BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Serat buah kelapa sawit (mesocarp), seperti ditunjukkan pada Gambar 1.1 yang diperoleh dari proses ekstraksi minyak sawit pada mesin screw press seluruhnya digunakan sebagai bahan bakar utama di boiler pabrik kelapa sawit (PKS). Energi panas yang dilepaskan dari pembakaran mesocarp di ruang pembakaran boiler tersebut digunakan untuk merubah fase air menjadi uap (steam). Uap panas latent bertekanan 21 kg/cm2 dengan suhu sekitar 260 OC yang diproduksi oleh boiler digunakan untuk memutar turbin uap guna menggerakkan generator listrik untuk keperluan penyediaan energi listrik di pabrik. Keluaran uap jenuh dari turbin uap bertekanan 3 kg/cm2 dengan suhu sekitar 130 OC digunakan untuk keperluan proses produksi di unit pengolahan (Guthrie Plantation and Agriculture service, 1995).
Gambar 1.1. Bahan Bakar Serat Buah Kelapa Sawit Keluar Dari Mesin Screw Press
Serat buah kelapa sawit
Pada beberapa pabrik yang memiliki unit konversi energi dengan efisiensi tinggi tidak diperlukan lagi bahan bakar tambahan. Namun, pada beberapa PKS dengan efisiensi pembakaran rendah diperlukan bahan bakar tambahan berupa cangkang kelapa sawit (shell) antara 20% - 30% dari jumlah total cangkang yang tersedia di pabrik. Proses pembakaran yang berlangsung dengan kondisi tidak komplit (masih terdapat unsur bahan bakar di dalam gas buang) dapat menurunkan efisiensi pembakaran yang diindikasikan dengan hilangnya bahan bakar (dalam bentuk gas) yang ikut keluar bersama gas buang. Bahan bakar yang tidak terbakar dan ikut keluar bersama gas buang melalui cerobong asap tersebut dapat diidentifikasi dengan munculnya asap berwarna hitam atau putih pekat selama proses pembakaran berlangsung seperti ditunjukkan Gambar 1.2.
Pada umumnya, faktor penyebab utama kualitas pembakaran bahan bakar mengalami penurunan cukup signifikan disebabkan oleh proses pencampuran antara udara pembakaran (oksidator) dengan bahan bakar di dalam ruang pembakaran tidak berlangsung dengan baik (Culp, 1991).
Aliran udara pembakaran pada ruang pembakaran boiler di pabrik kelapa sawit (PKS) dibagi menjadi dua aliran, yaitu udara primer (primary air) dan udara sekunder (secondary air). Udara primer (PA) yang dialirkan dari bagian bawah tungku pem-bakaran (grate) berfungsi untuk mengoksidasi fixed carbon dan mendinginkan grate. Sedangkan udara sekunder (SA) yang dialirkan pada bagian atas
grate atau bahan bakar berfungsi untuk mengoksidasi unsur volatile matter (Hallett,
2005).
Gambar 1.3. Skema Proses Pembakaran Pada Biomassa
Gambar 1, menunjukkan proses oksidasi bahan bakar padat di atas tungku pembakaran fixed bed dengan proses pembakaran secara overfeed yang sering
ditemui di boiler PKS. Pada awalnya, proses dekomposisi bahan bakar dimulai dari tahap pengeringan (drying) kadar air (H2O) pada suhu antara 100 OC – 200 OC. Tahap
kedua, proses devolatilisasi (devolatilization) yang merupakan proses pelepasan senyawa gas volatile matter pada suhu antara 280 OC – 400 OC (Hagge, 2006). Tahap ketiga, proses pembakaran fixed carbon yang menghasilkan gas CO dan CO2 pada
suhu di atas 400 OC. Terakhir, proses degradasi kandungan mineral bahan bakar menjadi abu (ash forming) pada suhu sekitar 1000 OC (Ragland, 1991).
Sebagaimana diketahui bahwa biomasa memiliki kandungan unsur volatile
matter lebih tinggi (sekitar 65%) dari pada unsur fixed carbon (De Souza and Santos,
2004). Ini artinya bahwa pada saat proses oksidasi bahan bakar biomassa, komponen volatil yang terbentuk jumlahnya relatif lebih banyak yang terurai menjadi gas (sekitar 65%) dibanding kandungan fixed karbon sehingga diperlukan jumlah udara pembakaran yang tepat pada masing-masing saluran udara (udara primer dan sekunder) untuk mengoksidasinya agar diperoleh proses pembakaran dengan efisiensi yang relatif tinggi.
Sampai dengan saat ini, belum ada aturan baku mengenai jumlah persentase rasio udara pembakaran antara saluran udara primer (PA) dan udara sekunder (SA), terutama pada proses pembakaran bahan bakar biomassa serat buah kelapa sawit. Oleh karena itu, tujuan dari penelitian ini adalah mencari rasio udara pembakaran yang tepat antara udara primer (PA) dan udara sekunder (SA) agar diperoleh efisiensi pembakaran tinggi. Sedangkan sasaran dari kegiatan ini adalah memperbaiki proses
pembakaran serat buah kelapa sawit melalui pengaturan jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder.
1.2. Perumusan Masalah
Secara aktual, efisiensi proses pembakaran pada bahan bakar padat (biomass) dipengaruhi oleh 5 hal yaitu, homogenitas campuran reaktan, ketersedian udara yang cukup, suhu pembakaran yang cukup, waktu yang cukup untuk berlangsungnya reaksi, dan densitas bahan bakar (Culp, 1991). Sejalan dengan latar belakang masalah seperti telah diuraikan pada sub bab 1.1 dan dengan mempertimbangkan kompleksitas permasalahan pada proses pembakaran yang banyak melibatkan parameter dan variabel penelitian, maka perlu diberikan batasan masalah secara jelas dan terfokus.
Untuk itu, pada kegiatan riset ini variabel yang digunakan sebagai prediktor penentu efisiensi proses pembakaran adalah jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder. Penentuan efisiensi pembakaran dilakukan dengan mempertimbangkan faktor kehilangan kalor pada gas buang kering (dry flue gas loss) dan faktor kehilangan kalor pada gas buang dalam kondisi basah (wet loss). Dimana, faktor kehilangan kalor pada gas buang kering (dry flue gas loss) ditentukan oleh parameter nilai kalor rendah bahan bakar (Low Heating Value), kadar CO2 teoritis,
kadar oksigen di dalam gas buang, dan suhu gas buang. Sementara itu, faktor kehilangan kalor pada gas buang basah (wet loss) ditentukan oleh parameter kerugian panas akibat kandungan air dan suhu gas buang. Selain itu, juga akan dicari pengaruh jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder terhadap
suhu di dalam reaktor pembakaran. Hal ini mengingat bahwa suhu pembakaran dapat mempengaruhi efisiensi proses pembakaran (Culp, 1991).
Berdasarkan batasan masalah seperti telah diuraikan sebelumnya, maka masalah yang menjadi obyek penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut:
1. Bagaimanakah kharakteristik pembakaran bahan bakar serat sawit (mesocarp)? 2. Apakah ada pengaruh yang cukup signifikan jumlah rasio udara pembakaran
antara udara primer dan udara sekunder terhadap suhu di dalam reaktor pembakaran?
3. Apakah ada pengaruh yang cukup signifikan jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder terhadap efisiensi proses pembakaran?
1.3. Tujuan Penelitian
Sejalan dengan rumusan masalah yang telah dirinci sebelumnya, tujuan yang ingin dicapai dalam kegiatan riset ini adalah untuk mengetahui:
1. Kharakteristik pembakaran bahan bakar serat sawit (mesocarp)
2. Pengaruh jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder terhadap suhu di dalam reaktor pembakaran.
3. Pengaruh jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder terhadap efisiensi proses pembakaran
1.4. Pembatasan Penelitian
Kegiatan riset yang dilakukan ini sifatnya eksperimental. Oleh karena itu perlu dilakukan pembatasan dalam kegiatan penelitian ini antara lain;
1. Bahan bakar serat buah kelapa sawit (serabut) yang digunakan untuk kegiatan eksperimen diambil dari Pabrik Kelapa Sawit (PKS) Adolina yang merupakan salah satu unit usaha PT. Perkebunan Nusantara (PTPN) IV, dimana serat tersebut diperoleh dari mesin screw press. Dengan demikian kadar air dan kharakteristik (kandungan volatile matter dan fixed carbon) bahan bakar serat buah kelapa sawit yang digunakan sebagai dasar perhitungan di dalam penelitian ini mengacu pada hasil kharakterisasi bahan bakar di PKS Adolina.
2. Reaktor pembakaran yang digunakan untuk proses pembakaran serat buah kelapa sawit pada saat eksperimen menggunakan reaktor pembakaran jenis fixed bed dengan mengikuti disain reaktor Sheffield University Waste Incereration Center (SUWIC) tanpa menghitung proses perpindahan panas yang terjadi pada reaktor tersebut.
3. Proses pemasukan bahan bakar untuk setiap kali eksperimen dilakukan dengan cara memasukkannya melalui bagian atas reaktor dengan terlebih dahulu membuka penutup bagian atas reaktor dan setelah itu menutupnya kembali secara rapat. Kegiatan ini dilakukan setiap akan melakukan eksperimen pembakaran.
4. Jumlah kadar air yang digunakan sebagai dasar acuan untuk perhitungan kadar air di dalam bahan bakar serat ditentukan pada saat awal saja, sedangkan pada setiap eksperimen tidak dilakukan pengukuran kadar air.
5. Untuk menentukan suhu pembakaran di dalam reaktor digunakan thermocouple yang dipasang pada tumpukan bahan bakar, bagian tengah reaktor dan pada saluran gas buang.
6. Untuk menentukan efisiensi pembakaran dilakukan dengan mempertimbangkan faktor kehilangan kalor pada gas buang kering (dry flue gas loss) dan faktor kehilangan kalor pada gas buang basah (wet loss). Dimana, faktor kehilangan kalor pada gas buang kering (dry flue gas loss) ditentukan oleh parameter nilai kalor rendah bahan bakar (Low Heating Value), kadar CO2 teoritis, kadar
oksigen di dalam gas buang dan suhu gas buang. Sementara itu, faktor kehilangan kalor pada gas buang basah (wet loss) ditentukan oleh parameter kerugian panas akibat kandungan air dan suhu gas buang.
7. Jumlah rasio persentase udara pembakaran antara udara primer (PA) dan udara
sekunder (SA) dalam penelitian ini diatur dengan ketentuan (PA:SA) secara berurutan adalah (20:80), (35:65), (50:50), (65:35), dan (80:20). Dimana, rasio (65:35) digunakan sebagai kontrol karena rasio inilah yang sering digunakan di lapangan oleh sebagian besar pabrik kelapa sawit di Indonesia.
1.5. Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat bagi pihak-pihak yang terkait dalam pengembangan daya saing industri hilir kelapa sawit, pemerhati energi dan pemerhati lingkungan. Secara rinci manfaat dari kegiatan riset ini dapat dijabarkan sebagai berikut:
1.5.1. Bagi Pengguna (User)
Data dan informasi yang dihasilkan dari kegiatan riset ini dapat digunakan sebagai bahan referensi yang bersifat teknis dalam upaya untuk:
1. Konservasi energi di pabrik kelapa sawit (PKS).
2. Mengatur jumlah persentase rasio udara pembakaran yang tepat antara udara primer dan udara sekunder.
3. Meningkatkan efisiensi proses pembakaran bahan bakar biomassa.
4. Mengurangi dampak penurunan kualitas lingkungan yang diakibatkan oleh ketidaksempurnaan proses pembakaran yang terjadi di dalam reaktor pembakaran boiler pabrik kelapa sawit.
1.5.2. Bagi Produsen Boiler
Data dan informasi yang diperoleh dari kegiatan riset ini dapat digunakan sebagai bahan masukan yang bersifat teknis dalam rangka mengatur udara pembakaran yang tepat antara saluran udara primer dan udara sekunder.
1.5.3. Bagi Kalangan Akademisi, Pemerintah dan Institusi Riset
Data dan informasi yang diperoleh dari kegiatan riset ini dapat digunakan sebagai bahan referensi dalam menambah khasanah Iptek dan pengembangan ilmu-ilmu terapan dalam bidang konversi energi terutama dalam bidang proses pembakaran bahan bakar biomassa. Selain itu, hasil penelitian ini juga diharapkan dapat dijadikan sebagai masukan awal dalam tindakan yang bersifat teknis dalam rangka pengembangan dan pengkajian suatu teknologi.
