STUDI PROFIL TEMPERATUR REAKTOR FLUIDIZED BED PADA GASIFIKASI SEWAGE SLUDGE.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013

Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional Jakarta, 14 November 2013

TM-22 | 158

STUDI PROFIL TEMPERATUR REAKTOR

FLUIDIZED BED

PADA GASIFIKASI

SEWAGE SLUDGE

I Nyoman Suprapta Winaya1), I Nyoman Adi Subagia2), Rukmi Sari Hartati3)

1)_{Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana Bali} 2)_{Jurusan Teknik Mesin, Poltek Negeri Bali} 3)_{Jurusan Teknik Elektro, Universitas Udayana Bali}

e-mail: ins.winaya@me.unud.ac.id

Abstrak

Sewage sludge adalah salah satu jenis limbah yang dapat dimanfaatk an sebagai salah satu sumber energi alternatif dengan menggunak an tek nologi gasifik asi. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatk an profil distribusi temperatur reak tor pada gasifik asi berbahan bak ar sewage sludge limbah perhotelan menggunak an sistem fluidized bed. Pengujian dilak uk an pada unit reak tor sk ala laboratorium dengan temperatur operasi yang divariasik an pada tek anan 1 atmosfir. Agen gasifik asi yang digunakan adalah kombinasi udara dan gas k arbon diok sida yang divariasik an. Dari hasil investigasi didapat bahwa distribusi temperatur reak tor adalah T1(bagian bawah reak tor) < T2(bagian tengah reak tor) <T3(bagian atas

reactor) . Besar temperatur T1 sangat dipengaruhi oleh k ecepatan superficial, semak in tinggi

k ecepatan superficial mak a T1 semak in rendah. Sedangk an besar temperatur T2 sangat

dipengaruhi oleh reak si yang terjadi selama proses gasifik asi, sehingga k ecepatan superficial berpengaruh secara tidak langsung terhadap T2. Besar k enaik k an temperatur T2

cenderung menurun dengan naik nya k ecepatan superficial. Untuk besar penurunan temperatur T3 didapat pengaruh yang sama seperti pada temperatur T2.

Pendahuluan

Dengan meningkatnya populasi penduduk dan laju perkembangan industri, akan berdampak pada menurunnya kualitas lingkungan karena limbah yang dihasilkan. Produksi limbah baik padat dan cair akan terus bertambah, hal ini memerlukan penanganan tersendiri sebelum dibuang. Sewage sludge adalah residu dari pengolahan air limbah

perkotaan yang mempunyai kandungan organik cukup tinggi berkisar 45%-55%, merupakan salah satu jenis limbah yang berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif [1].

Pemanfaatan sewage sludge sebagai sumber energi di Indonesia masih dalam studi

dan penggunaan sewage sludge sebagai bahan bakar padat telah menjadi salah satu

alternatif yang dikembangkan dengan menggunakan teknologi gasifikasi [2]. Teknologi gasifikasi telah banyak dimanfaatkan di negara maju, untuk mengkonversi bahan bakar padat menjadi gas mampu bakar (gas produser) secara thermokimia.

Gas produser yang dihasilkan diharapkan mempunyai kandungan CO, CxHy yang

tinggi, sehingga mempunyai nilai kalor yang tinggi. Aplikasi gas produser dapat digunakan langsung untuk menghasilkan energi thermal maupun energi listrik.

Teknologi gasifikasi fluidized bed (gasifikasi unggun terfluidakan), merupakan

salah satu teknologi alternatif terbaik untuk mengkonversi sewage sludge menjadi gas

produser [3]. Untuk menghasilkan nilai kalor gas produser yang tinggi dengan memanfaatkan teknologi ini, menurut [4] terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi proses gasifikasi diantaranya: temperatur kerja reaktor dan agen gasifikasi.

(6)

TM-22 | 159 kecepatan superficial terhadap profil temperatur reaktor selama proses gasfikasi sewage sludge menggunakan fluidized bed gasifier.

2. Metode Penelitian 2.1Sampel sewage sludge

Sewage sludge adalah residu dari instalasi pengolahaan limbah cair domestik.

Sebagai sampel pada penelitian ini menggunakan sewage sludge, yang diambil dari

instalasi pengolahan air limbah perhotelan di kawasan Nusa Dua Bali. Dengan pertimbangan menurut [5], bahwa karakteristik limbah cair yang berasal dari kawasan perhotelan mempunyai kesamaan dengan karakteristik limbah cair dari permukiman. Sebelum digunakan sebagai bahan bakar, sewage sludge terlebih dahulu

dikeringkan dengan menggunakan oven hingga memikili kandungan air sekitar 2%, kemudian ditumbuk hingga menjadi serbuk. Setelah itu serbuk sewage sludge dibuat pelet

dengan ukuran diameter 1,25 cm dan tinggi 1,1 cm, dengan berat tiap pelet adalah 1,26 gr.

2.2Media Gasifikasi

Pada pengujian ini menggunakan pasir silika sebagai media gasifikasi/material bed

dengan diameter 0,0005 m, kerapatan 2180 kg/m3, spherisitas 0,75 dan volume pasir pada bed 0,000203 m3.

2.3 Gas Pendorong (agen gasifikasi)

Sebagai gas pendorong (agen gasifikasi) utama pada penelitian ini digunakan udara, dengan penambahan gas karbon dioksida yang bervariasi mulai 10%, 15% dan 20% dari besar laju aliran udara. Variasi kombinasi udara dan gas karbon dioksida sebagai agen gasifikasi, dinotasikan kedalam kecepatan superficial (Uo) seperti pada Tabel 1.

2.4 Kecepatan Minimum Fluidisasi

Kecepatan minimum fluidisasi (Um f) adalah kecepatan terendah dimana fluidisasi

material bed mulai terjadi, besar kecepatan minimum ini akan digunakan sebagai acuan

dalam menentukan kecepatan superficial pada penelitian. Perhitungan kecepatan minimum fluidisasi pada temperatur kerja reaktor 500oC sebagai berikut:

a. Fraksi ruang kosong (εmf)

Untuk mencari fraksi ruang kosong (εm f), yang terjadi didalam hamparan material bed dengan menggunakan persamaan When dan Yu sebagai berikut [6]:

∅�_� = 1

1 (1)

dimana:

∅ ∶ sphericity pasir silika

∅ ∶ 0,75

sehingga didapat: _�_� _{= 0,457}

b. Bilangan Archimedes (Ar)

Besar bilangan Archimedes (Ar), dapat dihitung dengan persamaan sebagai

berikut[7]:

Ar = × ��

3_{× �}

� × (��− ��)

(μ)2 (2)

dimana:

(7)

TM-22 | 160 µ : 3,548.10-5 N.s/m2 (viscositas udara pada temperatur 500oC)

c. Bilangan Renold pada kecepatan fluidisasi minimum (Remf)

Untuk mencari bilangan Renold dapat digunakan persamaan sebagai berikut [7]:

Nilai Remf positif yang digunakan untuk menghitung kecepatan minimum fluidisasi.

Untuk mencari kecepatan minimum fluidisasi pada temperatur 500 oC dapat digunakan persamaan sebagai berikut [7]:

Pada pengujian ini kecepatan superficial (Uo) dihitung dengan persamaan kontinuitas, dimana total laju aliran agen gasifikasi adalah penjumlahan dari laju aliran udara dan gas karbon dioksida. Kecepatan superficial agen gasifikasi adalah total laju aliran agen gasifikasi dibagi dengan luas penampang reaktor. Besar kecepatan superficial ini diambil diatas kecepatan minimum fluidisasi, dari hasil perhitungan besar kecepatan minimum fluidisasi sebesar 9,80 cm/dt.

Variasi kecepatan superficial penelitian ini, didapat dari kombinasi laju aliran udara sebesar 11 l/mt dan laju aliran gas karbon dioksida (penambahan gas CO2) yang

thermokopel ditransfer ke data logger untuk dapat ditampilkan dalam bentuk grafik profil

temperatur, pada pengujian ini unit Fluidized Bed Gasifier bekerja pada 500 oC dan

tekanan 1 atm. Disamping unit Fluidized Bed Gasifier alat pendukung lainnya yang

digunakan adalah flow meter untuk mengukur laju aliran agen gasifikasi yang pada

penelitian ini menggunakan udara dan gas karbon dioksida, stop valve, pengukur tekanan,

(8)

TM-22 | 161 Gambar 1. Skema Pengujian

2.7Analisa Data

Dari hasil pengujian akan didapatkan data profil temperatur reaktor T1, T2 dan T3

untuk setiap kecepatan superficial Uo = 9,95 cm/dt, Uo = 10,45 cm/dt dan Uo = 10,86 cm/dt, pada temperatur kerja reaktor 500 oC. Dari data ini akan dituangkan kedalam bentuk grafik profil temperatur, kemudian akan dianalisis sesuai dengan tahapan-tahapan reaksi yang terjadi selama gasifikasi.

II.HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Hasil Penelitian

Dari hasil pengujian gasifikasi sewage sludge pada temperatur kerja reaktor 500 oC

dan variasi kecepatan superficial Uo = 9,95 cm/dt, Uo = 10,45 cm/dt dan Uo = 10,86 cm/dt, didapat distribusi temperatur reaktor. Pada setiap pengujian dilakukan perekaman data temperatur (oC) T1, T2 dan T3 terhadap waktu (dt), dari data tersebut dituangkan dalam

bentuk grafik untuk setiap kecepatan superficial dan dalam rentang waktu maksimum 400 detik seperti Gambar 2, 3 dan 4 sebagai berikut:

a. Profil Temperatur Reaktor Pada Uo = 9,95 cm/dt.

(9)

TM-22 | 162 Pada kecepatan Uo = 9,95 cm/dt profil temperatur yang didapatkan seperti pada Gambar 2 di atas, dimana temperatur T1 bergerak naik walaupun kecil dari 283,22oC

sampai 285,26oC (detik ke 60) dan kemudian bergerak turun hingga 273,67 oC (detik ke 400). Sedangkan untuk temperatur T2, bergerak naik dari 437,70oC hingga 468,83oC (detik

ke 245) dan turun kembali hingga 443,82 (pada detik ke 400). Untuk temperatur T3

berfluktuasi dan cenderung turun beberapa derajat dari 510,03oC hingga 468,66 (detik ke 315) dan naik kembali hingga 471,75oC (detik ke 400).

b. Profil Temperatur Reaktor Pada Uo = 10,45 cm/dt

Gambar 3. Profil Temperatur reaktor pada Uo = 10,45 cm/dt

Dari Gambar 3 tentang profil temperatur untuk kecepatan Uo = 10,45 cm/dt, menunjukkan kesamaan dengan profil temperatur pada kecepatan Uo = 9,95 cm/dt. Dimana temperatur T1 bergerak dari 281,32 oC naik sedikit sampai 283,92oC (detik ke 70)

kemudian turun sampai 273,19oC (detik ke 255) dan naik kembali sampai 276,24 (detik ke 330). Untuk temperatur T2 bergerak naik dari 438,39oC hingga 473,47oC (detik ke 330)

dan turun kembali sampai 471,85 (detik ke 333), sedangkan temperatur T3 sedikit

berfluktuasi bergerak turun walaupun kecil dari 476,86oC perlahan sampai 454,93oC (detik ke 190) dan sedikit naik sampai 468,99oC (detik ke 333).

c. Profil Temperatur Reaktor Pada Uo = 10,86 cm/dt

Dari hasil pengujian gasifikasi sewage sludge dengan Uo = 10,86 cm/dt, didapat

profil temperatur pada reaktor seperti pada Gambar 4. berikut:

(10)

TM-22 | 163 Temperatur T1 yang menggambarkan temperatur pada daerah bagian bawah bed,

selama proses gasifikasi dalam rentang waktu 400 dt temperatur T1 bergerak dari 270,69 o_{C menurun sampai 262,42} o_{C (detik ke 400). Berbeda dengan temperatur T}

2 yang

menggambarkan temperatur pada bagian tengah media gasifikasi (pada hamparan material bed), dimana proses gasifikasi berlangsung. Temperatur T2 dimulai dari 443,06 oC

bergerak naik berfluktuasi sampai tertinggi mencapai temperatur 455,82oC (detik ke 150) dan bergerak turun sampai 430,70 (detik ke 210) dan naik kembali sampai 448,78oC (detik ke 400).

Sedangkan pada temperatur T3 yang menggambarkan temperatur pada bagian atas

media gasifikasi, bergerak turun dari 492,12oC sampai dengan 467,67oC (detik ke 400).

3.2 Pembahasan

Profil temperatur dari setiap pengujian gasifikasi sewage sludge seperti yang

ditampilkan pada Gambar 2-4, memberikan gambaran perubahan temperatur selama proses gasifikasi sewage sludge berlangsung. Adapun profil temperatur pada tiga titik (T1, T2 dan

T3) adalah sebagai berikut:

a. Profil Temperatur pada bagian bawah media gasifikasi (T1)

Selama proses gasifikasi temperatur T1 menunjukkan, temperatur yang paling

rendah bila dibandingkan dengan temperatur T2 dan T3. Temperatur T1 menunjukkan besar

temparatur pada bagian bawah media gasiikasi, pada temperatur kerja reaktor 500oC besar T1 berkisar 270,69oC sampai dengan 283,22oC. Besar temperatur T1 sangat dipengaruhi

oleh besar laju aliran masuk dari gas pendorong (agen gasifikasi) yang pada pengujian ini menggunakan kombinasi udara dan gas CO2. Dimana semakin besar laju aliran masuk gas

pendorong, yang juga berarti semakin besar laju aliran udara dan gas CO2 maka temperatur

T1 akan semakin rendah. Penurunan temperatur reaktor T1 ini disebabkan adanya

perbedaan temperatur antara media gasifikasi dan agen gasifikasi, akibatnya terjadi penyerapan panas oleh agen gasifikasi (udara dan gas CO2) pada saat masuk kedalam

reaktor. Disisi lain semakin tinggi kecepatan fluidisasi koefisien perpindahan panas konveksi dari permukaan dinding reaktor ke media gasifikasi akan semakin tinggi pula [11], hal ini yang menyebabkan terjadinya penurunan temperatur T1 semakin tinggi dengan

meningkatnya kecepatan superficial.

b. Profil Temperatur pada bagian atas media gasifikasi (T2)

Temperatur T2 menunjukkan besar temperatur di atas media gasifikasi (pasir silika),

dimana proses gasifikasi berlangsung. Dari gambar profil temperatur reaktor dapat dilihat bahwa untuk temperatur kerja reaktor 500oC, besar T2 berkisar 437,7oC sampai dengan

443,06oC. Dengan kisaran besar temperatur T2 dan mengacu pada tahapan proses

gasifikasi, maka tahapan yang berlangsung pada proses gasifikasi adalah tahapan kedua yaitu proses devolatilisasi (pirolisis).

Devolatilisasi adalah tahapan setelah proses pengeringan (drying), dimana pada

tahapan ini terjadi pelepasan unsur-unsur yang mudah menguap (volatile metter) yang

dikandung oleh bahan bakar. Menurut [8], proses pengeringan (drying) yang berlangsung pada temperatur sekitar 180o_{C, sedangkan proses devolatilisasi berlangsung pada}

temperatur sekitar 360oC. Hal ini juga diperkuat oleh hasil penelitian yang dilakukan oleh [4] tentang pengaruh medium gasifikasi pada proses gasifikasi sewage sludge didapat

bahwa pengurangan massa pelet bahan bakar terbesar terjadi pada kisaran temperatur 200oC sampai dengan 400oC. Sehingga dapat dikatakan bahwa pada kisaran temperatur T2

(11)

TM-22 | 164 Dari gambar profil temperatur pada setiap kecepatan superficial didapat bahwa untuk kecepatan superficial Uo = 9,95 cm/dt, Uo = 10,45 cm/dt, Uo = 10,86 cm/dt, profil temperatur T2 membentuk kurva diawali dengan arah pergerakkan naik dan kembali turun.

Pada bagian kurva yang bergerak naik menunjukkan adanya penambahan energi panas, yang didapat dari proses sebelumnya yaitu pengeringan dan devolatilisasi. Menurut [8], pada saat yang bersamaan dapat berlangsung proses pengeringan dan devolatilisasi sehingga uap air yang terbentuk dan unsur-unsur yang mudah menguap (volatile metter)

akan bergerak mengalir keluar dari bagian dalam ke bagian luar melalui lapisan panas permukaan pelet dan bereaksi dengan char yang dihasilkan oleh proses devolatilisasi.

Akibatnya terjadi pembakaran parsial dimana bahan mudah menguap (volatile matter) dan

gas hasil membakar sekeliling permukaan pelet bahan bakar, dan meningkatkan temperatur permukaan pelet. Kondisi ini yang dapat menyebabkan peningkatan temperatur T2 selama

proses. Hal yang sama juga dinyatakan oleh [9], bahwa selama proses devolatilisasi kemungkinan terjadi peningkatan temperatur karena adanya panas yang dihasilkan oleh pembakaran bahan mudah menguap (volatile matter). Disamping itu juga kemungkinan

pada tahap akhir devolatilisasi char akan membara.

Dari hasil yang didapat profil temperatur T2 pada kecepatan superficial yang

berbeda, terlihat bahwa besar kenaikkan temperatur T2 yang terjadi selama proses

gasifikasi cenderung menurun dengan meningkatnya kecepatan superficial. Hal ini disebabkan karena panas yang terbentuk disekeliling permukaan pelet dari reaksi sebelumnya akan diserap oleh agen gasifikasi. Semakin besar laju agen gasifikasi semakin besar pula panas yang diserap disekeliling permukaan pelet, sehingga tidak terjadi peningkatan/lonjakkan temperatur yang besar. Disamping itu dari data didapat perbedaan temperatur saat awal hingga mencapai maksimum selama proses gasifikasi, berkisar 12,76oC sampai 35,08oC. Pada kondisi ini dengan kenaikkan temperatur disekeliling permukaan pelet yang relatif kecil, tidak cukup mampu untuk melanjutkan proses pembakaran parsial dari produk devolatilisasi (pirolisis) dan reaksi reduksi.

c. Temperatur pada bagian atas reaktor (T3)

Profil temperatur T3 menggambarkan temperatur pada bagian atas reaktor selama

proses gasifikasi berlangsung. Pada temperatur kerja reaktor 500oC dengan kecepatan superficial Uo = 9,95 cm/dt, Uo = 10,45 cm/dt dan Uo = 10,86 cm/dt, temperatur T3

menunjukkan arah gerakkan yang berlawanan dengan temperatur T2. Dimana pada saat

temperatur T2 bergerak naik, T3 bergerak turun demikian sebaliknya. Fenomena profil

temperatur T3 ini, dapat disebabkan karena gas produser yang dihasilkan pada proses

sebelumnya di zona T2 masih terjadi reaksi lanjutan selama gas tersebut bergerak keatas

melewati zona T3. Reaksi lanjutan yang terjadi bersifat endotermis sehingga menyerap

panas di zona T3, yang menyebabkan terjadinya penurunan temperatur T3 pada saat

temperatur T2 meningkat. Hal ini tergantung dengan besar kecepatan superficial, dimana

semakin besar kecepatan superficial gas hasil gasifikasi semakin cepat meninggalkan reaktor demikian sebaliknya. Dengan mempunyai waktu yang lebih lama didalam reaktor, memungkinkan terjadi reaksi lanjutan antara gas hasil gasifikasi dengan produk reaksi sebelumnya selama bergerak keatas menuju pipa keluar. Menurut hasil penelitian, bahwa rangkaian reaksi yang terjadi selama proses gasifikasi dipengaruhi oleh tinggi bed [10].

Dengan kata lain semakin tinggi bed maka waktu tinggal gas didalam reaktor semakin

lama, sehingga seluruh rangkaian reaksi dapat berlangsung dengan komplit.

4. KESIMPULAN

Dari hasil penelitian dan pembahasan dapat disimpulkan sebagai berikut:

(12)

TM-22 | 165 2. Temperatur pada bagian bawah media gasifikasi (T1) sangat dipengaruhi oleh besar

kecepatan superficial, semakin tinggi kecepatan superficial maka temperatur T1 semakin rendah.

3. Temperatur T2 yang menggambarkan temperatur pada bagian atas media gasifikasi,

merupakan temperatur terpenting dalam melihat tahapan proses gasifikasi yang berlangsung. Dari hasil didapat bahwa besar kenaikkan temperatur T2 sangat

dipengaruhi oleh reaksi yang berlangsung selama peroses gasifikasi. sedangkan kecepatan superficial secara tidak langsung berpengaruh terhadap temperatur T2,

dengan semakin tinggi kecepatan superficial menyebabkan besar kenaikkan temperatur T2 cenderung menurun.

4. Temperatur pada bagian atas reaktor (T3), sangat dipengaruhi oleh reaksi yang

berlangsung sebelumnya (pada zona T2). Besar penurunan temperatur T3 selama proses

gasifikasi menurun dengan semakin tingginya kecepatan superficial.

DAFTAR PUSTAKA

1. Szwaja, S., Cupial, K., (2010). Sewage Sludge Based Producer Gas of Rich H2

Contents as a Fuel for an IC Engine, Proceedings of the WHEC, Energy & Environment, Vol 78-6.

2. Takahashi, H., (2005). Study On Sewage Sludge Gasification, Bureau of sewerage, Tokyo Metropolitan 1-7-26, Nishiki-cho, Tachikawa-shi,Tokyo 190-0022, Japan. 3. Nowicki, L., Bedyk, T., Stolarek, P., Ledakowicz, S., (2008). Effect of Type of

Gaseous Atmosphere on Sewage Sludge Gasification, Proceeding of ECOpole, vol. 2,No.1.

4. Hofbauer, H., Rauch, R., Nitsche, K.R., (2007). Report On Gas Cleaning for Synthesis

Applications Work Package 2E: “Gas treatment”, Deliverable: 2E-3. p.17

5. Muliartha, I.K. (2004). Pedoman Teknis Pengelolaan Limbah Industri Kecil, Jakarta : Kementerian Lingkungan Hidup. p 128-129 ; p 223

6. Newton W.H. (2008). Diffusion and Reaction in Porous Catalysts, Professional Reference Shelf.

7. Basu, P. (2006). Combustion and Gasification in Fluidized Beds, Second Edition. USA: Taylor and Francis Group LLC CRc Press.p 25,32,33,61,66,67,75.

8. Cui, H., Ninomiya, Y., Masui, M., Mizukoshi,H., Sakano,T., Kanaoka, C., (2005). Fundamental behaviors in combustion of raw sewage sludge, Department of applied chemistry, College of engineering, Chubu University.

9. Scott, S.A., Davidson, J.F., Dennis, J.S., Hayhurst, A.N., (2006). The devolatilisation of particles of a complex fuel (dried sewage sludge) in a fluidized bed, Departement of Chemical Engineering, University of Cambridge, UK.

10.Manyà, J. J., Sànchez, J. L., Javier Ábrego Gonzalo, J. A., Arauzo, J., (2006). Influence of Gas Residence Time and Air Ratio on The Air Gasification of Dried Sewage Sludge in a Bubbling fluidized Bed, Fuel 85: p.2027-2033.