KARAKTERISTIK KONVENSIONAL UPDRAFT GASIFIER
DENGAN MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR KAYU KARET
MELALUI PENGUJIAN VARIASI FLOW RATE UDARA
SKRIPSI
KURNIAWAN
0706267143FAKULTAS TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
DEPOK JANUARI 2012
KARAKTERISTIK KONVENSIONAL UPDRAFT GASIFIER
DENGAN MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR KAYU KARET
MELALUI PENGUJIAN VARIASI FLOW RATE UDARA
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik
KURNIAWAN
0706267143FAKULTAS TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
DEPOK JANUARI 2012
Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk
telah saya nyatakan dengan benar
Nama : Kurniawan
NPM : 0706267143
Tanda Tangan : 16 Januari 2012
Skripsi ini diajukan oleh :
Nama : Kurniawan
NPM : 0706267143
Program Studi : Teknik Mesin
Judul Skripsi : Karakteristik Konvensional Updraft Gasifier dengan Menggunakan Bahan Bakar Kayu Karet Melalui Pengujian Variasi Flow Rate Udara
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian dari persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Indonesia
DEWAN PENGUJI
Pembimbing : Dr. Ir. Adi Surjosatyo., M.Eng ( ) Penguji : Prof. Dr. I Made K Dhiputra Dipl.-Ing ( ) Penguji : Agus S. Pamitran, M.Eng., Ph.D ( )
Ditetapkan di : Depok (Universitas Indonesia)
Alhamdulillah saya panjatkan rasa syukur ini kepada Allah SWT, Tuhan semesta alam, sang raja dari segala raja, atas berkat dan rahmat-Nya sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Tidak lupa pula bimbingan nabi besar Muhammad SAW yang telah membawa bangsa ini ke zaman yang terang yang penuh dengan ilmu pengetahuan yang membawa manusia menuju keindahan. Penulisan skripsi ini dibuat untuk memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin di Fakultas Tenik Universitas Indonesia. Dalam penulisan skripsi ini saya ingin berterima kasih ke beberapa pihak, yaitu :
1. Yusni Abdullah (papa), Rismawati (mama), Dedi Apriadi (kakak), dan Trinopa handayani (ayuk) dan keluarga saya yang lainya yang tidak henti-hentinya memberikan doa, dukungan, dan semangat sehingga memacu penulis untuk memberikan yang terbaik pada skripsi ini.
2. Dr. Ir. Adi Surjosatyo., M.Eng, selaku dosen pembimbing yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan skripsi dimana penelitian ini merupakan bagian dari riset strategis nasional UI.
3. Ir. Agung Subagio Dipl.-Ing, selaku dosen yang bersedia menolong saya
dalam mengatasi masalah akademik yang saya alami selama melakukan penelitian ini.
4. Fajri Vidian, S.T., M.T., selaku asisten dosen pembimbing dan juga rekan penelitian yang telah membantu jalannya penelitian dan penyusunan skripsi ini dan skripsi ini merupakan bagian dari penelitian Disertasi S3 beliau.
5. Aulia Sabrina yang senantiasa mendoakan dan menghibur saya dari kepenatan selama menyelesaikan skripsi ini.
6. Mas Suryadi yang telah bersedia membatu dan menyediakan peralatan selama pengujian di lab gasifikasi FTUI depok
7. M.isa, Jibril, Weko, Daniel, Oki, Reda, Nanda, Wira, Azmi, Riza, dan Tian
yang selalu siap membantu dan memberikan masukan-masukan yang berharga.
9. Teman-teman 2008, Ardhan Humala G, Guswendar Rinovianto, Irvan Nurtanto, Priza Karunia, Arya Yuwana, Eggi Ikhsan yang selalu siap membantu saya dalam setiap proses pengujian
Akhir kata, saya berharap Tuhan YME berkenan membalas segala kebaikan semua pihak yang telah membantu dan semoga skripsi ini membawa manfaat bagi pengembangan ilmu.
Depok, Desember 2011
Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Kurniawan
NPM : 0706267143
Program Studi : Teknik Mesin Departemen : Teknik Mesin Fakultas : Teknik Jenis karya : Skripsi
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty- Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul :
KARAKTERISTIK KONVENSIONAL UPDRAFT GASIFIER DENGAN MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR KAYU KARET MELALUI
PENGUJIAN VARIASI FLOW RATE UDARA
beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalih media /formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan memuplikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di : Depok Pada tanggal :
Yang menyatakan
Nama : Kurniawan Program Studi : Teknik Mesin
Judul : Karakteristik Konvensional Updraft Gasifier dengan Menggunakan Bahan Bakar Kayu Karet Melalui Pengujian Variasi Flow Rate Udara
Penggunaan bahan bakar fosil hampir berbanding lurus dengan kemajuan peradaban manusia. Dengan semakin berkembangnya teknologi dan perindustrian, hal tersebut membuat semakin menipisnya persediaan bahan bakar fosil yang menjadi sumber energi utama dunia. Oleh karena itu dibutuhkan alternatif sumber energi baru untuk menunjang ketersediaan energi di masa depan yang murah, aman, dan bersih. Gasifikasi adalah salah satu solusi energi alternatif dimana dalam prosesnya terjadi perubahan bahan bakar padat (biomassa) menjadi gas secara termokimia. Dengan memanfaatkan panas dari reaksi pembakaran, maka akan terbentuk reaksi reduksi, pirolisis, dan drying (pengeringan) yang akan menghasilkan gas CO, H2, CH4, CO2, dan N2 yang dapat digunakan sebagai
sumber energi. Dalam penelitian ini akan dicari pengaruh flow rate udara 50, 64, dan 90 lpm terhadap kinerja gasifikasi updraft serta karakteristik yang terjadi dengan menggunakan bahan bakar kayu karet. Hasil dari pengujian tersebut menunjukan bahwa terjadinya peningkatan nilai ER sebesar 0,2 – 0,32 dan efisiensi gasifier sebesar 56 – 76% setiap kenaikan flow rate udara pengujian. Sedangkan pada gas bakar, CO dan H2 terus bertambah ketika suhu meningkat
namun CH4 akan mengalami penurunan persentase saat ER > 0,26.
Kata Kunci:
Name : Kurniawan
Major : Mechanical Engineering
Title : The Characteristic of Conventional Updraft Gasifier Using a Rubber Wood as a Fuel Through the Testing of Variation Flow Rate of Air
The using of fossil fuel is almost directly proportional to the advancement of human civilization. With the development of technology and industry, it makes fossil fuel supplied which known as a world’s major energy source is decreased. Therefore, a new source of alternative energy which it’s cheap, safe, and clean is needed to be found to support the availability of energy in the future. Gasification is one of the alternative solution energy which can change the solid fuels into gases by the thermochemical process. By utilizing the heat from the combustion reaction, it will form reduction, pyrolysis, and drying reaction then it will produce gases of CO, H2, CH4, CO2, and N2 which can be used as an energy source. This
research will look for the influence of flow rate of air at 50, 64, and 90 lpm of updraft gasification performance and also the characteristic that occur when rubber wood is used as a fuel. The result of the tests showed that there is an increasing of ER values from 0,2 to 0,32 and also the gasifier efficiency from 56 to 76 % because the increasing of flow rate of air. While on the gas fuel, CO and H2 continue to grow when the temperature increase but CH4 will decline when ER
> 0,26.
Keywords:
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
KATA PENGANTAR ... v
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vii
TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vii
ABSTRAK ... viii BAB 1 PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 2 1.3 Tujuan Penelitian ... 3 1.4 Pembatasan Masalah ... 3 1.5 Metodologi Penelitian ... 4 1.6 Sistematika Penulisan ... 5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Pengertian Teknologi Gasifikasi ... 6
2.1.1 Sejarah Teknologi Gasifikasi ... 6
2.1.2 Jenis-jenis Alat Gasifikasi ... 8
2.1.3 Nilai Kalor (Heating Value) ... 13
2.1.4 Proses-proses Pada Alat Gasifikasi ... 14
2.2 Biomassa ... 18
2.2.1 Kayu Karet ... 19
2.3 Perhitungan Dasar Gasifikasi ... 22
2.3.1 Perhitungan Kesetimbangan Massa (mass balance) ... 22
2.3.2 Laju Aliran Udara Gasifikasi ... 24
BAB 3 METODOLOGI DAN PENELITIAN ... 32
3.1 Skematik Alat Pengujian ... 33
3.2 Metodologi Pengujian ... 35
3.2.1 Persiapan Pengujian ... 35
3.2.2 Prosedur Pengujian ... 41
3.2.3 Prosedur Pengukuran dan Perhitungan Hasil Pengujian ... 43
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 46
4.1 Kondisi Peralatan Selama Pengujian ... 46
4.1.1 Sambungan Pada Gasifikasi Updraft ... 46
4.1.2 Tutup Gasifikasi Updraft ... 47
4.1.3 Pipa Saluran Syngas ... 47
4.2 Laju Bahan Bakar ... 48
4.3 Distribusi Suhu pada Gasifikasi Updraft ... 49
4.3.1 Distribusi Suhu pada ∆h Manometer U 2 mm (50 lpm) ... 50
4.3.2 Distribusi Suhu pada ∆h Manometer U 4 mm (64 lpm) ... 52
4.3.3 Distribusi Suhu pada ∆h Manometer U 6 mm (90 lpm) ... 54
4.4 Flow rate Udara dan Syngas ... 58
4.5 Kesetimbangan Massa... 59
4.6 Ekuevalensi Rasio (ER) ... 60
4.7 Persentase Syngas Mampu Bakar ... 62
4.8 Nilai Panas Bahan Bakar dan Daya ... 63
4.9 Karakteristik dan Efisiensi Sistem Gasifikasi Updraft ... 64
5.2 Saran ... 69 DAFTAR PUSTAKA ... 70 LAMPIRAN ... 71
Gambar 2.1 Bus dengan sistem gasifikasi pada perang dunia kedua... ..8
Gambar 2.2 Skematik pemanasan pada gasifikasi unggun terfluidisasi .... ..9
Gambar 2.3 Dua jenis entrained-flow recktor ... 10
Gambar 2.4 Updraft Gasifier ... 11
Gambar 2.5 Zona gasifikasi pada downdraft gasifikasi ... 12
Gambar 2.6 Pirolisis pada partikel biomassa ... 16
Gambar 2.7 Segitiga api ... 17
Gambar 2.8 Macam-macam konversi biomassa ... 19
Gambar 2.9 Proses pengambilan getah karet ... 20
Gambar 2.10 Efisiensi karbon terhadap ER pengujian ... 24
Gambar 2.11 Aliran energi masuk dan keluar gasifier ... 25
Gambar 2.12 Mekanisme kerja orifis ... 30
Gambar 3.1 Proses pelapisan reaktor dengan ceramic fiber ... 32
Gambar 3.2 Penutup reaktor ... 33
Gambar 3.3 Skematik instalasi gasifikasi updraft ... 34
Gambar 3.4 Potongan kayu karet yang baik ... 35
Gambar 3.5 Pelat orifis dengan diameter 2 cm ... 36
Gambar 3.6 Manometer U ... 37
Gambar 3.7 Timbangan digital DJ602C ... 37
Gambar 3.8 Satu paket modul Advantech USB-4718 ... 38
Gambar 3.9 Termokopel tipe K ... 40
Gambar 3.10 Kegiatan saat akan melakukan pengujian ... 41
Gambar 3.11 Pengambilan data suhu dengan bantuan modul DAQ... 43
Gambar 3.12 Contoh perubahan ketinggian cairan pada manometer ... 44
Gambar 3.13 Pengambilan arang panas ... 44
Gambar 3.14 Proses pengambilan syngas ... 45
Gambar 4.1 Endapan tar pada pipa saluran syngas gasifikasi updraft ... 48
Gambar 4.2 Laju bahan bakar tiap flow rate udara pengujian ... 49
Gambar 4.3 Kondisi arang yang tersisa ……... ……….... 49
Gambar 4.7 Pengaruh flow rate udara terhadap suhu ... 56
Gambar 4.8 Suhu berdasarkan ketinggian reaktor ... 58
Gambar 4.9 Flow rate udara aktual dan syngas ... 59
Gambar 4.10 Perbandingan massa udara dan syngas ... 60
Gambar 4.11 ER pada terhadap flow rate udara pengujian ... 61
Gambar 4.12 Persentase gas bakar terhadap flow rate udara pengujian ... 62
Gambar 4.13 LHV gas pada setiap flow rate udara pengujian ... 63
Gambar 4.14 Distribusi daya pada setiap flow rate udara pengujian... 64
Tabel 2.1 Kandungan tar pada gasifikasi ... 13
Tabel 2.2 Kandungan air pada bahan bakar biomassa ... 15
Tabel 2.3 Analsis proximate dan ultimate pada kayu karet... 21
1.1 Latar Belakang
Indonesia merupakan negara yang memiliki letak yang sangat strategis dan kaya dengan sumber daya alam yang sudah terkenal sejak jaman penjajahan. Jumlah penduduk yang lebih dari 200 juta orang dengan laju pertumbuhan ekonomi yang terus meningkat sejak peristiwa reformasi 1998, membuat Indonesia menjadi salah satu pangsa pasar yang cukup berpotensi untuk dikembangkan sehingga memicu pihak asing untuk berlomba-lomba menanamkan modalnya di sini. Hal tersebut tentu saja merupakan kabar baik untuk masyarakat Indonesia, disamping dapat mengurangi pengangguran, penanaman modal tersebut juga dapat menambah pendapatan negara, memodernisasikan masyarakat, dan menciptakan tenaga-tenaga profesional yang handal dan berpengalaman. Munculnya industri-industri asing yang tidak dimbangi dengan pelestarian alam akan memicu kerusakan pada ekosistem lingkungan. Umumnya industri-industri besar banyak menggunakan bahan bakar minyak dan gas (bahan bakar fosil) sebagai sumber energi untuk industri mereka yang merupakan salah satu penyumbang terbesar polusi udara di dunia. Tentu saja apabila kegiatan itu terus berlanjut akan mengakibatkan habisnya sumber energi alam dan semakin memperparah efek pemanasan global dunia. Oleh karena itu dibutuhkan sumber energi alternatif yang murah dan cocok untuk diterapkan di Indonesia.
Gasifikasi updraft adalah salah satu solusi untuk menjaga kelestarian alam dan ketersediaan sumber energi alam yang sulit diperbarui (bahan bakar fosil). Alat ini sangat cocok dengan Peraturan Presiden Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional yang intinya adalah mencari sumber energi terbarukan sebagai sumber energi alternatif baru di Indonesia yang murah, aman, dan ramah lingkungan. Pengembangan gasifikasi di Indonesia akan memberikan keuntungan ganda dalam penerapannya yaitu disamping sebagai alternatif sumber energi, gafikasi updraft juga dapat mengurangi limbah lingkungan yang berlimpah di Indonesia, dan juga dapat membatu pemerintah
dalam menyediakan sumber energi listrik di daerah-daerah terpencil yang tidak terjangkau PLN karena sistem instalasinya yang murah dan mudah. Sumber energi pada alat ini berasal dari limbah lingkungan (kayu/ranting pohon), industri (ampas gergaji), dan pertanian (batok kelapa, sekam padi) yang cukup mudah ditemukan di Indonesia. Alat ini bekerja dengan mengubah bahan bakar padat menjadi kimia secara thermokimia dengan memanfaatkan ruang bakar tertutup untuk memberikan konsentrasi proses oksidasi yang baik sehingga dapat mencapai suhu yang tinggi (>1000oC) dan pengapian yang sempurna pada burner. Suhu tesebut digunakan untuk mengubah material berkarbon menjadi gas mampu bakar (syngas) seperti CO, H2, dan CH4 dengan kadar CO2 yang lebih rendah
1.2 Rumusan Masalah
Penelitian ini menginginkan sebuah proses oksidasi yang baik pada reaktor gasifikasi agar material berkarbon (dalam pengujian ini adalah kayu karet) dapat menghasilkan gas mampu bakar yang efektif dan bersih. Suhu yang tinggi (>1000oC) menjadi salah satu parameter penting untuk menghasilkan gas mampu bakar (CO, H2, dan CH4) yang bersih sebagai produk utama penelitian. Suhu yang
bervariasi yang terjadi pada alat gasifikasi updraft akan membentuk zona proses gasifikasi yang berbeda-beda sesuai dengan ketinggian alat sehingga akan memengaruhi proses reaksi yang terbentuk dan kemudian akan dianalisa pengaruhnya terhadap besar energi yang dihasilkan.
Pada penelitian ini akan dianalisa pengaruh flow rate udara yang masuk terhadap ketahanan api di burner dengan memanfaatkan perbedaan tinggi fluida pada manometer yang tersambung dengan orifis. Orifis adalah salah satu alat pengukur tekanan fluida yang menggunakan prinsip hukum Bernoulli yang memanfaatkan perbedaan kecepatan fluida ketika masuk ke dalam pipa yang diberi sekat berlubang yang memiliki diameter yang berbeda dengan pipanya. Pada penelitian ini juga akan dianalisa pengaruh udara terhadap jumlah dan konsentrasi tar yang terbentuk saat pengoperasian alat gasifikasi updraft. Banyak dan tingginya kandungan tar yang terbentuk dapat menunjukkan seberapa besar efektifitas alat gasifikasi updraft dalam mereaksikan material berkarbon (kayu karet) menjadi bahan bakar gas.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mencari mekanisme pengoperasi yang tepat untuk mendapatkan gas yang bersih dan efektif
2. Mencari karakteristik alat uji gasifikasi updraft dengan melakukan pengujian yang berulang pada flowrate udara yang berbeda-beda.
3. Mencari kestabilitas gas mampu bakar operasional. 4. Membandingkan suhu yang terjadi pada ∆h yang berbeda.
5. Menghitung jumlah bahan bakar, laju aliran gas dan udara, distribusi suhu, dan sisa pembakaran yang terbentuk
6. Mencari posisi zona gasifikasi yang terbentuk pada gasifikasi updraft dan kemudian menganalisa fenomena dan reaksi yang terjadi.
1.4 Pembatasan Masalah
Terdapat beberapa batasan dalam maslah yang diangkat dalam penelitian ini. Hal ini bertujuan agar penelitian dapat terencana dan terarah degan baik. Berikut beberapa batasan yang ditetapkan:
1. Menggunakan blower 1.630 liter/menit (max) sebagai alat penghembus udara ke dalam reaktor gasifikasi updraft.
2. Menggunakan 12 titik termokopel pada reaktor gasifikasi updraft untuk mencari posisi zona pembakaran yang terbentuk dan satu termokopel di leher burner untuk mencari suhu gas bakar.
3. Melakukan pengujian dengan menggunakan tiga variasi ∆h flow rate udara pada manometer yaitu 2, 4, dan 6 mm.
4. Diasumsikan tidak terjadi kebocoran udara dan gas pada saat pengujian dilakukan.
5. Tar yang terbentuk ketika oksidasi berlangsung tidak digolongkan sebagai sisa oksidasi tetapi hasil reaksi oksidasi.
1.5 Metodologi Penelitian
Metodologi yang digunakan pada penelitian antara lain adalah sebagai berikut:
1. Studi Literatur
Studi Literatur merupakan proses pembelajaran yang berkaitan dengan materi-materi yang akan menjadi bahasan dalam penulisan serta penelitian. Studi Literatur berasal dari beberapa sumber antara lain: buku-buku, jurnal, dan situs-situs internet
2. Persiapan instalasi alat
Sebelum pengujian berlangsung, maka harus dilakukan persiapan alat agar proses pengujian efektif dan akurat. Persiapan ini mencangkup pengkalibrasian alat ukur untuk menghindari perhitungan data yang tidak sesuai dengan teori dan literatur. Kemudian mencari susunan instalasi alat dan pengoprasian yang tepat agar energi yang dihasilkan efektif.
3. Pengujian alat gasifikasi updraft
Pengujian dilakukan dengan mengukur suhu yang terjadi pada beberapa titik di reaktor gasifikasi updraft dengan menggunakan termokopel yang telah terintegrasi dengan software DAQ. Selanjutnya akan dilakukan pengujian berulang-ulang pada ∆h yang sama sampai mendapatkan data yang akurat dan setelah itu berlanjut ke ∆h berikutnya.
4. Analisa dan Kesimpulan Hasil Pengujian
Dari proses pengujian akan diperoleh hasil berupa data yang berikutnya diolah menjadi grafik. Dari grafik tersebut dilakukan analisa serta perbandingan dengan data-data lainnya untuk melihat fenomena yang terjadi pada sistem alat gasifikasi updraft.
1.6 Sistematika Penulisan
Dalam penyusunan tugas akhir ini, penulis akan membagi dalam lima bab, yang masing-masing terdiri dari sub bab. Hal tersebut dimaksudkan untuk memudahkan dan mengarahkan pembahasan agar didapatkan informasi secara menyeluruh. Kerangka penulisan tersebut diuraikan sebagai berikut:
BAB I PENDAHULUAN
Bagian ini berisi latar belakang yang melandasi penulisan skripsi, perumusan masalah, tujuan dari dilakukannya penelitian ini, pembatasan dari beberapa masalah supaya penelitian ini lebih terencana dan terarah, dan sistematika penulisan dari penelitian ini.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bagian ini berisi tentang beberapa dasar teori yang merupakan landasan dari penelitian ini, seperti penjelasan tentang definisi biomassa gasifikasi updraft, hukum Bernoulli dan sifat-sifat fluida, cara pengukuran fluida, dan reaksi stokiometri yang terjadi pada gasifikasi updraft.
BAB III METODOLOGI DAN PENELITIAN
Bagian ini berisi tentang cara pengambilan data, daftar alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, skematik alat pengujian, dan prosedur penelitian.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Bagian ini berisi tentang analisa dari data dan grafik dari pengujian alat gasifikasi updraft yang telah dilakukan.
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
Bagian ini berisi tentang kesimpulan apa yang bisa diambil dari pengujian yang telah dilakukan dan apabila ada kekurangan-kekurangan, saran apa yang harus diberikan untuk mengatasinya.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Teknologi Gasifikasi
Gasifikasi adalah proses kimia yang memanfaatkan sedikit oksigen untuk menghasilkan gas yang mampu bakar yang berasal dari material berkarbon. Karena proses ini merupakan konversi material yang mengandung karbon, maka semua hidrokarbon seperti batubara, petroleum coke atau petcoke, dan biomassa dapat digasifikasikan. Proses ini melalui beberapa proses kimia dalam reaktor gasifikasi (gasifier). Mula-mula bahan bakar yang sudah diproses secara fisis diumpankan ke dalam reaktor dan akan mengalami proses pemanasan sampai suhu reaksi kemudian akan terjadi proses pirolisa (menjadi bara api) kecuali bahan pengotor. Bahan bakar bersama-sama dengan oksigen dikonversikan menjadi hidrogen, karbon monoksida dan metana.
2.1.1 Sejarah Teknologi Gasifikasi
Dalam sejarah manusia, penemuan api merupakan salah satu langkah awal perkembangaan peradaban manusia. Peristiwa ini mendorong kemajuan dibidang sosial, pertahanan, ilmu pengetahuan, dan perindustian yang bahkan sampai saat ini masih terus berkembang. Bukti penggunaan api sebagai salah satu kebutuhan manusia dapat dilihat pada penggunaan kayu untuk memasak dan memanaskan ruangan yang sudah dilakukan oleh manusia sejak dulu. Bukti lain juga tertulis dalam kisah mitologi Prometheus yang mencuri api dari dewa untuk diberikan kepada manusia. Tingginya kebutuhan manusia terhadap pemanfaatan energi yang berasal dari api telah mendorong terciptanya sistem pengapian yang baik untuk terus menunjang kehidupan mereka, dan salah satunya adalah gasifikasi.
Gasifikasi merupakan sebuah teknologi kuno yang sudah dipakai oleh manusia sejak dulu (4000 tahun sebelum masehi). Teknologi ini biasanya digunakan untuk tungku api pada peleburan besi, memasak, dan digunakan pada beberapa sistem mekanik sederhana. Dalam perkembangannya, gasifikasi telah
mengalami beberapa fase perubahan, beberapa peristiwa tersebut diantaranya adalah :
Pada abad ke 16, Thomas Shirley melakukan ekperimen terhadap “carbureted hydrogen atau sekarang dikenal dengan nama methan. Lalu dilanjutkan dengan Dean Clayton yang melakukan ekperimen pirolitik terhadap batubara untuk membuat gas.
Pada abad ke 17, Robert Gardner mendapatkan paten pertama atas gasifikasi. Kemudian Murdoc berhasil menggunakan gas producer dari batubara untuk menerangi rumahnya dan diikuti dengan penggunaan batubara untuk memasak dan menghangatkan ruangan selama beberapa tahun.
Pada abad ke 18, terjadi pengembangan gas producer yang menggunakan minyak sebagai bahan bakar, berdirinya gasifier komersial yang pertama di perancis, dan keberhasilan gasifier sebagai mesin dari power generation. kemudian Lampodium berhasil membuktikan kemungkinan penggunaan gas buang dari arang. Kemudian diikuti oleh Fourcroy yang menemukan gas air dari reaksi air dengan karbon panas.
Pada abad ke 19, mulai adanya peran mesin gasifikasi sebagai sumber energi, penggunaan gasifikasi dalam perang nazi Jerman, dan mulai muncul mesin gasifikasi dengan ukuran kecil untuk kendaraan. Pada tahun 1950, gasifikasi mulai kehilangan pamor karena banyak menimbulkan masalah lingkungan.
Pada abad ke 20, gasifikasi sudah dianggap sebagai teknologi yang kuno yang cukup merusak lingkungan dan menjadi kurang diminati akibat isu global warming dan juga masalah politik yang yang mewajibkan setiap negara untuk mengendalikan besar polusi yang dikeluarkan.
Gambar 2.1 Bus dengan sistem gasifikasi pada perang dunia kedua (sumber : www.woodgass.com/history.htm)
Pada dasarnya sistem di gasifikasi akan menghasilkan gas mampu bakar yang cukup pekat dan dapat mencemarkan udara namun apabila gas mampu bakar tersebut berasal dari tumbuhan (kayu, ranting, daun) dan kemudian dibakar, maka akan dihasilkan energi yang cukup besar ditambah lagi dengan banyaknya penemuan dan modifikasi baru pada gasifikasi yang mampu mengurangi tingkat polutan menjadi lebih kecil bila dibandingkan dengan bahan bakar fosil.
2.1.2 Jenis-jenis Alat Gasifikasi
Perkembangan teknologi gasifikasi tidak hanya terpaku pada ukuran reaktor maupun bahan bakar yang digunakan saja tetapi juga pada sifat fluida yang terjadi selama proses gasifikasi berlangsung. Beberapa kategori alat gasifikasi diantaranya adalah :
Berdasarkan mode fluidisasi.
Berdasarkan arah aliran. A. Berdasarkan mode fluidisasi
Berdasarkan mode fluidisasi, alat gasifikasi dibagi menjadi tiga, yaitu : 1. Gasifikasi unggun bergerak (Moving bed gasifiers)
Pada alat gasifikasi tipe ini, umumnya bahan bakar dimasukan dari atas sampai penuh. Kemudian diberi hembusan oksigen pada bagian bawah untuk proses oksidasi. Terdapat jaring atau sekat pemisah antara bahan bakar dan ruang pasokan udara agar udara dapat terus mengalir (tidak tertutup abu). Pada saat oksidasi terjadi, bahan bakar tersebut akan semakin menipis akibat adanya perubahan material padat menjadi gas sehingga lama-kelamaan bahan bakar akan turun ke bawah. Sisa oksidasi yang tidak menjadi gas akan berubah menjadi air, tar dan abu. Air dan tar dapat keluar pada celah ataupun sambungan pada reaktor dan juga saling mengikat sehingga menempel di dinding reaktor sedangkan abu akan turun ke bawah akibat gaya gravitasi. Contoh gasifikasi tipe ini adalah updraft gasifikasi dan downdraft gasifikasi
2. Gasifikasi unggun terfluidisasi (fluidized bed gasification)
Gambar 2.2 Skematik pemanasan pada gasifikasi unggun terfluidisasi (Sumber: Simbeck et al.,1993)
Alat gasifikasi tipe ini membutuhkan bahan bakar dengan ukuran yang kecil maksimal 10 mm dan partikel pemanas yang kecil juga (dalam hal ini biasanya pasir). Tujuannya adalah agar bahan bakar dan partikel tersebut dapat dengan cepat panas dan melayang di dalam reaktor sehingga bisa terjadi perpindahan panas melalui kontak antara bahan bakar dan partikel pemanas. Sistem pemasukan udara dan bahan bakar hampir sama dengan alat gasifikasi
lainnya. Gasifikasi tipe ini biasanya harus beroperasi pada suhu berkisar 800-1000oC untuk menghindari pembentukan gumpalan abu.
3. Entrained flow reactor
Entrained flow reactor adalah gasifikasi yang menggunakan gabungan
siklus dan memiliki hasil gas yang bersih dengan sedikit tar. Reaktor ini mempunyai suhu yang cukup tinggi yaitu sekitar 1400oC dengan tekanan 20-70 bar. Gasifikasi ini membutuhkan ukuran bahan bakar yang lebih kecil dari pada gasifikasi unggun terfluidisasi yaitu sekitar <75 mikrometer. Pada saat pengoperasian, bahan bakar bubuk dimasukan ke dalam reaktor bersamaan dengan oksigen dan uap. Uap digunakan untuk memberikan kandungan air pada bahan bakar agar terbentuk bubur supaya mudah dimasukan ke dalam reaktor. Banyaknya kandungan air pada bahan bakar harus dibayar dengan besarnya konsumsi energi yang dibutuhkan. Ada dua jenis entrained flow reactor berdasarkan cara pemasukan bahan bakarnya, yaitu side-fed entrained-flow
reactor dan top-fed entrained-flow reactor.
(a) (b)
Gambar 2.3 Dua jenis entrained-flow recktor (a) side-fed entrained-flow reactor dan (b) top-fed
entrained-flow reactor
B. Berdasarkan arah aliran
Ketika pengoperasiaan gasifikasi, terdapat beberapa perlakuan fluida gas di dalam reaktor. Hal inilah yang kemudian mendasari munculnya reaktor gasifikasi reaktor jenis baru, yaitu :
1. Updraft Gasifier
Updraft gasifier merupakan salah satu jenis bentuk reactor gasifikasi yang banyak digunakan. Pada gasifier jenis ini, udara masuk melalui bagian bawah
gasifier melalui grate. Aliran udara ini berlawanan arah (counter current) dengan
aliran bahan bakar yang masuk dari bagian atas gasifier.
Gambar 2.4 Updraft Gasifier
(Sumber: Biomass Gasifcation and Pyrolysis. Practical Design and Theory. Prabir Basu, hal:171)
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 reduksi (proses
gasifikasi). Reaksi reduksi tersebut akan menghasilkan gas bersuhu tinggi. Gas hasil reaksi (gas produser) tersebut bergerak ke bagian atas gasifier menembus unggun bahan bakar menuju daerah yang bersuhu 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 suhu rendah.
Updraft gasifier memiliki kekurangan dan kelebihan. Kekurangan yang
dimiliki updraft gasifier adalah tingginya jumlah uap tar yang terkandung di dalam gas keluaran dan kemampuan gas produser membawa muatan rendah. Sedangkan keuntungan pemakaian updraft gasifier adalah gasifier tipe ini memiliki mekanisme kerja yang cukup sederhana, memiliki toleransi kekasaran bahan bakar yang lebih baik, kemampuannya mengolah jenis bahan bakar (terutama batubara) kualitas rendah, arang (charcoal) dapat habis terbakar, suhu keluaran rendah, dan efisiensi tinggi.
2. Downdraft gasifikasi
Gambar 2.5 Zona gasifikasi pada downdraft gasifikasi
(Sumber: Biomass Gasifcation and Pyrolysis. Practical Design and Theory. Prabir Basu, hal:110) Downdraft gasifikasi memiliki sistem yang hampir sama dengan updraft gasifikasi yaitu memanfaatkan sistem oksidasi tertutup untuk memperoleh suhu
yang tinggi. Dalam pengoperasiannya, suhu tertinggi yang dapat terjadi berkisar 1000-1400oC dan bahan bakar dimasukan dari atas reaktor sedangkan udara dihembuskan dari samping. Salah satu perbedaanya dengan updraft gasifikasi terletak pada posisi burner di reaktor downdraft gasifikasi. Burner tersebut terletak dibawah ruangan bahan bakar sehingga pada saat gas naik ke atas, gas tersebut akan turun kembali akibat bertambahnya volume dan terus mencari daerah dengan tekanan lebih rendah. Sistem ini sengaja dibuat begitu agar gas mampu bakar yang terbentuk tersaring kembali oleh bahan bakar dan melewati zona pirolisis sehingga kandungan tarnya dapat dikurangi (<1 g/Nm3). Untuk menghindari penyumbatan gas di dalam reaktor maka gas bakar yang terbentuk harus disedot lagi oleh blower yang kemudian diteruskan ke burner.
Setiap alat gasifikasi memiliki karakteristiknya masing-masing sehingga memengaruhi hasil dari reaksi yang terjadi pada alat-alat gasifikasi tersebut. Berikut ini adalah contoh tabel perbedaan kadar tar pada gasifikasi biomasssa. Tabel 2.1 Kandungan tar pada gasifikasi
Jenis gasifikasi Rata-rata konsentrasi tar dalam produk (g/Nm3)
Persentase tar pada bahan bakar
biomassa
Downdraft < 1 < 2
Fludized bed 10 1-5
Updraft 50 10-20
Entrained flow Negligible
(Sumber data dari Milne dan evans, 1998, hal. 15)
2.1.3 Nilai Kalor (Heating Value)
Setiap bahan bakar memiliki nilai kalor yang berbeda-beda. Nilai kalor (heating value) merupakan jumlah kalor yang dapat dilepaskan oleh sejumlah unit massa atau volume bahan bakar dalam reaksi pembakaran sampai suhu bahan bakar setelah pembakaran sama dengan suhu awal bahan bakar.Nilai kalor suatu bahan bakar dapat dibedakan atas dua macam yaitu High Heating Value (HHV)
dan Low Heating Value (LHV). HHV adalah jumlah kalor yang dapat dilepaskan oleh sejumlah massa atau volume bahan bakar dalam reaksi pembakaran sampai suhu hasil pembakaran sama dengan suhu awal bahan bakar dan disertai dengan kalor laten penguapan air. Sedangkan LHV tidak disertai dengan kalor laten penguapan air.
Penentuan nilai kalor yang terkandung dalam suatu bahan bakar dapat dilakukan dengan pengujian proximate dan ultimate. Sampel bahan bakar (dalam unit massa) yang diuji dapat diekspresikan dalam tiga bentuk. Pertama, sampel batubara secara utuh termasuk kandungan uap air (moisture content) dan kandungan abu (ash) atau biasa disebut As-received basis (ar). Kedua, sampel batubara tanpa moisture content atau disebut dengan dry basis (db). Ketiga, sampel batubara tanpa moisture content dan ash yang dikenal dengan dry
ash-ffree basis (daf).
Jika terdapat sejumlah massa bahan bakar (Mf) kg dengan kandungan
kalor (Q) kJ, Mw kandungan uap air , dan Mash kandungan abu, maka HHV dapat
ditulis dalam bentuk sebagai berikut :
(2.1)
(2.2)
(2.3)
2.1.4 Proses-proses Pada Alat Gasifikasi
Ketika alat gasifikasi dioperasikan, maka akan terbentuk zona-zona gasifikasi pada reaktor. Zona-zona tersebut dapat terbentuk akibat adanya perbedaan suhu pada gasifikasi sehingga memengaruhi reaksi yang terjadi di dalam reaktor. Semua bahan bakar yang dimasukkan pada reaktor akan melewati semua zona tersebut sampai akhirnya semua bahan bakar berubah menjadi gas.
Berikut ini adalah beberapa proses pada gasifikasi yang terbentuk di dalam reaktor dimulai dari reaksi yang pertama.
1. Pengeringan (drying)
Reaksi ini terdapat pada bagian atas reaktor dan merupakan zona dengan suhu paling rendah di dalam reaktor (<150oC). Proses pengeringan ini sangat penting dilakukan agar pengapian pada burner dapat terjadi lebih cepat dan stabil Pada reaksi ini, bahan bakar yang mengandung air akan dihilangkan dengan cara diuapkan dan dibutuhkan energi sekitar 2260 kJ untuk melakukanya sehingga cukup menyita waktu operasi. Salah satu cara untuk mengurangi kandungan air pada bahan bakar sebelum digunakan untuk gasifikasi adalah dengan cara penjemuran. Penjemuran dengan sinar matahari secara langsung sangat berpengaruh dalam mengurangi kandungan air ditambah lagi dengan iklim tropis Indonesia yang memiliki suhu rata-rata sekitar 31oC sehingga proses penjemuran dapat dilakukan dengan efektif. Di bawah ini adalah tabel kandungan air pada bahan bakar (biomassa)
Tabel 2.2 Kandungan air pada bahan bakar biomassa Biomas Batang jagung Sekam padi Jerami (rumput kering) Kulit kayu Serbuk kayu Sampah makanan Kelembaban (wet basis %) 40-60 7-10 8-20 30-60 25-55 70
(Sumber data dari Kitani dan Hall, 1989, hal. 863)
2. Pirolisis
Piroisis adalah proses pemecahan struktur bahan organik (dalam gasifikasi adalah bahan bakar) tanpa atau dengan sedikit oksigen melalui pemanasan menjadi gas.
Gambar 2.6 Pirolisis pada partikel biomassa
(Sumber: Biomass Gasifcation and Pyrolysis. Practical Design and Theory. Prabir Basu, hal:68) Pada bahan bakar kayu, pirolisis terbentuk di suhu 150-450 oC di dalam reaktor. Hasil dari proses ini adalah arang atau karbon, tar, gas (CO2, H2O, CO, C2H2,
C2H4, C2H6, C6H6). Ketika suhu pada zona pirolisi rendah maka akan dihasilkan
arang yang banyak dan sedikit cairan, sebaliknya apabila suhu pirolisis tinggi maka arang yang yang dihasilkan sedikit tetapi banyak cairan. Berikut ini adalah beberapa cara untuk mendapatkan produk dari reaksi pirolisis
Untuk mendapatkan banyak arang, maka harus dilakukan pemanasan yang rendah (sekitar 0.01-2 oC/detik) pada suhu <400 oC dengan gas yang tinggi pada waktu residen.
Untuk mendapatkan cairan yang banyak, maka harus dilakukan pemanasan yang sedang (450-600 oC) dengan gas yang rendah pada waktu residen.
Untuk mendapatkan gas yang efektif maka lakukan pemanasan rendah ketika pada suhu (700-900 oC) dengan gas yang tinggi pada waktu residen.
3. Reduksi (reaksi gasifikasi)
Reduksi terjadi pada suhu 500-1000oC dimana dalam reaksinya hanya dibutuhkan sedikit oksigen atau tidak sama sekali. Adanya sedikit oksigen pada reaksi reduksi berasal dari arang yang menyimpan oksigen dan hidrogen pada pori-porinya. Arang tersebut kemudian akan beraksi dengan karbon dioksida dan
air yang merupakan hasil dari reaksi pembakaran. Di bawah ini adalah proses stokiometri untuk menghasilkan hidrogen dan karbon monoksida.
Arang (karbon) + O2 (berasal dari pori-pori bahan bakar)→ CO2 + CO Arang (karbon) + CO2 → 2CO
dan Arang (karbon) + H2O → CH4 + CO Arang (karbon) + H2O → CO + H2 Arang (karbon) + H2O → CO2 + H2 Arang (karbon) + 2H2 → CH4 4. Pembakaran (oksidasi)
Zona yang paling panas (700-1400oC) dan merupakan reaksi energi yang pertama kali terjadi pada reaktor gasifikasi adalah zona pembakaran. Di dalam zona ini, terjadi reaksi antara bahan bakar dengan oksigen yang secara umum akan menghasilkan CO2, air, panas, cahaya, N2 dan gas lainya (SO2, CO, NO2, dll).
Dalam alat gasifikasi, pembakaran sangat berperan penting dalam mendukung reaksi-reaksi selanjutnya. Dari sinilah suhu dan juga zat yang penting dihasilkan supaya terjadi proses gasifikasi, pirolisi, dan pengeringan.
Gambar 2.7 Segitiga api
Ada tiga elemen penting untuk melakukan reaksi pembakaran , yaitu panas (heat), bahan bakar (fuel), dan udara (oxygen). Ketiga elemen ini saling mengisi ketika terjadinya pembakaran sehingga apabila satu dari tiga elemen tersebut tidak ada, maka tidak akan terjadi reaksi pembakaran. Bahan bakar (fuel) adalah elemen yang sensitif apabila direaksikan dengan oksigen yang dapat menghasilkan cahaya dan panas (energi). Udara merupakan elemen pereaksi bahan bakar yang terdapat secara bebas di lingkungan. Di dalam udara tidak hanya terkandung oksigen saja, tetapi juga nitrogen yang mampu menyerap panas ketika terjadi pembakaran. Nitrogen dianggap sebagai racun udara apabila terikat dengan oksigen dan juga sebagai pengencer yang menurunkan suhu yang harus ada untuk mencapai oksigen yang dibutuhkan pada proses pembakaran. Efek tersebut juga berpengaruh terhadap pembentukan cairan pada gas buang dari reaksi pembakaran sehingga dapat menurunkan efisiensi pembakaran. Panas (heat) adalah salah satu hasil dan tujuan dari reaksi pembakaran. Energi yang dibutuhkan untuk menciptakan panas tidak selalu sama tergantung dengan kondisi lingkungan (suhu dan tekanan), sifat bahan bahan bakar, dan juga elemen penyusun bahan bakar. 2.2 Biomassa
Biomassa adalah bahan bakar yang dapat diperbaharui yang berasal dari makhluk hidup (bukan fosil) yang di dalamnya tersimpan energi. Biomassa bukanlah sebuah teori energi baru di jaman sekarang. Secara tidak sadar, teknologi tersebut telah diterapkan sejak jaman dulu dan telah banyak mengalami perkembangan. Biomassa yang memegang 13% pangsa energi dunia memiliki peran penting dalam menyelamatkan kesehatan bumi dan merupakan simbol majunya peradaban manusia yang sadar lingkungan. Sifatnya yang renewable
energy memiliki beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan bahan bakar fosil
yaitu dapat mengurangi efek rumah kaca, mengurangi limbah organik, melindungi kebersihan air dan tanah, mengurangi polusi udara, dan mengurangi hujan asam dan kabut asap.
Gambar 2.8 Macam-macam konversi biomassa
(Sumber : Bridgwater, Tony. “Biomass for Energy.” Journal of the Science of Food and
Agriculture. Vol 86: June 2006, p. 1756)
Biomassa tidak selalu berupa benda padat tetapi termasuk didalamnya gas dan cairan yang berasal dari reaksi dekomposisi alam. Beberapa sumber biomassa adalah :
Agrikultural : ampas padi, batang jagung, gandum kering, kulit kacang
Hutan : pepohonan, ranting, ampas gergaji, daun kering
Municipal : sampah makanan, sampah kertas, kotoran
Energi : kelapa sawit, jagung, kacang kedelai
Biologikal : kotoran hewan, hasil pembusukan makhluk hidup 2.2.1 Kayu Karet
Krisis energi di jaman sekarang telah memaksa manusia berpikir kritis untuk mendapatkan sumber energi yang murah, mudah, dan aman. Banyak solusi energi yang telah ditawarkan seperti energi dari kincir angin, cahaya matahari, ombak laut, nuklir, dll namun memiliki kendala dalam instalasi, harga, dan keamananya sehingga kurang dapat berkembang di negara-negara tertentu. Oleh karena itu, untuk mendapatkan sistem energi yang efisien, dibutuhkan sumber energi yang tepat dan memiliki hubungan antara iklim, geografis, dan SDA untuk mengurangi resiko kerugian saat pengoperasiannya. Indonesia, negara dengan
iklim tropis yang kaya dengan keanekaragaman flora dan fauna memiliki potensi SDA alam yang baik untuk energi biomassa. Alternatif energi biomassa sebagai sumber energi baru di Indonesia dapat menjadi pilhan yang tepat karena disamping sebagai energi baru, Indonesia juga memiliki banyak area hutan dan juga perkebunan yang cukup besar sehingga dapat memenuhi kebutuhan energi biomassa tersebut. Salah satu sumber energi biomassa yang tepat untuk digunakan adalah pohon karet.
Menurut data Dirjen perkebunan tahun 2010, kebutuhan bahan baku kayu semakin meningkat bahkan dapat mencapai 43 juta m3 pertahun. Pemilihan budidaya kayu yang tepat menjadi salah satu solusi untuk menyediakan permintaan tersebut, oleh karena itu pohon karet adalah salah satu jawabannya. Pertimbangan tersebut muncul karena disamping sebagai penghasil kayu yang baik, pohon karet juga dapat menghasilkan lateks yang harganya cukup menjanjikan. Di Indonesia sendiri telah terdapat 3,4 juta hektar perkebunan pohon karet. Jika digunakan 3% saja dari hasil peremajaan pohon karet, maka dapat dihasilkan 2,7 juta m3/tahun kayu karet sehingga permintaan kayu karet sebagai bahan bangunan, kerajinan tangan, dan sumber enegi biomassa dapat terpenuhi. Pohon karet bukanlah tanaman asli Indonesia tetapi berasal dari hutan Amazon di Brazil. Pohon karet ini kemudian dibawa oleh bangsa asing ketika jaman penjajahan setelah gagal dibudidayakan di India. Kayu karet dapat tumbuh hingga mencapai 30 meter dan menghasilkan getah pada usia 5-6 tahun. Kayu karet dapat tumbuh baik di Indonesia sehingga mudah untuk dibudidayakan secara massal.
(a) (b)
Gambar 2.9 Proses pengambilan getah karet (a) biji karet yang mulai tumbuh (b) (Sumber : http://agungp9.blogspot.com/2008/06/karet-hevea-brasiliensis.html)
Berikut ini adalah kandungan pada kayu karet berdasarkan penelitian dari BPPT Tabel 2.3 Analsis proximate dan ultimate pada kayu karet
Proximate analysis Result (%) Standard method
Moisture 10,24 ASTM D-3173
Ash 2,71 ASTM D-3174
Volatile matter 71,81 ASTM D-3175
Fixed carbon 15,25 By difference
Calorific value Result Standard method
Cal/gram 4069 ASTM D 5865
Density Result Standard method
Gram/cm3 0.64 ASTM D 167
Ultimate analysis Result (%) Standard method
Moisture 10,24 ASTM D-3173 Ash 2,71 ASTM D-3174 Carbon 43,33 ASTM D-5373 Hydrogen 5.11 ASTM D-5373 Nitrogen 0,0 ASTM D-5373 Oxygen 38,61 By diffrence
Sumber data berdasarkan hasil pengujian BPPT Tangerang
Pada pengujian di atas digunakan dua jenis analisis yaitu proximate
analysis dan ultimate analysis. Proximate analysis adalah sebuah metode
pengujian bahan yang menganalisis fixed carbon, bahan yang menguap, kadar air, dan persen abu. Analisis ini berguna untuk perancangan grate tungku, volume ruang pembakaran, peralatan kendali polusi, dan sistem handling abu pada tungku berdasarkan hasil uji dan analisis kadar abunya. Fixed carbon adalah bahan bakar padat yang tertinggal dalam tungku pembakaran setelah bahan yang mudah menguap didistilasi yang penting untuk memperhitungkan perkiraan kasar nilai panas bahan bakar. Sedangkan ultimate analysis adalah sebuah metode analisis bahan dimana seluruh komponen bahan baik padat maupun gas diperhitungkan dalam analisisnya yang bertujuan untuk mendapatkan kandungan kimia pada
bahan uji seperti karbon, sulfur, hydrogen, oksigen, dll. Analisis ini berguna untuk menentukan jumlah udara yang dibutuhkan saat pembakaran, volume, dan komposisi gas mampu bakar. Analisis ini membutuhkan laboratorium yang lengkap dan tenaga ahli kimia yang terampil dan berpengalaman.
Kayu yang memiliki densitas yang tinggi maka akan memiliki rendemen yang tinggi pada arangnya, kadar karbon terikat yang banyak, semakin keras kayunya dan sedikit pula kadar airnya (Syachri dan Hartoyo, 1976). Berdasarkan data di atas, kayu karet memiliki densitas 0,64 gram/cm3 yang artinya kayu karet termasuk di dalam kelas III (0,6-0,75) atau baik jika digunakan sebagai arang untuk energi biomassa (Oey Djoen Seng, 1951). Dengan demikian, kayu karet termasuk ke dalam arang kayu yang baik sehingga cocok untuk digunakan sebagai sumber energi biomassa.
2.3 Perhitungan Dasar Gasifikasi
Selama proses gasifikasi terjadi dua transformasi utama yaitu perpindahan massa dan perpindahan kalor atau energi panas. Perpindahan massa ditentukan oleh kesetimbangan massa zat yang masuk dengan massa yang keluar, sedangkan perpindahan energi ditentukan oleh kesetimbangan energi masuk dan energi keluar. Kesetimbangan massa maksudnya adalah jumlah semua unsur yang terkandung dalam suatu unit massa input (bahan bakar dan udara) sama dengan jumlah unsur-unsur yang dihasilkan pada output berupa syngas dan ash selama proses gasifikasi. Sedangkan kesetimbangan energi adalah kondisi yang mana besar energi kalor yang dihasilkan pada output proses gasifikasi sama dengan energi kalor yang terkandung dalam suatu unit massa bahan bakar dengan nilai kalor spesifik tertentu dikurangi dengan heat losses yang terjadi selama proses gasifikasi.
2.3.1 Perhitungan Kesetimbangan Massa (mass balance)
Perhitungan kesetimbangan massa dan energi secara umum tergantung dengan masing-masing jenis sistem reaktor gasifier. Perhitungan ini juga meliputi perhitungan laju aliran syngas (flowrate), laju konsumsi bahan bakar (mass fuel
Laju Aliran Syngas
(2.4) Vg = Laju aliran syngas (m3/s)
Q = Energi kalor output yang dibutuhkan (kkal/s) LHVg = Low Heating Value syngas (kkal/m3)
Laju Konsumsi Bahan Bakar
(2.5) Mf = Laju konsumsi bahan bakar (kg/s)
Q = Energi kalor output yang dibutuhkan (kkal/s) LHVbm = Low Heating Value bahan bakar (kkal/kg)
ηgef = efisiensi gasifier (dimensionless)
Nilai LHV bahan bakar dan LHV syngas dapat ditentukan dari komposisi yang terkandung dalam satuan unit massa bahan bakar dan satuan unit volume
syngas. Komposisi masing – masing bahan bakar dan syngas dapat diperoleh dari
analisis proximate dan ultimate bahan bakar dan syngas pada laboratorium.
2.3.2 Laju Aliran Udara Gasifikasi
Kebutuhan jumlah udara gasifikasi aktual akan selalu lebih kecil daripada jumlah udara stoikiometri (pembakaran sempurna). Jumlah udara gasifikasi sangat tergantung kepada reaksi pembakaran masing – masing unsur yang terkandung dalam satuan massa bahan bakar dengan udara secara sempurna dan Equivalence
Ratio (ER). ER merupakan perbandingan antara jumlah udara gasifikasi dengan
jumlah udara stoikiometri pembakaran dengan persamaan :
ER (2.6)
Pada reaksi pembakaran unsur – unsur dalam bahan bakar akan diketahui jumlah mol bahan bakar sehingga dengan persamaan kasetimbangan reaksi maka akan diperoleh jumlah mol udara yang dibutuhkan untuk proses pembakaran secara sempurna. Misalnya :
Unsur karbon (C)
C + [O2 + 3.76 N2] → CO2 + 3.76 N2
Pada pembakaran karbon, jumlah mol udara sama dengan mol karbon. Unsur Hidrogen (H)
H2 + ½ [O2+ 3.76 N2] → H2O + 3.76 N2
Pada pembakaran Hidrogen, jumlah mol udara sama dengan setengah mol Hidrogen.
Unsur Sulfur (S)
S + [O + 3.76 N2] → SO2 + 3.76 N2
Pada pembakaran Sulfur, jumlah mol udara sama dengan mol sulfur.
Gambar 2.10 Efisiensi karbon terhadap ER pengujian
(Sumber: Biomass Gasifcation and Pyrolysis. Practical Design and Theory.Prabir Basu, hal:196)
Nilai ER berperan terhadap penentuan jumlah gas metana yang dapat dihasilkan pada gasifikasi yang dipengaruhi juga oleh besar flow rate udara pengujian yang diberikan.
2.3.3 Perhitungan Kesetimbangan Energi (Energy Balance)
Pada dasarnya energi yang diinputkan berasal dari entalpi yang dihasilkan oleh bahan bakar pada suhu tertentu ditambah dengan nilai kalor bahan bakar dan
heat dari luar. Sedangkan energi output merupakan jumlah entalpi dari syngas
yang dihasilkan ditambah dengan nilai kalor dari syngas dan heat losses yang dihasilkan selama proses gasifikasi. Skema aliran energi masuk dan keluar dapat dilihat pada Gambar 2.11.
Pada proses pembakaran dilepaskan sejumlah energi yang kemudian diterima oleh bahan bakar untuk melakukan proses pirolisis dan pengeringan. Selain itu energi tersebut juga digunakan pada proses reduksi untuk menghasilkan
syngas. Sedangkan sisanya merupakan energi yang tidak termanfaatkan seperti
pada arang serta energi yang dilepaskan ke lingkungan secara konveksi dan radiasi.
Gambar 2.11 Aliran energi masuk dan keluar gasifier
(Sumber: Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine System:T.B Reed dan A. Das, hal:203)
Parameter – parameter lain yang terkait dengan proses gasifikasi adalah :
Specific Gasification Rate (SGR)
SGR merupakan jumlah bahan bakar yang tergasifikasi melalui sebuah
throat dengan dengan luas penampang tertentu. SGR sering disebut juga dengan
nama hearth load dengan terminologi jumlah bahan bakar yang tergasifikasi. SGR dinyatakan dengan persamaan :
(2.7) SGR = specific gasification rate (kg/m2.h)
mbb = laju aliran massa bahan bakar (kg/h)
A = luas penampang throat (m2)
Specific Gas Production Rate (SGPR)
SGPR juga bisa dikatakan sebagai hearth load dengan terminologi jumlah syngas yang dihasilkan melalui luas area throat. Besarnya laju aliran syngas yang melalui
throat akan sangat dipengaruhi oleh jumlah bahan bakar yang masuk.
Perbandingan antara jumlah bahan bakar dengan jumlah syngas yang dihasilkan akan sama dengan perbandingan antara nilai SGR dan SGPR. SGPR dinyatakan dengan persamaan :
(2.8) SGPR = specific gas production rate (m3/m2.h)
Vsyngas = laju aliran syngas (m3/h)
A = luas penampang throat (m2)
Entalpi Pembakaran / Heat of Reaction (ΔHc)
Entalpi pembakaran atau dikenal dengan heat of reaction atau kalor yang dihasilkan dari suatu reaksi pembakaran zat kimia. Dalam proses gasifikasi, untuk mengetahui besarnya kalor yang dihasilkan pada pembakaran syngas digunakan persamaan entalpi pembakaran dengan membagi reaksi pembakaran berdasarkan komposisi gas mampu bakar yang terkandung dalam syngas tersebut. Entalpi pembakaran dapat dinyatakan dengan persamaan :
(2.9) ΔHc = entalpi pembakaran (kJ)
ni = mol reaksi masing – masing zat (mol)
ΔHf = entalpi pembentukan (kJ/mol)
Dalam menghitung enltalpi pembakaran suatu zat, ada beberapa parameter lain yang penting pada kondisi tertentu. Jika produk dari reaksi tersebut mengalami perubahan suhu maka besar entalpi pembakaran akan dipengaruhi oleh perbedaan suhu (ΔT) awal dan produk serta dengan kalor jenis (cp) dari produk yang mengalami perubahan suhu. Sehingga dalam persamaan akan dinyatakan sebagai berikut :
(2.10) T0 = Suhu awal (K)
T1 = Suhu akhir (K)
Nilai entalpi pembentukan dan kalor jenis suatu zat dapat dilihat dari literatur berdasarkan suhu dan tekanan referensi standar.
2.4 Persamaan Bernoulli
Hukum Bernoulli menjelaskan tentang konsep dasar aliran bahwa peningkatan kecepatan pada suatu aliran fluida (zat cair atau gas), akan mengakibatkan penurunan tekanan pada zat cair atau gas tersebut. Artinya, akan terdapat penurunan energi potensial pada aliran fluida tersebut. Konsep dasar ini berlaku pada fluida aliran termampatkan (compressible flow), juga pada fluida dengan aliran tak-termampatkan (incompressible-flow).
Hukum Bernoulli sebetulnya dapat dikatakan sebagai bentuk khusus dari konsep dalam mekanika fluida secara umum, yang dikenal dalam persamaan Bernoulli. Persamaan Bernoulli menyatakan bahwa pada suatu aliran fluida yang tertutup, banyaknya energi suatu fluida di suatu titik sama dengan dengan banyaknya energi di titik lain. Di awal dikatakan bahwa hukum Bernoulli berlaku pada dua jenis aliran fluida, yaitu termampatkan dan tak-termampatkan. Suatu fluida dengan aliran termampatkan merupakan suatu aliran fluida yang mempunyai karakteristik khusus adanya perubahan kerapatan massa (density) pada sepanjang alirannya. Contoh aliran fluida termampatkan adalah udara atau
gas alam. Adapun fluida dikatakan mempunyai aliran tak-termampatkan adalah fluida yang mempunyai karakteristik tidak terdapat perubahan kerapatan massa (density) pada sepanjang aliran fluida tersebut. Contohnya adalah air, macam-macam minyak, campuran lemak dan larutan basa (emulsi).
Ada tiga energi yang terdapat pada fluida aliran tertutup: 1. Energi potensial
Energi yang dimiliki karena pengaruh ketinggian dan gaya gravitasi serta massa dari fluida itu sendiri.
2. Energi kinetik
Energi yang dimiliki karena pergerakan aliran (kecepatan massa partikel fluida).
3. Energi tekanan
Disebut juga energi aliran atau kerja aliran. Yaitu suatu jumlah kerja yang dibutuhkan untuk memindahkan elemen fluida melalui atau melampaui suatu penampang terhadap perlawanan tekanan.
Kerja = F.l = P.A.l = P.v m = ρ.v v = m/v pv = p.(m/ρ), γ = ρ.g energi aliran = (p.m.g)/γ
Kalau ketiga bentuk energi disatukan
2 2 2 2 mg mv p mgz p v z mg g
Merupakan energi yang dipunyai oleh fluida per satuan panjang beratnya pada saat fluida tersebut bergerak pada suatu system. Karena persamaan bernouli memakai satuan meter maka umumnya energy tersebut disebut dengan “head”. Total head
2
( ) ( ) ( )
2
p v
pressurehead velocityhead z elevation g
Persamaan aliran dua buah titik 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 p v p v z z g g
Persamaan Bernoulli akan diperoleh dari persamaan Euler dan persamaan Hukum II Newton dengan asumsi :
aliran tunak (steady)
aliran tak mampu mampat (incompressible)
aliran tanpa gesekan ( inviscid/non viscous)
tidak ada perpindahan panas atau kalor diantara kedua titik
Hukum Bernoulli dapat dianggap sebagai konsep dasar yang menyatakan kekekalan energi, penjumlahan energi kinetik dan energi potensial pada suatu aliran fluida akan konstan di setiap titik.
2.5 Alat Ukur Orifis
Pada proses pengoperasian alat gasifikasi, komposisi aliran udara sebagai komponen utama oksidasi harus diberikan dengan tepat. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan proses oksidasi yang baik dan efisien. Blower pada sistem gasifikasi updraft berperan untuk memberikan pasokan udara tersebut ke ruang bakar. Untuk mendapatkan komposisi udara oksidasi yang pas, maka pipa pepasok udara dari
blower harus terpasang orifis dan manometer yang tersambung dengan katub
untuk mengatur besar kecilnya hembusan udara. Orifis adalah salah satu alat pengukur tekanan fluida pada suatu sistem pemipaan. Alat ini mempunyai sekat pada sambungannya yang telah diberikan lubang dengan diameter tertentu (biasanya setengah dari diameter pipa).
Pada bagian depan dan belakang sekat orifis terdapat lubang manometer yang berfungsi sebagai tabung pengukur perbedaan fluida yang masuk dan keluar dari sekat orifis. Aliran udara sebelum masuk sekat orifis akan lebih besar daripada udara setelah keluar dari orifis. Pebedaan tersebut akan menghasilkan perbedaan tinggi fluida yang terjadi pada tabung manometer.
Untuk menghitung besar flow rate aliran fluida yang masuk ke dalam pipa, maka diasumsikan alirannya adalah steady-state, densitas fluida konstan, aliran
fluida laminar (tidak ada perubahan elevasi), dan kerugian akibat gesekan diabaikan. Kemudian gunakan persamaan Bernoulli seperti di bawah ini :
Gambar 2.12 Mekanisme kerja orifis
(Sumber : http://vryukbrook.wordpress.com/2010/10/18/orifice-plate/)
Atau
Dengan persamaan kontinuitas
Sehingga
Kemudian didapatkan Q sebesar
Atau
Kemudian masukan nilai Cd yaitu nilai koefisien debit dalam perhitungan ini dapat digunakan Cd = 0,6 sedangkan β = d2/d1 sehingga diperoleh persamaan
Parameter - parameter pada persamaan di atas sudah dapat dicari menggunakan alat orifis sehingga dapat dihitung besar dabit (Q) dengan menggunakan persamaan di atas. Untuk mencari laju aliran (ṁ), maka nilai Q dapat langsung dikalikan dengan rho (ρ) fluida yang mengalir, atau dapat gunakan rumus dibawah ini :
Dengan
Dimana :
Q = laju aliran volumetric (m3/s) Cd = koefisien debit V1 = kecepatan hulu (m/s) ṁ = laju aliran (kg/s) V2 = kecepatan fluida melalui lubang orifis
A1 = luas penampang pipa (m2) A2 = luas lubang orifis (m2)
β = rasio diameter lubang orifis dan pipa d1 = diameter pipa (m)
d2 = diameter lubang orifis (m) P1 = tekanan fluida hulu (Pa) P2 = tekanan fluda hilir (Pa) C = koefisien aliran orifis ρ = densitas fluida (kg/m3)
BAB 3
METODOLOGI DAN PENELITIAN
Pengujian gasifikasi updraft berlangsung di laboratorium gasifikasi DTM FTUI Depok. Pada saat pengujian, diharapkan panas (energi) yang dihasilkan dapat digunakan secara optimal ketika dioperasikan sehingga sebelum pengujian perlu dilakukan beberapa perbaikan alat untuk mengefisiensikan energi dan menghindari kesalahan pengambilan data. Ketika pengujian berlangsung, suhu kerja yang terjadi dapat mencapai >1000oC pada bagian bawah reaktor gasifikasi updraft (tungku) sehingga membuat reaktor menjadi sangat panas hingga merah membara. Hal tersebut cukup membuat banyak kalor yang hilang ke lingkungan dan juga sangat berbahaya bagi operator apabila tidak sengaja terjadi kontak dengan reaktor gasifikasi. Oleh karena itu pada bagian reaktor gasifikasi diberikan lapisan tambahan yaitu ceramic fiber yang dapat menahan panas hingga 1250oC. lapisan ini berupa serat halus seperti kapas yang mengandung serpihan keramik yang kemudian diselubungkan ke reaktor sebanyak dua lapisan (5 cm) kemudian direkatkan dengan selotip aluminium.
Gambar 3.1 Proses pelapisan reaktor dengan ceramic fiber
Tekanan yang tinggi akibat suhu fluida yang terus memanas ditambah aliran flow rate udara di dalam reaktor ternyata dapat memaksa syngas keluar pada penutup reaktor atas. Hal tersebut terjadi karena sulitnya penguncian baut yang tidak praktis dimana bersamaan saat penguncian tersebut operator harus
bertahan dengan panasnya reaktor dan juga kontaminasi udara oleh syngas sehingga menggangu konsentrasi saat penguncian baut berlangsung. Oleh karena itu dilakukan perbaikan pada penutup reaktor atas berupa pengelasan baut pada reaktor dan penambahan mur kipas.
(a) (b)
Gambar 3.2 Penutup reaktor sebelum diperbaik (a) penutup reaktor setelah diperbaiki (b) 3.1 Skematik Alat Pengujian
Untuk melakukan pengujian pada gasifikasi updraft, setidaknya harus tersedia beberapa komponen utama yaitu reaktor, burner, blower, dan katub (valve). Komponen tersebut memiliki peran masing-masing yang saling berkaitan satu dengan lainya.
Komponen pertama adalah reaktor gasifikasi. Reaktor adalah wadah berbentuk silinder yang di dalamnya terjadi proses gasifikasi seperti pengeringan, pirolisis, gasifikasi, dan pembakaran sehingga dapat terjadi perubahan fase bahan bakar dari padat ke gas. Reaktor yang memiliki tinggi 800 mm dengan diameter 210 mm ini memiliki 12 panel termokopel untuk mengatur dan mengawasi setiap proses pengujian.
Komponen kedua adalah burner. Burner merupakan alat yang berfungsi mencampurkan syngas dengan udara agar dapat terjadi pembakaran. Pencampuran tersebut dapat terjadi karena tekanan udara di sekitar syngas di dalam burner saat gasifikasi berlangsung lebih tinggi sehingga udara akan terhisap masuk ke dalam
burner. Pencampuran ini memiliki komposisi udara yang berbeda apabila
masuk ke dalam burner akan dibatasi sesuai dengan jumlah dan ukuran diameter lubang pada burner sehingga api yang dihasilkan akan lebih stabil, efektif, dan terarah.
Komponen ketiga adalah blower. Blower berfungsi sebagai pemberi udara dari luar untuk dialirkan ke dalam reaktor sehingga proses pembakaran dapat terus berlangsung. Blower pada gasifikasi updraft dipasang pada bagian bawah reaktor kemudian akan mengalir dari bawah ke atas dan berakhir di burner.
Komponen keempat adalah katub (valve). Katub berfungsi mengendalikan pemberian udara ke dalam reaktor. Dengan begitu flow rate udara yang diberikan dapat dikendalikan sesuai dengan kebutuhan pembakaran. Pengendalian jumlah
flow rate udara yang masuk dapat memberikan perbedaan hasil pembakaran,
waktu pengoperasian, suhu maksimal yang terjadi, dan bentuk api (flame) pada
burner. Reaktor up draft Blower T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 P-13 P-14 P-15P-16 P-17 P-18P-19 P-20P-24 P-25 P-26 PC T Data dari DAQ
komputer 0-100 deg mV 10-50 daq P-29 P-30 P-31 P-32 P-33 P-34 P-35P-36 P-37 P-38 P-39P-40 P-41 oriffice P-43 P-46 oriffice Ball valve Ball valve Pompa vacum FI I-3 P-4 P-5 10 lpm Impinger 4 Impinger 3
Impinger 2 Impinger 5 Impinger 6 Ball valve Impinger 1 Ball valve P-48 P-49P-50P-51P-52 P-50 burner P tekanan F Flow rate P-53 P-54
Gambar 3.3 Skematik instalasi updraft gasifikasi
Br = Burner O2 = Orifis syngas Tk1 = Tekanan udara Bl = Blower Ot = Output data suhu Tk2 = Tekanan syngas D = Modul DAQ R = Reaktor V1 = Valve syngas K = Komputer T = Termokopel V2 = Valve tar O1 = Orifis udara Tb = Tabung ukur tar V3 = Valve pompa K D
T
R Bl O1 V1 O2 Br V2 P V3 Tk1 Tk2 OtTb
3.2 Metodologi Pengujian
Setiap alat memiliki standar pengoperasian yang harus selalu dijaga dan diperhatikan. Begitu juga pada bahan bakar. Perbedaan lama penjemuran, suhu lingkungan penjemuran, ukuran bahan bakar, dan kondisi bahan bakar dapat menghasilkan data yang berbeda walaupun dengan menggunakan parameter dan alat yang sama. Oleh karena itu, sebelum pengujian dimulai, terdapat beberapa persiapan yang harus dilakukan, diantaranya adalah persiapan bahan bakar, alat ukur, dan gasifikasi updraft.
3.2.1 Persiapan Pengujian 1) Persiapan Bahan Bakar
Pada pengujian gasifikasi updraft ini, bahan bakar yang digunakan adalah kayu karet. Kayu karet sangat cocok digunakan sebagai bahar bakar karena densitasnya yang cukup tinggi dan kandungan karbon yang banyak. Sebelum memulai pengujian, kayu karet harus dipotong kecil hingga berbentuk kubus ukuran 3 cm x 3 cm. Ukuran kayu yang besar dapat membuat rongga pada reaktor sehingga muatan bahan bakar yang dapat diberikan menjadi tidak optimal. Kemudian pilihlah kayu karet yang memiliki kondisi yang baik seperti warna kayu terang, bebas rayap, dan tidak berongga.
(a) (b)
Gambar 3.4 Potongan kayu karet yang baik (a) dan penjemuran kayu karet (b) Setelah itu lakukan penjemuran pada kayu karet selama dua jam pada kondisi matahari yang terik (antara jam 10.00 sampai 14.00 siang). Sisa kayu karet yang tidak terpakai harus disimpan di tempat yang kering dan dijemur kembali untuk persiapan pengujian selanjutnya.
