Pengaruh variasi laju aliran udara dengan penambahan uap air pada
gasifikasi tipe
up draft
berbahan kotoran kuda terhadap persentase
kadar gas H
2, CH
4, CO dan CO
2S. Bahri*, Nurchayati, A. Mulyanto
Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mataram, Jln. Majapahit No. 62 Mataram Nusa Tenggara Barat Kode Pos : 83125, Telp. (0370) 636087; 636126; ext 128 Fax (0370) 636087.
*Email: ephul08081993@gmail.com
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Article History: Received Accepted Available online
Gasification is a process for converting a carbonaceous material into a gas or synthetic gas such as H2, CO, CH4. In general, the gasification process involves
a carbon reaction with air, oxygen, moisture, carbon dioxide, or a mixture of some gases at a temperature of 1300 ° F or higher to produce a gas product that can be used to provide electricity and heat or fuel liquid or other fuels such as hydrogen. In this research, the gasification material used is horses dung which aims to know the percentage of gas composition content of H2, CH4, CO
and CO2 in syngas on the gasification process and to
know the effect of the air flow rate with the addition of water vapor at percentage of syngas composition. The Syngas obtained from the gasification process tested by using gas chromatography.
The research is designed by using experimental method. The dependent variable used in this research was percentage of H2, CH4, CO and CO2 gas level. The
independent variable was flow rate, which was 10 L/mins, 15 L/mins, 20 L/mins, 25 L/mins and 30 L/mins by adding water vapor on its each gasification process.
The results showed that the highest percentage of each gas level by using horses dung feedstock and additional water vapor was obtained at 30 L/mins of flow rate for H2, CH4, and CO2, but at 10 L/mins for CO. The
obtained highest level was 37.33816% of H2; 0.18067%of
CH4,; 3.47431% of CO2; and 11.04466% of CO.
Keywords: Gasification horses dung syngas
gas chromatography
PENDAHULUAN
Indonesia merupakan salah satu negara yang berada pada lintasan sumber energi karena letak geografisnya. Posisi yang strategis ini sangat menguntungkan sehingga membuat negara sangat kaya akan sumber energi alam. Energi yang paling sering digunakan sehari-hari berasal dari energi fosil. Dimana energi fosil tersebut meliputi bahan bakar minyak, batu bara maupun gas bumi. Namun energi fosil ini termasuk sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui serta memiliki kapasitas yang terbatas untuk memenuhi tingkat kebutuhan yang semakin hari kian bertambah. Oleh karena itu, perlu adanya upaya untuk menghemat energi dan menggali serta memanfaatkan energi alternatif.
Salah satu cara memanfaatkan energi terbarukan adalah dengan biomassa. Biomassa adalah suatu limbah benda padat yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber bahan bakar.Sifat yang menguntungkan dari biomassa adalah sumber energi yang dapat dimanfaatkan secara lestari karena sifatnya yang dapat diperbaharui (renewable resourse). Biomassa dapat dikonversi menjadi bahan bakar padat, cair, dan gas. Pemanfaatan dari biomassa secara efektif adalah dengan gasifikasi. Keuntungan dari proses gasifikasi adalah dengan mengunakan syingas (syntethic gas) hasil gasifikasi lebih efesien dari pada pembakaran langsung bahan bakar. Selain itu proses ini lebih ramah lingkungan dalam hal polusi udara.
Gasifikasi adalah suatu proses untuk mengubah material yang mengandung karbon menjadi gas mampu bakar atau syntethic gas seperti (H2, CO, CH4). Secara umum proses
gasifikasi melibatkan reaksi karbon dengan udara, oksigen, uap air, karbon dioksida, atau suatu campuran dari beberapa gas pada temperatur 1300 °F atau lebih tinggi untuk menghasilkan suatu produk berupa gas yang dapat digunakan untuk menyediakan tenaga listrik dan memanaskan atau menjadi bahan bakar cair, atau bahan bakar lain seperti hidrogen (rezatiyan, 2005).
Vidian (2008) juga melakukan penelitian proses gasifikasi tempurung kelapa menggunakan
updraft gasifier pada beberapa variasi laju aliran udara pembakaran dapat menghasilkan gas mampu bakar (CO, CH4, H2) secara kontinnyu
selama lebih kurang 3 jam operasi.Peningkatan laju aliran udara akan meningkatkan suhu dalam
reaktor, komposisi gas, laju aliran gas, efisiensi gasifikasi dan temperatur api hasil pembakaran
producer gas.
Sutanto dkk (2015) juga melakukan pengujian pengaruh laju aliran agent gas pada proses gasifikasi kotoran kuda terhadap karakteristik syingas yang di hasilkan dengan variasi agent gas 10 liter/menit, 15 liter/menit, 20 liter/menit, 30 liter/menit menunjukkan hasil semakin besar laju aliran agent gas maka kadar gas CO semakin naik dengan rata-rata 15%, dan terjadi penurunan kadar methan (CH4) yakni
rata-rata 13% seiring dengan semakin besar laju aliran agent gas . karena dalam proses pembakaran bahan umpan pada reactor gasifikasi berjalan dengan sempurna sehingga gas CO2 yang di
hasilkan semakin besar dan panas yang dibentuk semakin tinggi suhunya. Sedangkan CO2 dan
karbon akan di uraikan menjadi CO, dengan demikian semakin besar laju aliran agent gas CO semakin besar sehingga membuat gas CO2
semakin sedikit karena sebagian telah teruraikan menjadi CO.
Wang dkk (2007) melakukan penelitian gasifikasi menggunakan updraft gasifier yang di integrasikan dengan gas reformer untuk mengerakkan mesin berbahan bakar gas.Bahan bakar gasifier yang digunakan pada penelitian ini adalah kepingan kayu (woodchips). Hasil penelitiaanya menunjukan bahwa nilai kalor gas yang dihasilkan adalah 3,9 MJ/m3 dengan efisiensi gasifikasi 60 % dan efisiensi keseluruhan sistem sebesar 27 %.
Saravanakumar dkk (2007) melakukan penelitian gasifikasi menggunakan bottom lift
updratf gasifier dengan bahan bakar kayu. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa dengan laju pemakaian bahan bakar antara 9 hingga 10 kg/jam, maka efisiensi gasifikasi yang terjadi adalah 73% dan menghasilkan stabilitas producer gas selama 5 jam operasi dengan temperatur api rata-rata 7500C.
Surjosatyo dkk (2002) melakukan penelitian menggunakan updraft gasifier yang dintegrasikan dengan swirl gas burner,
1. Compressor , 2.Flow meter, 3.Boiller, 4. Gasifier, 5. Scrubber, 6.Kantong Plastik
Gambar 1. Skema alat penlitian Gasifikasi adalah suatu proses kimia yang
mengubah bahan karbon seperti biomassa menjadi gas mampu bakar (CO, H2, CH4, dll)
dengan menggunakan sedikit udara sehingga tidak
terjadi pembakaran sempurna. Sebuah proses gasifikasi biomassa memiliki tahapan-tahapan seperti:
1. Pengeringan (Drying) yaitu Reaksi yang terletak pada bagian atas reaktor dan merupakan zona dengan temperatur paling rendah di dalam reaktor yaitu di bawah 1500 C proses pengeringan ini sangat perlu dilakukan agar pengapian pada burner dapat terjadi lebih cepat dan lebih stabil.
2. Pirolisis merupakan proses perpisahan volatile matters (uap air, cairan organik, dan gas yang tidak terkondensi) dari padatan karbon bahan bakar menggunakan panas yang di serap dari proses oksidasi sehingga pirolisis (devolisasi) disebut juga gasifikasi persial. Komposisi produk yang tersusun merupakan temperatur, tekanan, dan komposisi gas selama proses pirolisis berlangsung. Produk cair yang menguap akibat dari fenomena penguapan komponen yang tidak stabil secara thermal
mengandung tar dan polyromatic hydrocarbon.
Produk pirolisis terdiri atas gas ringan, tar dan arang.
3. Reduksi merupakan proses melibatkan suatu rangkaian reaksi endotermik yang disokong
oleh panas yang di produksi dari hasil reaksi pembakaran. Reaksi reduksi terjadi antara temperatur 5000 sampai 10000C. Pada reaksi ini, arang yang di hasilkan melalui reaksi pirolisis tidak sepenuhnya karbon tetapi juga mengandung hidrokarbon yang terdiri dari hidrogen dan oksigen. Untuk itu, agar dihasilkan gas mampu bakar seperti hidrogen dan karbon monoksida, maka arang tersebut harus di reaksikan dengan air dan karbon dioksida. Persamaan reaksi-reaksi yang terjadi pada zona ini di gasifier adalah sebagai berikut ( Nurtanio, 2012);
C + CO2+ panas → 2CO
∆𝐻 = 164.9 MJ/kmol (1) C + H2O + panas → H2 + CO
∆𝐻 = 131 MJ/kmol (2) C + 2H2 ←→ CH4
∆𝐻 = −75 MJ/kmol (3) C + H2O + panas ←→ CO2 + H2
dimana arang akan memasuki zona gasifikasi dimana karbon bereaksi dengan uap panas, karbon dioksida , dan hidrogen. Reaksi endotermik ini menghasilkan karbon monoksida dan hidrogen. Sedikit reaksi eksotermik dari hidrogen dengan karbon menghasilkan metana. Karbon monoksida yang dihasilkan juga bereaksi dengan air menghasilkan hidrogen dan karbon dioksida. Perbedaan antara zona gasifikasi dan zona pembakaran adalah ada atau tidaknya oksigen.
4. Oksidasi yaitu Sisa arang lalu terbakar dengan memamfaatkan oksigen dari udara pada jalur umpan gas dan meninggalkan sisa abu sesuai dengan reaksi berikut(Nurtanio, 2012):
2C + O2 → 2CO2
∆𝐻 = −221 MJ/kmol (5) 2CO + O2 → 2CO2
∆𝐻 = −283 MJ/kmol (6)
METODE PENELITIAN
Metode yang digunakan adalah eksperimen dengan menggunakan alat-alat seperti reactor gasifikasi, flow meter, boiler, compressor udara, kantong plastik, tabung reaksi, thermometer, gas chromatographi 7900. Skema alat penelitian dapat dilihat pada gambar 1.
Langkah pertama memberikan nyala api pancingan pada reactor, setelah api tersebut menyala dilanjutkan dengan memasukkan bahan umpan kotoran kuda yang sudah kering. Air dalam boiler dipanaskan sampai mendidih. Keran aliran udara yang terhubung langsung dengan flow meter dibuka dan diatur dengan laju aliran tertentu (10 liter/menit, 15 liter/menit, 20 liter/menit, 25 liter/menit, dan 30 liter/menit) yang masuk kedalam boiler kemudian keran yang dari boiler dibuka sehingga masuk ke reactor gasifikasi. Nyala api di cek pada keluaran reactor gasifikasi, jika sudah bisa menghasilkan nyala api (artinya sudah menghasilkan gas mampu bakar), maka dilanjutkan dengan menampung asap yang mengandung gas mampu bakar kedalam kantong plastik sampai penuh. Setiap gas dengan laju aliran berbeda dipisahkan dengan kantong penampung yang berbeda. Gas yang sudah didapatkan, di diamkan selama 1 hari sampai gas tersebut dingin. Kemudian gas yang sudah dingin di masukkan kedalam tabung reaksi untuk kemudahan dalam pengujian.
Pengujian
Sebelum memulai pengujian terlebih dahulu mempersiapkan alat penelitian kemudian melakukan pengujian dengan prosedur sebagai berikut :
1. Nyalakan komputer dan monitor sesuai dengan setting detector
2. Nyalakan GC, teken tombol power pada samping kiri bawah GC 7900
3. Injeksi sampel sampel yang akan dianalisis diinjeksikan pada mesin menggunakan semprit kecil. Jarum semprit menembus lempengan karet tebal (Lempengan karet ini disebut septum) yang mana akan mengubah bentuknya kembali secara otomatis ketika semprit ditarik keluar dari lempengan karet tersebut. Kemudian Sampel gas dimasukan kedalam aliran gas pembawa.
4. Aliran gas selanjutnya menemui kolom yang diletakkan dalam oven bertemperatur konstan. Ini adalah jantung instrument tersebut, tempat dimana proses kromatografi berlangsung. 5. Setelah muncul dari kolom itu, aliran gas lewat
melalui sisi lain detektor.
6. Pencatat (Recorder) Fungsi recorder sebagai alat untuk mencatat hasil percobaan pada monitor komputer yang hasilnya disebut kromatogram
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam penelitian ini yang akan diuji adalah komposisi gas hasil dari variasi laju aliran udara dengan penambahan uap air pada gasifikasi tipe Up Draft berbahan kotoran kuda dengan variasi laju aliran udara 10,15,20,25,30 liter/menit dan senyawa yang akan difokuskan untuk pengujian yaitu pengujian kadar H2, CH4, CO, dan CO2 dan
yang akan dilakukan pengujian pada alat Gas Chromatographi.
, maka disajikan grafik hubungan antara laju aliran gas terhadap persentase kadar gas H2, CH4,
CO, dan CO2 seperti pada gambar 2, gambar 3,
gambar 4 dan gambar 5 di bawah ini.
Gambar 3. Grafik Hubungan antara laju aliran gas terhadap gas CH4
Gambar.4. Grafik Hubungan antara laju aliran gas terhadap gas karbonmonoksida
Gambar. 5. Grafik hubungan antara laju aliran gas terhadap gas karbondioksida
Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin besar laju aliran udara dengan uap air maka kadar gas H2, CH4, dan CO2 semakin
naik yaitu pada laju aliran 30 liter/menit yaitu masing-masing 37.33816%, 0.18067% dan
3.47431% seperti ditunjukkan pada gambar 2,3, dan 5 yang di sebabkan banyaknya uap air yang masuk. Karena semakin besar laju aliran udara dengan uap air maka dalam proses pembakaran bahan umpan (kotoran kuda) tidak sempurna karena terlalu banyak uap air yang masuk saat proses gasifikasi berlangsung sehingga itu yang menghambat pembakaran bahan umpan karena lembab. Saat memasuki zona reduksi dimana karbon bereaksi dengan uap panas akan menghasilkan kadar H2 dan CO kemudian ketika
hydrogen dan karbon bereaksi menghasilkan CH4
dan sisa arang dari proses reduksi lalu terbakar dengan memanfaatkan oksigen dari udara menghasilkan karbon dioksida. Namun kenaikan gas H2, CH4, dan CO2 tidak diikuti dengan kadar
gas CO dari laju aliran udara dengan uap air paling kecil yaitu 10 liter/menit sampai laju aliran paling besar yaitu 30 liter/menit yaitu dari 11.04466% sampai dangan 6.92733% karena ketika uap air yang dijadikan sebagai agent gas dalam proses gasifikasi akan memicu jumlah karbon yang dihasilkan relatif semakin sedikit seiring dengan bertambahnya laju aliran udara dengan uap air yang masuk saat proses gasifikasi berlangsung.
KESIMPULAN
Berdasarakan hasil penelitian, kemudian melakukan analisa data dan pembahasan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Kadar gas H2 paling tinggi dengan
menggunakan bahan umpan kotoran kuda di peroleh pada laju aliran udara dengan penambahan uap air sebesar 37,33816% pada laju aliran 30 liter/menit
2. Persentase gas CH4 dan CO2 terbesar pada
laju aliran 30 liter/menit yaitu 0,18067% dan 3,47431%
3. Komposisi kadar gas CO paling tinggi di peroleh pada laju aliran udara dengan penambahan uap air pada laju aliran 10 liter/menit yaitu 11,04466%
4.
Berdasarkan persentase kadar gas H2, CH4,CO, dan CO2 yang dihasilkan pada gasifikasi
tipe Up Draft pada penelitian ini tidak hanya dapat dilakukan dengan bahan umpan limbah pertanian dan batu bara saja tetapi dari limbah padat hewan ternak juga bisa di lakukan.
UCAPAN TERIMAKASIH
Yang ke kedua penulis mengapresiasi Jurusan Teknik Mesin atas fasilitas yang dipergunakan dalam penelitian ini.
DAFTAR NOTASI
C = Karbon
CO = karbon monoksida CO2 = Karbon dioksida
CH4 = Methan
H2 = Hidrogen
N2 = Nitrogen
O2 = Oksigen
H2O = Uap Air
NO2 = Nitrogen dioksida
GC = Gas Chromatographi
DAFTAR PUSTAKA
Nurtanio, I.,2012. Studi Kandungan Tar Updraft Gasifier Dengan Pengeluaran Syingas Pada Zona Reduksi,Skripsi Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia.
Rezatiyan, J. dan Nicholas.P.C.,2005. Gasifation Technologi A Primer For Enginer And. Scientists,Taylor dan. Francis Group, LLC, United States Of America.
Saravanakumar, A.,Haridsan, T.M. dan Reed, T.B., 2007. Eksperimental Investigation Of Long Stick Wood Gasification in Bottom Lift Ufdraft Fixed Bed Gasifer,
International Journal Fuel Processing Technologu, Elsevier, pp 617-622. Surjosatyo, A.,Nasir. dan Ani, F.,2002.
Development Of Swirl Burner Incorporated With A Biomass Combustion System, Proceding, 6th Asia-Pasific International Symposium On Combustion and Energy Utilization, Kuala Lumpur.
Sutanto, R.,Nurchayati., Pandiatmi,P., Mulyanto,A. dan Wirawan,M.,2015., Pengaruh Laju Aliran Agent Gas Pada Proses Gasifikasi Kotoran Kuda Terhadap Karakteristik Syingas Yang Dihasilkan.
SNTTM XIV, Teknik Mesin, Fakultas Teknik. Universitas Mataram.
Vidian, F., 2008. Gasifikasi Tempurung Kelapa Menggunakan Updraft Gasifer Pada Beberapa Variasi Laju Aliran Udara Pembakaran.Jurnal Teknk Mesin,vol 10 no 2, Teknik Mesin, Fakultas Teknik. Universitas Sriwijaya.Palembang.
Wang, Y. dan Yoshikawa, Y.,2007. Performance Optimization Of Two –staged Gasification System For Woody Biomass, International Journal Fuel Processing Technologi, Elsevier, pp 243-250.
