TESIS
ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI
UPDRAFT
DENGAN VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA
DAN OKSIGEN
I Gede Hendra Gunawan
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS UDAYANA
TESIS
ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI
UPDRAFT
DENGAN VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA
DAN OKSIGEN
I Gede Hendra Gunawan (1191961004)
PROGRAM MAGISTER
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS UDAYANA
DENPASAR
ii
ANALISIS PERFORMANSI REKTOR GASIFIKASI
UPDRAFT
DENGAN
VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA DAN OKSIGEN
Tesis Untuk Memperoleh Gelar Magister
Pada Program Magister, Program Studi Teknik Mesin
Program Pascasarjana Universitas Udayana
I Gede Hendra Gunawan
NIM 1191961004
PROGRAM MAGISTER
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS UDAYANA
iii
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN
UNIVERSITAS UDAYANA
PROGRAM PASCA SARJANA
PROGRAM MEGISTER TEKNIK MESIN
Basement Floor, Gedung Pasca Sarjana, Kampus Sudirman, Denpasar Bali Telp. +62-361-241390, Fax. +62-361-241390 Email: magister.mesin@me.unud.ac.id
atau s2mesin.udayana@yahoo.com
website: http://www.pps.unud.ac.id/ind/program-magister-teknik-mesin
Lembar Pengesahan
TESIS INI TELAH DISETUJUI PADA TANGGAL, JANUARI 2016
Dosen Pembimbing I
Dr. Eng. Made Sucipta, ST, MT
NIP. 19741114 200012 1 001
Mengetahui,
Ketua Program Megister Teknik Mesin Direktur Program Pascasarjana Program Pascasarjana Universitas Udayana Universitas Udayana
Prof.Dr.Ir. I Gusti BagusWijaya Kusuma Prof.Dr.Made Budiarsa,M.A. NIP.19700607 199303 1 002 Nip.195301071981031002
Dosen Pembimbing II
Tesis Ini Telah Diuji Pada
Tanggal 14 Januari 2016
Panitia Penguji Tesis Berdasarkan SK Rektor
Universitas Udayana, No : 0277/UN14.4/HK/2016
Ketua
: Dr. Eng. Made Sucipta,ST,MT
Anggota :
1. Prof. I Nyoman Suprapta Winaya, ST.,MASc.,PhD
2. Prof. Dr. Ir. I Gusti Wijaya Kusuma
SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT
NAMA : IGEDE HENDRA GUNAWAN
NIM :1191961004
PROGRAM STUDI : PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS UDAYANA
JUDUL PROPSAL TESIS : ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR
GASIFIKASI UPDRAFT DENGAN
VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA
DAN OKSIGEN
Dengan ini menyatakan bahwa proposal karya ilmiah ini bebas plagiat. Apabila
di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya
bersedia menerima sanksi sesuai dengan perundang – undangan yang berlaku
Denpasar,18 Agustus 2016
Yang membuat pernyataan
iv
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa, karena
atas Berkat-Nya penulis dapat menyelesaikan Tesis ini dengan baik. Tesis ini
dengan judul “Analisis Performansi Reaktor Gasifikasi Updrfat Dengan Variasi
Rasio Campuran oksigen Dan Udara”.
Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan untuk memperoleh
gelar Master pada Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana
Universitas Udayana.
Dalam penyusunan Tesis ini penulis banyak mendapat bantuan serta
bimbingan dari berbagai pihak sehingga pada kesempatan ini penulis
mengucapkan terima kasih kepada, Ketua Program Studi Teknik Mesin Program
Pascasarjana Universitas Udayana, Pembimbing Akademik, Dosen Pembimbing
I, Dosen Pembimbing II, Keluarga yang slalu memberikan dukungan,
Teman-teman mahasiswa Megister Teknik Mesin Universitas Udayana dan semua pihak
yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dalam
penulisan Tesis ini.
Penulis menyadari bahwa dalam Tesis ini masih banyak kekurangannya
baik dalam isi maupun pengkajiannya oleh karena itu kritik dan saran sangat
penulis harapkan agar menjadi lebih baik.
Denpasar , Januari 2016
ABSTRAK
ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI
UPDRAFT
DENGAN
VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA DAN OKSIGEN
Tempurung kelapa dapat dengan mudah didapatkan karena jumlahnya
melimpah dan untuk sekarang ini hanya dimanfaatkan sebagai arang saja. Dengan
mengetahui komposisi dan kandungan kimia yang terdapat di dalam tempurung
kelapa, bahan tersebut dapat dijadikan sumber energi alternatif melalui proses
gasifikasi.
Ada beberapa jenis gasifikasi
Fixed Bed
yaitu : Gasifikasi
Updraft
,
Downdraft
dan
Crossdrfat.
Pada penelitian ini tempurung kelapa dapat dijadikan bahan bakar gas
melalui proses gasifikasi menggunakan gasifikasi updraft.
Proses gasifikasi
dilakukan dengan menggunakan reaktor updraft yang dibuat 2
inlet
tempat masuknya
udara dan oksigen murni sebagai agen gasifikasi. Variasi I (100% udara) dengan laju
aliran masa agen 37 lpm, Variasi II(75% udara dan 25% oksigen murni) dengan laju
aliran pada masing -masing inlet 23 lpm untuk udara dan 0,5 lpm untuk oksigen,
variasi III(50% udara dan 50 % oksigen) dengan laju aliran pada masing – masing
inlet 12 lpm untuk udara dan1,5 lpm untuk oksigen,variasi IV (25% udara dan 75%
oksigen murni) dengan laju aliran masa padamasing –masing inlet 4 lpm untuk
udara dan 2 lpm untuk oksigen serta variasi V (menggunakan 100% oksigen murni)
dengan laju aliran masa 2 lpm. Dimensi reaktor yang digunakan dalam penelitian,
dengan tinggi reaktor dari dasar penyangga sampai bagian atas 70 cm dan diameter 6
inch,
Dari hasil penelitian FCR aktual untuk 100% udara = 9,716 kg/jam, FCR
dengan ditambahkan 25% oksigen = 5,787 kg/jam, FCR dengan ditambahkan 50%
oksigen = 3,133 kg/jam, FCR dengan ditambahkan 75% = 2,84 kg/jam, FCR dengan
100% oksigen = 2,09 kg/jam, dari masing – masing penelitian akan menghasilkan
energi masing – masing variasi : variasi I= 5,91 MJ/kg, variasi II=4,41 MJ/kg,
variasi III=10,12 MJ/kg,variasi IV=12,5 MJ/kg dan variasi V=13,4 MJ/kg. Efisiensi
gas yang dihasilkan sebesar 28,8%, 21,5%, 49,5%, 60,9% dan 65,4%. Dengan
penambahan oksigen murni akan mempengaruhi efisiensi gasifikasi akan
menghasilkan efisiensi dan energi gas yang lebih tinggi
Kata Kunci : Gasifikasi
Updraft
, Variasi agen gasifikasi, Tempurung kelapa
ABSTRACT
GASIFICATION REACTOR PERFORMANCE ANALYSIS UPDRAFT WITH
VARIATION RATIO AIR AND OXYGEN MIXTURE
Coconut shell can be easily obtained because of abundant and for now it is
only used as charcoal only. By knowing the chemical composition and content
contained in coconut shell, the material can be used as a source of alternative
energy through a gasification process. There are several types of gasification Fixed
Bed namely: Gasification updrafts, Downdraft and Crossdrfat.
In this study coconut shell can be used as fuel gas through a gasification
process using updraft gasification. Gasification process is performed by using the
updraft created 2 reactor inlet where the entry of air and pure oxygen as the
gasification agent. Variations I (100% air) with a flow rate of 37 lpm agent period,
the variation II (75% air and 25% pure oxygen) with the flow rate at each -masing
inlet for air 23 lpm and 0.5 lpm of oxygen, variation III ( 50% air and 50% oxygen)
with a flow rate on each - each inlet for air dan1,5 12 lpm lpm to oxygen, variation
IV (25% air and 75% pure oxygen) with a flow rate padamasing period -masing inlet
4 lpm for air and 2 lpm of oxygen as well as the variation V (using 100% pure
oxygen) to the mass flow rate of 2 lpm. Dimensions reactor used in the study, with a
high reactor from the bottom of the buffer to the upper 70 cm and a diameter of 6
inches,
From the research to 100% of actual FCR air = 9.716 kg / h, FCR with
added 25% oxygen = 5.787 kg / h, FCR with added 50% oxygen = 3.133 kg / h, FCR
with added 75% = 2.84 kg / hours, FCR with 100% oxygen = 2.09 kg / hour of each
- each study will produce energy each - each variation: variation of I = 5.91 MJ / kg,
variation II = 4.41 MJ / kg, variation III = 10.12 MJ / kg, IV variation = 12.5 MJ /
kg and variations of V = 13.4 MJ / kg. The efficiency of the gas produced by 28.8%,
21.5%, 49.5%, 60.9% and 65.4%. With the addition of pure oxygen will affect the
efficiency of gasification will generate energy efficiency and higher gas
Keywords: Gasification updrafts, Variation gasification agent, coconut shell
RINGKASAN
ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI UPDRAFT DENGAN VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA DAN OKSIGEN
I Gede Hendra Gunawan., Dr. Eng. Made Sucipta, ST, MT, Pembimbing I.,
dan Prof. I Nyoman Suprapta Winaya, ST, MASc,PhD, Pembimbing II.
Dalam penelitian ini bahan yang dugunakan pada proses gasifikasi adalah tempurung kelapa, dimana tempurung kelapa sangat mudah di dapatkan khususnya Indonesia. Selama ini tempurung kelapa hanya dimanfaatkan untuk arang saja. Pada proses gasifikasi digunakan metode gasifiaksi updraft karena disain yang sederhana dan tidak memiliki batasan jenis bahan bakar yang digunakan.
Pada penelitian ini bahan yang digunakan dalam pembuatan reaktor adalah pipa black steel dengan ukuran diameter 17 cm (6”) dan variasi campuran agen gasifikasi antara udara dan oksigen yang bertujuan untuk mendapatkan energi yang terbaik dan efisiensi gas yang paling tinggi. Variasi campuran agen gasifikasi yang digunakan antara udara dan oksigen, variasi I 37 lpm udara lingkungan, variasi II 23 lpm : 0,5 lpm, variasi III 12 lpm : 1,5 lpm, variasi IV 4 lpm : 2 lpm dan variasi V 2 lpm oksigen murni
Dari hasil penelitian efisiensi gas yang paling tinggi dihasilkan adalah menggunakan 100% oksisgen murni dengan energi yang dihasilkan 13,4 MJ/kg, dengan komposisi gas yang dihasilkan. CH4 = 1,73%, N2 = 5,04% ,CO = 19,68%,
O2 = 3,79%, CO2 = 64,98%, H2 = 4,20 bahan bakar dan efisiensi yang dihasilkan.
Dari hasil gas gasifikasi yang didapatkan proses lebih mengacu pada sisitem pembakaran dimana kompsisi dari CO2 yang relative sangat tinggi
xi
DAFTAR ISI
SAMPUL DALAM ... i
PRASARAT GELAR ... ii
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
PENETAPAN PANITIA PENGUJI ... iv
SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT ... v
KATA PENGHANTAR ... vi
ABSTRAK ... vii
ABSTRACT ... viii
RINGKASAN ... x
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR TABEL ... xii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1Latar Belakang ... 1
1.2Rumusan Masalah ... 4
1.3Batasan Masalah ... 5
1.4Tujuan Masalah ... 5
1.5Manfaat Penelitian ... 5
BAB II KAJIAN PUSTAKA ... 7
2.1 Biomasa ... 7
2.2 Komposisi Biomasa ... 8
2.3 Tempurung Kelapa ... 9
2.4 Produk Biomasa ... 9
2.5 Gasifikasi Biomasa ... 10
2.4.1 Gasifikasi Udara ... 13
2.4.2 Steam Gasification ... 13
2.4.2 Oxygen Gasification ... 14
xii
2.6 Reaktor Gasifikasi ... 15
2.6.1 Fixed Bed Gasifier ... 15
2.6.1.1 Updraft Gasifier ... 15
2.6.1.2 Downdraft Gasifier ... 16
2.6.1.3 Croosdraft Gasifier ... 18
2.6.2 Fluidized Bed ... 19
2.6.3 Reaktor Entrained Flow ... 20
2.7 Dasar – Dasar Proses Gasifikasi ... 22
2.7.1 Zona Pengeringan ... 22
2.7.2 Zona Pirolisa ... 23
2.7.3 Zona Oksidasi ... 24
2.7.4 Penambahan Udara Sekunder ... 25
2.7.5 Zona Reduksi ... 24
2.8 Parameter – Parameter Penting Dalam Gasifikasi ... 26
2.9 Pembakaran Bahan Bakar ... 30
2.9.1 Jumlah Udara Dalam Pembakaran ... 30
2.10 Masa Jenis Biomasa ... 31
2.11 Karakteristik Nyala Api ... 31
2.12 Efisiensi Gasifikasi ... 34
BAB III KERANGKA BERPIKIR, KONSEP DAN HIPOTESIS ... 37
3.1 Kerangka Berpikir ... 37
3.2 Konsep ... 38
3.3 Hipotesis ... 39
BAB IV METODE PENELITIAN ... 40
4.1 Rancangan Alat Uji ... 40
4.2 Waktu dan Tempat Penelitian ... 42
4.3 Ruang Lingkup Penelitian ... 43
4.4 Variabel Penelitian ... 44
4.4.1 Perancangan Detail ... 45
4.4.2 Menghitung Fuel Consumtion Rate (FCR) ... 48
4.4.3 Menghitung Air Fuel Rate (AFR) Dan Oxigen Fuel Rate (OFR) .. 49
xiii
4.4.5 Tinggi Reaktor ... 53
4.5 Penentuan Sumber Data ... 54
4.6 Bahan Penelitian ... 55
4.7 Instrumen Peneletian ... 57
4.8 Prosedur Penelitian ... 58
4.9 Analisis Data ... 62
4.10 Selesai ... 62
4.11 Penutup ... 62
BAB V HASIL PENELTIAN ... 63
5.1 Data Pengujian Awal ... 64
5.1.1 Hasil Analisa Proximate Dan Ultimate Tempurung Kelapa ... 65
5.1.2 Waktu Operasional Dan Masa Arang ... 63
5.2 Distribusi Temperatur Reaktor ... 65
5.3 Perhitungn Fuel Consumtion Rate Aktual (FCRa) ... 75
5.3.1 Perhitungaan SA dan SO aktual ... 77
5.3.2 Perhitungan Gas Gasifikasi ... 79
5.3.3 Perhitungan Afisiensi Gasifikasi ... 82
BAB VI PEMBAHASAN ... 87
6.1 Analisis Data ... 87
6.1.1 Analisis Reaktor Gasifikasi ... 87
6.1.2 Analisis Perbandingan Temperatur Variasi Agen Gasifikasi ... 89
6.1.3 Analisis Perbandingan Variasi Campuran Agen GasifikasiTerhadap Efisiensi Gasifikasi ... 91
BAB VII SIMPULAN DAN SARAN ... 93
7.1 Simpulan ... 93
7.1 Saran ... 93
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Gasification Proces and Their Products ... 12
Gambar 2.2 Updraft Gasifier ... 15
Gambar 2.3 Downdraft Gasifier ... 17
Gambar 2.4 Crossdraft Gasifier ... 19
Gambar 2.5 Flidized Bed Gasifier ... 20
Gambar 2.6 Reaktor Entrained Flow ... 21
Gambar 2.7 Nyala Api ... 33
Gambar 2.8 Perubahan Api Laminer dan Torbulen Terhadap Flow Velocity ... 34
Gambar 4.1 Penempatan Termokopel Pada Tabung Reakor Gasifier ... 40
Gambar 4.2 Skema Reaktor Gasifikasi ... 41
Gambar 4.3 Diagram Alir ... 60
Gambar 4.5 Diagram Alir ... 61
Gambar 5.1 Bahan Bakar Yang Digunakan ... 63
Gambar 5.2 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 100% Udara Lingkungan ... 66
Gambar 5.3 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 75% Udara dan 25% Oksigen Murni……….... 67
Gambar 5.4 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 50% Udara dan 50% Oksigen ………. 69
Gambar 5.5 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 25% Udara dan 75% Oksigen Murni …...………. 70
Gambar 5.6 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 100% Oksigen Murni………. 72
Gambar 5.7 Grafik Perbandingan Temperatur Agen Gasifikasi Terhadap Temperatur Rata – Rata Reaktor ... 73
Gambar 6.1 Tar Yang Dihasilkan Pada Proses Gasifikasi ... 87
xv
Gambar 6.3 Distribusi Temperatur Reaktor Gasifikasi ... 89
Gambar 6.4 Persentase CO2 Yang Dihasilkan ... 90
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Ultymate Analysis Biomasa ... 8
Tabel 2.2 Higher Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV) ... 36
Tabel 4.1 Jadwal Penelitian ... 43
Tabel 4.2 Menentukan laju Aliran Masa Yang Masuk Ke Reaktor ... 48
Tabel 4.4 Pencatatan Data Untuk Bahan Bakar Dari Tempurung Kelapa ... 54
Tabel 5.1 Hasil Pengujian Ultimate dan Proximate Analisis Tempurung Kelapa ... 64
Tabel 5.2 Kebutuhan Udara Untuk Proses Gasifikasi ... 64
Tabel 5.3 Variasi Dengan 100% Udara ... 65
Tabel 5.4 Variasi dengan Proses dengan 25% Oksigen :75 % Udara ... 67
Tabel 5.5 Variasi dengan Proses dengan 25% Oksigen :75 % Udara ... 67
Tabel 5.6 Variasi 3 Proses dengan 50% Oksigen :50 % Udara ... 68
Tabel 5.7 Variasi 4 Proses dengan 75% Oksigen :25 % Udara ... 68
Tabel 5.8 Variasi 5 Proses dengan 100% Oksigen ... 71
Tabel 5.9 Ditribusi Rata – Rata Temperatur Reaktor Gasifikasi ... 73
Tabel 5.10 Data Hasil Pengujian Abudnace Gas Gasifikasi ... 75
Tabel 5.11 Hasil Perhitungan FCR Aktual ... 77
Tabel 5.12 Kebutuhan Oksigen Bahan Bakar ... 79
Tabel 5.13 Persentase Kandungan Hasil Gasifikasi ... 81
Tabel 5.14 Persentase Kandungan Gas CO, CH4 dan H2 ... 82
Tabel 5.15 Produksi N ... 84
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebutuhan energi yang sangat tinggi pada saat ini menimbulkan suatu
pemikiran untuk mencari alternatif sumber energi yang dapat membantu
mengurangi pemakaian bahan bakar fosil. Hal ini disebabkan karena semakin
meningkatnya kebutuhan manusia akan penggunaan bahan bakar fosil untuk
digunakan pada mesin-mesin penggerak yang akan menyebabkan pencemaran
lingkungan khususnya pencemaran lingkungan yang diakibatkan oleh emisi gas
buang hasil dari pembakaran. Energi alternatif membawa dampak yang lebih baik
terhadap lingkungan karena sifatnya yang ramah lingkungan dan bahan baku
yang digunakan mudah didapat dan juga merupakan energi yang dapat diperbarui
Indonesia adalah negara agraris sehingga Indonesia mempunyai potensi
akan biomassa yang sangat besar salah satunya adalah tempurung kelapa.
Tempurung kelapa dapat dengan mudah didapatkan karena jumlahnya melimpah
dan untuk sekarang ini hanya dimanfaatkan sebagai arang saja. Dengan
mengetahui komposisi dan kandungan kimia yang terdapat di dalam tempurung
kelapa, bahan tersebut dapat dijadikan sumber energi alternatif melalui proses
gasifikasi.
Gasifikasi adalah suatu proses perubahan bahan bakar padat secara
termokimia menjadi gas, dimana udara yang diperlukan lebih rendah dari udara
2
gasifier, dimana gasifier merupakan alat yang sederhana karena mekanisme
operasinya. Akan tetapi keberhasilan dari gasifikasi dan penerapanya tidaklah
mudah. Ini dikarenakan fenomena termodinamika untuk operasi gasifier tidak
terlalu mendalam, sehingga perlu dilakukan pengkajian yang banyak untuk
membantu proses gasifikasi. Proses gasifikasi biomasa dapat dilakukan dengan
metode langsung dan tidak langsung, metode langsung dimana menggunakan
udara atau oksigen untuk membangkitkan panas melalui reaksi eksotermis dan
metode tidak langsung menggunakan panas yang ditransfer ke dalam reator dari
luar (Reed,1988). Gasifikasi umumya terjadi 4 proses yaitu pengeringan,
pirolisis, oksidasi dan reduksi. Proses pengeringan, pirolisis dan reduksi bersifat
endotermis dan oksidasi bersifat eksotermis yang fungsinya menyediakan panas
pada ketiga proses tersebut
Dalam proses gasifikasi dengan menggunakan oksigen murni sebagai
agen gasifikasi dimana jumlah nitrogen terbatas jumlahnya bahkan tidak
ditemukan sama sekali, gas yang dihasilkan mempunyai energi menengah
sehingga baik jika digunakan pada mesin pembakaran dibandingkan proses
gasifikasi dengan menggunakan media udara hanya menghasilkan energi yang
rendah. Dalam proses gasifikasi dengan oksigen secara sederhana disalurkan oleh
pipa yang dibuat menjadi suatu sistem plant dan selanjutnya melalui proses panas
atau mungkin juga gas sintetis untuk menghasilkan chemical dan bahan bakar
3
Reaktor gasifikasi updraft memiliki tidak ada batasan jenis dan kualitas
bahan bakar yang digunakan. Keuntungan utama dari reaktor updraft adalah
kesederhanaan desainnya, tingkat pembakaran dari arang yang tinggi dan
perpindahan panas di dalam reaktor yang memicu rendahnya suhu gas keluaran
dan efisiensi gasifikasi yang tinggi. Karena perpindahan panas di dalam reaktor,
bahan bakar dikeringkan pada bagian atas dari reaktor. sehingga bahan bakar
dengan kadar air yang tinggi (60%) dapat digunakan. Lebih jauh, reaktor tipe ini
dapat memproses partikel bahan bakar relatif kecil dan berbagai jenis bahan
bakar. Kerugian terbesar adalah tingginya kadar tar dan gas pirolisis. Karena gas
pirolisis dan tar tidak melewati zona pembakaran, sehingga tidak terbakar. Akan
tetapi hal ini tidak terlalu penting jika gas digunakan untuk aplikasi pembakaran
menggunakan burner. Akan tetapi jika dipergunakan untuk mesin pembakaran
dalam, banyak proses pembersihan harus dilakukan (Reed, 1988). Hal-hal di atas
menarik minat peneliti untuk menggasifikasi tempurung kelapa menggunakan
reaktor gasifikasi updraft sebagai alternatif pembangkit kalor untuk industri.
Rasio udara-bahan bakar teoritis adalah perbandingan jumlah udara yang bereaksi
dengan bahan bakar untuk terjadinya proses pembakaran sempurna. Sedangkan
rasio udara bahan bakar aktual adalah perbandingan jumlah udara dengan bahan
bakar saat proses pembakaran berlangsung. Efisiensi pembakaran adalah
perbandingan energi yang dihasilkan dengan energi yang diberikan. Nilai kalor
proses pembakaran dapat mencapai 100 %, akan tetapi dengan adanya rugi-rugi,
radiasi, konveksi dan pendinginan, secara teoritis nilai kalor pembakaran
4
Sebagian dari reaktor gasifikasi menggunakan udara sebagai reaktan.
Penggunaan udara sebagai reaktan akan menghasilkan gas dengan nilai kalor
rendah karena gas keluaran terdilusi dengan nitrogen yang dikandung udara.
Penggantian reaktan dengan oksigen akan menghasilkan gas dengan nilai kalor
menengah karena tidak adanya nitrogen dari reaktan, akan tetapi nitrogen tetap
terbentuk dari unsur penyusun bahan bakar itu sendiri. Nilai kalor tinggi dapat
dicapai jika pembentukan metana pada gas dapat direkayasa. Kombinasi antara
oksigen dengan udara digunakan sebagai reaktan untuk memicu pembentukan
CO dan H2 ( steam reformer) di zona reduksi melalui reaksi steam-carbon yang
terjadi secara endotermis. Penggunaan uap air dapat merubah laju reaksi, nilai
kalor, komposisi dan tingkat produksi gas yang dihasilkan (Blasiak, 2002).
Dalam penelitian ini kami gunakan desain alat gasifikasi jenis updraft.
Jenis gasifikasi ini kami pilih karena memiliki kelebihan – kelebihan seperti
yang sudah disebutkan, selain itu kami pilih tempurung kelapa sebagai bahan
baku serta oksigen dan udara sebagai media gasifikasi. Di mana penelitian ini
untuk menghitung rasio antara udara dan oksigen untuk menghasilkan efisiensi
gas yang terbaik
1.2 Rumusan Masalah
Melihat dari permasalahan dari gasifikasi yang begitu kompleks pada sistem
gasifikasi updraft, maka dalam penyusunan proposal ini menitik beratkan pada
permasalahan perancangan reaktor dan pengaruh rasio laju aliran masa oksigen
dan udara yang dibutuhkan pada desain gasifikasi updraft untuk mendapatkan
5
1.3 Batasan Masalah
Pembatasan masalah pada penelitian ini adalah menitik beratkan pada
teknologi pembentukan gasifikasi :
1. Penelitian ini hanya menggunakan tempurung kelapa sebagai bahan gasifikasi
2. Media yang digunakan adalah oksigen murni dan udara yang selama proses
tidak mengandung unsur-unsur senyawa asing
2. Penilitian ini hanya membahas pengaruh rasio laju aliran masa oksigen dan
udara sebagai agen gasifikasi untuk mendapatkan gas terbaik
3. Jenis reaktor yang digunakan adalah jenis reaktor updraft
4. Penelitian ini hanya mengukur kadar CO, CO2, H2 dan O2 dengan rasio
oksigen dan udara sebagai media gasifikasi
1.4 Tujuan Masalah
Berdasarkan pokok permasalahan di atas maka tujuan dari penelitian ini
adalah analisis terhadap pengaruh rasio oksigen murni dan udara dengan laju
kecepatan aliran bervariasi yang masuk ke dalam gasifier terhadap pembentukan
gasifikasi untuk mendapatkan gas hasil gasifikasi yang terbaik dengan
menggunakan tempurung kelapa sebagai bahan baku.
1.5 Manfaat Penelitian
Adapun dari penelitian yang dilakukan ini diharapkan mendapatkan
6
Data- data yang dapat mengoptimalkan pembentukan gasifikasi sehingga dapat
menghasilkan energi yang terbarukan yang makin efisien yang bisa membantu
mengurangi penggunaan bahan bakar fosil
7
BAB II KAJIAN PUSTAKA
2.1 Biomasa
Biomasa adalah sebutan yang diberikan untuk material yang tersisa dari
tanaman atau hewan seperti kayu dari hutan, material sisa pertanian serta limbah
organik manusia dan hewan. Energi yang terkandung dalam biomasa adalah
berasal dari matahari. Melalui fotosintesis, karbondioksida di udara
ditransformasi menjadi molekul karbon lain ( misalnya gula dan selulosa ) dalam
tumbuhan. Energi kimia yang tersimpan dalam tanaman dan hewan (akibat
memakan tumbuhan atau hewan lain) atau dalam kotorannya dikenal dengan
nama bio-energy
Ketika biomasa dibakar, energi akan terlepas, umumnya dalam bentuk
panas. Karbon pada biomasa bereaksi dengan oksigen diudara sehingga
membentuk karbondioksida. Apabila dibakar sempurna, jumlah karbon yang
dihasilkan akan sama dengan jumlah yang diserap dari udara ketika tanaman
tersebut tumbuh
Di alam bebas, biomasa yang dibiarkan begitu saja di tanah akan terurai
dalam waktu yang lama, melepaskan karbondioksida dan energi yang tersimpan
perlahan-lahan. Dengan membakar biomasa, energy yang tersimpan akan cepat
terlepas dengan dan dapat dimanfaatkan. Oleh karena itu proses konversi biomasa
menjadi energi yang berguna meniru proses alam dengan laju yang lebih cepat.
dan memasa
dan alcohol
bahan baka
pengganti b
pengganti g
2.2 Kom
Pada
Ini ditunjuk
komposisi d
CxHyOz, nil
Dan ditunju
Tabel 2.1 Ult
Badeau Pierr
ak) dan dap
l) atau biofu
ar fosil. Mis
bensin atau b
as alam
mposisi Biom
a biomasa ka
kan pada tab
dari 13 biom
lai koefisien
ukan pada tab
timate analysis
re, 2009)
at juga digu
uel gas (biog
salnya alcoh
biogas dari k
masa
andungan ut
bel ultimate
masa. Rumus
n dari x,y da
bel berikut.
s Biomasa (S
8
unakan untuk
gas) yang da
hol dari tebu
kotoran hewa
tamanya ada
analysis. Pa
s kimia dari
an z ditentuk
Sumber : Rav
k produksi b
apat digunak
u dapat digu
an dapat dig
alah carbon, o
ada tabel ter
i biomasa um
kan oleh ma
eendran dkk.
biofuel cair (
kan sebagai unakan seba gunakan seba oksigen dan rsebut memp mumnya diw asing-masing
. 1995, Tercan
( Biodiesel
9
2.3 Tempurung Kelapa
Tempurung kelapa beratnya antara 15 – 19 % berat kelapa Berdasarkan
penelitian yang dilakukan oleh Chereminisoff (1), komposisi kimia tempurung
kelapa adalah seperti berikut: Sellulosa 26,60 %, Lignin 29,40 %, Pentosan 27,70
%, Solvent ekstraktif 4,20 %, Uronat anhidrid 3,50 %, Abu 0,62 %, Nitrogen 0,11
%, dan Air 8,01 %.Tempurung Kelapa disamping dipergunakan untuk pembuatan
arang, juga dapat dimanfaatkan untuk pembuatan arang aktif, yang dapat
berfungsi untuk mengadsorbsi gas dan uap. Struktur arang/karbon aktif
menyerupai struktur grafit. Grafit mempunyai susunan seperti pelat-pelat yang
sebagian besar terbentuk dari atom karbon yang berbentuk heksagonal. Jarak
antara atom karbon dalam masing-masing lapisan. Pada grafit, jarak antara
pelat-pelat lebih dekat dan terikat lebih teratur daripada struktur karbon aktif
(Suhartana,2006)
struktur umum karbon aktif :
1. Dekomposisi menghasilkan tar, metanol dan hasil samping lainnya.
Pembentukan karbon terjadi pada temperatur 400 - 600 0C.
2. Aktifasi : dekomposisi tar dan perluasaan pori-pori. Dapat dilakukan dengan
uap atau CO2 sebagai aktifator.
2.4 Produk Biomasa
Terdapat tiga tipe bahan bakar yang dihasilkan dari biomasa yang biasa
digunakan untuk berbagai macam kebutuhan, yaitu :
10
2. Gas (Biogas (CH4, CO2), producer gas (CO,H2,CH4,CO2) syngas (CO,H2)
3. Padat (Arang)
Penggunaan etanol dan biodiesel sebagai bahan bakar kendaraan
transportasi dapat mengurangi emisi gas CO2. Oleh karena itu biomasa bukan
hanya energi terbarukan tapi juga bersih dan ramah lingkungan, dan dapat juga
digunakan sebagai sumber energy secara global
Biomasa merupakan sumber energi tertua yang dikenal oleh manusia,
kontribusinya terhadap total pemanfaatan pemanfaatan energi di Indonesia
bahkan di dunia masih sangat kecil. Pemahaman akan keterbatasan cadangan
sumber energi fosil dan kepedulian terhadap keberlangsungan penyedia sumber
energi tersebut menyebabkan munculnya ketertarikan peneliti terhadap
pemanfaatan biomasa pada tahun 1970an. Akan tetapi harga energi yang terus
menurun saat itu menyebabkan perkembangan teknologi biomasa tidak begitu
pesat. Hingga pada tahun 1980an kepedulian terhadap emisi CO2 yang
disebabkan oleh penggunaan energy fosil mengakibatkan dikeluarkannya Kyoto
Protocol yang membatasi emisi CO2 yang boleh dilapaskan ke udara.
2.5 Gasifikasi Biomasa
Gasifikasi adalah proses yang merubah biomasa menjadi gas yang dapat
dibakar. Secara umum, proses gasifikasi melibatkan empat tahapan proses berupa
drying, pyrolisis, oksidasi dan reduksi. Drying merupakan tahapan pertama dari
11
pemberian sejumlah panas dari interval suhu 100-3000C. Pada drying ini,
biomasa tidak mengalami penguraian unsure-unsur kimianya (dekomposisi
kimia) tetapi hanya terjadi pelepasan kandungan air dalam bentuk uap air. Proses
drying dilanjutkan dengan dekomposisi thermal kandungan volatile matter
berupa gas dan menyisakan arang carbon, dimana proses ini bisa disebut sebagai
pirolisis. Proses pirolisis merupkan proses eksoterm yang melepas sejumlah
panas pada interval suhu 300-9000C. Selanjutnya sisa arang karbon akan
mengalami proses oksidasi parsial, dimana proses ini merupakan proses eksoterm
yang melepas sejumlah panas pada interval suhu diatas 9000C. Panas yang
dilepas dari proses oksidasi parsial ini digunakan untuk mengatasi kebutuhan
panas dari reaksi reduksi endotermis dan untuk memecah hidrokarbon yang telah
terbentuk selama proses pirolisis. Proses reduksi gas CO2 dan H2O ini terjadi
pada interval suhu 400 – 9000C. Reduksi gas CO2 melalui reaksi kesetimbangan
Boudouard equilibrium reaction dan reduksi gas H2O melalui reaksi
kesetimbangan water-gas reaction, dimana reaksi-reaksi tersebut secara dominan
dipengaruhi oleh suhu dan tekanan(Sudarmanta. 2010).
Produk gas terdiri atas karbonmonoksida (CO), karbondioksida (CO2),
dan Hidrogen (H2),metan (CH4), sedikit hidrokarbon berantai lebih tinggi (etana,
etana), air, nitrogen (apabila menggunakan udara sebagai oksidan), dan berbagai
kontaminan seperti partikel arang, debu, tar, hidrokarbon rantai tinggi, alkali,
12
13
2.5.1 Gasifikasi Udara
Gasifikasi yang paling sederhana adalah menggunakan udara sebagai
agent proses gasifikasi. Kelebihan arang yang dibentuk saat proses pirolisis
dengan gasifier merupakan pembakaran udara dengan jumlah yang terbatas
(biasanya equivalensi ratio 0,25). Hasil yang dihasilkan adalah energi yang
rendah karena mengandung hydrogen dan karbonmonoksida yang bercampur
denga nitrogen yang berasal dari udara. Dari hasil gasifiksi dengan menggunakan
udara mnghasilkan 3,5 – 7,8 MJ/Nm3. Yang mana sangat baik digunakan untuk
boiler dan engine akan tetapi tidak baik digunakan untuk bahan bakar
transportasi. Udara yang masuk sangat rendah pada gasifier sehingga gas yang
dihasilkan sangat rendah dan mengadung tar yang sangat tinggi (Groves,1979)
2.5.2 Gasifikasi Uap Air
Tidak seperti menggunakan udara sebagi agen, uap air gasifikasi adalah
menggunakan panas eksternal yang bersumber steam sebagai agen gasifikasi.
Dengan menggunakan percampuran udara dan steam tidak biasa digunakan pada
teknologi, tetapi pada kenyataannya banyak yang melakukan penelitian tentang
hal ini. Dari hasil reaksi dengan carbonmonoksida akan menghasilkan gas
hydrogen dan karbondioksida. Pada prinsipnya pada steam gasification dituliskan
dengan persamaan :
14
Gas yang dihasilkan pada steam gasification adalah energi yang tinggi, yang
mana ditemukan paling banyak adalah gas hydrogen. Energi yang dihasilkan dari
11,1 MJ/M3 pada temperature 7000C dan 12,1 MJ/m3. Energi yang bisa
digunakan kembali sekitar 35% - 59 % pada temperature yang sama (Hoveland
et al. 1982)
2.5.3 Oxigen Gasification
Dalam proses ini jumlah nitrogen terbatas jumlahnya bahkan tidak
ditemukan sama sekali, gas yang dihasilkan mempunyai energy menengah ( 12 –
21 MJ/Nm3). Dalam hal ini proses gas secara ekonomi disalurkan oleh pipa yang
dibuat menjadi suatu sistem plant dan selanjutnya melalui proses panas atau
mungkin juga gas sintetis untuk menghasilkan chemical dan bahan bakar
(Belie,1979)
2.5.4 Hydrogen Gasification
Sampai saat ini banyak penelitian mengarah pada system hydrogen
gasification karena bahan bakar mentah dikonversi menjadi bahan bakar dalam
bentuk gas dengan tekanan masih dibawah tekanan maximum. Dengan proses ini
banyak yang mengkritik karena merupakan proses yang sangat kuat dimana
kondisi harus tetap terjaga dengan baik sejak gas dalam keadaan normal sampai
gas gasifikasi terbentuk. Digunakan campuran hydrogen yang masuk ke gasifier
dengan panas yang dibutuhkan sebulumnya 4260C sampai 7600C dengan
perkembangan carbonmonoksida dan gas hydrogen berkembang dari 8% sampai
15
2.6 Reaktor Gasifikasi
Saat ini terdapat tiga jenis utama reactor gasifikasi yaitu reactor unggun
tetap (fixed bed), rector unggun terfluidakan (Fulidized Bed) dan reactor
entrained flow. Ketiga jenis reactor tersebut memiliki keunggulan dan kelemahan
masing-masing yang akan diuraikan pada sub berikutnya
2.6.1 Fixxed Bed Gasifier
2.6.1.1 Updraft Gasifier
Pada tipe ini udara masuk melalui arah bawah dan mengosidasikan arang
secara parsial untuk menghasilkan CO dan H2 (jika digunakan udara). Gas ini
kemudian bertemu dengan biomasa. Gas yang panas tersebut mempirolisa
biomasa, menghasilkan karbon padatan (arang), uap air dan 10-20% uap minyak
pada temperatur 100 - 4000C, tergantung pada kadar air biomasa. Selanjutnya
[image:31.612.264.377.482.615.2]arang akan dioksidasi parsial oleh udara dan menghasilkan gas.
16
2.6.1.2 Downdraft Gasifier
Downdraft Gasifier dirancang untuk membatasi kandungan minyak dan
tar yang terbawa bersama gas producer. Pada downdraft gasifier, udara
dimasukan ke dalam aliran bahan bakar padat (packet bed) pada atau diatas zona
oksidasi. Aliran udara ini searah (co-curent) dengan aliran bahan bakar yang
masuk kedalam gasifier. Bahan bakar tersebut akan mengalami proses
pengeringan dan pirolisis akibat panas yang dihasilkan pada reaksi oksidasi. Pada
tahapan pirolisis bahan bakar, dihasilkan uap dan ta. Uap dan tar yang dihasilkan
tersebut akan melalui unggun arang panas dan mengalami perengkahan menjadi
gas yang lebih sederhana atau arang. Perengkahan ini menghasilkan pembakaran
stabil yang menjaga temperatur pada 800-10000C. Jika temperature naik
(melebihi rentang temparatur tersebut) maka reaksi endotermik mendominasi dan
mendinginkan gas, dan jika temperature turun (kurang dari rentang temperature
tersebut) maka reaksi eksotermik akan mendominasi dan menjaga agar panas
tetap panas. Tahap selanjtnya adalah reaksi reduksi. Reaksi reduksi akan terjadi
pada zona dekat dengan grate. Pada tahap ini, gas producer dihasilkan. Gas
producer yang dihasilkan akan tertarik keluar menuju bagian bawah gasifier.
Gambaran tahap-tahap yang terjadi pada downdraft gasifier dapat dilihat pada
17
[image:33.612.263.375.110.241.2]
Gambar 2.3 Downdraft Gasifier sumber : Tasliman, 2008 diambil dari Turare, 1997)
Sama halnya dengan updraft gasifier, downdraft gasifier juga memiliki
kekurangan dan kelebihan. Kekurangan yang dimiliki gasifier jenis ini adalah
rendahnya efisiensi keseluruhan akibat rendahnya pertukaran panas dalam system
dan kesulitan dalam menangani kelembaban dan kadar abu yang tinggi.
Sedangkan kelebihan menggunakan gasifier jenis ini antara lain adanya
kemungkinan menghasilkan gas bebas tar sehingga masalah lingkungan yang
ditimbulkan lebih kecil dari pada updraft gasifier. Perolehan tar dan minyak yang
dihasilkan pada downbdraft gasifier lebih kecil 10% terhadap perolehan tar dan
minyak yang dihasilkan pada updraft gasifier, waktu yang dibutuhkan untuk
penyalaan bahan bakar dan pengoperasian system pada kondisi optimal sekitar
20-30 menit. Waktu lebih singkat jika dibandingkan dengan waktu yang oleh
updraft gasifier. Gasifier unggun tetap aliran kebawah (downdraft gasifier)
mengahsilkan gas producer relative bersih dengan kandungan tar dan partikel
yang kecil sehingga sangat sesuai untuk mesin pembakaran dalam, ketel dan
turbin (Robert Manurung,1981). Sedangkan M.S Roa menegaskan fixed bed tipe
18
memungkinkan berbagai feedstock dengan partikel rendah pada gas producer.
Selain itu juga berefisiensi tinggi. Atas dasar itu pengoperasian skala
laboratorium gasifikasi di Departemen Teknik Mesin FTUI menggunakan jenis
gasifier
2.6.1.3 Crossdraft Gasifier
Mungkin gasifikasi tipe crossdraft lebih menguntungkan dari pada
updraft dan downdraft gasifier. Keuntungannya seperti suhu yang keluar tinggi,
reduksi CO2 yang rendah dan kecepatan gas yang tinggi dikarenakan desainnya.
Tidak seperti downdraft dan updraft gasifier, tempat penyimpanan, pembakaran
dan zona reduksi pada crossdraft gasifier terpisah. Untuk desain bahan bakar
yang terbatas untuk pengoperasian rendah abu bahan bakar seperti kayu, batu
bara, limbah pertanian. Kemampuan pengoperasiannya sangat bagus,
menyebabkan kosenterasi sebagian zona beroperasi diatas suhu 2000C. Waktu
mulai (start up) 5-10 menit jauh lebih cepat dari pada downdraft dan updraft
gasifier. Pada crossdraft dapat menghasilkan temperature yang relative tinggi,
komposisi gas yang dihasilkan kurang baik seperti tingginya gas CO dan
19
[image:35.612.254.384.112.239.2]
Gambar 2.4 Crossdraft Gasifier (sumber : Tasliman, 2008 diambil dari Turare, 1997)
2.6.2 Fluidised Bed
Gasifikasi fluidized bed awalnya dikembangkan untuk mengatasi masalah
operasional pada gasifikasi moving bed atau sering disebut fixed bed yang
menghasilkan kadar abu yang tinggi, tetapi sangat cocok untuk kapasitas lebih
besar (lebih besar dari 10 MWth) pada umumnya. Fitur dari gasifikasi fluidized
bed dapat dibandingkan dengan pembakaran fluidized bed. Dibandingkan dengan
moving bed gasifier yang temperature gasifikasinya relative rendah sekitar
750-9000C. Dalam moving bed gasifier suhu di zona perapian mungkin setinggi
12000C, dalam gasifier arang suhunya bahkan 15000C. Bahan bakar ini
dimasukan ke dalam pasir panas yang dalam keadaan suspensi (Flidised bed
gelembung) atau sirkulasi (Sirkulasi fluidized bed). Bed berperilaku kurang lebih
seperti fluida dan ditandai dengan turbulensi yang tinggi. Pencampuran partikel
bahan bakar yang sangat cepat dengan material bed, sehingga dalam pirolisis
cepat dan jumlah gas pirolisis yang relative besar. Karena suhu rendah konversi
20
[image:36.612.250.394.115.258.2]
Gambar 2.5 Fulidised Bed Gasifier (Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul
Grabowski, 2004)
2.6.3 Reaktor Entrained Flow
Reaktor entrained flow dapat dibagi menjadi 2 (dua) jenis yaitu slagging
dan non slagging. Di dalam gasifier slagging, komponen-komponen yang
terbentuk dari partikel debu dapat meleleh di dalam gasifier, mengalir turun di
sepanjang dinding reactor, dan meninggalkan reactor dalam bentuk slag cair.
Secara umum, laju alir masa slag sekurang-kurangnya 6% dari laju bahan bakar
untuk memastikan proses berjalan dengan baik. Di dalam gasifier non slgging,
dinding reactor tetap bersih dari slag. Jenis gasifier ini cocok untuk umpan yang
kandungan partikel debunya tidak terlalu tinggi. Skema reactor entrained flow
21
[image:37.612.198.444.103.281.2]
Gambar 2.6 Reaktor Entrained flow (Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul
Grabowski, 2004)
Kelakuan partikel debu yang dihasilkan oleh biomasa diteliti secara detail
oleh Boerrigter dkk. Hasil eksperimen menunjukan bahwa partikel debu yang
dihasilkan oleh biomasa, khususnya biomasa kayu, sulit meleleh pada temparatur
operasi gasifier entrained flow (1300-15000C. Hal tersebut disebabkan kenyataan
bahwa partikel debu tersebut banyak mengandung CaO. Oleh karena itu gasifier
non slagging sepertinya menjadi pilihan utama untuk proses gasifikasi, juga
dengan pertimbangan bahwa jenis gasifier ini lebih murah. Akan tetapi gasifier
entrained flow jenis slagging lebih disukai untuk operasi gasifikasi dengan
umpan biomasa. Alasan yang paling penting adalah :
1. Pelelehan sebagian kecil kompenen partikel debu tidak akan pernah
dapat dihindari
2. Gasifier entrained flow jenis slagging lebih fleksible terhadap jenis
22
Fleksibilitas jenis umpan ini bahkan dapat diperluas hingga ke batu bara.
Penambahan agen fluks seperti silica atau clay diperlukan. Selain itu recycle slag
juga diperlukan penggunaan reactor entrained flow jenis slagging untuk batu bara
sudah dapat diaplikasikan. Oleh karena itu, penambahan material fluks
menyebabkan slag yang dihasilkan melalui gasifikasi biomasa menjadi mirip
dengan slag yang dihasilkan oleh gasifikasi batu bara. Sehingga tidak terdapat
permasalahan untuk proses gasifikasi itu sendiri apabila umpan yang digunakan
bukan batu bara, melainkan biomasa. Sebagaimana telah dikaji oleh
peneliti-peneliti di seluruh dunia, proses gasifikasi dapat terjadi pada tekanan yang
berbeda, melalui proses pemanasan langsung ataupun tidak langsung, serta
menggunakan udara
2.7 Dasar Proses Gasifikasi Pada Gasifier Updraft
2.7.1 Zona Pengeringan
Bahan bakar padat dimasukan ke dalam gasifier di atas. Hal ini tidak
perlu menggunakan peralatan pengumpan bahan bakar yang kompleks, karena
sejumlah kecil kebocoran udara dapat ditoleransi di tempat ini. Sebagai akibat
dari perpindahan panas dari bagian bawah gasifier, pengeringan bahan bakar
biomasa terjadi dibagian bungker. Uap air akan mengalir ke bawah dan
menambah uap air yang terbentuk dizona oksidasi. Bagian dari itu dapat
direduksi menjadi hydrogen dan sisanya akan berakhir sebagai kelembaban
23
2.7.2 Zona Pirolisa
Tidak seperti pembakaran, pirolisis terjadi pada tempat yang tidak
terdapat oksigen, kecuali dalam kasus dimana oksidasi parsial diperbolehkan
untuk menyediakan energi thermal yang dibutuhkan untuk proses gasifikasi.
Terdapat tiga variasi pirolisis.
a. mild pyrolisis
b. slow pyrolisis
c. fast pyrolisis
Pada pirolisis molekul besar hydrocarbon dipecah menjadi partikel kecil
hydrocarbon. Fast pyrolisis hasil utamanya adalah bahan bakar cair, slow
pyrolisis menghasilkan gas dan arang. Mild pyrolisis yang saat ini sedang
dipertimbangkan untuk pemanfaatan biomasa yang efektif. Pada proses ini
biomasa dipanaskan 200-3000C tanpa kontak dengan oksigen. Struktur kimia dari
biomasa diubah, dimana menghasilkan carbondioksida, carbonmonoksida, air,
asam asetat dn methanol. Mild pyrolisis meningkatkan densitas energy dri
biomasa.
Pada suhu di atas 2500C, bahan bakar biomasa dimulai pyrolysing.
Rincian pirolisis ini reaksi yang tidak dikenal, tetapi orang bisa menduga bahwa
molekul-molekul besar (seperti selulosa dan lignin) terurai menjadi molekul
berukuran sedang dan carbon (char) selama pemanasan bahan baku. Produk
24
dibakar di zona oksidasi, dan sisanya akan memecah bahkan molekul yang lebih
kecil dari hydrogen, metana, carbonmonoksida,etana,etilena,dll jika tetap berada
dizona panas cukup lama. Jika waktu tinggal di zona panas terlalu pendek atau
suhu terlalu rendah, maka molekul berukuran menengah dapat melarikan diri dan
akan mengembun sebagai tar dan minyak, dalam suhu rendah bagian dari system.
Secara umum reaksi yang terjadi pada pirolisis beserta produknya adalah :
Biomasa char + tar +gasses (CO2 ; CO ; H2O ; H2 ; CH4
; CxHy)……….(2.2)
2.7.3 Zona Oksidasi
Zona pembakaran(oksidasi) dibentuk pada tingkat di mana oksigen (udara
dimasukan.Reaksi dengan oksigen sangat eksotermik dan mengakibatkan
kenaikan tajam suhu sampai 1200-15000C. Sebagaimana disebutkan di atas,
fungsi penting dari zona oksidasi, selain penghasil panas, adalah untuk
mengkonversi dan mengoksidasi hampir semua produk terkondensasi dari zona
pirolisis. Untuk menghindari titik-titik dingin di zona oksidasi, kecepatan udara
masuk dan geometri reaktor harus dipilih dengan baik. Umumnya dua metode
yang digunakan untuk mendapatkan suhu distribusi :
1. Mengurangi luas penampang pada ketinggian tertentu dari reactor
25
2. Penyebaran nozel inlet udara di atas lingkar mengurangi croos-sectional area,
atau alternative menggunakan inlet udara sentral dengan perangkat
penyemprotan.
2.7.4 Penambahan Udara Sekunder
Desain reactor sangat penting untuk efisiensi dari proses gasifikasi, nilai
kalor dari gas hasil dan kandungan tar yang dihasilkan. Pensuplaian udara
sekunder ke dalam gasifier sangatlah besar pengaruhnya terhadap kandungan tar
yang dihasilkan karena panas yang dihasilkan pada zona oksidasi tinggi.
Pemasukan udara sekunder dlakukan tepat di atas saluran masuk biomasa untuk
menghasilkan suhu pembakaran yang lebih tinggi untuk mengurangi kandungan
tar yang dihasilkan. Sedangkan untuk udara primer disuplai melalui saluran udara
pada tenggorokan /leher tempat terjadi pembakaran pada proses gasifikasi.
2.7.5 Zona Reduksi
Produk reaksi dari zona oksidasi (gas panas dan bara arang) bergerak
turun ke zona reduksi. Di zona ini masuk panas sensible dari gas dan arang
dikonversi sebanyak mungkin menjadi energy kimia dari gas producer. Produk
akhir dari reaksi kimia yang terjadi di zona reduksi adalah gas mudah terbakar
yang dapat digunakan sebagai bahan bakar dalam pembakaran dan setelah
pembuangan abu dan pendinginan cocok motor bakar dalam
Abu yang dihasilkan dari gasifikasi biomasa kadang-kadang harus
26
dengan demikian membantu untuk mencegah penyumbatan yang dapat
menyebabkan obstruksi aliran gas berikut ini adalah reaksi kimia yang terjadi
pada zona tersebut :
Bourdour reaction :
C + CO2 2CO – 172 (MJ/kmol)………(2.3)
Steam-carbon reaction :
C + H2O CO + H2 – 131 (MJ/kmol)………(2.4)
Water-gas shift reaction:
CO + H2O CO2 + H2 + 41 (MJ/kmol)……….(2.5)
CO mthanation :
CO + 3H2O – 206 (MJ/kmol) CH4 + H2O…….(2.6)
2.8 Parameter – Parameter Penting Dalam Proses Gasifikasi
Menurut Belonio (2005), parameter-parameter penting yang harus
dipertimbangkan dalam proses gasifikasi, yaitu :
a. Temperatur Gasifikasi
Temperatur gasifikasi harus tinggi karena dalam tahap pertama gasifikasi
adalah pengeringan untuk menguapkan kandungan air dalam sekam padi dan
serbuk kayu agar menghasilkan gas yang bersih. Temperatur yang tinggi juga
dapat berpengaruh dalam menghasilkan gas yang mudah terbakar. Sehingga
27
tahan api agar tidak ada panas yang keluar kelingkungan sehingga efisiensi
rekator menjadi baik
b. Spesific Gasification Rate (SGR)
SGR merupakan banyaknya bioamasa rata-rata yang dapat tergasifikasi
dalam gasifier. Jika SGR semakin besar maka proses gasifikasi tidak berjalan
secara sempurna, sebaliknya jika SGR semakin kecil maka proses gasifikasi
berjalan lambat. SGR dapat dihitung dengan cara :
SGR =
………(2.7)
c. FCR (Fuel Consumtion Rate)
Biomasa yang dibutuhkan pada proses gasifikasi dapat dihitung dengan
menggunakan rumus :
FCR =
………...(2.8)
=
……….(2.9)
d. GFR (Gas Fuel Ratio)
GFR (Gas Fuel Ratio) dapat dihitung dengan menggunakan rumus
sebagai berikut
28
e. Oksigen Fuel Rate (OFR)
OFR adalah jumlah laju aliran massa oksigen yang dibutuhkan
dalam proses gasifikasi. Sebelum menentukan OFR maka terlebih dahulu
kita harus mengetahui begaimana caranya menghitung Air Fuel Ratio
(AFR).
AFR adalah tingkat aliran udara primer yang masuk ke reaktor. Hal
ini mengacu pada laju aliran udara yang diperlukan untuk mengubah bahan
bakar padat menjadi gas . Hal ini sangat penting dalam menentukan ukuran
kipas angin atau blower yang dibutuhkan untuk reaktor. Ini dapat
ditentukan dengan menggunakan tingkat konsumsi bahan bakar (FCR),
udara stoikiometri dari bahan bakar (SA), dan rasio ekuevalensi (εu) untuk
gasifying 0,3 sampai 0,4. Seperti ditunjukkan, ini dapat dihitung dengan
menggunakan rumus :
AFR ε x FCR x SAρ … … … .
Dimana:
AFR = Air fuel rate (tingkat aliran udara), (m3/jam)
FCR = fuel consumption rate (kg/jam)
ρa = massa jenis udara = 1,18 (kg/m3)
εu = rasio ekuivalensi (0,3 - 0,4) = 0,35
29
Udara bebas terdiri dari 78% Nitrogen, 21% Oksigen, dan 1% Uap Air.
Berdasarkan kandungan oksigen pada udara bebas maka kita dapat
menyimpulkan rumus untuk menentukan OFR adalah sebagai berikut.
OFR , … … … .
Dimana:
OFR = Oxygen fuel rate (tingkat aliran udara), (m3/jam)
FCR = fuel consumption rate (kg/jam)
ρo = massa jenis oksigen = 1,43 (kg/m3)
ε ratio ekuivalensi udara x kandungan oksigen di dalam udara
, 5 x , , 7 5
SA = udara stoikiometri dari bahan bakar padat pada proses gasifikasi
Oksigen atau zat asam adalah unsur kimia dalam sistem tabel
periodik yang mempunyai lambang O dan nomor atom 8. Ia merupakan
unsur golongan kalkogen dan dapat dengan mudah bereaksi dengan
hampir semua unsur lainnya (utamanya menjadi oksida). Pada Temperatur
dan tekanan standar, dua atom unsur iniberikatan menjadi dioksigen, yaitu
senyawa gas diatomik dengan rumus O2yang tidak berwarna, tidak
berasa, dan tidak berbau. Oksigen merupakan unsur paling
melimpah ketiga di alam semesta berdasarkan massa dan unsur paling
melimpah di kerak Bumi. Gas oksigen diatomik mengisi 20,9% volume
atmosferbumi (Hiska,1992)
30
% Char adalah perbandingan banyaknya arang yang dihasilkan dengan
banyaknya biomasa yang dibutuhkan % char dapat dihitung dengan
menggunakan rumus :
% char =
X 100% ………..(2.13)
2.9 Pembakaran Bahan Bakar .
2.9.1 Jumlah Udara Dalam Pembakaran
Jika susunan bahan bakar diketahui, berdasarkan buku ketel uap
(Djokosetyardjo,1989) maka dapat dihitung jumlah kebutuhan udara pembakaran
untuk pembakaran sempurna.
Karbon (C) terbakar sempurna menjadi CO2 menurut persamaan:
C + O2 =CO2
12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2
1kg C + 32/12 O2 = 44/12 CO2
1kg C + 2,67 O2 = 3,67 CO2… … … …(2.16)
Hidrogen (H) terbakar menjadi H2O menurut persamaan:
2H2 + O2 2H2O
4 kg H2 + 32 kg O2 36 kg H2O
1kg H2 + 8kg O2 9 kg H2O… … … …(2.17)
Belerang (S) terbakar berdasarakan persamaan:
S + O2 SO2
32 kg S + 32 kg O2 64 kg SO2
31
Dari perhitungan di atas kemudian dijumlahkan jumlah kebutuhan steam maka
stoikiometri (SS) dri bahan bakar padat dapat dihitung dengan persamaan :
Kebutuhan Steam Stoikiometri (SS) = kebutuhan Steam H + kebutuhan
Steam C + Kebutuhan Steam S … … … …(2.19)
2.10 Massa Jenis Biomassa
Massa jenis biomassa adalah spesifik massa suatu biomassa per volumenya.
Massa jenis dapat dihitung dengan persamaan :
ρ m v⁄ kg m … … … …(2.20)
Dimana :
= massa jenis (kg/m3)
m = massa bahan/biomassa (kg)
v = volume bahan/biomassa (m3)
2.11 Karakteristik Nyala Api
Dalam proses pembakaran, bahan bakar dan udara bercampur dan terbakar
dan pembakarannya dapat terjadi baik dalam mode nyala api ataupun tanpa mode
nyala api. Berdasarkan buku an introduction to combustion concept and
application, definisi api adalah pengembangan yang bertahan pada suatu daerah
pembakaran yang dialokasikan pada kecepatan subsonic. Warna api dipengaruhi
oleh 2 hal yaitu kandungan bahan bakar dan campuran udara yang ikut terbakar.
Ketika api memiliki warna cenderung merah hal tersebut dapat diartikan bahwa
32
yang mencampuri proses pembakaran hanya sedikit sehingga campuran kaya.
Saat api berwarna kebiruan adalah sebaliknya yang merepresentasikan nilai kalor
bahan bakar yang tinggi, atau campuran miskin.
Api hidrokarbon dikarakteristikkan oleh radiasinya yang tampak.
Dengan excess air, daerah reaksi akan terlihat biru. Radiasi biru berasal dari
eksitasi CH radikal di dalam daerah bertemperatur tinggi. Saat udara berkurang
yang menyebabkan stoichiometrinya berkurang, daerah api akan brwarna
biru-hijau yang berasal dari eksitasi C2. Dalam kedua jenis apai OH radikal
memberikan kontribusi terhadap radiasi yang tampak. Jika campuran api kaya
jelaga akan terbentuk akibat radiasi hitam. Meskipun radiasi jelaga memiliki
intensitas maksimal dalam infra merah, kepekaan spectrum mata manusia
menyebabkan kita melihat cahaya kuning terang (mendekati putih) akibat
pudarnya emisi oranye,tergantung temperatur api.
Terdapat dua tipe mode nyala api, yaitu :
1. Premixed Flame
Premixed flame adalah api yang dihasilkan ketika bahan bakar bercampur dengan
oksigen yang telah tercampur sempurna sebelum pemberian sumber api.
Umumnya indikasi premixed flame dapat dilihat dari warna api yang berwarna
biru. Laju pertumbuhan api tergantung dari komposisi kimia bahan bakar yang
digunakan.
33
Diffusion Flame adalah api yang dihasilkan ketika bahan bakar dan oksigen
bercampur dan penyalaan dilakukan secara bersamaan. Laju difusi reaktan bisa
[image:49.612.182.466.220.425.2]dipengaruhi oleh energi yang dimiliki oleh bahan bakar.
Gambar 2.7 Nyala api (a) Premix, (b) Difusi (Putri, 2009)
Selain itu kedua tipe di atas nyala api juga dibedakan berdasarkan jenis aliran
yang terjadi, yaitu :
Api Laminer
Visualisasi api yang terlihat pada api tipe ini berbentuk secara laminar atau
teratur. Api jenis ini memiliki bentuk mengikuti streamline aliran tanpa
membentuk turbulensi atau gerakan tidak beraturan.
Api Turbulen
Api turbulen menunjukan pola aliran nyala api yang tidak beraturan atau acak
yang member indikasi aliran yang bergerak sangat aktif. Pada pembakaran gas
tidak kons
pertumbuha
bersamaan d
kalor yang
Semakin ti
[image:50.612.168.468.295.554.2]semakin ting Gambar 2.8 2.12 Efisien Para lain,kandun disimpulkan
syngas sem
stan membu
annya. Gas
dengan saat
terkandung
inggi kandu
ggi.
Perubahan A
nsi Gasifika
ameter-param
gan moistu
n bahwa kan
makin rendah
uat api yang
sebagai re
penyalaan. K
g dalam syn
ungan zat y
Api Laminar d
si meter yang ure, temper ndungan mo h, dengan 34
g terbentuk j
eaktan akan
Kualitas dari
ngas yang d
yang flamm
dan Turbulen
g mempeng
atur udara
oisture bahan
kata lain e
juga menga
n direaksik
i nyala api ju
dihasilkan o
mable maka k
Terhadap Flo
garuhi efisi
masuk, da
n bakar sem
efisiensi gas
alami hamba
kan bersam
uga tak lepa
oleh proses
kualitas api
ow Velocity (P
iensi gasifi
an heat lo
makin tinggi,
sifikasi sem
atan dalam
a oksigen
as dari nilai
gasifikasi.
juga akan
Putri, 2009)
ier antara
oss. Dapat
,nilai kalor
35
dengan tingginya kandungan moisture bahan bakar. Untuk pengaruh temperatur
udara masuk, semakin tinggi temperatur udara masuk gasifier akan menaikkan
efisiensi gasifikasi. Sedangkan pengaruh besarnya heat loss, semakin kecil heat
loss semakin besar pengaruhnya terhadap efisiensi gasifikasi.
Pengaruh temperatur dan besarnya nilai dari equivalen ratio gasifikasi
juga mempengaruhi efisiensi gasifikasi. Untuk bahan bakar biomassa dengan
nilai persentase karbon yang rendah, temperatur gasifikasi dikondisikan pada
782oC-927oC pada ekuivalen ratio 0,244-0,295. Pada equivalen ratio yang lebih
rendah,jumlah udara menjadi berlimpah menjadikan panas banyak terbuang,
efisiensi gasifikasi turun. Untuk memastikan semua karbon bereaksi, temperatur
harus tinggi > 927oC dan equivalen ratio 0,4. Pada kondisi tersebut persentase tar
yang dihasilkan sangat tinggi. Ada dua carauntuk mengatasi hal tersebut, yaitu
memanaskan udara masuk gasifier dan memperlama waktu tinggal (residence
time) produk gas.Efisiensi gas hasil gasifikasi dapat dihitung dengan cara dan
persamaan berikut:
Mencari N2 yang disupply dari udara yang mana mengandung sekitar 78%:
Supply N2Udara=0,769 x SA………...(2.21)
Mencari total nitrogen yang diproduksi udara dan bahan bakar :
Total N =
…………(2.22)
Mencari jumlah gas nitrogen yang diproduksi:
Produksi N =
………...(2.23)
Mencari energi dari gas mampu bakar (syngas) yang dihasilkan:
Energi syngas =Produksi N x syngaspada hasil gasifikasix HHV syngas....(2.24)
Mencari total energi dari gas mampu bakar/syngas (CO, H2 dan CH4)
Energi syngas = energi syngasCO + energi syngasH2 + energisyngas CH4…(2.25)
Mencari total energi input dari bahan bakar yang digunakan:
Energi Input= nilai kalor bahan bakar………..(2.26)
36
η
g = x100%……….(2.27)Tabel 2.2 Higher Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV) Gas mampu Bakar
Gas Higher Heating Value (MJ/kg mol) Lower Heating Value (MJ/kg mol)
CO 282,99 282,99
H2 285,84 241,83
CH4 890,36 802,34
Sumber: Basu, 2006
