UNJUK KERJA REAKTOR GASIFIKASI SEKAM PADI SEBAGAI
ALAT PEMBUATAN GAS PENGGANTI ELPIJI PADA RUMAH
TANGGA
Suliono*1, Felix Dionisius2, Yusup Nur Rohmat3, Delffika Canra4, Rahmat Bijak Karisma5
1Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Indramayu
Kontak person: Suliono
E-mail: sulionolee@gmail.com
Abstrak
Gasifikasi merupakan metode untuk menghasilkan energi alternatif dari biomassa berupa syngas yang belum dikenal secara luas oleh masyarakat. Limbah sekam padi yang selama ini pemakaiannya hanya untuk membakar batu bata dapat dialih fungsikan untuk kebutuhan rumah tangga. Melalui proses gasifikasi sekam padi, masyarkat dapat mengganti elpiji dengan syngas dari biomassa. Penggunaan gasifikasi secara langsung yang akan digunakan untuk memasak didapur tanpa ada penampungan gas merupakan metode sederhana untuk memasak. Dari hasil penelitian karakteristik unjuk kerja reaktor gasifikasi sekam padi sebagai alat pembuatan gas pengganti elpiji pada rumah tangga didapatkan gas secara sempurna karena perbandingan udara dan sekam padi pada campuran yang pas yaitu Sekam padi dengan massa 10 kg dengan tekanan udara masuk 3,612 m/s;. Dari hasil campuran tersebut didapatkan kandungan synthetis gas untuk CH4yaitu 5,32%;, visualisasi nyala api gas selama proses gasifikasi serta lama waktu gas keluar dari reaktor saat memasak.
Kata Kunci:Gasifikasi, Metode langsung, Kecepatan udara masuk, Kandungan gas CH4, lama waktu gas keluar.
1. Pendahuluan
Krisis energi yang melanda Indonesia mengakibatkan berbagai permasalahan yang bersifat multidimensi, mulai terjadinya kelangkaan bahan bakar minyak, kenaikan BBM dan elpiji serta kebutuhan pokok lainnya, hal tersebut dilakukan untuk penghematan dengan cara pengurangan tenaga kerja, serta permasalahan-permasalahan sosial ekonomi lainnya. Oleh sebab itu partisipasi dari semua pihak untuk memikirkan permasalahan yang timbul dimasyarakat [1]. Menurut penelitian yang dilakukan Krisnatuti pranadji. D [2] Pengeluaran yang dilakukan keluarga untuk keperluan bahan bakar rumah tangga berkisar antara Rp 15.000,00 - Rp 225.000,00 per bulan dengan rata-rata Rp 54.781,00 per bulan. Sementara itu, pada kelompok pengguna LPG dan bahan bakar lain proporsi terbesar (35%) mengeluarkan pengeluaran untuk bahan bakar/bulan sebesar Rp 31.000,00 - Rp 60.000,00. Rata-rata pengeluaran yang dikeluarkan keluarga contoh pengguna LPG (Rp 52.867 ,19) lebih sedikit dibandingkan dengan pengguna LPG dan bahan bakar lain (Rp 61.266,67). Keluarga contoh yang tidak menggunakan LPG memiliki pengeluaran untuk bahan bakar antara Rp 61.000,00-Rp 90.000,00 bagi pengguna minyak tanah, sedangkan pengguna kayu bakar menge-luarkan pengeluaran ≤ Rp 30.000,00.
Menurut Penelitian Nuryanti dkk. [3] Konsumsi kayu bakar yang cukup besar terutama di daerah pedesaan karena ketersediaan pasokan. Selain itu, harga ekonomi (economic price) yang hampir tidak ada dalam mendapatkan kayu bakar di pedesaan juga menjadi daya tarik tersendiri. kayu bakar terlihat mendominasi, yaitu sebesar 174.968,6 SBM pada tahun 1990, 186.351,6 SBM pada tahun 1995, 205.651,1 SBM pada tahun 2000 dan 217.463,2 SBM pada tahun 2003. Bahkan untuk kelompok rumah tangga kaya, konsumsi kayu bakar juga terlihat cukup besar. Pada tahun 2003 misalnya, konsumsi kayu bakar mendominasi semua kelompok rumah tangga.
▸ Baca selengkapnya: pembuatan senyawa gas mulia
(2)sintesis dengan komponen utama seperti hidrogen (H2), karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO2), metana (CH4), dan hidrokarbon ringan (CnHm) pada kondisi suhu tinggi [5].
2. Metode Penelitian
Gasifikasi adalah proses konversi biomass secara thermokimia menjadi gas yang memiliki nilai bakar (flammable gas) dengan cara oksidasi parsial pada temperatur tinggi. Gasifikasi dengan bahan bakubiomasspadat ini terjadi pada kondisi yang terisolasi dari udara sekitar (oksigen terbatas), ruangan tertutup, dan berada pada tekanan yang cukup terhadap tekanan ambient [6]. Gas-gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi umumnya berbentuk CO, CO2, H2dan CH4 yang kemudian gas- gas ini disebut SyngasatauSynthetic Gas. Nilai kalori dari gas hasil ini berkisar antara 1000- 1200 kcal.N/m3[7]. Bahan
bakar padat yang dimaksud adalah berupabiomass, batubara atau arang.
Gambar 1.Gasifier tipe downdraft [7]
Pada gasifier tipedowndraft, terdapat empat zona diurut dari bagian atasgasifierhingga bawah yaitu drying, pyrolisis, oxidation, dan reduction. Pada tipe ini bahan bakar (biomass) dan udara dimasukkan dari bagian atas gasifier melalui laluan hopper dan mengalir turun ke grate yang merupakan tempat abu [8].
tahap ini akan dijelaskan beberapa tahapan gasifikasi tipe downdraft. Berdasarkan penelitian [10] Proses tersebut meliputi:
1. Drying
Proses
drying
dilakukan untuk mengurangi kadar air (
moisture
) yang terkandung di dalam
biomass bahkan sebisa mungkin kandungan air tersebut hilang. Temperatur pada zona ini berkisar antara
100-250º C. Reaksi oksidasi yang terjadi pada reaktor menghasilkan energi panas yang cukup besar dan
menyebar ke seluruh bagian reaktor. Disamping itu kecepatan gerak media pengering turut
mempengaruhi proses
drying
yang terjadi
+ → + 2O (2.1)
2. Pyrolisis
Pyrolisis adalah dekomposisi thermo kimia dari biomassa menjadi berbagai produk yang bermanfaat. Selama pirolisis, molekul hidrokarbon kompleks biomassa terurai menjadi molekul yang lebih simple dan relatif lebih kecil seperti gas, cairan, dan char. Ini berlangsung pada suhu yang lebih besar dari 250-5000C
+ → ch + (2.2)
3. Gasifikasi(reduction)
zona utama untuk mendapatkan syngas. Proses reduksi adalah reaksi penyerapan panas (endoterm), yang mana temperatur keluar darigasyang dihasilkan harus diperhatikan. Pada proses ini terjadi beberapa reaksi kimia. Di antaranya adalahBourdouar reaction,steam-carbon reaction, water-gas shift reaction, dan CO methanation yang merupakan proses penting terbentuknya senyawa – senyawa yang berguna untuk menghasilkanflammable gas, sepertihydrogendan karbon monoksida. Proses ini terjadi pada kisaran temperatur 600 sampai 1000º C. Berikut adalah reaksi kimia yang terjadi pada zona tersebut :
Boudouard reaction
+ 2→ 2 (-164.9 MJ/kgmol) (2.3)
Steam-carbon reaction :
+ 2 → + 2 (-122.6 MJ/kgmol) (2.4)
water-gas shift reaction
CO + H2O = CO2+ H2 (+42,3 MJ/kgmol) (2.5)
methanation
+ 2 2→ 4 (+75 MJ/kgmol) (2.6)
+ 3 2→ 4+ 2 ( -205.9 MJ/kgmol) (2.7)
4. Oksidasi Parsial
Proses oksidasi adalah proses yang menghasilkan panas (eksoterm) yang memanaskan lapisan karbon di bawah. Proses ini terjadi pada temperatur yang relatif tinggi, umumnya 700-1500 ºC. Pada temperatur setinggi ini padagasifier downdraft, akan memecah substansi tar sehingga kandungan tar yang dihasilkan lebih rendah. Adapun reaksi kimia yang terjadi pada proses oksidasi ini adalah sebagai berikut :
+ 2→ 2 (+393 / ) (2.8)
Gambar 3.Tahapan dan distribusi suhu padaUpdraft gasifier[10]
Penelitian arry Y Nurhayati dkk [11]. yang menggunakan tongkol jagung dan sekam padi sebagai briket untuk industri kecil dan rumah tangga dinilai sangat membantu petani untuk menghasilkan tambahan uang dan membantu membuang limbah hasil pertanian dipedesaan. Dari hasil penelitiannya gas yang dihasilkan dengan komposisi nilai kalor, kadar air dan abu; CO, CO2 dan HC; serta distribusi suhu dan lamanya api yang keluar. Penelitian ini juga ikut mempromosikan energi yang berkelanjutan serta mengurangi perubahan iklim.
Equivalence ratio (ER) adalah salah satu parameter penting dalam proses gasifikasi sehingga ER berdampak pada kualitas dan kuantitassyngasyang diproduksi. Dampak dari ER seperti komposisi
syngas,heating value, dan kandungantar[12]. ER dalam proses gasifikasi menggunakan udara dengan jumlah yang terbatas. ER yang terlalu tinggi maupun terlalu rendah menimbulkan beberapa permasalahan. Jika ER terlalu kecil maka produk charbertambah, produksi syngas yang kecil, serta
heating valueyang rendah. Sebaliknya pada ER yang tinggi dimana penggunaan jumlah udara yang besar maka meningkatkan komposisi gas CO2dan H2O dikarenakan semakin mendekati pembakaran
sempurna. Kehadiran gas CO2 dan H2O mengakibatkan prosentase flammable gasCO dan H2turun
sehingga heating value nya turun pula. ER pada proses gasifikasi biasanya berkisar antara 0.2-0.3. Semakin tinggi nilai ER maka jumlah udara yang dimasukkan ke dalam gasifier semakin besar.
Equivalence ratiodihitung berdasarkan jumlah aktual udara/bahan bakar yang dimasukkan kegasifier
dibagi jumlah udara/bahan bakar stokiometri. Pada penelitian ini variasi ER dilakukan dengan memvariasikan putaranblowermenggunakandimmersehingga ṁ udara yang memasuki gasifier akan berbeda.Rumus ER yaitu [9].
CαHβOγ+(α + - ) (O2+ 3.76 N2) atau
CO2+ H2O +3.76 ( + - ) N2 (2.11)
̇
̇ ℎ = 4,76 + + (2.12)
A/Fstoic = air – fuelratiostoikiometri
MW air = Molecular weight air (28,85)
MW fuel = Molecular weight fuel (98,38)
3. Hasil Penelitian dan Pembahasan
Metode yang dipakai dalam pengujian ini adalah menggunakan gasifikasi tipe downdraft dengan biomassa sekam padi. Dengan kapasitas reaktor 10 kg memungkinkan gas yang dihasilkan raktor lebih lama jika perbandingan antara udara dan biomassa sesuai. Sebelum pengujian dilakukan terlebih dahulu reaktor dipanasi dengan durasi waktu 5 menit. Pada saat pemanasan awal reaktor dibiarkan terbuka serta blower tekan dihidupkan, artinya suplai udara untuk memanasi reaktor akan lebih cepat temperatur menyebar keseluruh reaktor. Pembakaran yang ada didalam reaktor adalah pembakaran biasa dengan tekanan udara tidak diatur. Pengujian dilakukan dilaboratorium teknik mesin politeknik negeri indramayu. Untuk pengujian sendiri dilakukan pada sore atau malam hari dengan tujuan gas yang keluar bisa terlihat dengan baik.
Gambar 4. Alat pengujian
Keterangan
1. Blower tekan
2. Manometer U
3. Reaktor Gasifikasi
4. Cyclone
5. Water scrubber
6. Pompa air
7. Pompa hisap
3.1. Proses Pengambilan Syngas
Menurut penelitian P. Punnarapong dkk [12] Bahan bakar gas dari gasifikasi biomassa bisa menjadi alternatif yang baik dan mampu menggantikan LPG untuk proses panas di industri manufaktur keramik. Pemanas dari LPG dimodifikasi dan diubah dengan syngas dari biomassa untuk digunakan sebagai pemanas termal. Pembakar premix yang dimodifikasi ternyata mampu bekerja dengan baik dengan gas dari biomassa sebagai bahan bakar, yang dapat memberikan daya termal pada kisaran 30-40 kW. Temperatur api pada saat keluar 1050-1200°C tergantung pada ekuivalensi ratio. Pengaruh dari perbadingan udara dan bomassa sangat penting untuk mendapatkan syngas yang baik.
Gambar 5. Pengambilan syngas
Hasil akhir dari sebuah gasifikasi biomassa adalah gas yang mudah terbakar/(flamable gas). Gas yang keluar dari alat blower hisap menuju saluran alat pengatur tekanan sehingga gas yang keluar bisa dikontrol (valve). Alat pengontrol tersebut juga dapat berfungsi sebagai pengatur gas yang keluar dari blower hisap apakah gas atau asap biasa. Gas yang keluar dari blower hisap akan hubungkan dengan selang/hose menuju kompor masak tanpa melalui tabung gas (metode langsung) yang tekanan gas tersebut berasal dari blower hisap.
3.2. Distribusi temperatur reaktor
Gambar 7. Distribusi temparatur reaktor
Pada gambar 7 diatas yaitu termokopel 1 (T1) memiliki temperatur sampai 70oC, mengindikasikan
bahwa termokopel 1 merupakan permulaan zona drying, dimana kandungan moisture yang dimiliki sekam padi dihilangkan melalui proses penguapan atauevaporasi. Sementara untuk termokopel 2 (T2)
memiliki temperatur hingga 232oC hal ini mengindikasikan bahwa, T2ini akan masuk pada zonapirolysis
sesuai dengan keterangan diatas zonapirolysismemasuki temperatur 30oC-800oC, dimana biomassa
yang mengalami pemanasan terus–menerus, diharapkan mampu menghilangkan kandungan volatile
biomassa. Sedangkan pada termokopel 3 (T3), fenomena distribusi temperatur yang terjadi memiliki
rentang temperatur yang sama, hanya saja terdapat pada termokopel 3 (T3) temperatur yang terjadi
lebih tinggi yaitu 800oC daripada T3, semakin tinggi ER maka semakin cepat pula daya hisap blower
sehingga proses terjadinya pembakaran didalam reaktor lebih cepat. Sedangkan pada termokopel 4 (T4) temperatur yang terjadi lebih tinggi yaitu 900oC. Pada temperatur 5 (T5) memiliki temperatur yang
rendah, yaitu temperatur gas yang akan dihisap oleh blower hisap. Pada pembacaan terlihat memiliki temperatur 120oC.
3.3. Lama gas keluar pada proses pengujian
Gambar 8.Perbandingan keluaran gas
Pengujian waktu keluaran syngas ini dilakukan saat merebus air dalam 1 liter, dimana waktu yang dibutuhkan dari awal hingga air mendidih dengan suhu awa 270C. Hasil pengujian menunjukkan
perbandingan memasak air meggunakan elpiji dan syngas dengan perbedaan waktu yang signifikan. Memasak air menggunakan elpiji memerlukan waktu 5 menit, sedangkan memasak air dengan menggunakan syngas memerlukan waktu 13 menit. Ini menunjukkan komposisi kimia dari metana dan butana yang ada pada elpiji sangat tinggi dan panas yang dihasilkan cukup besar, sedangkan komposisi kimia pada syngas CH4sebesar 1,42277% H2sebesar 5,19365%, N2sebesar 41,19869%.
4. Kesimpulan
disalurkan pada kompor masak. Hasil akhir pengujian syngas pada kompor bisa masuk dan bisa dipakai untuk memasak air hingga mendidih. Akan tetapi bila dibandingkan dengan menggunakan elpiji hasilnya akan lebih baik elpiji. Tetapi dalam hal pengeluaran keuangan dan kebersihan lebih baik menggunakan gas dari biomassa. Kendala pada pengujian ini adalah gas tidak bisa dimasuk kedalam tabung elpiji dengan dengan alasan tekanan kompresor kurang memadai.
Referensi
[1]. Sudarmanta. B, dkk, ”Karakterisasi Gasifikasi Biomassa Sekam Padi Menggunakan Reaktor Downdraft dengan Dua Tingkat Laluan Udara “Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM)
ke- 8 Semarang, 2009.
[2]. Krisnatuti Pranadji. D dkk, “Analisis Perilaku Penggunaan LPG Pada Rumah Tangga di Kota Bogor.”Jur. Ilm. Kel. & Kons ISSN: 1907 - 6037 Vol. 3, No. 2, pp.1907 – 6037, 2010.
[3]. Nuryanti dkk, “Analisa Karakteristik Konsumsi Energi Pada Sektor Rumah Tangga di Indonesia “.
Seminar Nasional III SDM TEKNOLOGI NUKLIR). ISSN 1978-0176 YOGYAKARTA, 2007. [4]. C. Lertsatitthanakorn, J. Jamradloedluk and M. Rungsiyopas, ” Study of Combined Rice Husk
Gasifier Thermoelectric Generator,”Energy Procedia52, 2014, pp. 159 – 166. [5]. Alamsyah. R, dkk.”An Experimental Study on Synthetic Gas (Syngas) Production
Through Gasification of Indonesian Biomass Pellet,”Energy Procedia 65, 2015, pp. 292 – 299. [6]. Tian Li, Yanqing Niub, Liang Wang, Terese Løvåsa,” Gasification of high heating-rate
biomass-derived chars at elevated temperatures”Energy Procedia 105. 2017, pp. 642 – 647.
[7]. Elmar Steurer, Georg Ardissone. “Hydrothermal Carbonization and Gasification Technology for Electricity Production using Biomass,” Energy Procedia 79, 2015, pp. 47 – 54.
[8]. Gnanendra P.M & Rajan N.K.S.” Experimental Study on Performance of Downdraft Gasifier Reactor under varied ratios of Secondary and Primary air flows”Energy Procedia 90, 2016, pp. 38 – 49.
[9]. Bhavanam,A. dan Sastry,R.C. “BiomassGasification Processes in Downdraft Fixed Bed Reactors: A Review”,International Journal of Chemical Engineering and Applications., Vol. 2, No. 6. 2017 [10]. Tamam, Z,”Karakterisasi Unjuk Kerja Mesin Diesel Generator Set sistem Dual fuel Solar dan
syngas Batubara,” Tesis Magister, 2014, ITS Surabaya.
[11]. Arry Y Nurhayati dkk.” Endeavoring to Food Sustainability by Promoting Corn Cob and
Rice Husk Briquetting to Fuel Energy for Small Scale Industries and Household Communities”
Agriculture and Agricultural Science Procedia 2016,pp.386 – 395.
[12]. Vladimirs Kirsanovs, Dagnija Blumberga, Mikelis Dzikevics, Alexandrs Kovals,” Design Of experimental Investigations On The Effect Of Equivalensi Ratio, fuel Moisture Content And Fuel Consumption On Gasification Process,”Energy Procedia 2016, pp.189–194.
![Gambar 2. Perbandingan udara-biomassa [9]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2925502.1701348/2.595.192.404.213.442/gambar-perbandingan-udara-biomassa.webp)
![Gambar 3. Tahapan dan distribusi suhu pada Updraft gasifier [10]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2925502.1701348/4.595.146.418.74.274/gambar-tahapan-dan-distribusi-suhu-pada-updraft-gasifier.webp)
