BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Biomassa
Biomassa adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintetis baik berupa produk maupun buangan. Contoh biomassa antara lain adalah tanaman, pepohonan, rumput, ubi, limbah pertanian, limbah hutan dan kotoran ternak. Selain digunakan untuk bahan pangan, pakan ternak, minyak nabati, bahan bangunan dan sebagainya, biomassa juga digunakan sebagai sumber energi (bahan bakar). Umumnya yang digunakan sebagai bahan bakar adalah biomassa yang nilai ekonomisnya rendah atau merupakan limbah setelah diambil produk primernya.
Energi biomassa dapat menjadi sumber energi alternatif pengganti bahan bakar posil (minyak bumi) karena beberapa sifatnya yang menguntungkan yaitu, dapat dimanfaatkan secara lestari karena sifatnya yang dapat diperbaharui (renewable reseurces), relatif tidak mengandung unsur sulfur sehingga tidak menyebabkan polusi udara dan juga dapat meningkatkan efisiensi sumber daya hutan dan pertanian.
Potensi biomassa di Indonesia cukup tinggi. Dengan hutan tropis Indonesia yang sangat luas, setiap tahun diperkirakan terdapat limbah kayu sebanyak 25 juta ton yang terbuang dan belum dimanfaatkan. Demikian juga jerami padi yang merupakan limbah memiliki potensi yang sangat besar.
Tabel 2.1 Potensi Energi Biomassa di Indonesia
Sumber energi Produksi 106ton/thn Energi 109kkal/thn Kayu
Sekam padi Tongkol jagung Tempurung kelapa
25 7,55 1,52 1,25
100 27 6,8 5,1
Potensi total 35,32 138,9
Sumber : Dewi dan Siagian, (1992)
2.1.1 Komposisi Biomassa Dari Limbah Pertanian
Kandungan utama biomassa dari limbah pertanian adalah carbon, oksigen, dan hidrogen. Hal ini ditunjukkan pada tabel ultimate analysis. Pada tabel tersebut memperlihatkan komposisi dari 13 biomassa dari limbah pertanian. Rumus kimia dari biomassa umumnya diwakili oleh Cx Hy Oz. nilai koefisien dari x, y dan z ditentukan oleh masing-masing biomassa.
Tabel 2.2 Analisis Ultimate dari Biomassa (sumber : Raveendran dkk. 1995, Tercantum dalam Badeau Pierre, 2009)
S.N Bio
Massa
Ultimate Analysis (wt %) HHV* (MJ/k
g)
Density
(kg/m3) X Y Z
% convers
ion of carbon
C H N O
1 Ampas tebu 43.8 5.8 0.4 47.1 16.29 111 3.65 5.8 2.94 81
2 Sabut kelapa 47.6 5.7 0.2 45.6 14.67 151 3.97 5.7 2.85 72
3 Batok kelapa 50.2 5.7 0.0 43.4 20.50 661 4.18 5.7 2.71 65
4 sabut empulur 44.0 4.7 0.7 43.4 18.07 94 3.67 4.7 2.71 74
5 Bonggol jagung 47.6 5.0 0.0 44.6 15.65 188 3.97 5.0 2.79 70
6 tangkai jagung 41.9 5.3 0.0 46.0 16.54 129 3.49 5.3 2.88 82.3
7 Limbah kapas 42.7 6.0 0.1 49.5 17.48 109 3.56 6.0 3.10 87
8 Kulit kacang 48.3 5.7 0.8 39.4 18.65 299 4.03 5.7 2.46 61.2
9 Jerami padi 42.7 6.0 0.1 33.0 17.48 201 3.56 6.0 2.063 58
10 Sekam padi 38.9 5.1 0.6 32.0 15.29 617 3.24 5.1 2.0 62
11 Tangkai padi 36.9 5.0 0.4 37.9 16.78 259 3.08 5.0 2.37 82.4
12 Sebuk kayu 48.2 5.9 0.0 45.1 19.78 259 4.02 5.9 2.82 70.2
13 Jerami gandum 47.5 5.4 0.1 35.8 17.99 222 3.96 5.4 2.24 56.5
Average 44.6 5.5 0.3 41.8 17.32 253.84 3.72 5.49 2.61 70.89
* Higher heating value.
2.1.2 Produk Biomassa
Terdapat tiga tipe bahan bakar yang dihasilkan dari biomassa yang biasa digunakan untuk berbagai macam kebutuhan, yaitu :
1. Cairan (ethanol, biodiesel dan methanol).
2. Gas biogas(CH4, CO2), produser gas (CO, H2, CH4,CO2), syngas (CO, H2).
3. Padat (arang)
Penggunaan etanol dan biodiesel sebagai bahan bakar kendaraan transportasi dapat mengurangi emisi gas CO2. Oleh karena itu biomassa bukan hanya energi terbarukan tapi juga bersih atau ramah lingkungan dan dapat digunakan sebagai sumber energi secara global.
Biomassa merupakan sumber energi tertua yang dikenal oleh manusia, kontribusinya terhadap total pemanfaatan energi di Indonesia bahkan di dunia masih sangat kecil. Pemahaman akan keterbatasan cadangan sumber energi fosil dan kepedulian terhadap keberlangsungan penyediaan sumber energi tersebut menyebabkan munculnya ketertarikan peneliti terhadap pemanfaatan biomassa pada tahun 1970an.
Akan tetapi harga energi yang terus menurun saat itu menyebabkan perkembangan teknologi biomassa tidak begitu pesat. Hingga pada tahun 1980an kepedulian terhadap CO2 yang disebabkan oleh pengguna energi fosil mengakibatkan dikeluarkannya Kyoto Protocol yang membatasi emisi CO2 yang boleh dilepas ke udara.
2.1.3 Jerami padi
Padi merupakan tumbuhan monocotyl yang tumbuh di daerah tropis. Tanaman padi yang telah siap panen akan diambil butiran - butirannya dan batang serta daunnya akan dibuang. Batang dan daun inilah yang disebut dengan jerami. Jerami merupakan salah satu limbah pertanian yang belum dimanfaatkan secara optimal. Di Indonesia yang terkenal sebagai negara yang mempunyai wilayah yang luas, mempunyai potensi di bidang pertanian. Salah satunya adalah pertanian padi. Sepanjang tahun produksi padi menghasilkan limbah berupa jerami padi dalam jumlah yang besar. Jerami padi biasa dimanfaatkan sebagai pakan ternak dan bahan kompos. Namun ada juga yang hanya membakar jerami padi pada arel pematang sawah. Ternyata jerami padi dapat dimanfaatkan sebagai substrat industri dengan mencampurkannya dengan bahan lain sesuai produk yang ingin di hasilkan. Jerami padi merupakan limbah pertanian terbesar di Indonesia. Jumlahnya sekitar 20 juta per tahun. Menurut data BPS tahun 2006, luas sawah di Indonesia adalah 11,9 juta ha. Produksi per hektar sawah bisa mencapai 12-15 ton bahan kering setiap kali panen, tergantung lokasi dan varietas tanaman. Sejauh ini, pemanfaatan jerami padi sebagai pakan ternak baru mencapai 31-39 %, sedangkan yang
dibakar atau dimanfaatkan sebagai pupuk 36-62 %, dan sekitar 7-16 % digunakan untuk keperluan industri (safan.wordpress.com, 2008).
Banyaknya jerami padi yang belum dimanfaatkan secara optimal mendorong para peneliti mengembangkan potensi jerami padi menjadi sesuatu yang mempunyai nilai ekonomi tinggi.oleh karena itu penelitian saya ini memakai biomasa jerami padi.
2.2 Batubara
Batubara merupakan bahan organik yang berasal dari tumbuh-tumbuhan mati, terbentuk melalui proses yang kompleks, membutuhkan waktu sangat lama (puluhan hingga ratusan juta tahun). Definisi lain mengatakan batubara adalah substansi heterogen yang dapat terbakar dan terbentuk dari banyak komponen yang mempunyai sifat saling berbeda. Batubara dapat dikatakan batuan sedimen yang terbentuk dari dekomposisi tumpukan tanaman selama kira-kira jutaan tahun (Teknologi Pembakaran Batubara).
Pembentukan batubara sangat dipengaruhi oleh lokasi ditemukan. Bisa jadi lokasi tersebut berupa lingkungan / daerah berrawa dangkal. Kondisi demikian banyak terdapat pada cekungan sedimen yang terbentuk sepanjang tepi pantai, delta dan danau-danau.
Saat ini terdapat dua teori mengenai pembentukan batubara yaitu : a. Teori Insitu
Teori ini mengatakan bahwa bahan-bahan pembentuk batubara terbentuknya ditempat dimana tumbuhan itu berada. Tanaman pembentuk yang telah mati akan segera tertutup oleh lapisan sedimen dan mengalami proses pembatubaraan (coalification). Dengan demikian penyebaran batubara akan luas dan merata serta kadar abunya relatif kecil karena tidak sempat mengalami proses transportasi.
b. Teori drift
Teori ini mengatakan bahwa bahan-bahan pembentuk batubara tidak berasal dari tempat dimana tumbuhan itu hidup. Tumbuhan pembentuk yang telah mati akan terbawa oleh air dan berakumulasi di suatu tempat, lalu tertutup lapisan sedimen dan mengalami proses coalification. Dengan demikian penyebarannya tidak luas namun
terdapat di beberapa tempat, sedangkan kualitasnya kurang baik karena banyak mengandung kotoran yang terbawa selama proses transportasinya.
Setelah tumbuhan-tumbuhan pembentukan tadi mati, lalu berakumulasi maka terjadilah proses pembentukan batubara melalui dua tahapan, yaitu :
1. Proses humification / peatification (humifikasi / penggambutan)
Pada daerah yang berkondisi basah, tumbuhan-tumbuhan mati tersebut akan mengalami dekomposisi atau pembusukan akibat adanya aktifitas berbagai organisme.
Organisme yang berperan paling awal adalah organisme aerobik seperti jamur, serangga dan bakteri aerobik, lalu bila tumbuhan mati tersebut tertimbun sehingga organisme aerobik tidak dapat lagi bekerja, maka organisme anaerobik mulai berperan sehingga akan terjadi proses perubahan menjadi gambut. Gambut merupakan tahapan sebelum terbentuknya batubara. Proses penggambutan sebenarnya merupakan proses biokimia yang meliputi hidrolisis, oksidasi dan reduksi oleh adanya bakteri dan jamur. Proses ini dimulai dengan teroksidasinya tumbuhan mati oleh organisme aerobik. Lalu unsur-unsur hidrokarbon yang terdapat pada tumbuhan mati tersebut akan terekstraksi sehingga akan tersisa suatu zat / substansi yang memiliki kandungan karbon dan oksigen yang tinggi.
2. Proses coalification (pembatubaraan)
Proses pembatubaraan dimulai setelah gambut telah terbentuk tertimbun oleh lapisan-lapisan sedimen. Proses ini terbagi menjadi dua tahapan, yaitu tahapan biokimia dan geokimia. Tahap biokimia, organisme anaerobik seperti bakteri jamur yang berperan selama proses unifikasi. Tahap ini berakhir bila tebalnya timbunan pada lapisan pembentuk batubara tidak memungkinkan lagi bagi bakteri dan jamur untuk hidup dan biasanya batubara telah mencapai level sub-bituminus.
Proses Pengkabutan Proses Pembatubaraan
Gambar 2.1 Skema Pembentukan Batubara
Antrasit Tumbuhan
mati
Gambut Lignit Sub bituminou
s
Bituminous
seiring dengan berjalannya waktu (hingga ratusan juta tahun) melalui proses tersebut maka akan terbentuk batubara muda (lignite) kemudian bituminus dan berubah menjadi batubara tua (antrasit). Pada gambar 2.1 dijelaskan skema pembentukan batubara.
Table 2.3 Analisa Kandungan Proximat dan Ultimate Batubara
Sumber: The Encyclopedia Of Hearth
2.2.1 Klasifikasi Batubara
Dapat diketahui garis besar klasifikasi batubara dalam lima kelas garis besar, yaitu gambut, lignit, sub-bituminus, bituminus, dan antrasit. Gambut merupakan tahapan awal pembentukan batubara. Dari gambut belum banyak yang bisa digunakan menjadi bahan bakar bernilai ekonomis dikarenakan kandungan air sangat tinggi dan nilai kalor rendah. Lignit berasal dari bahasa latin yang berarti kayu. Lignit (browncoal) termasuk rangking rendah batubara ini mempunyai kandungan air, abu, dan zat terbang (volatile matter) yang tinggi, tetapi mempunyai nilai kalor terendah. Karena kandungan zat terbangnya yang tinggi, lignit sangat mudah terbakar dan dikenal sebagai jenis batubara yang mudah terjadi pembakaran spontan, terutama pada penimbunan batubara.
Sub-bituminus merupakan rengking batubara menengah. Tekstur kayu sudah terlihat pada jenis batubara ini, terlihat dari warna hitam mengkilat dan agak rapuh. Sub- bituminus memiliki nilai kalor cukup tinggi juga kandungan karbon yang relatif tinggi.
Di samping itu, kandungan air, abu dan zat terbangnya juga tinggi. Tidak berbeda jauh
dari lignit, sub-bituminus juga tergolong jenis batubara yang memiliki kandungan sulfur cukup tinggi dan mudah terjadi pembakaran spontan.
Penamaan bituminus diperoleh dari kenyataan batubara ini bila dipanaskan akan memiliki massa kohesif, meningkat dan melekat. Rangking batubara ini paling banyak digunakan pada pembangkit listrik batubara karena memiliki nilai kalor tertinggi dan temperatur nyala yang tinggi. Selain itu kandungan air, abu, sulfur dan zat terbang tergolong sedikit. Batubara ini berwarna hitam kilap dan menunjukan agglomerasi, sehingga cocok sebagai bahan baku pembuatan kokas industri besi baja.
Sedangkan umur batubara paling tua adalah antrasit. Jenis batubara ini merupakan rangking batubara paling tinggi. Warnanya hitam mengkilat, keras dan kompak, tidak rapuh, namun sangat getas dan homogen. Nilai kalor dan kandungan karbon antrasit sangat tinggi. Kandungan air, zat terbang dan sulfur sangat sedikit.
2.3 Pasir silika
Material hamparan (bed material) yang digunakan pada gasifikasi fluidized bed sangat berpengaruh terhadap berhasil tidaknya proses fluidisasi yang dihasilkan.
Material hamparan adalah suatu jenis bahan yang digunakan pada sistem gasifikasi fluidized bed sebagai media fluidisasi dan media penyimpan panas. Pada gasifikasi fluidized bed, material hamparan ini akan difluidisasi dengan menggunakan dorongan agen gasifikasi seperti udara, oksigen, uap atau campurannya. Jenis material hamparan yang sering digunakan pada gasifikasi adalah pasir silika, limestone dan dolomite.
Dalam studi ini digunakan pasir silika (quartz sand) sebagai material hamparan, karena memiliki kalor jenis (specific heat), merupakan material yang sangat baik dalam menyimpan kalor. Semakin kecil nilai kalor jenis suatu material, maka akan semakin mudah untuk menaikkan suhu material tersebut. Pasir silika memiliki titik lebur yang tinggi sampai mencapai 1800oC, sehingga sangat cocok digunakan untuk aplikasi gasifikasi fluidized bed. Disamping untuk material hamparan pada gasifikasi fluidized bed, pasir silika banyak digunakan dalam industri semen, gelas, pengecoran besi baja, keramik dan lain-lain.
2.4 Gasifikasi fluidized bed
Gasifikasi fluidized bed adalah suatu proses konversi bahan bakar padat menjadi bahan bakar gas, dimana hamparan pasir sillika dan bahan bakar diperlakukan seperti fluida.Gasifikasi fluidized bed dioperasikan dengan cara memfluidisasi partikel bahan bakar dengan gas pendorong yang berupa udara/oksigen, baik dicampur dengan kukus maupun tidak dicampur. Pada gasifikasi fluidized bed, gas pendorong yang umum digunakan adalah udara. Pada gasifier jenis ini, udara dan bahan bakar tercampur pada unggun yang terdiri dari padatan inert berupa pasir. Keberadaan padatan inert tersebut sangat penting karena berfungsi sebagai medium penyimpan panas.
Gasifikasi fluidized bed dioperasikan dengan suhu rendah, yaitu 600 – 900oC.
Suhu operasi tersebut berada di bawah suhu leleh abu sehingga penghilangan abu yang dihasilkan pada gasifikasi jenis ini lebih mudah. Hal inilah yang menyebabkan gasifikasi fluidized bed dapat digunakan pada pengolahan bahan bakar.
Gambar 2.2 Fluidized Bed Gasifier, (sumber: Biomass Thermochemical Convertion, Paul Grabowsk,2004)
2.5 Co-Gasifikasi
Co-gasifikasi adalah suatu proses konversi bahan bakar padat menjadi gas menggunakan dua material yang berbeda, dimana udara yang diperlukan lebih rendah dari udara yang digunakan untuk proses pembakaran. Selama proses gasifikasi reaksi kimia utama yang terjadi adalah endotermis (diperlukan panas dari luar selama proses berlangsung). Produk yang dihasilkan dapat dikategorikan menjadi tiga bagian utama, yaitu padatan, cairan (termasuk gas yang dapat dikondensasikan) dan gas permanen.
Beberapa keunggulan dari teknologi co-gasifikasi yaitu :
1. Mampu memproses beragam input bahan bakar termasuk batubara, minyak berat, biomassa, berbagai macam sampah kota dan lain sebagainya.
2. Mampu menghasilkan produk gas yang konsisten yang dapat digunakan sebagai gas bahan bakar untuk pembangkit listrik dan sebagainya.
3. Mampu mengubah sampah yang bernilai rendah menjadi produk yang bernilai lebih tinggi.
4. Mampu mengurangi jumlah sampah padat.
5. Gas yang dihasikan tidak mengandung furan dan dioxin yang berbahaya.
Untuk melangsungkan gasifikasi diperlukan suatu reaktor. Reaktor tersebut dikenal dengan nama gasifier. Ketika gasifikasi dilangsungkan, terjadi kontak antara bahan bakar dengan agen penggasifikasi di dalam gasifier. Kontak antara bahan bakar dengan medium tersebut menentukan jenis gasifier yang digunakan. Secara umum pengontakkan bahan bakar dengan agen penggasifikasinya pada gasifier dibagi menjadi tiga jenis, yaitu entrained bed, fluidized bed, dan fixed/moving bed (Badeau dan Levi, 2009).
2.6 Reaktor Gasifikasi
Terdapat 3 (tiga) jenis utama reaktor gasifikasi yaitu reaktor unggun tetap (fixed bed), reaktor unggun terfluidakan (fluidized bed) dan reaktor entrained flow. Ketiga jenis reaktor tersebut memiliki keunggulan dan kelemahan masing-masing yaitu sebagai berikutnya.
2.6.1 Fixed Bed Gasifier 2.6.1.1 Updraft Gasifier
Gasifier jenis ini, udara masuk melalui bawah gasifier melalui grate. Aliran udara ini berlawanan arah (counter current) dengan aliran bahan bakar yang masuk dari bagian atas gasifier. Gas produser yang dihasilkan keluar melalui bagian atas gasifier sedangkan abu diambil pada bagian bawah gasifier. Reaksi pembakaran pada gasifier ini terjadi di dekat grate kemudian diikuti reaksi, kemudian diikuti reaksi reduksi (proses gasifikasi). Reaksi reduksi tersebut akan menghasilkan gas bertemperatur tinggi. Gas hasil reaksi (gas produser) tersebut bergerak ke bagian atas gasifier menembus unggun bahan bakar menuju daerah yang bertemperatur lebih rendah. Pada saat menembus unggun bahan bakar, gas produser akan kontak dengan bahan bakar yang turun sehingga terjadi proses pirolisis dan pertukaran panas antara gas dan bahan bakar. Panas sensible yang diberikan gas digunakan bahan bakar untuk pemanasan awal dan pengeringan bahan bakar. Proses pirolisis dan pengeringan tersebut terjadi pada bagian teratas gasifier. Updraft gasifier mencapai efisiensi tertinggi ketika gas panas yang dihasilkan meninggalkan gasifier pada temperatur rendah.
Updraft gasifier memiliki kekurangan dan kelebihan. Kekurangan yang dimiliki updraft gasifier adalah tingginya jumlah uap tar yang terkandung didalam gas keluaran dan kemampuan gas produser membawa muatan rendah. Selain itu ada kemungkinan terjadi channeling, sehingga distribusi panas tidak merata dan dapat menurunkan efisiensi gasifier. Sedangkan keuntungan pemakaian updraft gasifier adalah mekanismenya sederhana, arang (charcoal) habis terbakar, suhu keluaran rendah dan efisiensi tinggi.
Gambar 2.3 Updraft Gasifier (Sumber: Tasliman, 2008)
2.6.1.2 Downdraft Gasifier
Downdraft gasifier dirancang untuk membatasi kandungan minyak dan tar yang terbawa bersama gas produser. Pada downdraft gasifier, udara dimasukkan ke dalam aliran bahan bakar padat (packed bed) atau di atas zona oksidasi. Aliran udara ini searah (co-current) dengan aliran bahan bakar yang masuk ke dalam gasifier. Bahan bakar dimasukkan pada bagian atas gasifier. Bahan bakar tersebut akan mengalami proses pengeringan dan pirolisis akibat panas yang dihasilkan pada reaksi oksidasi. Pada tahap pirolisis bahan bakar, dihasilkan uap dan tar. Uap dan tar yang dihasilkan tersebut akan melalui unggun arang panas dan mengalami perengkahan menjadi gas yang lebih sederhana atau arang. Perengkahan ini menghasilkan pembakaran stabil yang menjaga temperatur pada 800 – 1000 oC. Jika temperatur naik (melebihi rentang temperatur tersebut) maka reaksi endotermik akan mendominasi dan mendinginkan gas dan jika temperatur turun (kurang dari rentang temperatur tersebut) maka reaksi eksotermik akan mendominasi dan menjaga gas agar tetap panas. Tahap selanjutnya adalah reaksi reduksi. Reaksi reduksi terjadi pada zona dekat dengan grate. Pada tahap ini, gas produser dihasilkan. Gas produser yang dihasilkan akan tertarik keluar menuju bagian bawah gasifier.
Sama halnya dengan updraft gasifier, downdraft gasifier juga memiliki kekurangan dan kelebihan. Kekurangan yang dimiliki gasifier jenis ini adalah rendahnya
efisiensi keseluruhan akibat rendahnya pertukaran panas dalam sistem dan kesulitan dalam menangani kelembaban dan kadar abu yang tinggi. Sedangkan kelebihan menggunakan gasifier jenis ini antara lain adanya kemungkinan menghasilkan gas bebas tar sehingga masalah lingkungan yang ditimbulkan lebih kecil daripada updraft gasifier, perolehan tar dan minyak yang dihasilkan pada downdraft gasifier lebih kecil 10%
terhadap perolehan tar dan minyak yang dihasilkan pada ufdraft gasifier, waktu yang dibutuhkan untuk penyalaan bahan bakar dan pengoperasian sistem pada kondisi optimal sekitar 20 – 30 menit. Waktu tersebut lebih singkat jika dbandingkan dengan waktu yang dibutuhkan oleh updraft gasifier.
Gasifier Unggun Tetap Aliran Kebawah (downdraft gasifier) menghasilkan gas produser relatif bersih dengan kandungan tar dan partikel yang kecil sehingga sangat sesuai untuk mesin pembakaran dalam, ketel dan turbin (Robert manurung, 1981).
Sedangkan M.S Roa menegaskan fixed bed tipe ini merupakan jenis gasifier yang sederhana, memiliki nilai realible tinggi dan memungkinkan berbagai feedstock dengan partikel rendah pada gas produser. Selain itu juga berefisiensi tinggi.
Gambar 2.4 Downdraft Gasifier (Sumber: Tasliman, 2008)
2.6.1.3 Crossdraft Gasifier
Crossdraft gasifier merupakan jenis gasifier yang khusus dirancang untuk arang (charcoal). Gasifier ini tidak ideal. Gasifier jenis ini memiliki beberapa kekurangan, diantaranya adalah : proses hanya ditujukan untuk arang kualitas tinggi, temperatur gas keluaran gasifier tinggi, CO2 yang tereduksi rendah dan kecepatan gas tinggi. Hal ini disebabkan oleh design crossdraft gasifier yang penempatan penyimpanan abu, zona pembakaran dan pereduksiannya terpisah. Karakteristik design seperti ini menyebabkan jenis bahan bakar yang dapat digunakan terbatas hanya pada bahan bakar yang berkadar abu sedikit, seperti kayu, arang dan batu karang. Waktu yang dibutuhkan untuk start up lebih singkat daripada gasifier jenis downdraft dan updraft, yaitu sekitar 5 – 10 menit.
Temperatur tinggi pada gasifier ini memiliki efek yang nyata terhadap komposisi gas.
Gasifier jenis ini akan beroperasi dengan baik pada aliran udara dan bahan bakar yang kering. Gasifier ini cocok untuk dioperasikan pada skala kecil.
Gambar 2.5 Crossdraft Gasifier (Sumber: Tasliman, 2008)
Gasifikasi umumnya terdiri dari empat proses, yaitu pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi. Pada gasifier jenis fluidized bed, kontak yang terjadi saat pencampuran antara gas dan padatan sangat kuat sehingga perbedaan zona pengeringan, pirolisis, oksidasi dan reduksi tidak dapat dibedakan. Proses pengeringan, pirolisis, dan reduksi bersifat menyerap panas (endotermik), sedangkan proses oksidasi bersifat melepas panas (eksotermik). Dalam proses pembakaran pada gasifikasi baik dengan sistem updraft, downdraft, maupun crossdraft terdapat tingkatan-tingkatan pembagian daerah pembakaran, yang secara berurutan adalah :
a. Pengeringan/Drying
Bahan bakar akan mengalami pengeringan akibat panas reaksi dari tahap oksidasi, pada tahap ini kandungan air dalam wujud cair pada bahan bakar berubah menjadi uap air yang berwujud gas akibat pemanasan.
b. Pirolisis/devolatisasi
Pirolisis adalah dekomposisi termal suatu bahan bakar padat. Dengan menaikkan suhu, transformasi struktur bahan bakar padat ditingkatkan. Produk pirolisis umumnya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas ringan, tar dan arang. Komponen utama campuran gas- gas tersebut adalah H2, CO, CO2, H2O, CH4 dan hidrokarbon lainnya. Fraksi tar termasuk senyawa organik berat yang mana adalah gas ketika dilepaskan selama pirolisis atau sebagai tetes cair (liquid drops). Arang (char) disusun terutama terdiri dari karbon dan adanya materi mineral pada bahan bakar padat (Badeau dan Levi, 2009).
Proses pirolisis terjadi pada suhu 150o sampai dengan 800oC (Surjosatyo dan Vidian, 2004). Untuk gasifikasi biomassa, piroisi dapat di reprentasikan sebagai:
c. Oksidasi/pembakaran
Oksidasi atau pembakaran arang merupakan reaksi terpenting yang terjadi di dalam gasifier, terjadi pada suhu 600oC sampai dengan 900oC. Proses ini menyediakan seluruh energi panas yang dibutuhkan pada reaksi endotermik. Oksigen yang dipasok ke dalam gasifier bereaksi dengan substansi yang mudah terbakar. Hasil reaksi tersebut adalah CO2 dan H2O yang secara berurutan direduksi ketika kontak dengan arang yang diproduksi pada pirolisis. Reaksi yang terjadi pada proses pembakaran adalah:
1. Boudouard reaction:
C + CO2 → 2 CO – 172,58 (KJ/mol)………(2.1) 2. Water-gas reaction :
C + H2O → CO + H2 – 131,38 (KJ/kg mol)………...(2.2) 3. Shift conversion:
CO + H2O → CO2 + H2 + 41,98 (KJ/kmol)………..…(2.3) 4. Methanation :
C+2H2 →CH4+ 70,90 (KJ/mol karbon)………(2.4) d. Reduksi/gasifikasi
Reduksi atau gasifikasi melibatkan suatu rangkaian reaksi endotermik yang disokong oleh panas yang diproduksi dari reaksi pembakaran, terjadi pada suhu 600oC sampai dengan 900oC. Produk yang dihasilkan pada proses ini adalah gas terbakar, seperti H2, CO dan CH4. Reaksi berikut ini merupakan empat reaksi yang umum terlibat pada gasifikasi yaitu:
1. Water-gas reaction
Water-gas reaction merupakan reaksi oksidasi parsial karbon oleh kukus yang dapat berasal dari bahan bakar padat itu sendiri (hasil pirolisis) maupun dari sumber yang berbeda, seperti uap air yang dicampur dengan udara dan uap yang diproduksi dari penguapan air. Reaksi yang terjadipada water-gas reaction adalah:
C + H2O → CO + H2 – 131,38 KJ/kg mol karbon……….……..(2.5) Pada beberapa gasifier, kukus dipasok sebagai medium penggasifikasi dengan atau tanpa udara/oksigen.
2. Boudouard reaction
Boudouard reaction merupakan reaksi antara karbon dioksida yang terdapat di dalam gasifier dengan arang untuk menghasilkan CO. Reaksi yang terjadi pada boudouard reaction adalah:
CO2 + C → 2CO - 172,58 KJ/mol……….……(2.6)
3. Shift conversion
Shift conversion merupakan reaksi reduksi karbon monoksida oleh kukus untuk memproduksi hidrogen. Reaksi ini dikenal sebagai water-gas shift yang menghasilkan peningkatan perbandingan hidrogen terhadap karbon monoksida pada gas produser. Reaksi ini digunakan pada pembuatan gas sintetik. Reaksi yang terjadi adalah:
CO+ H2O → CO2 + H2 – 41,98 KJ/mol………(2.7)
4. Methanation
Methanation merupakan reaksi pembentukan gas metan. Reaksi yang terjadi pada methanation adalah:
C+ 2H2 → CH4 + 70,90 KJ/mol karbon……….…(2.8)
2.7 Faktor Yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi
Proses gasifikasi memiliki beberapa faktor yang dapat mempengaruhi proses dan kandungan syngas yang dihasilkan. Faktor-faktor tersebut adalah:
1. Bahan Bakar
Ada beberapa klarifikasi dalam mendefinisikan bahan baku yang dipakai pada sistem gasifikasi berdasarkan kandungan dan sifat yang dimilikinya. Pendefinisian bahan baku gasifikasi ini dimaksudkan untuk membedakan antara bahan baku yang baik dan kurang baik. Adapun beberapa parameter yang dipakai untuk mengklarifikasi yaitu :
a. Kandungan energi
Semakin tinggi kandungan energi yang dimiliki bahan bakar maka syngas hasil gasifikasi tersebut semakin tinggi karena energi yang dikonversi juga semakin tinggi.
b. Moisture
Bahan baku yang digunakan untuk proses gasifikasi umumya memiliki kandungan moisture yang rendah. Karena kandungan moisture yang tinggi menyebabkan heat loss yang tinggi. 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. Debu
Semua bahan baku gasifikasi menghasilkan debu (dust). Adanya dust ini sangat mengganggu karena berpotensi menyumbat saluran sehingga membutuhkan maintenance lebih. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan kandungan debu yang tidak lebih dari 2 – 6 g/m3.
d. Tar
Tar merupakan salah satu kandungan yang paling merugikan dan harus dihindari karena sifatnya yang korosif. Sesungguhnya tar adalah cairan hitam kental yang terbentuk dari destilasi destruktif pada material organik. Selain itu, tar memiliki bau yang tajam dan dapat mengganggu pernafasan. Pada reaktor gasifikasi terbentuknya tar, yang memiliki approximate atomic CH1.2 O0.5, terjadi pada temperatur pirolisis yang kemudian terevaporasi dalam bentuk asap, namun pada beberapa kejadian tar dapat berupa zat cair pada temperatur yang lebih rendah. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan tar tidak lebih dari 1 g/m3.
e. 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 tebal. Pengaruh adanya ash dan slag pada gasifier adalah :
o Menimbulkan penyumbatan pada gasifier.
o Pada titik tertentu mengurangi respon pereaksi bahan baku.
2. Desain Reaktor
Terdapat berbagai macam bentuk gasifier yang pernah dibuat untuk proses gasifikasi. Untuk gasifier bertipe imbert yang memilik neck di dalam reaktornya, ukuran dan dimensi neck sangat mempengaruhi proses pirolisis, pencampuran, heat loss dan nantinya akan mempengaruhi kandungan gas yang dihasilkan.
3. Jenis Agen Gasifikasi
Jenis agen gasifikasi yang digunakan dalam umumnya adalah udara, kombinasi oksigen dan uap. Penggunaan jenis agen gasifikasi mempengaruhi kandungan gas yang dimiliki oleh syngas. Perbedaan kandungan syngas terlihat pada kandungan nitrogen dan mempengaruhi besar nilai kalor yang dikandungnya. Penggunaan udara bebas menghasilkan senyawa nitrogen yang pekat di dalam syngas, berlawanan dengan penggunaan oksigen/uap yang memiliki kandungan nitrogen yang relatif sedikit.
Sehingga penggunaan agen gasifikasi oksigen/uap memiliki nilai kalor syngas yang lebih baik dibandingkan menggunakan udara.
4. Rasio Bahan Bakar dan Udara (AFR)
Perbandingan bahan bakar dan udara dalam proses gasifikasi mempengaruhi reaksi yang terjadi dan tentu saja pada kandungan syngas yang dihasilkan. Kebutuhan udara pada proses gasifikasi berada diantara batas konversi energi pirolisis dan pembakaran.
Karena itu dibutuhkan rasio yang tepat jika hasil syngas yang maksimal. Pada gasifikasi AFR yang tepat untuk proses gasifikasi berkisar pada angka 1,25 – 1,5.
2.8 Gas Produser
Gas produser adalah campuran dari gas-gas yang dihasilkan oleh proses gasifikasi dari material organik seperti biomassa. Gas produser disusun dari gas karbon monoksida (CO), gas hydrogen (H2), gas karbondioksida (CO2), gas hidrokarbon (HC) (Tchobanoglous, 1993; Malik dkk, 2008). Gas produser yang dihasilkan pada proses gasifikasi dipengaruhi oleh jenis biomassa, jenis agen gasifikasi dan suhu operasi.
Tabel 2.4 Rata-rata komposisi gas produser dengan agen gasifikasi yang berbeda
Agen gasifikasi H2 CO CH4 CO2
Udara 15% 20% 2% 15%
Oksigen 40% 40% - 20%
Uap air (steam) 40% 25% 8% 25%
(Sumber : Zuberbuhler, 2005)
2.9 Parameter-parameter Penting dalam Proses Gasifikasi
Menurut Belonio (2005), parameter – parameter penting yang harus dipertimbangkan dalam proses gasifikasi, yaitu :
a. Temperatur Gasifikasi
Temperatur gasifikasi harus tinggi karena dalam tahap pertama gasifikasi adalah pengeringan untuk menguapkan kandungan air dalam bahan bakar agar menghasilkan gas yang bersih. Temperatur yang tinggi juga dapat berpengaruh dalam menghasilkan gas yang mudah terbakar. Untuk mempertahankan temperatur, maka tangki reaktor diisolasi dengan bata tahan api agar tidak ada panas yang keluar lingkungan sehingga efisiensi reaktor menjadi baik.
b. Spesifik Gasification Rate (SGR)
SGR mengindikasikan banyaknya bahan bakar rata-rata yang dapat tergasifikasi dalam gasifier. Jika SGR semakin besar maka proses gasifikasi tidak berjalan secara sempurna, sebaliknya jika SGR semakin kecil maka proses gasifikasi berjalan lambat.
SGR dapat dihitung dengan cara :
SGR = berat bahan bakar−berat arang
luas×waktu (kg
m2. dt
⁄ )……….(2.9)
c. Fuel Consumtion Rate (FCR)
Bahan bakar yang dibutuhkan pada proses gasifikasi dapat dihitung menggunakan rumus:
FCR = berat bahan bakar tergasifikasi waktu oprasional
= berat bahan bakar−berat arang waktu oprasional (kg
⁄ )………..(2.10) dt
d. Gas Fuel Ratio (GFR)
GFR (Gas Fuel Ratio ) dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut : GFR = laju aliran gas producer
FCR ………...…………...………(2.11)
e. % 𝐶ℎ𝑎𝑟
% Char adalah perbandingan banyaknya arang yang dihasilkan dengan banyaknya biomassa yang dibutuhkan. % char dapat dihitung menggunakan rumus :
% char = arang
berat bahan bakar ×100%...(2.12)
2.10 Kebutuhan Bahan Bakar
Energi input ini mengacu pada jumlah energi yang diperlukan dalam hal bahan bakar yang akan dimasukkan ke dalam gasifier. Hal ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
FCR = 𝑄𝑛
𝐻𝑉𝑓 𝑥 𝜀𝑔………..(2.13)
Dimana :
FCR = Fuel consumption rate (kg/hr) Qn = Head energy needed (kcal/hr) HVf = heating value of fuel (kcal/kg) 𝜉g = Efisiensi gasifier
2.11 Waktu Konsumsi Bahan Bakar
Hal ini mengacu pada total waktu yang dibutuhkan untuk benar-benar mengubah menjadi gas dari bahan bakar padat di dalam reaktor. Ini termasuk waktu untuk menyalakan bahan bakar dan waktu untuk menghasilkan gas, ditambah waktu untuk benar-benar membakar semua bahan bakar dalam reaktor. Kepadatan dari bahan bakar padat (ρ), volume reaktor (Vr) dan konsumsi bahan bakar tingkat (FCR) adalah faktor yang digunakan dalam menentukan total waktu untuk mengkonsumsi bahan bakar padat dalam reaktor. Seperti di bawah ini, dapat dihitung menggunakan rumus:
t = 𝜌 𝑥 𝑉𝑟
𝐹𝐶𝑅 ……….……….(2.14)
Dimana :
FCR = Fuel consumption rate (kg/hr) t = waktu konsumsi bahan baku (jam) 𝜌 = massa jenis bahan baku (kg/m3) Vr = Volume reaktor (m3)
2.12 Jumlah Udara Dibutuhkan untuk Gasifikasi
Hal ini mengacu pada laju aliran udara yang diperlukan untuk mengubah bahan bakar padat menjadi gas. Hal ini sangat penting dalam menentukan ukuran kipas angin atau blower yang dibutuhkan untuk reaktor di gasifikasi. Seperti ditunjukkan, ini hanya dapat ditentukan dengan menggunakan tingkat konsumsi bahan bakar (FCR), udara stoikiometri dari bahan bakar (SA) dan rasio ekuivalensi (𝜀) untuk gasifying 0,3 – 0,4.
Seperti ditunjukkan, ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
AFR =𝜀 𝑥 𝐹𝐶𝑅 𝑥 𝑆𝐴
𝜌𝑎 ……… (2.15)
Dimana :
AFR = Air Fuel Rate (tingkat aliran udara) (m3/jam) FCR = Fuel consumption rate (kg/hr)
𝜌𝑎 = Massa jenis udara (1,25 kg/m3) 𝜀 = Rasio ekuivalensi (0,3 – 0,4)
SA = Udara stoikiometri dari bahan bakar padat
2.13 Massa jenis bahan bakar
Massa jenis bahan bakar adalah spesifik massa suatu biomassa pervolumenya.
Massa jenis dapat dihitung dengan persamaan : 𝜌=𝑚
𝑣 (𝑘𝑔
⁄𝑚³)...(2.16) Dimana :
𝜌 = massa jenis (kg/m3) m = massa bahan bakar (kg) v = volume bahan bakar (m3)
2.14 Kecepatan Udara
Hal ini mengacu pada kecepatan aliran udara di tempat bahan bakar. Kecepatan udara dalam gasifier akan menyebabkan pembentukan saluran yang sangat mungkin mempengaruhi gasifikasi. Diameter dari bereaksi (D) dan tingkat aliran udara (AFR) menentukan kecepatan superfic udara di gasifier. Kecepatan udara dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
VS = 4 𝑥 𝐴𝐹𝑅
𝜋𝐷2 ………(2.17)
Dimana :
VS = Kecepatan supersic gas (m/s) AFR = Tingkat aliran udara (m3/jam) D = Diameter reaktor (m)
2.15 Fluidisasi
Bila suatu zat cair atau gas dilewatkan melalui lapisan hamparan partikel padat pada kecepatan rendah, partikel-partikel itu tidak bergerak. Jika kecepatan fluida berangsur- angsur dinaikan partikel-partikel itu akhirnya akan mulai bergerak dan melayang di dalam fluida. Istilah “fluidisasi” (fluidization) dan “hamparan fluidisasi” (fluidized bed) bisa digunakan untuk memeriksa keadaan partikel yang seluruhnya dalam keadaan melayang (suspense), karena suspense ini berlaku seakan-akan fluida rapat. Jika hamparan itu dimiringkan, permukaan atasnya akan tetap horizontal. Dan benda-benda besar akan mengapung atau tengelam di dalam hamparan itu tergantung pada
perbandingan densitasnya terhadap suspense zat padat yang terfluidisasi dapat dikosongkan dari hamparannya melalui pipa dan katup sebagaimana halnya suatu zat cair dan sifat fluidisasi ini merupakan keuntungan utama dari penggunaan fluidisasi menangani zat padat.
2.5.1 Karakteristik Fluidisasi
Bila zat cair atau gas dilewatkan melalui lapisan hamparan partikel pada kecepatan rendah, partikel-partikel itu tidak bergerak (diam). Jika kecepatan fluida berangsur-angsur dinaikkan, partikel-partikel itu akhirnya akan mulai bergerak dan melayang di dalam fluida, serta berperilaku seakan-akan seperti fluida rapat.
Jika hamparan itu dimiringkan, permukaan atasnya akan tetap horizontal, dan benda-benda besar akan mengapung atau tengelam di dalam hamparan itu tergantung pada perbandingan densitas dari partikel tersebut.
2.5.2 Jenis-Jenis Fluidisasi
1. Fluidisasi Partikulat (Particulate Fluidization)
Fluidisasi partikulat adalah jenis fluidisasi yang menggunakan zat cair sebagai fluidanya. Ekspansi hamparan yang terjadi cukup besar dan seragam pada kecepatan tinggi. Partikel-partikel itu bergerak menjauh satu sama lain dan gerakannya bertambah hebat dengan meningkatnya kecepatan, tetapi densitas hamparan rata-rata pada kecepatan tinggi.
2. Fluidisasi Gelembung (Bubbling Fluidization)
Fluidisasi gelembung adalah jenis fluidisasi yang menggunakan udara sebagai fluidanya. Pada fluidisasi ini kebanyakan gas akan mengalir melalui hamparan dalam bentuk gelembung atau rongga-rongga yang tidak berisikan zat padat dan hanya sebagian kecil gas itu mengalir dalam saluran-saluran yang berbentuk diantara partikel.
Gelembung yang terbentuk berprilaku hampir seperti gelembung udara didalam air atau
gelembung uap didalam zat cair yang mendidih. Karena itu fluidisasi jenis ini kadang- kadang dinamai dengan istilah hamparan didih (boiling bed)
2.5.3 Rumus-rumus Umum Fluidisasi
Volume dan Luas Permukaan Padatan Volume padatan:
Vs = 𝑚𝑎𝑠𝑠
𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦(m3) ..………(2.18)
Luas permukaan padatan:
As = 6 𝑉𝑠
𝜑 𝑑𝑚 (m2) ………(2.19)
dimana: As= luas permukaan padatan (m2) Vs = volume padatan (m3)
φ = sphericity (faktor kebolaan) dm = diameter rata-rata (m)
2.5.4 Fraksi Ruang Kosong (voidage)
𝑣𝑜𝑖𝑑𝑎𝑔𝑒 (𝜀) = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑏𝑒𝑑 − 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑏𝑒𝑑
= 1 − 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑏𝑒𝑑
𝜀 = 1 − 𝑉𝑠
𝑉𝑏
= 1 − 𝑚𝑠/𝜌𝑠
𝑚𝑏/𝜌𝑏
(ms ~ mb) 𝑣𝑜𝑖𝑑𝑎𝑔𝑒 (𝜀) = 1 − 𝜌𝑏
𝜌𝑠 ...(2.20) 2.5.5 Kecepatan Minimum Fluidisasi (Umf)
Langkah pertama adalah menentukan fraksi ruang kosong (εmf) yang terjadi di dalam bed (hamparan) dengan mengunakan persamaan sebagai berikut:
𝜀𝑚𝑓 = [0,071
𝜑 ] 13……….……….(2.21) dimana: φ = faktor kebolaan pasir silika
Selanjutnya adalah menentukan bilangan Archimedes (Ar) dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
𝐴𝑟 = 𝑔 𝑥 𝑑𝑝
3 𝑥 𝜌𝑔 𝑥 (𝜌𝑝−𝜌𝑔)
(𝜇)2 ………..………(2.22)
dimana: Ar = bilangan Archimedes
g = percepatan gravitasi bumi (m/detik) dp = diameter partikel pasir silika (m) ρg = densitas udara (kg/m3)
ρp = densitas pasir silika (kg/m3) μ = viskositas udara (kg/m.detik)
Bilangan Archimedes (Ar) ini akan digunakan untuk menentukan bilangan Reynolds (Remf) dengan menggunakan Ergun equation sebagai berikut:
𝐴𝑟 = 150 (1− 𝜀𝑚𝑓)
𝜑2 𝜀𝑚𝑓3 𝑅𝑒𝑚𝑓+ 1,75
𝜑 𝜀𝑚𝑓3 𝑅𝑒2𝑚𝑓 ……….(2.23) Setelah bilangan Reynolds dapat dihitung dengan rumus di atas, maka kecepatan minimum fluidisasi (Umf) dapat ditentukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
Umf = 𝑅𝑒𝑚𝑓 𝑥 𝜇
𝜌𝑔 𝑥 𝑑𝑔 (m/s) ……….………(2.24)
2.5.6 Ekspansi Ketinggian Hamparan Fluidisasi (ΔHa) Kecepatan bubble (Ub) :
𝑈𝑏 = 𝑘 (𝑈 − 𝑈𝑚𝑓) + 0,71 √𝑔 𝑑𝐵 dimana: Ub = kecepatan bubble (m/detik)
U = keepatan fluidisasi k = konstanta (1)
Umf = kecepatan minimum fluidisasi (m/detik) g = percepatan gravitasi bumi (9,81 m/s2) dB = diameter bubble (meter)
Ekspansi ketinggian hamparan fluidisasi (ΔHa) : 𝑡𝑏𝑢𝑏𝑏𝑙𝑒 = 𝐻𝑎
𝑈𝑏𝑢𝑏𝑏𝑙𝑒
ΔHa = Ha – Hmf = (U – Umf) t bubble……...………..(2.25)
2.16 Efisiensi Proses Gasifikasi
Parameter-parameter yang mempengaruhi efisiensi gasifier antara lain, kandungan moisture, temperatur udara masuk, dan heat loss. Dapat disimpulkan bahwa kandungan moisture bahan-bakar semakin tinggi, nilai kalor syngas semakin rendah, dengan kata lain efisiensi gasifikasi semakin kecil dengan tingginya kandungan moisture bahan-bakar. Nilai tertinggi dari kandungan moisture dari bahan-bakar tidak boleh lebih dari 33%. Untuk pengaruh temperatur udara masuk, semakin tinggi temperatur udara masuk gasifier akan menaikan efisiensi gasifikasi. Disamping itu, pemanasan udara masuk biasanya menurunkan air fuel ratio. Sedangkan pengaruh besarnya heat loss, semakin kecil heat loss semakin besar pengaruhnya terhadap efisiensi gasifikasi.
Pengaruh temperatur dan besarnya nilai dari equivalen ratio gasifikasi juga mempengaruhi efisiensi gasifikasi. Untuk bahan-bakar biomassa dengan nilai persentase karbon yang rendah, temperatur gasifikasi dikondisikan pada 7820 C - 9270 C, pada equivalen ratio 0,244 - 0,295. Pada equivalen ratio yang lebih rendah, jumlah udara menjadi berlimpah menjadikan panas banyak terbuang, efisiensi gasifikasi turun. Untuk memastikan semua karbon bereaksi, temperatur harus tinggi > 9270C dan equivalen ratio 0,4. Tetapi, pada kondisi tersebut persentase tar yang dihasilkan sangat tinggi. Untuk mengatasi hal tersebut, ada dua cara yaitu memanaskan udara masuk gasifier dan memperlama waktu tinggal (residence time) produk gas.
𝑞𝑔 dapat diperkirakan dari nilai-nilai pemanasan konstituen gas dan komposisinya. untuk aplikasi termal, gas tidak didinginkan sebelum pembakaran dan panas yang masuk akan gas juga berguna. dan didefinisikan sebagai berikut:
𝜂𝑔𝑒𝑓𝑓= (𝑉𝑔𝑞𝑔)
(𝑀𝑏𝐶𝑏 ) ………(2.26)
Dimana:
Mb = Fuel consumption ( kg/sec) Cb = Heating value of fuel ( kJ/m3) Vg=Gas generation rate (m3/sec) qg =Heating value of the gas (kJ/m3)
2.17 Pembakaran Bahan Bakar 2.17.1 Nilai Pembakaran
Bila di dalam 1 kg bahan bakar yang terdiri dari C kg karbon, H kg Hidrogen, O kg Oksigen, S kg Belerang, N kg Nitrogen, A kg abu, W kg air maka dapat dihitung nilai pembakaran atau heating value dari bahan bakar tersebut, yaitu jumlah panas yang dihasilkan dari pembakaran yang sempurna dari 1kg bahan bakar yang dimaksud.
Berdasarkan buku ketel uap (Djokosetyardjo, 1989) tentang pembakaran bahan bakar rumus untuk mentukan heating value adalah sebagai berikut:
Qhigh = 33915 C + 144033 ( H - O/8 ) + 10648 S (kJ/kg) ………..……..…(2.27) Qlow = 33915 C + 121423 ( H - O/8 ) + 10648 S – 2512(W + 9 x O/8) (kJ/kg) …....(2.28)
Qhigh = nilai pembakaran tertinggi atau highest heating value, yang dalam hal ini uap air yang terbentuk dari hasil pembakaran dicairkan terlebih dahulu, sehingga panas pengembunannya turut dihitung serta dinilai sebagai panas pembakaran yang terbentuk.
Qlow = nilai pembakaran terendah atau lowest heating value, yang dalam hal ini uap air yang terbentuk dari hasil pembakaran tidak perlu dicairkan terlebih dahulu, sehingga panas pengembunannya tidak turut dihitung serta tidak dinilai sebagai panas pembakaran yang terbentuk.
2.17.2 Jumlah Udara Pembakaran
Jika susunan bahan bakar diketahui, maka dapat dihitung jumlah kebutuhan udara pembakaran untuk pembakaran sempurna. Sebelum menghitung kebutuhan udara pembakaran, terlebih dahulu menghitung oksigen yang diperlukan untuk setiap kandungan C dan H yang mengikat oksigen dalam pembakaran.
Karbon (C) terbakar sempurna menjadi CO2 menurut persamaan:
C + O2 →CO2
12 kg C + 32 kg O2 →44 kg CO2
1kg C + 32/12 O2 → 44/12 CO2
1kg C + 2,67 O2→ 3,67 CO2 ………...……….(2.29)
Hidrogen (H) terbakar menjadi H20 menurut persamaan:
2 H + O2 → 2H2O
4 kg H + 32 O2 → 36 kg H2O
1kg H + 8kg O2 → 9 kg H2O ………..(2.30)
Belerang (S) terbakar berdasarakan persamaan:
S + O2 → SO2
32 kg S + 32 kg O2 → 64 kg SO2
1 kg S + 1 kg O2 → 2 kg SO2 ……….…….(2.31) Dari perhitungan diatas kemudian dijumlahkan jumlah kebutuhan oksigennya maka kebutuhan udara stoikiometri (SA) dari bahan bakar padat dapat dihitung dengan persamaan :
Kebutuhan oksigen Stoikiometri (SA) = kebutuhan oksigen H + kebutuhan oksigen C + kebutuhan oksigen S – kandungan O………...…………...(2.32) Untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna, kebutuhan oksigen pembakaran ditambah 30 % dari kebutuhan oksigen teoritis (excess air). Excess air antara 20 – 30 %.
Maka kebutuhan oksigen untuk pembakaran sempurna dapat dihitung :
Kebutuhan oksigen total = kebutuhan oksigen + (excess air x kebutuhan oksigen)………(2.33) Kemudian kebutuhan udara pembakaran dapat dihitung. Dalam udara, umumnya kadar oksigen yang terkandung antara 21 – 23 % maka dari perbandingan udara dan bahan bakar didapat kebutuhan udara sebesar :
Kebutuhan udara pembakaran = % 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎
% 𝑂2 𝑑𝑖 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 x kebutuhan oksigen total…………...(2.34) Untuk proses gasifikasi kebutuhan oksigen yang digunakan adalah kebutuhan oksigen stoikiometri (SA).
