air.
2.3 Pellet MSW (Municipal Solid Waste)
Merupakan sampah padat yang terdiri dari barang-barang sehari-hari yang dibuang oleh masyarakat perkotaan. Komposisi utama MSW adalah bahan organik (sisa-sisa makanan, daun-daun kering, kertas, dll) dan anorganik (sampah plastik yang sebagian besar berupa plastik Polypropylene). Setiap jenis sampah memiliki kandungan yang berbeda-beda seperti pada tabel berikut :
Tabel 2.1 Analisis proximate dan ultimate komponen MSW
Dari Tabel 2.1 di atas dapat diamati persentase kandungan unsur-unsur yang terdapat dalam biomassa secara fisik maupun kimiawi. Kandungan karbon dan oksigen merupakan komponen
utama dalam reaksi pembentukan syngas. Kandungan C dan H yang cukup tinggi mampu menghasilkan nilai kalor gas yang cukup potensial untuk dimanfaatkan. Kandungan air (moisture) pellet MSW yang relatif rendah tidak membutuhkan energi yang terlalu besar untuk menghilangkannya. Kandungan air yang dikandung akan dikeluarkan dari biomassa dengan pemanasan. Apabila kandungan air terlalu tinggi maka dibutuhkan energi aktivasi pengeringan yang tinggi. Kandungan air yang teruapkan mampu memperbesar produksi H2 (flammable component), namun untuk menjaga proses produksi H2 dibutuhkan energi yang cukup besar dari proses eksoterm. Energi hasil proses eksoterm yang terambil pada produksi H2 dari proses penguapan kandungan air justru mengurangi energi yang diperlukan pada proses produksi H2 dan CO yang flammable dari reaksi endoterm sehingga hal itu cukup merugikan. Nilai kalor yang dimiliki pellet MSW cukup tinggi membuat proses gasifikasi mampu tercapai dengan mudah.
2.4 Gasifikasi
Gasifikasi adalah suatu proses konversi biomassa yang mengubah karbon (baik padat maupun cair) menjadi gas yang memiliki nilai bakar dengan cara oksidasi parsial pada temperatur tinggi. Gas yang dimaksud adalah gas-gas yang keluar dari proses gasifikasi dan umumnya berbentuk CO, CO2, N2, O2, H2, dan CH4. Gasifikasi dengan bahan baku biomassa padat ini terjadi pada kondisi yang terisolasi dari udara sekitar (oksigen terbatas), berada pada tekanan yang relatif terhadap tekanan ambient. Gas produk dari gasifikasi ini dinamakan Syngas atau Synthetic Gas. Nilai kalori dari gas hasil proses ini berkisar antara 1000 – 1200 kcal.Nm3 (Husein,2005). Selain gasifikasi proses konversi biomassa dapat dilakukan dengan pembakaran dan pirolisis yang membedakannya adalah perbandingan antara jumlah bahan bakar (biomassa) dengan udara yang digunakan (AFR), seperti pada gambar 2.1
Gambar 2.1 Konversi biomassa 2.4.1 Reaktor Gasifikasi
Biomassa pada reaktor downdraft dimasukkan ke dalam reaktor dari bagian atas reaktor dan bergerak ke bawah menuju grate, demikian juga gas-gas yang dihasilkan akan bergerak ke bawah melewati grate dan keluar dari bawah bagian reaktor.
Salah satu karakter fisik dari reaktor ini adalah throat, yaitu pengecilan cross section area pada zona oksidasi. Pengecilan cross section area ini dimaksudkan untuk memaksa seluruh hasil pirolisis melewati bagian yang menyempit dan panas sehingga dihasilkan distribusi yang lebih seragam dan mendorong sebagian besar terurai menjadi gas mampu bakar dan mengurangi kandungan tar.
Pada reaktor downdraft terdapat fenomena yang disebut dengan flamming phyrolisis, yaitu terbakarnya sebagian dari gas hasil pirolisis sebelum memasuki zona oksidasi sehingga energi panas yang dibutuhkan untuk pengeringan, pirolisis dan reduksi disediakan oleh peristiwa tersebut. Flamming phyrolisis menghasilkan sebagian besar gas yang mudah terbakar yang terjadi secara bersamaan selama proses gasifikasi sehingga kandungan tar dapat mengurangi kandungan tar sebesar 99%
Gambar 2.2 Reaktor downdraft 2.4.2 Media Gasifikasi
Media gasifikasi akan bereaksi dengan karbon padat dan zat hidrokarbon yang lebih berat untuk mengkonversinya menjadi gas dengan massa molekul yang ringan seperti CO dan H2. Media utama yang digunakan pada proses gasifikasi adalah oksigen,udara dan uap air.
Oksigen merupakan media gasifikasi yang paling dikenal, kegunaan utamanya adalah untuk pembakaran sebagian pada reaktor gasifikasi. Oksigen dapat disuplai dalam reaktor gasifikasi baik dalam bentuk murni ataupun dalam bentuk udara. Nilai kalor dan komposisi dari gas yang dihasilkan dari reaktor gasifikasi merupakan fungsi kuat dari kondisi dan jumlah dari media gasifikasi. Bila media gasifikasi memiliki kandungan oksigen yang rendah maka CO akan terbentuk dan bila kandungan oksigen tinggi maka akan terbentuk CO2. Bila jumlah oksigen melebihi jumlah oksigen tertentu (kondisi stoikiometris) maka proses akan berubah menjadi proses pembakaran yang akan menghasilkan flue gas.
Selain itu, jumlah oksigen yang tinggi juga mengurangi jumlah kandungan hidrogen yang dihasilkan dan memperbanyak campuran yang berbasis karbon dalam gas yang dihasilkan. Bila uap air digunakan sebagai media gasifikasi maka kandungan
hidrogen dalam gas yang dihasilkan akan meningkat sehingga perbandingan antara hidrogen dan karbon (H/C) dalam gas akan meningkat.
2.4.3 Proses Gasifikasi
Proses gasifikasi pada umumnya mengikuti urutan langkah sebagai berikut:
1. Pengeringan
Pengeringan merupakan proses menguapnya uap air yang terkandung dalam bahan baku. Jumlah panas yang dibutuhkan dalam tahap ini sebanding dengan kadar kelembabannya.
Pengeringan dapat dianggap lengkap ketika suhu 150 °C (Hamelinck et all). Pada reaksi ini, biomass yang mengandung air akan dihilangkan dengan cara diuapkan dengan energi sebesar 2260 kJ, hasilnya berupa biomassa kering dan uap.
2. Pirolisis
Proses pirolisis merupakan proses pemanasan biomassa dengan suhu tertentu hingga molekul biomassa akan terpecah menjadi molekul dengan massa yang lebih ringan. Reaksi pirolisis merupakan reaksi endotermik yang berlangsung pada suhu 150°C-700°C. Bila proses pirolisis dilakukan secara lambat maka akan lebih banyak terbentuk karbon dalam bentuk padat sehingga jumlah arang akan lebih banyak (char). Bila pemanasan dilakukan secara cepat maka akan lebih banyak terbentuk gas dengan kandungan C-H dan Hidrokarbon dalam bentuk cair (tar), yang dapat mempengaruhi hasil dari syngas.
Seperti pada pengeringan, energi panas yang dibutuhkan berasal dari tahap proses oksidasi. Skema proses pirolisis dapat dilihat pada keseluruhan reaksi berikut:
Biomassa+Heat←→H2+CO+CO2+CH4+H2O(g)+Tar + Char(1) 3. Oksidasi Parsial (Partial Combustion)
Oksidasi merupakan bagian dari proses gasifikasi yang menghasilkan energi panas yang dibutuhkan untuk proses endotermik, proses oksidasi parsial terjadi pada suhu 800 0C – 1400 0C. Oksidasi parsial dilakukan dalam kondisi kekurangan
oksigen sehingga hanya mengoksidasi sebagian dari hasil proses pirolisis. Reaksi utama yang berlangsung selama fase oksidasi adalah sebagai berikut :
C + O2 → CO2 ΔH= -394kJ/mol Char combustion (2) C + 1/2O2 → CO ΔH= -111kJ/mol Partial oxidation (3) H2+ 1/2O2 → H2O ΔH= -242kJ/mol Hydrogen combustion (4) Produk utama berupa energi panas yang sangat diperlukan untuk seluruh proses, sedangkan produk yang dihasilkan merupakan campuran gas CO, CO2, dan H2O. Dalam campuran ini nitrogen dapat terbentuk jika proses oksidasi parsial dilakukan dengan media udara, sebaliknya nitrogen praktis tidak ada jika menggunakan oksigen.
4. Reduksi
Langkah reduksi melibatkan semua produk dari tahap sebelumnya dari pirolisis dan oksidasi parsial (partial combustion) campuran gas dan arang bereaksi satu sama lain sehingga pembentukan akhir berupa syngas. Reaksi utama yang terjadi pada langkah reduksi adalah:
C + CO2 ↔ 2CO ΔH= 172kJ/mol Boudouard reaction (5) C + H2O ↔ CO + H2 ΔH= 131kJ/mol Reforming of the char(6) CO + H2O ↔ CO2+ H2 ΔH= -41 kJ/mol Water gas shift
reaction (7) C + 2H2 ↔ CH4 ΔH= -75 kJ/mol Methanation (8) Reaksi (5 dan 6) adalah endotermik, sementara reaksi (7 dan 8) adalah eksotermik. Namun, kontribusi dari Boudouard Reaction (5) dan reformasi dari arang (6) membuat langkah reduksi endotermik global sehingga membutuhkan energi panas dari oksidasi parsial.
Gambar 2.3 Proses Gasifikasi 2.5 Faktor Yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi
Proses gasifikasi memiliki beberapa faktor yang dapat mempengaruhi proses dan kandungan syngas yang dihasilkkannya, faktor-faktor tersebut diantaranya adalah kandungan biomassa, gasifying agent, equivalent ratio, dan suhu.
1. Properti Biomassa
Sesuai dengan penelitian Rajvanshi (2006), sifat-sifat yang dimiliki biomassa baik secara fisik maupun kimia mampu mepengaruhi baik dari segi energi yang dihasilkan maupun heat loss-nya pada proses gasifikasi. Sifat tersebut antara lain :
a. Kandungan energi
Semakin tinggi kandungan energi yang dimiliki biomass maka syngas hasil gasifikasi biomass tersebut semakin tinggi karena energi yang dapat dikonversi juga semakin tinggi.
b. Moisture
Bahan baku yang digunakan untuk proses gasifikasi umumnya diharapkan bermoistur rendah. Karena kandungan moisture yang tinggi menyebabkan heat loss yang berlebihan. Selain itu kandungan moisture yang tinggi juga menyebabkan beban pendinginan semakin tinggi karena pressure drop yang terjadi meningkat.
Idealnya kandungan moisture yang sesuai untuk bahan baku gasifikasi kurang dari 20 %.
c. Tar
Tar merupakan salah satu kandungan yang paling merugikan dan harus dihindari karena sifatnya yang korosif. Pada reaktor gasifikasi terbentuknya tar terjadi pada temperatur pirolisis.
d. Ash dan Slagging
Ash adalah kandungan mineral yang terdapat pada bahan baku yang tetap berupa oksida setelah proses pembakaran.
Sedangkan slag adalah kumpulan ash yang lebih tebal.
Pengaruh adanya ash dan slag pada reaktor gasifikasi adalah mengurangi respon pereaksian bahan baku pada titik tertentu sehingga menimbulkan penyumbatan pada reaktor gasifikasi. Semakin tinggi kandungan ash yang dimiliki maka partikel pengotor dari syngas juga semakin banyak sehingga dibutuhkan pembersihan gas yang lebih baik lagi.
2. Gasifying Agent
Jenis gasifying agent yang digunakan dalam gasifikasi umumnya adalah udara, kombinasi oksigen dan uap.
Penggunaan jenis gasifying agent mempengaruhi kandungan gas yang dimiliki oleh syngas. Perbedaan kandungan syngas yang terdapat pada kandungan nitrogen pada syngas yang dapat mempengaruhi nilai kalor. Penggunaan udara bebas menghasilkan senyawa nitrogen di dalam syngas, berlawanan dengan penggunaan oksigen atau uap yang memiliki kandungan nitrogen yang relatif sedikit. Sehingga penggunaan
gasifying agent oksigen atau uap memiliki nilai kalor syngas yang lebih baik jika dibandingkan gasifying agent udara.
3. Equivalen Ratio
Equivalen Ratio (ER) adalah parameter yang sangat penting pada pengoperasian reaktor gasifikasi. ER merupakan perbandingan antara air-fuel ratio (AFR) aktual pada pengoperasian reaktor gasifikasi dengan air-fuel ratio (AFR) stoikiometris.
ER = AFR stoikiometris / AFR aktual
AFR merupakan perbandingan antara jumlah udara dengan jumlah bahan bakar pada proses pembakaran. AFR stoikiometris adalah jumlah perbandingan massa udara dan massa bahan bakar yang menghasilkan pembakaran sempurna.
AFR = Massa udara / Massa bahan bakar
Kondisi stoikiometris teoritis biomassa diperoleh dengan mengetahui terlebih dahulu kandungan unsur kimia dari biomassa, kemudian dilakukan perhitungan persamaan reaksi yaitu reaksi oksidasi
Gambar 2.4 Efek perubahan ER terhadap (a) temperatur (b) mole friction (c) energi (d) low Heating Value
4. Suhu
Proses gasifikasi dalam reaktor berhubungan dengan suhu untuk masing-masing proses gasifikasi yang terjadi sehingga dalam satu reaktor gasifikasi terdapat profil sebaran suhu yang dapat mempresentasikan masing-masing zona dari proses gasifikasi. Suhu atau profil suhu pada reaktor juga dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti: equivalence ratio, residence time, komposisi unsur biomassa, dan kadar kelembaban. Suhu reaktor gasifikasi menentukan tingkat keberadaan abu, komposisi syngas, dan kandungan tar, yang mempengaruhi unjuk kerja dari reaktor gasifikasi tersebut.
Gambar 2.5 Profil suhu dan zona pada reaktor gasifikasi downdraft (Basu,2013)
2.6 Parameter Unjuk Kerja Reaktor Gasifikasi
Parameter-parameter yang berpengaruh terhadap unjuk kerja reaktor gasifikasi adalah sebagai berikut:
1. Komposisi gas
` Unsur yang ada dalam syngas umumnya adalah CO, CO2, H2, CH4, hidrokarbon berat dan N2. Kandungan gas tersebut ada yang bisa terbakar seperti CO, H2, dan CH4 serta gas yang tidak bisa terbakar seperti CO2 dan N2. Dari komposisi gas ini maka nantinya dapat diperhitungkan kandungan energi dalam gas ataupun untuk menganalisa pengoperasian dari reaktor
gasifikasi. Analisa rasio antara CO dan CO2 (CO/CO2) adalah salah satu cara untuk mengukur kualitas dari gas dan proses gasifikasi.
2. Nilai kalor gas
Jumlah kandungan energi pada syngas dapat dihitung secara teoritis dari analisa komposisinya, yaitu dengan menggunakan persamaan untuk menghitung Nilai Kalor Bawah gas (NKBgas)sebagai berikut :
NKBGAS= ∑ni=1(Yi . NKBi) (9) Keterangan :
Yi = kosentrasi gas yang terbakar (CO, CH4, H2) NKBi = Nilai kalor bawah gas terbakar (CO, CH4, H2)
Seperti telah dijelaskan pada bagian-bagian sebelumnya nilai kalor syngas ini sangat terpengaruh oleh suhu reaktor gasifikasi, dan juga diketahui bahwa suhu reaktor gasifikasi juga tergantung dari parameter yang lain, yaitu : equivalence ratio, residence time, komposisi unsur biomassa, dan kadar kelembaban.
3. Cold gas efficiency
Cold gas efficiency (ηCG) merupakan perbandingan antara energi kimia yang dihasilkan oleh syngas (didapatkan dari perkalian antara laju alir massa dengan nilai kalor bawah gas) dengan energi kimia dari biomassa (didapatkan dari perkalian antara laju alir massa biomassa dengan Nilai Kalor Bawah biomassa.
ηCG =(𝑚̇ (𝑚̇𝑔𝑎𝑠.𝑁𝐾𝐵𝑔𝑎𝑠)
𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎.𝑁𝐾𝐵𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎) (10)
2.7 Pengendali Suhu
Pengoperasian dari reaktor gasifikasi yang digunakan mempunyai beberapa parameter yang nantinya akan menentukan kualitas dan kuantitas dari syngas. Dari beberapa parameter tersebut mempunyai keterkaitan satu sama lain, pada saat terjadi perubahan pada satu parameter dapat mempengaruhi satu atau dua parameter yang lain, sebagai contoh perubahan air fuel ratio yang dalam perubahan laju massa alir dari media gasifikasi akan menyebabkan perubahan suhu dan juga perubahan kandungan energi dari syngas atau dapat juga dengan memperhatikan perubahan suhu yang terjadi dapat digunakan untuk mengindikasikan terjadinya perubahan pada parameter-parameter yang lain.
Sistem pengendalian suhu proses gasifikasi pada reaktor gasifikasi dapat dilakukan dengan suhu sebagai parameter terukur.
Bila suhu reaktor gasifikasi (T) adalah parameter yang diukur dan kemudian dikendalikan, maka Air fuel Ratio adalah parameter yang dapat digunakan sebagai pengendali tingkatan suhu dalam reaktor gasifikasi. Perubahan AFR dalam hal ini dapat direpresentasikan pada perubahan laju alir massa media gasifikasi. Selain itu, terdapat parameter-parameter lain yang tidak terukur dan tidak terkendali yang nantinya akan mengakibatkan perubahan suhu, parameter-parameter ini disebut sebagai parameter pengganggu atau disturbance (D), contohnya adalah : kadar kelembaban biomassa yang berubah-ubah, feed rate biomassa yang tidak konstan, ukuran fisik partikel biomassa yang tidak sera gam,densitas biomassa yang heterogen, dan yang lainnya. Dari beberapa faktor pengganggu yang telah disebutkan kadar kelembaban biomassa adalah faktor yang sangat mengganggu proses gasifikasi.
Gambar 2.6 Blok diagram dasar dari proses gasifikasi (disunting dari Gandhi, dkk 2012)
Pada gambar 2.6 dapat dilihat blok diagram dasar dari proses gasifikasi, dari gambar dapat dilihat beberapa jenis variabel yang membangun proses gasifikasi, yaitu variabel proses (process variable) (PV) dalam hal ini dapat berupa parameter operasional ataupun parameter performance dari reaktor gasifikasi, contohnya adalah temperatur. Variabel dalam otomasi berikutnya adalah variabel termanipulasi/manipulated variabel (MV), yang biasanya merupakan parameter operasional dari reaktor gasifikasi. Dan yang terakhir adalah variabel pengganggu (D), yang merupakan parameter-parameter yang bisa mengakibatkan perubahanperubahan pada parameter proses dan unjuk kerja.
Gambar 2.7 adalah gambar diagram blok sistem pengendalian proses gasifikasi dengan menggunakan suhu sebagai variabel proses, dan laju alir massa udara sebagai variabel termanipulasi.
Gambar 2.7 Diagram blok sistem pengendalian proses dalam reaktor gasifikasi
Pada gambar 2.8 merupakan PID sistem pengendalian proses dalam reaktor gasifikasi sistem ini digunakan untk menentukan kepresisian suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tersebut (Feed back ) Sistem PID terdiri dari tiga buah cara pengaturan yaitu kontrol P (Proportional), D (Derivative) dan I (Integral). Sistem ini dilakukan untuk mengurangi error yang terjadi dengan mengatur parameter P,I,dan D agar tanggapan sinyal keluaran sistem terhadap masukan tertentu sebagaimana yang diinginkan.
Gambar 2.8 PID sistem pengendalian proses dalam reaktor gasifikasi
2.8 Penelitian Sebelumnya
Sudarmanta (2011) melakukan penelitian tentang variaso rasio gasifying agent – biomassa terhadap karakterisasi biomassa tongkol jagung pada reaktor downdraft. Hasil penelitian tersebut adalah rasio gasifying agent terbaik adalah 1,05 dengan suhu 960
0C dengan menghasilkan syngas yang flammable, yaitu ditandai dengan nyala api stabil dengan mencapai suhu hingga 667 0C dan efisiensi mencapai hingga 30,44% pada rasio gasifying agent dan biomassa sebesar 1,05.
(a) (b)
Gambar 2.9 (a) Grafik zona gasifikasi terhadap waktu dan suhu (b) Grafik AFR terhadap waktu dan suhu
Yuwono (2015) melakukan serangkaian penelitian tentang gasifikasi downdraft dengan kontrol suhu pada zona partial combustion agar dapat diketahui pengaruh penggunaannya terhadap produktifitas dan kualitas syngas yang dihasilkan serta korelasi penggunaan sistem pengendali suhu gasifikasi dengan kapasitas gasifikasi. Hasil dari penelitian menunjukkan bahwa suhu kerja gasifier dan mengubah parameter kinerja proses gasifikasi, terlihat dengan berbedanya nilai LHV, laju alir massa syngas, dan efisiensi gasifikasi. Efisiensi energi gasifikasi pada proses gasifikasi dengan pengendali suhu juga mengalami
peningkatan sebesar 16% pada perubahan nilai setpoint value suhu dari 500 0C menjadi 750 0C
Gambar 2.10 Grafik perbandingan efisiensi energi, LHV syngas, laju alir massa, dan suhu rata-rata zona partial combustion
terhadap laju alir masa udara
Striugas,dkk (2014) dengan melakukan studi eksperimen untuk mengevaluasi kinerja produksi gas dari reaktor gasifikasi downdraft yang sudah menggunakan pengendalian otomatis dengan biomassa yang berbeda-beda. Pada reaktor gasifikasi untuk penelitian tersebut telah terpasang sistem pengendalian otomatis dengan basis PID untuk mengendalikan temperatur proses, ketinggian biomassa dalam reaktor, dan sistem pembuangan arang, dengan menggunakan variabel termanipulasi yaitu udara untuk gasifikasi, laju pasokan biomassa, gerakan grate dan conveyor.Eksperimen dilakukan dengan beberapa jenis biomassa dengan menggunakan pengaturan proses pada sistem kendali yang tidak berubah. Tujuannya adalah untuk mengetahui perbedaan parameter proses yang terjadi dan untuk mengetahui apakah diperlukan pengaturan ulang untuk setiap penggantian biomassa agar kualitas dan kuantitas syngas tetap stabil.
Hasil dari penelitian tersebut adalah bahwa terjadi perbedaan yang signifikan pada temperatur proses, pressure drop, dan kandungan residu, selain itu jumlah gas yang dihasilkan dan energinya juga bervariasi sesuai dengan biomassa yang digunakan.Walaupun terjadi perbedaan dalam prosesnya dan hasil akhir gas tetapi bermacam-macam biomassa yang digunakan terbukti dapat diproses dengan satu reaktor gasifikasi yang telah mengunakan pengendalian otomatis tanpa mengubah pengaturan proses.
Sivakumar,dkk (2012) melakukan penelitian pada poses gasifikasi briket dengan serpihan kayu dengan binder kotoran sapi pada reaktor gasifikasi downdraft berkapasitas 10 KW yang telah menggunakan pengendali otomatis dengan tujuan untuk meneliti efektivitas dari proses gasifikasinya.Penilian efektivitasnya dilakukan dengan membandingkan kinerja reaktor secara manual dan menggunakan pengendali suhu. Data hasil dari penelitian menunjukkan adanya peningkatan pada komposisi gas pada syngas dan efisiensi pada proses gasifikasi dengan menggunakan pengendali suhu, grafik penelitian dapat dilihat digambar 2.12
Gambar 2.11. Grafik perbandingan komposisi gas pada proses gasifikasi tanpa pengendali suhu dan dengan pengendali suhu
(Sivakumar, 2012)
Halaman ini sengaja dikosongkan
28
Studi Literatur
Identifikasi dan perumusan 1. Parameter Operasional
2. Parameter unjuk kerja
Karakterisasi bahan bakar (analisis ultimate dan proximate)
Validitas data Pengujian
Pengolahan data
Analisa data dan pembahasan Pengambilan data
Uji validasi dan reabilitas data
Kesimpulan dan saran
Selesai Mulai
BAB III METODOLOGI 3.1 Metode Penelitian
Penelitian ini menggunakan pendekatan kuantitatif dalam pelaksanaan penelitian ini sebagian besar data belum ada (dalam arti perlu untuk sengaja ditimbulkan). Oleh karena itu, penelitian ini dilaksanakan dengan metode eksperimental.
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian
3.2 Bahan Uji
Bahan baku dalam pengujian ini menggunakan pellet Municipal Solid Waste (MSW) yang dibuat di Laboratorium Teknik Pembakaran Dalam dan Bahan bakar ITS, karakteristik dari MSW yang digunakan yaitu:
1. Komposisi MSW
Pellet yang digunakan memiliki ukuran diameter 6 mm dan rata-rata panjang 5-15 mm. Seluruh proses pembuatan pellet MSW dilakukan di Laboratorium Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar Jurusan Teknik Mesin ITS. Setelah dilakukan proses pemelletan, Pellet MSW dijemur untuk mengurangi kandungan air hingga 10% - 15% sebelum digunakan dalam penelitian.
2. Analisa Ultimate
Pada pengujian ini dapat diketahui karakteristik kandungan komposisi dari karbon, hidrogen, nitrogen, belerang, dan oksigen yang dimiliki oleh pellet MSW.
3. Analisa Proximate
Pada pengujian ini dianalisa untuk mengetahui kadar Moisture Content, Volatile Matter, Fixed Carbon, dan Ash yang dimiliki oleh pellet MSW. Analisa Proximate dilakukan di Laboratorium Pusat Studi Energi dan Rekayasa LPPM ITS.
4. Nilai Kalor
Pada pengujian ini dilakukan untuk mengetahui nilai kalor pada pellet MSW yang di uji di Laboratorium Pusat Studi Energi dan Rekayasa LPPM ITS dengan alat Bomb Calorimeter. Nilai yang keluar dari alat tersebut dalam bentuk nilai High Heating Value.
3.2 Skema Penelitian
Gambar 3.2 Skema penelitian
3.4 Skema Pengukuran Umpan Pellet MSW
Skema dari pengukuran pellet digunakan untuk mengetahui seberapa besar atau banyak konsumsi dari biomassa pellet MSW
Keterangan :
1. Hopper 8. Gas Sampling
2. Reaktor tipe downdraft 9. Cyclone
3. Termokouple 10. Water scrubber 4. Pengendali Suhu 11. Pompa air 5. Blower 12. Dry Filter 6. Pitot Tube 13. Pompa Hisap 7. Flare Point 14. Flare Point 15. Pitot Tube
Gambar 3.3 Skema umpan pellet MSW
Untuk mengetahui laju alir massa dari pellet MSW, maka harus diketahui kapasitas volume dari reaktor gasifikasi
V = 𝜋𝑟2 x t ………...……….(3.1) Dimana :
V = Kapasitas volume reaktor gasifikasi r = Jari – jari reaktor gasifikasi
t = Tinggi
Laju alir massa dicari dengan melakukan perkalian bulk density dari pellet MSW dengan Kapasitas volume dari reaktor gasifikasi
ṁ = 𝜌 𝑥 𝑉
𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢 ………..……….(3.2)
Pengujian dilakukan sebanyak 4 kali percobaan dengan setpoint suhu pada zona partial combustion. 8000C, 8500C, 9000C dan 9500C dengan tujuan untuk mengetahui
pengaruh suhu
terhadap unjuk kerja reaktor gasifikasi yang digunakan pada
penelitian
3.5 Pengendali Suhu
Alat pengendali suhu digunakan untuk mengendalikan suhu agar selalu berada pada set point yang telah ditentukan dengan mengatur putaran motor pada blower sehingga laju alir massa udara yang masuk ke dalam reaktor gasifikasi dapat berubah dan suhu pada reaktor gasifikasi pun dapat dikendalikan sehingga berpengaruh terhadap unjuk kerja reaktor gasifikasi.
Gambar 3.4 Alat pengendali suhu
3.5.1 Komponen Alat Pengendali Suhu
Komponen penyusun alat pengendali suhu diantaranya : 1. Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 adalah Pengendali mikro single- board yang bersifat open source yang dirancang untuk memudahkan penggunaan elektronik dalam berbagai
bidang.
Gambar 3.5 Arduino Mega 2560 2. Keypad 4 x 4
Keypad adalah bagian penting dari suatu perangkat elektronika yang membutuhkan interaksi manusia. Digunakan untuk menginpukan nilai setpoint yang diinginkan
Gambar 3.6 Keypad 4x4
3. LCD 2 x 16
Berfungsi untuk menampilkan karakter angka, huruf ataupun simbol dengan lebih baik dengan konsumsi arus rendah
Gambar 3.7 LCD 2x16 4. Max 6675
Digunakan sebagai komponen penghubung antara arduino dan termocouple type K.
Gambar 3.8 Max 6675 5. Termocouple tipe K
Alat ukur suhu yang digunakan pada reaktor gasifikasi adalah sensor berupa termocouple stick type K,untuk mengetahui suhu pada zona partial combustion. Range kemampuan thermocouple adalah 0 0C – 1300 0C
Gambar 3.9 Termocouple tipe K 3.5.2 Mekanisme Kerja Pengendali Suhu
Cara kerja dari pengendali suhu ini adalah dengan mengendalikan suhu pada zona partial combustion agar tidak berubah dan tetap atau berada pada suhu yang telah ditentukan (setpoint value). Nilai dari setpoint tersebut dibaca oleh thermocouple tipe K dan diproses oleh alat pengendali suhu yang didalamnya terdapat max 6675 untuk menghubungkan termocouple type K dengan arduino Mega 2560. Pembacaan suhu dari thermocouple tipe K di ubah menjadi sinyal listrik dan diolah oleh Arduino Mega 2560 yang kemudian akan memberikan perintah kepada actuator berupa pulse wide modulator (PWM) yang akan mengatur duty cycle (voltase) yang digunakan oleh motor listrik sebagai penggerak dari blower Sehingga suhu pada zona partial combustion dapat dikendalikan.
Gambar 3.10 Mekanisme pengendali suhu 3.5.3 Mekanisme Putaran Blower
Putaran motor pada blower dikendalikan oleh pengendali suhu, ketika nilai suhu di bawah nilai set point maka blower diatur untuk berputar maksimal, ketika berada pada setpoint suhu maka blower akan berputar medium untuk mempertahankan kondisi steady apabila suhu turun maka blower akan berputar maksimum kembali untuk mencapai nilai setpoint.
COMBUSTION
BLOWER BERPUTAR M AKSIM UM
APAKAH BERADA PADA SET POINT SUHU?
BLOWER BERPUTAR RENDAH
APAKAH BERADA PADA DILUAR SET POINT SUHU ?
TIDAK YA
YA
TIDAK
Gambar 3.11 Mekanisme putaran blower 3.5.4 Mekanisme Pengambilan Data
Pengambilan data dilakukan ketika grafik waktu terhadap suhu menunjukkan posisi steady dikarenakan pada titik tersebut suhu pada reaktor gasifikasi berada pada kondisi stabil dan tidak mengalami overshoot secara fluktuatif serta memiliki nilai error yang rendah sehingga suhu pada zona partial combustion sesuai dengan setpoint yang diinginkan.
Akan tetapi,pada kenyataannya ketika setpoint
digunakan akan memiliki nilai error sehingga untuk
mengatasinya diberi toleransi overshoot pada setpoint suhu
agar mendapatkan data yang valid.
Gambar 3.12 Grafik waktu terhadap suhu
(Gandi,2012)
3.6 Peralatan Penelitian1. Reaktor Gasifikasi
Unit reaktor gasifikasi yang digunakan adalah tipe downdraft. Pemilihan reaktor jenis downdraft didasarkan pada rendahnya kandungan tar yang dihasilkan.
Gambar 3.13 Reaktor Downdraft
Steady
2. Blower dan Induced fan
Blower yang digunakan berupa sentrifugal blower yang digerakkan motor listrik arus AC dengan voltase 220 Volt dan 1 A. Blower berfungsi untuk memberikan pasokan udara pada zona partial combustion. Induced fan digunakan sebagai penghisap syngas dari reaktor menuju saluran keluaran syngas.
(a) (b)
Gambar 3.14 (a)Blower (b) Induced fan 3. Cyclone dan Water scrubber
Cyclone yaitu alat yang berfungsi sebagai alat pemisah partikel dengan gas dengan menggunakan prinsip gaya sentrifugal dan tekanan rendah karena adanya putaran. Pada pengujian ini, cyclone digunakan sebagai alat pemisah gas hasil gasifikasi dengan kandungan lainnya seperti tar ,char, dan ash.
Water scrubber digunakan untuk menangkap polutan yang ada pada gas dan mendinginkannya sebelum dimanfaakan sebagai bahan bakar.
Gambar 3.15 Cyclone dan Water scrubber
3.7 Alat Ukur
Untuk mendapatkan data yang dibutuhkan dalam penelitian, maka dibutuhkan beberapa alat untuk mendukung penelitian ini diantaranya:
1. Alat ukur mass flow rate
Alat ukur laju aliran massa media gasifikasi dan syngas yang digunakan adalah pitot tube untuk menghasilkan perbedaan tekanan yang akan digunakan sebagai perangkat masukan dari pengendali suhu otomatis. Pengukuran mass flow rate akan dilakukan pada 2 titik;
1. Titik pertama pengukuran pada pipa inlet reaktor gasifikasi berfungsi untuk pengukuran mass follow rate udara sebagai media gasifikasi.
2. Titik kedua ditempatkan pada pipa outlet water scrubber untuk mengetahui mass flow rate syngas
Untuk mencari laju aliran massa udara maka perlu dilakukan perhitungan karena hasil dari pengukuran pitot tube adalah kecepatan dari suatu titik tertentu dalam aliran sehingga kecepatan pada pitot tube dapat dihitung dengan persamaan :
Gambar 3.16 Pitot tube
Pitot tube with static wall pressure tap dihubungkan dengan inclined manometer untuk mengetahui besarnya perbedaan ketinggian cairan pada manometer yang nantinya digunakan persamaan Bernoulli sebagai berikut :
𝑃0
𝜌 +𝑉022+ 𝑔𝑧0=𝑃𝜌1+𝑉212+ 𝑔𝑧1………. ………..……..(3.3)
