Perancangan Reaktor Gasifikasi Sekam Padi Tipe Downdraft Menggunakan Analisis Computational Fluid Dynamics

PERAN
PER
ERANC
RANCANGAN
NCA
CAN
NGAN
AN
NR
REA
REAK
RE
EAKT
AKTO
KTOR
OR
R GAS
GASI
GASIFI
SIFI
FIKA

IKASI
KASI
ASII SE
SEKA
S KAM
AM P
PA
PAD
ADI
TIPE
TIPE DO
DOWNDR
OWNDR
WNDRAF
DRAFT
RAFT
AFT MEN
MENGGUN
NGGUNAKAN
GGUNAK

GUNAK
UNA
AKAN
KAN ANA
AN
ANALI
ALISI
ISIS
SIS
CO
COMPUTA
OMPUT
PUTAT
PUTATI
UTATI
ATION
TIONA
IONAL
LF
FLUI

FLUID
LUID
ID DYNA
DYN
DY
YNAM
NAMIC
ICS
CS

DZIIYAD
DZIYAD
IYA
AD
D DZ
DZU
D
DZUL
ULFAN
LFANS

ANSYAH
SYA
YAH
H

S
SEK
EKO
OLA
LAH
AH
H PASC
PASCASARJ
SCAS
ASA
ASARJ
ARJAN
JANA
NA
INS

NSTIT
ITUT
UT
T PERT
PERTAN
ANIA
ANIAN
AN
N BO
BOGOR
GOR
OR
INST
RTANI
BOG
BOGO
OR
BOGOR
2014
14

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Perancangan Reaktor
Gasifikasi Sekam Padi Tipe Downdraft Menggunakan Analisis Computational
Fluid Dynamics adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing
dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun.
Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun
tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan
dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.

Bogor, Oktober 2014

Dziyad Dzulfansyah
NIM F151130156

RINGKASAN
DZIYAD DZULFANSYAH. Perancangan Reaktor Gasifikasi Sekam Padi Tipe

Downdraft Menggunakan Analisis Computational Fluid Dynamics. Dibimbing
oleh LEOPOLD OSCAR NELWAN dan DYAH WULANDANI.
Sekam padi merupakan salah satu biomassa yang dapat dimanfaatkan
sebagai bahan umpan gasifikasi. Gasifikasi menghasilkan gas mampu bakar yang
dapat digunakan sebagai bahan bakar pada motor bakar. Satu cara yang dapat
dilakukan agar pemanfaatan gasifikasi biomassa dapat lebih efisien adalah melalui
analisis computational fluid dynamics (CFD). Tujuan penelitian ini adalah
menganalisis kinerja reaktor gasifikasi sekam padi tipe downdraft untuk beberapa
skenario simulasi terhadap sudut throat dan sudut nozel, memilih desain reaktor
gasifikasi terbaik yaitu yang menghasilkan nilai kalor gas paling tinggi
berdasarkan hasil simulasi yang dilakukan, serta mempabrikasi dan menguji
kinerja reaktor gasifikasi yang terpilih berdasarkan hasil simulasi.
Penelitian ini mencakup perancangan dimensi reaktor, pembuatan geometri
model dan simulasi, serta pengujian reaktor. Berdasarkan analisis perancangan,
kebutuhan sekam padi adalah 4.88 kg tiap jam, diameter throat adalah 24 cm,
diameter nozel adalah 1.24 cm, tinggi nozel dari dasar throat adalah 13 cm, dan
volume hopper adalah 0.039 m3 dengan interval waktu pengisian 1 jam. Skenario
bentuk geometri reaktor adalah sudut throat 70o, 80o, dan 90o, serta sudut nozel
10o dan 20o. Perangkat lunak Gambit 2.4.6 digunakan untuk pembuatan model 3D
dan mesh, sedangkan perangkat lunak Ansys Fluent 13.0 digunakan untuk

simulasi CFD. Di dalam simulasi, model k-epsilon digunakan sebagai model
viscous (turbulensi), model P1 digunakan sebagai model radiasi, model Kobayashi
digunakan sebagai model devolatilisasi, model fase diskret digunakan untuk
penginjeksian bahan sekam padi, dan reaksi yang terlibat dalam proses gasifikasi
(3 reaksi heterogen dan 6 reaksi homogen) diselesaikan dengan model finite
rate/Eddy dissipation.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa reaktor dengan sudut throat 90o dan
sudut nozel 10o menghasilkan nilai kalor gas tertinggi di antara skenario simulasi
yang lain dengan persentase volume gas CO, H2, dan CH4 secara berturut – turut
adalah 14.49%, 9.65%, dan 2.39%. Sudut throat yang lebih kecil cenderung
menghasilkan suhu di dalam reaktor dan persentase gas H2 yang lebih tinggi,
tetapi menghasilkan persentase gas CO dan CH4 yang lebih rendah. Hasil
pengujian menunjukkan bahwa kapasitas aktual reaktor adalah 2.3 kg sekam padi
per jam dengan laju gasifikasi spesifik 46.87 kg m-2 jam-1. Persentase volume gas
CO dan CH4 hasil pengujian berturut-turut adalah 15.58%, dan 2.43% (nilai root
mean square error adalah 0.78%). Simulasi yang dilakukan mampu memprediksi
komposisi gas dengan cukup akurat tetapi tidak berhasil memprediksi suhu secara
akurat pada sebagian zona reaktor (pengeringan dan pirolisis).
Kata kunci: computational fluid dynamics, gasifikasi, gas mampu bakar, sekam
padi

SUMMARY
DZIYAD DZULFANSYAH. Design of Downdraft-Rice Husk Gasifier Using
Computational Fluid Dynamics Analysis. Supervised by LEOPOLD OSCAR
NELWAN and DYAH WULANDANI.
Rice husk is one of biomass type which can be utilized as gasification’s
feed. Gasification produces combustible gas which can be used as fuel in internal
combustion engine. One method that can be conducted in order to make utilization
of biomass gasification can be more efficient is by computational fluid dynamics
(CFD) analysis. The objectives of this study were to analyze performance of rice
husk-downdraft gasifier for some scenarios of simulation on angle of throat and
angle of nozzle, to select the best design of gasifier that produced the highest
heating value of the gas, and to manufacture and to test the performance of
gasifier selected based on CFD simulation.
This study included designing of gasifier dimension, geometry modeling
and simulation, and testing of gasifier. Based on design analysis, rice husk
required was 4.88 kg per hour, diameter of throat was 24 cm, diameter of nozzle
was 1.24 cm, height of nozzle from the bottom of throat was 13 cm, and volume
of hopper was 0.0039 m3 with interval time for loading rice husk into gasifier was
1 hour. Geometry scenarios were throat angle 70o, 80o, and 90o, and also nozzel

angle 10o and 20o. Gambit 2.4.6 was used for modelling and meshing the 3D
model of geometry, whereas Ansys Fluent 13.0 was used for CFD simulation. In
the simulation, k-epsilon model was used as viscous (turbulence) model, P1
model was used as radiation model, Kobayashi model was used as devolatilization
model, discrete phase model was used for injecting rice husk material, and the
reactions involved in gasification (3 heterogeneous reactions and 6 homogeneous
reactions) were solved by finite rate/Eddy dissipation model.
Results of simulation showed that gasifier with throat angle 90o and nozzel
angle 10o produced the higher heating value of the gas than other scenarios of
simulation with volume percentage of CO, H2, and CH4 was 14.49%, 9.65%, and
2.39% respectively. Gasifier with smaller nozzle angle tended to produce higher
temperature and percentage of H2, but lower percentage of CO and CH4. Results
of performance test showed that actual gasifier’s capacity was 2.3 kg of rice husk
per hour with specific gasification rate was 46.87 kg m-2 hour-1. Volume
percentage of CO and CH4 from testing was 15.58% and 2.43% respectively (root
mean square error was 0.78%). The simulation was adequate to predict gas
composition accurately but was not successful to predict accurately the
temperature in several gasifier’s zones (drying and pyrolysis).
Keywords: computational fluid dynamics, gasification, combustible gas, rice husk

© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2014
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB

PERANCANGAN REAKTOR GASIFIKASI SEKAM PADI
TIPE DOWNDRAFT MENGGUNAKAN ANALISIS
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

DZIYAD DZULFANSYAH

Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014

Penguji luar komisi pada Ujian Tesis: Dr Ir Joelianingsih, MT

Judul Tesis : Perancangan Reaktor Gasifikasi Sekam Padi Tipe Downdraft
Menggunakan Analisis Computational Fluid Dynamics
Nama
: Dziyad Dzulfansyah
NIM
: F151130156

Disetujui oleh
Komisi Pembimbing

Dr Leopold Oscar Nelwan, STP, MSi
Ketua

Dr Ir Dyah Wulandani, MSi
Anggota

Diketahui oleh

Ketua Program Studi
Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

Dekan Sekolah Pascasarjana

Dr Ir Y. Aris Purwanto, MSc

Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr

Tanggal Ujian:

Tanggal Lulus:

18 September 2014

PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah Subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema umum
yang dipilih dalam penelitian ini adalah gasifikasi dengan judul Perancangan
Reaktor Gasifikasi Sekam Padi Tipe Downdraft Menggunakan Analisis
Computational Fluid Dynamics.
Penelitian ini didanai oleh Program Kerjasama Kemitraan Penelitian dan
Pengembangan Pertanian Nasional (KKP3N) dengan nomor kontrak
54/PL.220/I.1/3/2014.K dengan judul “Desain Sistem Pengeringan Gabah Mandiri
Energi Menggunakan Sistem Heat Pump Absorpsi dan Pengoperasian Terkendali
Berenergi Gasifikasi Sekam” pada tahun 2014. Terima kasih penulis ucapkan
kepada Bapak Dr Leopold Oscar Nelwan, STP, MSi dan Ibu Dr Ir Dyah
Wulandani, MSi selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan arahan
dan bimbingan, dan Ibu Dr Ir Joelianingsih, MT selaku dosen penguji pada sidang
tesis yang telah banyak memberikan saran dan masukan kepada penulis. Di
samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada ayah, ibu, serta seluruh
keluarga atas segala doa dan kasih sayang yang telah diberikan. Ucapan terima
kasih juga disampaikan kepada Bapak Sualam Suharto selaku teknisi
Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Ibu Ety dan Bapak Dodi selaku
teknisi Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan, yang telah banyak membantu
dalam proses pengambilan data, serta teman – teman TMP yang telah menjadi
rekan seperjuangan penulis selama menempuh studi.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Oktober 2014

Dziyad Dzulfansyah

DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL

vi

DAFTAR GAMBAR

vi

DAFTAR LAMPIRAN

vii

DAFTAR SIMBOL

vii

DAFTAR SINGKATAN

ix

1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Rumusan Masalah
Tujuan

1
1
3
3

2 TINJAUAN PUSTAKA
Teori Gasifikasi
Teori Computational Fluid Dynamics

4
4
9

3 METODE
Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Bahan dan Alat
Prosedur

11
11
11
11

4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Dimensi Reaktor Gasifikasi
Simulasi dan Analisis CFD
Pembuatan Reaktor Gasifikasi
Pengujian Reaktor Gasifikasi
Pengaruh Penambahan Tebal Zona Reduksi

27
27
29
37
38
40

5 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran

41
41
41

DAFTAR PUSTAKA

42

LAMPIRAN

45

RIWAYAT HIDUP

49

DAFTAR TABEL
1 Karakteristik beberapa jenis biomassa (Raveendran et al. 1994)
2 Parameter teknis dan operasional beberapa tipe reaktor gasifikasi
(Knoef dan Stassen 1994)
3 Persyaratan bahan gasifikasi berdasarkan tipe reaktor (Knoef dan
Stassen 1994)
4 Komposisi proksimat dan ultimat sekam padi yang digunakan
5 Reaksi yang terlibat dalam proses gasifikasi
6 Hasil analisis perhitungan reaktor
7 Perbandingan karakteristik gas dari masing – masing skenario
8 Pengaruh tebal zona reduksi

4
5
7
19
23
27
32
41

DAFTAR GAMBAR
1 Skema reaktor gasifikasi tipe crossdraft (Foley dan Barnard 1983
dalam Rajvanshi 1986)
2 Skema reaktor gasifikasi tipe updraft (Foley dan Barnard 1983 dalam
Rajvanshi 1986)
3 Skema reaktor gasifikasi tipe downdraft (Foley dan Barnard 1983
dalam Rajvanshi 1986)
4 Diagram alir tahapan penelitian
5 Hubungan antara posisi lubang nozel terhadap diameter throat (FAO
[tahun terbit tidak diketahui])
6 Skema reaktor gasifikasi
7 Kondisi batas model
8 Titik pengukuran suhu di dalam reaktor
9 Dimensi reaktor dengan sudut throat 70o dengan sudut nozel a) 10o dan
b) 20o
10 Dimensi reaktor dengan sudut throat 80o dengan sudut nozel a) 10o dan
b) 20o
11 Dimensi reaktor dengan sudut throat 90o dengan sudut nozel a) 10o dan
b) 20o
12 Suhu sepanjang titik vertikal reaktor
13 Suhu reaktor dengan sudut throat 70o
14 Suhu reaktor dengan sudut throat 80o
15 Suhu reaktor dengan sudut throat 90o
16 Fraksi mol gas CO sepanjang titik vertikal reaktor
17 Fraksi mol gas CH4 sepanjang titik vertikal reaktor
18 Fraksi mol gas H2 sepanjang titik vertikal reaktor
19 Fraksi massa volatil partikel
20 Fraksi massa char partikel
21 Laju reaksi heterogen
22 Vektor kecepatan sepanjang bidang vertikal reaktor
23 Fraksi mol H2O
24 Fraksi mol volatil
25 Fraksi mol CO2

6
6
7
12
14
14
15
26
27
28
28
29
30
30
30
31
32
32
33
33
34
34
35
35
35

26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36

Fraksi mol CO
Fraksi mol H2
Fraksi mol CH4
Fraksi mol O2
Fraksi mol N2
Prototipe reaktor yang telah dipabrikasi
Bagian – bagian reaktor
Perbandingan suhu pengujian dan suhu hasil simulasi
Nyala api pada bagian outlet gas
Penempatan termokopel pada bagian outlet gas
Penempatan sensor gas analyzer

36
36
36
36
36
37
38
39
39
40
40

DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Pengaturan pada menu General
Pengaturan pada menu Models
Pengaturan pada menu Materials
Pengaturan pada menu Cell Zone Conditions
Pengaturan pada menu Boundary Conditions
Pengaturan pada menu Solution Methods dan Solution Controls
Pengaturan pada menu Monitors-Residuals
Perhitungan efisiensi gasifikasi
Suhu di dalam reaktor selama berlangsungnya pengujian
Komposisi gas outlet selama proses pengukuran

DAFTAR SIMBOL
AL

luas (m2)

A

faktor preeksponensial

c

konsentrasi (kg m-3, mol m-3)

Cl

koefisien fungsi fase linear-anisotropik

C2

koefisien kehilangan inersia

Cμ

konstanta viskositas turbulensi

d

diameter (m)

D

koefisien difusi (m2 detik-1)

E

energi aktivasi (J kmol-1)

F

gaya (N)

F⃗

vektor gaya (N)

g, g⃗

percepatan gravitasi (m s-2)

45
45
45
46
46
46
47
47
47
48

G

radiasi masuk (W m-2)

h

entalpi spesifik (J kg-1)

H

entalpi total (J)

I

intensitas radiasi (W m-2)

J

fluks massa, fluks difusi (kg m-2 s-1)

k

konstanta laju reaksi

ke

energi kinetik per satuan massa (J kg-1)

km

koefisien pindah massa

kt

konduktivitas termal (W m-1 K-1)

m

massa (kg)

ṁ

laju aliran massa (kg detik-1, kg jam-1)

Mr

massa molekul relatif (kg mol-1, kg kmol-1)

n

jumlah mol (mol)

N

Jumlah unit

p

tekanan (Pa)

qr

fluks radiasi panas (W m-2)

R

konstanta gas (8.31447 x 103 J kmol-1 K-1)

R

laju pengurangan partikel (kg s-1)

Re

bilangan Reynolds

Sc

bilangan Schmidt

Sh

bilangan Sherwood

t

waktu (detik, jam)

T

suhu (oC, K)

u, v

kecepatan (m detik-1)

v⃗

vektor kecepatan (m detik-1)

V

Volume (m3)

V̇

laju aliran volumetrik (m3 detik-1, m3 jam-1)

X

fraksi massa

Y

fraksi mol, fraksi volume (kondisi gas ideal)

Huruf Yunani
α

koefisien permeabilitas tumpukan

β

sudut kemiringan throat reaktor gasifikasi

γ

sudut kemiringan nozel reaktor gasifikasi

ε

laju disipasi turbulensi (m2 detik-3)

εm

emisivitas

εp

porositas

η

efisiensi (%)

θR

suhu radiasi (K)

λ

jalur bebas molekuler rata-rata (m, mm)

μ

viskositas dinamik (Pa detik)

ρ

densitas (kg m-3)

ρb

densitas curah (kg m-3)

σ

konstanta Stefan-Boltzmann (5.67 x 108 W m-2 K-4)

σs

koefisien penyebaran (scattering coefficient)

τ̅

tensor tegangan (Pa)

υ’

koefisien stokiometri reaktan

υ’’

koefisien stokiometri produk

φ

variabel yang dihitung pada persamaan mass-weighted average

Ω

sudut padatan (derajat, radian)

DAFTAR SINGKATAN
BBN

bahan bakar nabati

CAD

computer aided design

CFD

computational fluid dynamics

DTRM discrete transfer radiation model
EBT

energi baru terbarukan

ER

equivalence ratio

FC

fuel consumption (kg jam-1)

GDP

gross domestic product

NK

nilai kalor (kJ kg-1, kJ m-3)

RMSE

root mean square error (%)

SBM

setara barel minyak

SGR

specific gasification rate (kg m-2 jam-1)

1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Selama tahun 2000 hingga tahun 2011, konsumsi energi final di Indonesia
meningkat rata-rata 3% per tahun. Konsumsi energi final terus meningkat sejalan
dengan pertumbuhan ekonomi, penduduk, dan kebijakan yang ditetapkan oleh
pemerintah. Perencanaan dan pengembangan energi perlu dilakukan agar dapat
menjamin ketersediaaan energi untuk jangka panjang serta dapat merealisasikan
penerapan teknologi energi bersih yang andal, berkelanjutan, dan terjangkau.
Berdasarkan skenario dasar, kebutuhan energi akan meningkat dari 1 043 juta
setara barel minyak (SBM) pada tahun 2011 menjadi 2 518 juta SBM pada tahun
2030. Hal ini berdasarkan analisis perkembangan ekonomi yang diperkirakan
mempunyai pertumbuhan gross domestic product (GDP) rata-rata sebesar 7.1%
per tahun. Kebutuhan energi meningkat dengan laju pertumbuhan sebesar 4.7%
per tahun atau pada tahun 2030 menjadi 2.4 kali dari tingkat kebutuhan pada
tahun 2011 (BPPT 2013).
Penyediaan energi primer (termasuk biomassa) diproyeksikan akan tumbuh
hingga 2.6 kali lipat dengan pertumbuhan tahunan rata-rata sebesar 5.2%. Total
penyediaan energi tahun 2030 mencapai 3 781 juta SBM, dibandingkan dengan
tahun 2015 sebesar 1 774 juta SBM dan tahun 2011 sebesar 1 446 juta SBM. Laju
pertumbuhan rata-rata tahun 2011 hingga tahun 2015 sebesar 5.23% per tahun dan
tahun 2016 hingga tahun 2030 sebesar 5.07% per tahun. Perkembangan bauran
energi primer nasional menunjukkan bahwa peranan minyak dan gas bumi akan
turun. Penurunan peran minyak dan gas bumi akan digantikan oleh batubara dan
energi baru terbarukan (EBT). Total peranan EBT pada bauran energi nasional
diperkirakan akan meningkat dari 6.6% pada tahun 2011 menjadi 13.3% pada
tahun 2030. Penyediaan EBT tersebut didominasi oleh panas bumi, hidro, limbah
pertanian, dan bahan bakar nabati (BBN). Sementara itu, EBT lainnya yang
memiliki pangsa sangat kecil, yaitu kurang dari 0.1% pada tahun 2011 akan
meningkat menjadi 3.6% pada tahun 2030. Kebijakan pemerintah dan insentif
diperlukan sebagai pendorong utama untuk pengembangan energi baru dan
terbarukan. Beberapa hal yang menghambat pengembangan EBT antara lain
adalah tingginya biaya investasi, birokrasi, kurangnya insentif atau subsidi
sehingga harga jual yang lebih tinggi dibandingkan dengan energi fosil, rendahnya
pengetahuan dalam mengadaptasi fasilitas energi bersih, serta potensi sumber
daya EBT pada umumnya tersebar dan kecil (BPPT 2013).
Beragam sumber daya EBT semakin banyak bermunculan dan makin
dipertimbangkan untuk diterapkan menggantikan sumber energi fosil. Selain
karena bersifat dapat diperbarui dalam waktu yang relatif cepat, EBT juga tidak
berdampak negatif bagi lingkungan. Salah satu sumber daya EBT yang masih
berlimpah adalah biomassa. Biomassa telah dikenal sebagai sumber daya EBT
yang potensial. Di Indonesia, biomassa memiliki potensi sebagai sumber daya
EBT terbesar ke-3 setelah panas bumi dan air dengan potensi 13 662 MWe, tetapi
baru dimanfaatkan sebesar 1 364 MW atau hanya sekitar 10% dari potensi yang
ada (BPPT 2013). Proses konversi energi biomassa bertujuan untuk meningkatkan
kualitas energi yang terkandung dalam biomassa, sehingga menjadi bahan bakar

2
yang mudah ditangani dan digunakan. Komposisi kimia biomassa sangat
bervariasi tergantung pada jenis biomassa, untuk tanaman kira – kira terdiri dari
25% lignin dan 75% selulosa. Densitas energi biomassa rata – rata berkisar 18 –
20 MJ tiap kg pada basis kering. Nilai ini hampir setengah dari nilai kalor batu
bara.
Sekam padi merupakan salah satu jenis biomassa berupa limbah pertanian
yang jumlahnya melimpah di Indonesia. Sekam padi menjadi potensial untuk
dimanfaatkan sebagai sumber energi terbarukan di Indonesia karena tanaman
pangan utama Indonesia adalah beras yang dihasilkan dari tanaman padi sehingga
dengan banyaknya produksi padi maka akan banyak menghasilkan banyak limbah
sekam padi (sekitar 30% dari gabah merupakan sekam). Menurut data
Kementerian Pertanian Republik Indonesia tahun 2013, produksi padi di
Indonesia pada tahun 2013 mencapai lebih dari 70 juta ton sehingga limbah sekam
padi yang dihasilkan sekitar 21 juta ton. Sudah ada beberapa pemanfaatan limbah
sekam padi, antara lain pemanfaatan abu sekam padi sebagai campuran beton dan
bahan dasar untuk produksi natrium silikat, pemanfaatan arang sekam padi
sebagai media tanam di dalam rumah tanaman (greenhouse), dan lain – lain.
Namun, pemanfaatan sekam padi dalam sektor energi terbarukan, khususnya
dengan metode yang efisien masih relatif jarang.
Gasifikasi biomassa dapat menjadi teknologi yang efisien dan terdepan
untuk mengekstrak energi dari biomassa dan telah mendapatkan banyak perhatian
dalam pasar energi karena potensinya dalam pengurangan emisi. Gasifikasi
biomassa adalah proses konversi biomass dalam bentuk padat ke dalam bentuk
gas mampu bakar melalui proses termal. Gas mampu bakar ini sebagian besar
tersusun atas gas karbon monoksida (CO), hidrogen (H2), dan sedikit metana
(CH4). Gas mampu bakar ini dapat digunakan secara langsung untuk pembakaran,
misalnya untuk keperluan rumah tangga atau pengeringan, ataupun juga dapat
digunakan sebagai bahan bakar motor bakar yang dapat digunakan untuk
pembangkit listrik ataupun keperluan lainnya. Tipe reaktor yang cocok
diaplikasikan pada motor bakar internal adalah tipe downdraft (Gaos 2008).
Teknologi gasifikasi sebenarnya telah ada sejak zaman perang dunia kedua, tetapi
setelah perang dunia kedua berakhir, teknologi gasifikasi jarang digunakan karena
bahan bakar cair lebih mudah digunakan dan banyak tersedia.
Khater et al. (1992), IDCOL (2007), dan Belonio (2005) melakukan
penelitian mengenai gasifikasi sekam padi. Penelitian dapat diarahkan pada
perancangan reaktor sebagai pembangkit listrik maupun pada tungku gasifikasi
untuk keperluan rumah tangga. Suhu kerja gasifikasi sekam padi bervariasi mulai
dari 820 oC hingga 1100 oC. Komposisi gas CO, H2, dan CH4 hasil gasifikasi
sekam padi cukup bervariasi di mana komposisi gas CO, H2, dan CH4 berturutturut adalah 13.67%, 5.13%, dan 2.42% (Khater et al. 1992), serta 20.62%,
10.62%, dan 4% (IDCOL 2007). Berdasarkan persentase gas mampu bakar yang
dapat dihasilkan, sekam padi cukup baik jika digunakan sebagai sumber energi
terbarukan melalui proses gasifikasi.
Berbagai cara dilakukan untuk meningkatkan kinerja suatu reaktor gasifikasi
biomassa agar pemanfaatan biomassa sebagai sumber energi dapat lebih efisien.
Salah satu cara tersebut adalah melalui analisis computational fluid dynamics
(CFD). Hampir lebih dari sepuluh tahun belakangan ini, analisis CFD telah
berperan penting dalam meningkatkan kinerja beberapa pembangkit tenaga listrik,

3
termasuk reaktor gasifikasi. Keluaran atau nilai prediksi dari model CFD sangat
luas dan dapat memberikan informasi tertentu pada ratusan titik di dalam reaktor.
Wang dan Yan (2008) merangkum di dalam suatu artikel tentang beberapa hasil
penelitian mengenai aplikasi CFD di dalam proses konversi energi biomassa, baik
melalui reaktor gasifikasi maupun melalui ketel uap (boiler). Wang dan Yan
(2008) menyimpulkan bahwa CFD dapat memprediksi secara akurat proses
konversi biomassa secara termokimia. CFD dapat menganalisis mengenai
distribusi produk, aliran, suhu, endapan abu, bahkan emisi berupa senyawa NOx.
Meskipun demikian, di dalam simulasi masih ada beberapa pendekatan model
berupa asumsi yang akan menghasilkan sedikit eror.
Secara umum, skenario simulasi proses gasifikasi yang dapat disimulasikan
dengan CFD antara lain adalah bentuk geometri reaktor (Silaen dan Wang 2006),
karakteristik media penggasifikasi (Luan et al. 2011), karakteristik bahan umpan
gasifikasi (Lu dan Wang 2014), laju aliran udara dan laju umpan bahan (Beohar et
al. 2012b), atau model – model yang digunakan di dalam simulasi (Silaen dan
Wang 2009; Silaen dan Wang 2010; Lu dan Wang 2012). Berdasarkan hasil
penelitian Silaen dan Wang (2006) diketahui bahwa konfigurasi nozel injeksi
dapat memberikan pengaruh terhadap efisiensi reaktor gasifkasi. Sudut throat
pada reaktor gasifikasi tipe downdraft juga dapat memberikan pengaruh terhadap
efisiensi gasifikasi. Sudut throat yang baik untuk reaktor gasifikasi tipe downdraft
adalah dua kali dari sudut curah bahan (Reed dan Das 1988). Hal ini bertujuan
agar tidak terjadi penyumbatan pada daerah sekitar throat. Jayah et al. (2003)
menyimpulkan bahwa semakin besar sudut throat maka suhu dan laju reaksi
semakin rendah. Pada penelitian ini, simulasi difokuskan pada pengaruh bentuk
geometri terhadap kinerja reaktor gasifikasi sekam padi.

Perumusan Masalah
Salah satu tahapan yang memerlukan banyak waktu dan biaya dalam
pembuatan reaktor gasifikasi adalah menentukan bentuk dan kondisi kerja reaktor
serta menganalisis pengaruhnya terhadap kinerja reaktor, khususnya sudut nozel
pemasukan udara. Melalui penelitian ini, diharapkan pertanyaan mengenai
bagaimana pengaruh bentuk reaktor dan sudut nozel udara terhadap kinerja
reaktor dapat terselesaikan.

Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah menganalisis kinerja reaktor gasifikasi sekam
padi tipe downdraft untuk beberapa skenario simulasi sudut throat dan sudut
nozel, memilih desain reaktor gasifikasi sekam padi skala kecil yang terbaik yaitu
reaktor yang menghasilkan gas dengan nilai kalor paling tinggi dari hasil simulasi
yang dilakukan, serta mempabrikasi dan menguji kinerja reaktor gasifikasi yang
terpilih dari hasil simulasi.

4

2 TINJAUAN PUSTAKA
Teori Gasifikasi
Gasifikasi merupakan proses untuk mengkonversi bahan bakar dalam bentuk
padat ke dalam bentuk gas. Energi kimia yang terkandung dalam gas adalah
fungsi dari komposisi kimianya. Hal tersebut membuat komposisi gas yang
dihasilkan menentukan kualitasnya sebagai bahan bakar. Konsentrasi tinggi dari
gas mampu bakar seperti H2, CO, dan CH4 akan meningkatkan energi pembakaran
dari gas yang dihasilkan (Kumar et al. 2008). Oleh karena itu, karakteristik
termokimia dari biomassa memainkan peranan penting dalam pemilihan sistem
dan kinerja sistem gasifikasi.
Untuk pembakaran lengkap terhadap biomassa, secara stokiometri udara
yang dibutuhkan adalah 6 hingga 6.5 kg udara tiap kg biomassa. Produk yang
dihasilkan pada pembakaran tersebut adalah CO2 dan H2O. Dalam proses
gasifikasi, reaksi diperlakukan di bawah kondisi stokiometri dengan jumlah udara
yang dibatasi pada kisaran 1.5 hingga 1.8 kg udara per kg biomassa (Vaezi et al.
2008). Nilai equivalence ratio (ER) merupakan perbandingan air-fuel ratio aktual
dengan air-fuel ratio stokiometri. Secara teoritis, nilai ER untuk pembakaran
lengkap adalah 1 (Ramanan et al. 2008), sedangkan nilai ER untuk gasifikasi
adalah antara 0.15 – 0.4 (Ramanan et al. 2008) atau 0.3 – 0.6 (Vaezi et al. 2008).
Untuk gasifikasi sekam padi, nilai ER optimum adalah 0.4 (Jain dan Goss 2000).
Sekam padi merupakan salah satu biomassa yang dapat digunakan sebagai
bahan umpan gasifikasi. Sekam padi memiliki komposisi proksimat dan ultimat
yang tidak jauh berbeda dengan biomassa yang sudah biasa digunakan sebagai
bahan gasifikasi seperti kayu (Tabel 1).
Tabel 1 Karakteristik beberapa jenis biomassa (Raveendran et al. 1994)

Ampas tebu
Sabut kelapa
Cangkang kelapa
Tongkol jagung
Batang jagung
Sampah kapas
Cangkang
kacang tanah
Sekam padi
Jerami padi
Kayu subabul
Jerami gandum

Analisis proksimat
(% massa)
Bahan
Abu
volatil
(db)
(daf)
84.2
2.9
82.8
0.9
80.2
0.7
85.4
2.8
80.1
6.8
88.0
5.4
83.0
5.9
81.6
80.2
85.6
83.9

23.5
19.8
0.9
11.2

Analisis ultimat (bk%)
N

O

Nilai
kalor atas
(MJ kg-1)

Densitas
(kg m-3)

C

H

43.8
47.6
50.2
47.6
41.9
42.7
48.3

5.8
5.7
5.7
5.0
5.3
6.0
5.7

0.4
0.2
0.0
0.0
0.0
0.1
0.8

47.1
45.6
43.4
44.6
46.0
49.5
39.4

16.29
14.67
20.50
15.65
16.54
17.48
18.65

111
151
661
188
129
109
299

38.9
36.9
48.2
47.5

5.1
5.0
5.9
5.4

0.6
0.4
0.0
0.1

32.0
37.9
45.1
35.8

15.29
16.78
19.78
17.99

617
259
259
222

Secara umum, tipe dan parameter reaktor gasifikasi unggun tetap (fixed-bed
gasifier) ditentukan oleh arah aliran udara yang melalui reaktor (arah naik, turun,
atau horizontal). Tipe reaktor gasifikasi unggun tetap antara lain adalah reaktor

5
gasifikasi arah aliran berlawanan (updraft-gasifier), reaktor gasifikasi arah aliran
silang (crossdraft-gasifier), dan reaktor gasifikasi arah aliran ke bawah
(downdraft-gasifier) (Gaos 2008). Parameter teknis dan operasional beberapa tipe
reaktor gasifikasi disajikan pada Tabel 2.
Tabel 2 Parameter teknis dan operasional beberapa tipe reaktor gasifikasi (Knoef
dan Stassen 1994)
Uraian
Kapasitas
(kWe)

komesial

maksimum

Downdraft
350

Tipe reaktor gasifikasi
Updraft
Crossdraft
4 000
150

Waktu penyetelan (menit)

10 – 20

15 – 60

10 – 20

Sensitivitas terhadap bahan bakar

sensitif

tidak sensitif

sensitif

Produksi tar pada beban tinggi (g
Nm-3 gas)

< 0.5

1 – 1.5

< 0.1 *

Ukuran
dan
pembersih gas

kecil

besar

kecil

kecil

besar

sangat kecil **

sensitif

tidak sensitif

sensitif

3–4

5 – 10

22 – 30

Hot gas efficiency beban tinggi (%)

85 – 90

90 – 95

80 – 90

Cold gas efficiency beban tinggi (%)

65 – 75

40 – 60

60 – 70

Nilai kalor cold gas (MJ Nm-3)

4.5 – 5

5–6

4 – 4.5

volume

bagian

Kuantitas residu tar
Sensitivitas terhadap fluktuasi beban
Rasio turn down

*hanya sekam padi
**kandungan bahan volatil yang rendah (< 10% basis massa) dari arang

Pada reaktor gasifikasi tipe crossdraft, biomassa masuk melalui bagian atas
reaktor, sedangkan udara masuk melalui bagian samping reaktor, seperti yang
disajikan pada Gambar 1. Udara masuk pada zona pembakaran sehingga akan
membakar biomassa. Panas yang dihasilkan akan digunakan untuk proses lain,
yaitu pengeringan, pirolisis, dan reduksi sehingga akan dihasilkan gas. Gas yang
dihasilkan dialirkan langsung keluar dari reaktor gasifikasi melalui bagian sisi
yang lain dari reaktor. Keuntungan sistem ini adalah dapat dioperasikan pada
skala yang sangat kecil dan konstruksi pemurnian gas yang sederhana (Gaos
2008).
Pada reaktor gasifikasi tipe updraft, biomassa masuk melalui bagian atas
reaktor, sedangkan udara masuk melalui bagian bawah reaktor, seperti yang
disajikan pada Gambar 2. Udara masuk pada zona pembakaran sehingga akan
membakar biomassa. Panas yang dihasilkan akan digunakan untuk proses lain,
yaitu pengeringan, pirolisis, dan reduksi sehingga akan dihasilkan gas. Gas yang
dihasilkan akan mengalir mengikuti aliran udara dan keluar pada bagian atas
reaktor. Tar, abu, uap air serta kotoran sisa pembakaran dan pirolisis akan ikut
bersama gas yang dihasilkan. Keuntungan tipe reaktor gasifikasi ini adalah
memiliki konstruksi yang sederhana, tingkat pembakaran arang yang tinggi, suhu
gas keluar rendah karena pertukaran panas internal, efisiensi gasifikasi yang tinggi,
dan dapat menggunakan bahan gasifikasi dengan kadar air yang cukup tinggi

6
(50% basis basah). Gas yang dihasilkan dari reaktor tipe ini lebih sesuai untuk
pemanfaatan pembakaran langsung (Gaos 2008).

Gambar 1 Skema reaktor gasifikasi tipe crossdraft (Foley dan Barnard 1983
dalam Rajvanshi 1986)

200 oC
400 oC
600 oC
950 oC
1300 oC

Gambar 2 Skema reaktor gasifikasi tipe updraft (Foley dan Barnard 1983 dalam
Rajvanshi 1986)
Pada reaktor gasifikasi tipe downdraft, biomassa masuk melalui bagian atas
reaktor, sedangkan udara masuk melalui bagian tengah reaktor, seperti yang
disajikan pada Gambar 3. Udara masuk pada zona pembakaran sehingga akan
membakar biomassa. Panas yang dihasilkan akan digunakan untuk proses lain,
yaitu pengeringan, pirolisis, dan reduksi sehingga akan dihasilkan gas. Gas yang
dihasilkan akan mengalir mengikuti aliran udara dan keluar pada bagian bawah
reaktor. Tar hasil dari proses pirolisis terbakar pada zona pembakaran sehingga
sedikit yang terikut bersama aliran gas yang dihasilkan. Gas yang dihasilkan dari
reaktor tipe ini sesuai untuk pembakaran internal di dalam motor bakar (Gaos
2008).

7

100 - 250 oC
250 - 500 oC
900 - 1400 oC

900 oC

Gambar 3 Skema reaktor gasifikasi tipe downdraft (Foley dan Barnard 1983
dalam Rajvanshi 1986)
Penyiapan dan pengkondisian biomassa perlu diperhatikan karena hampir
semua jenis biomassa memiliki variasi karakteristik fisik, kimia, dan morfologi
yang berbeda. Derajat kebutuhan pengolahan awal yang spesifik tergantung pada
karakteristik reaktor gasifikasi, seperti kapasitas dan tipe reaktor. Persyaratan
bahan gasifikasi secara umum disajikan pada Tabel 3.
Tabel 3 Persyaratan bahan gasifikasi berdasarkan tipe reaktor (Knoef dan Stassen
1994)
Keterangan
Ukuran (mm)
Kadar air (% basis basah)

Tipe reaktor gasifikasi
Downdraft
Updraft
Crossdraft
20 – 100
5 – 100
1 – 3 (arang)
< 20

< 50

1 250

> 1 250

> 1 250

Di dalam reaktor gasifikasi, terjadi reaksi kimia pada zona pembakaran dan
reduksi. Uraian tentang proses kimia tersebut adalah sebagai berikut (Gaos 2008):
1.

Zona pengeringan
Bahan baku terkena panas antara 100 – 250 oC sehingga bahan baku mulai
mengering. Dengan demikian air yang terkandung di dalam bahan akan menguap,
seperti pada persamaan reaksi berikut:
H2O(l)  H2O(g)
2.

(1)

Zona pirolisis
Setelah proses pengeringan dilakukan, bahan baku umpan akan turun dan
menerima panas pada suhu antara 250 – 500 oC dalam kondisi tanpa udara. Bahan

8
baku mulai terurai dan menjadi arang, uap air, dan gas. Proses pirolisis dimulai
dengan dekomposisi hemiselulosa pada suhu antara 200 – 250 oC, dekomposisi
selulosa sampai dengan suhu 350 oC, dan proses pirolisis berakhir pada suhu 500
o
C. Selanjutnya proses pengarangan yang berlangsung pada suhu 500 – 900 oC
terjadi di daerah batas zona pirolisis dan oksidasi. Proses kimia pirolisis adalah
sebagai berikut:
CxHyOz  arang, tar, minyak, asam organik, metana, dan lain – lain

(2)

3.

Zona oksidasi
Arang yang terbentuk dari ujung zona pirolisis masuk ke daerah oksidasi,
selanjutnya dibakar dengan udara yang dimasukkan dari luar melalui lubang
pemasukan udara, akan tetapi dengan jumlah yang tidak memadai sehingga terjadi
pembakaran tidak sempurna. Suhu oksidasi berkisar antara 900 – 1 400 oC terjadi
di daerah cekikan (throat section) yang merupakan zona pembakaran.
2C(s) + O2(g)  2CO(g) + energi termal

(3)

2CO(g) + O2(g)  2CO2(g) + energi termal

(4)

Tar, minyak, metana, dll  CO, CO2, H2O, CH4 + energi termal

(5)

4.

Zona reduksi
Proses ini dimaksudkan untuk mereduksi gas CO2 hasil proses oksidasi
dengan arang menjadi gas CO. Proses ini berlangsung pada kisaran suhu 900 oC,
dengan mengambil panas dari zona oksidasi. Arang bereaksi dengan gas CO2
membentuk gas CO, dan arang bereaksi dengan uap air membentuk gas CO dan
gas H2. Proses kimia reduksi adalah sebagai berikut:
C(s) + H2O(g)  CO(g) + H2(g) – energi temal
CO2(g) + C(s)  2CO(g) – energi termal

(6)
(7)

Khater et al. (1992) melakukan penelitian mengenai perancangan reaktor
gasifikasi sekam padi tipe downdraft dengan laju umpan bahan sekam padi adalah
1.3 – 5.1 kg tiap jam dan laju aliran udara volumetrik adalah 2 – 4.44 m-3 tiap jam.
Suhu kerja yang dicapai berada pada kisaran 570 oC – 820 oC dengan komposisi
gas CO, H2, dan CH4 berturut-turut adalah 13.67%, 5.13%, dan 2.42%. IDCOL
(2007) melaporkan mengenai proyek pemasangan reaktor gasifikasi sekam padi
tipe downdraft skala besar (250 kW) untuk pembangkit listrik dengan laju umpan
bahan hingga 300 kg tiap jam. Suhu kerja berada pada kisaran 1 050 oC – 1 100
o
C dengan komposisi gas CO, H2, dan CH4 berturut-turut adalah 20.62%, 10.62%,
dan 4%. Selain itu, Belonio (2005) juga meneliti tentang gasifikasi sekam padi,
tetapi diarahkan pada perancangan tungku gasifikasi sekam padi. Tungku ini dapat
digunakan untuk keperluan rumah tangga maupun keperluan lainnya.

9
Teori Computational Fluid Dynamics
Secara definisi, computational fluid dynamics (CFD) adalah ilmu yang
mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan
fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan - persamaan matematika.
CFD sebenarnya mengganti persamaan - persamaan diferensial parsial dari
kontinuitas, momentum, dan energi dengan persamaan - persamaan aljabar
(Tuakia 2008). Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan dalam
simulasi CFD menurut Tuakia (2008), yaitu:
1.
Preprocessing
Preprocessing merupakan langkah pertama dalam membangun dan
menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket
CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian
menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya.
2.
Solving
Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang
diterapkan pada saat preprocessing.
3.
Postprocessing
Postprocessing adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang
dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil
simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi.
Prosedur yang terdapat pada semua pendekatan program CFD (Tuakia 2008),
yaitu:
1.
Pembuatan geometri dari model atau problem.
2.
Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagi menjadi sel-sel kecil
(meshing).
3. Pendefinisian model fisik.
4. Pendefinisian kondisi - kondisi batas.
5. Persamaan - persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan
secara iteratif, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transien.
6.
Analisis dan visualisasi dari solusi CFD.
Pembakaran dan gasifikasi telah menjadi bagian yang sangat penting dalam
proses konversi energi. Penggunaan sumber energi secara efektif dan ekonomis
untuk mengurangi produksi CO2 dan polutan lain selama proses termokimia
memerlukan proses konversi secara efisien. Salah satu cara yang dapat dilakukan
adalah pengembangan model numerik dari reaktor termokimia. Adanya
ketersediaan sistem komputer yang efisien menjadikan teknik pemodelan secara
numerik seperti metode CFD telah digunakan dalam industri maupun juga dalam
akademik. Simulasi CFD dapat membantu mengoptimumkan desain sistem dan
operasi serta pemahaman proses fisika dan kimia di dalam reaktor. Model
matematika yang baik dapat menemukan kondisi operasi yang optimum,
menyediakan informasi pada kondisi operasi ekstrim (suhu dan tekanan tinggi) di
mana pengambilan data langsung sulit untuk dilakukan dan membantu
menginterpretasi hasil eksperimen secara lebih baik (Rashidi 2011).
Perangkat lunak ANSYS Fluent dan Gambit telah banyak digunakan untuk
memodelkan sistem reaktor gasifikasi. Silaen dan Wang (2006) meneliti tentang
pengaruh sudut injeksi terhadap kinerja reaktor gasifikasi batu bara dua tingkat

10
menggunakan perangkat lunak Fluent. Model 3D dengan persamaan NavierStokes dan tujuh reaksi disipasi Eddy (instantaneous model) digunakan pada
penelitian tersebut. Berdasarkan penelitian tersebut diketahui bahwa konfigurasi
nozel injeksi dapat memberikan pengaruh terhadap efisiensi reaktor gasifikasi.
Silaen dan Wang (2010) meneliti lebih lanjut mengenai simulasi gasifikasi.
Penelitian ini berfokus pada pengaruh model turbulensi dan devolatilisasi pada
simulasi gasifikasi. Simulasi ini tidak lagi menggunakan model disipasi Eddy,
tetapi menggunakan model yang dianggap lebih riil yaitu model finite rate/Eddy
dissipation. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa model turbulensi secara
signifikan berpengaruh terhadap hasil simulasi. Di antara model turbulensi yang
digunakan, model k-epsilon memberikan hasil yang konsisten. Model
devolatilisasi berpengaruh terhadap laju devolatilisasi. Model Kobayashi
menghasilkan laju devolatilisasi yang paling lambat, sedangkan model laju
konstan (constant rate) menghasilkan laju devolatilisasi yang paling cepat. Model
laju tunggal (single rate) dan model chemical percolation devolatilization (CPD)
menghasilkan laju devolatilisasi di antara model Kobayashi dan model laju
konstan.
Lu dan Wang (2012) meneliti mengenai pengaruh model radiasi pada
simulasi gasifikasi. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa berbagai model
radiasi menghasilkan suhu dan komposisi gas yang cukup beragam. Model
Rossland tidak memberikan hasil proses gasifikasi yang masuk akal. Model
discrete transfer radiation model (DTRM) menghasilkan suhu dan komposisi gas
yang sangat tinggi. Model P1 memberikan hasil yang cukup stabil dalam
memprediksi suhu dan komposisi gas. Lu dan Wang (2014) juga melakukan
penelitian mengenai simulasi gasifikasi, tetapi berfokus pada karakteristik bahan
umpan gasifikasi. Simulasi dilakukan untuk mengetahui perbedaan proses
gasifikasi batu bara kualitas rendah (low-rank coal) dengan batu bara kualitas
tinggi (high-rank coal). Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa batu bara
kualitas rendah membutuhkan waktu yang lebih lama untuk proses pengeringan
dan devolatilisasi sehingga membuat terlambatnya proses pembakaran dan
gasifikasi. Sementara itu, Beohar et al. (2012b) meneliti mengenai pengaruh
kecepatan superfisial udara, laju umpan bahan, dan kadar air bahan terhadap
kinerja reaktor gasifikasi biomassa tipe updraft. Hasil penelitian tersebut
menunjukkan bahwa peningkatan kecepatan superfisial udara dan kadar air akan
menghasilkan peningkatan persentase gas H2 hingga batas tertentu, kemudian
menurun. Hal ini berkebalikan dengan persentase gas CO di mana terjadi
penurunan persentase gas CO hingga batas kecepatan udara dan kadar air tertentu,
kemudian menurun. Selain itu, diketahui juga bahwa ketika laju umpan bahan
meningkat, terjadi peningkatan persentase gas H2 dan gas CO hingga batas laju
umpan bahan tertentu, kemudian menurun.

11

3 METODE
Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Penelitian ini dilakukan dari bulan Maret 2014 hingga bulan Juli 2014 di
Laboratorium Lapang Siswadhi Soepardjo Leuwikopo dan Laboratorium Energi
dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, IPB.
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sekam padi. Alat yang
digunakan pada penelitian ini adalah perangkat komputer DELL dengan
kecepatan prosesor 3.3 GHz, perangkat lunak Gambit 2.4.6 (pembuatan mesh
model 3D), Ansys Fluent 13.0 (simulasi CFD), hybrid recorder autonics,
termokopel tipe K atau CA, timbangan digital EK-1200 A, Anemometer
Kanomax, Blower 1 phase, dan gas analyzer merk Lancom 4 .
Prosedur
Prosedur dalam penelitian ini meliputi perhitungan dimensi reaktor
gasifikasi, pembuatan geometri model dan simulasi, pembuatan reaktor gasifikasi,
dan pengujian reaktor gasifikasi. Diagram alir prosedur penelitian disajikan pada
Gambar 4.
Penjelasan tahapan pada Gambar 4 adalah sebagai berikut:
Perhitungan dimensi reaktor gasifikasi
Kebutuhan gas yang harus dihasilkan digunakan sebagai dasar dalam
perhitungan dimensi reaktor. Oleh karena itu, digunakan perbandingan energi dari
bahan bakar bensin dengan sekam padi. Motor bensin yang digunakan sebagai
acuan adalah motor bensin dengan daya 2.5 HP dengan konsumsi bahan bakar
spesifik 450 g kW-1 jam-1 (Cqjc-machinery [tahun terbit tidak diketahui]) atau
0.839 kg jam-1. Dengan asumsi efisiensi keseluruhan proses gasifikasi sekam padi
adalah 50% (Leung et al. 2004), maka jumlah kebutuhan sekam dapat dihitung
dengan rumus sebagai berikut:
ṁ sekam =

FCbensin × NKbensin
(8)
NKsekam × 0.5

di mana
ṁ sekam (kg jam-1): kebutuhan sekam
FCbensin (kg jam-1): konsumsi bahan bakar bensin
NKbensin (kJ kg-1): nilai kalor bensin, 45 000 (WNA 2010)
NKsekam (kJ kg-1): nilai kalor sekam, 15 481.2

12

Mulai

Identifikasi masalah

Studi pustaka
Perumusan ide rancangan

Perhitungan dimensi reaktor
Skenario geometri model
Pembuatan mesh model dan kondisi batas

Simulasi CFD

Pembuatan gambar kerja

Pembuatan prototipe

Pengujian reaktor gasifikasi

Simulasi modifikasi rancangan (jika diperlukan)

Selesai

Gambar 4 Diagram alir tahapan penelitian

13
Rumus molekul sekam padi tiap 1 atom karbon adalah CH1.63O0.75 yang
diambil dari rata-rata dari 6 literatur, yaitu Raveendran et al. (1994), Ramirez et al.
(2007), Janvijitsakul dan Kuprianov (2007), Wannapeera et al. (2008), IRRI
(2009), dan Rozainee et al. (2010), sehingga reaksi pembakaran sekam padi
secara stokiometrik adalah sebagai berikut:
CH1.63O0.75 + 1.03O2  CO2 + 0.817H2O

(9)

Kebutuhan udara dapat dihitung dengan rumus:
nsekam = ṁ sekam / Mrsekam

(10)

nO2 stok = nsekam × 1.03

(11)

ṁ O2 stok = nO2 stok × MrO2

(12)

V̇ O2 = ṁ O2 g / ρO2

(14)

ṁ O2 g = ṁ O2 stok × ER

(13)

V̇ udara = V̇ O2 / 0.21

(15)

di mana nilai ER (equivalence ratio) yang digunakan untuk gasifikasi sekam padi
adalah 0.4 (Jain dan Goss 2000) dan nilai 0.21 adalah fraksi volume gas oksigen
dalam udara.
Diameter nozel dapat dihitung dengan rumus:
AL nozel = (V̇ udara / vudara superficial)

dnozel = [4 × AL nozel / (Nnozel × π)]0.5

(16)
(17)

Diameter daerah cekikan (throat) dapat dihitung dengan rumus:
AL throat = ṁ sekam / SGRsekam
dthroat = (4 ×AL throat / π)0.5

(18)
(19)

di mana nilai SGR untuk sekam padi adalah 110 kg m-2 jam-1 (Belonio 2005).
Posisi ketinggian nozel udara dari dasar daerah cekikan ditentukan secara empirik
menggunakan grafik pada Gambar 5 di mana diameter throat sebagai variabelnya.

14

Gambar 5 Hubungan antara posisi lubang nozel terhadap diameter throat (FAO
[tahun terbit tidak diketahui])
Volume hopper (zona pengeringan dan zona pirolisis) dapat dihitung dengan
rumus:
V̇ sekam = ṁ sekam / ρb sekam

(20)

Vhopper = V̇ sekam × t

(21)

dhopper = dthroat + 2 × (hnozel / tan β)

(22)

Diameter hopper dapat dihitung dengan rumus:

di mana
dhopper (m): diameter hopper
dnozel (m): posisi ketinggian nozel dari dasar throat
β: sudut throat
Skema reaktor yang terdiri dari diameter throat, posisi ketinggian nozel,
diameter hopper, tinggi hopper, dan sudut throat disajikan pada Gambar 6.

Gambar 6 Skema reaktor gasifikasi

15
Skenario geometri model
Skenario geometri yang dilakukan adalah variasi terhadap sudut throat dan
sudut nozel udara inlet. Sudut throat yang baik adalah dua kali dari sudut curah
bahan (Reed dan Das 1988), sehingga dengan sudut curah sekam padi minimum
35o maka digunakan sudut throat minimum 70o. Sudut throat yang akan
digunakan sebagai skenario simulasi adalah 70o, 80o, dan 90o (throatless). Sudut
nozel yang digunakan adalah sudut 10o, dan 20o. Total seluruh skenario yang akan
disimulasikan adalah 6 skenario. Nilai kalor (NK) dapat digunakan sebagai
parameter kualitas gas hasil gasifikasi (Tasma dan Panait 2012), sehingga
skenario reaktor yang dipilih adalah yang menghasilkan nilai kalor gas paling
tinggi. Perhitungan nilai kalor gas dilakukan dengan rumus sebagai berikut:
Nilai kalor = YCO NKCO + YH2 NKH2 + YCH4 NKCH4

(23)

di mana Y adalah fraksi volume dan nilai kalor CO, H2, CH4 berturut – turut
adalah 13 100 kJ Nm-3, 11 200 kJ Nm-3, dan 37 100 kJ Nm-3 (Reed dan Das 1988).
Lambang “N” pada satuan nilai kalor menunjukkan pada kondisi normal atau
standar (suhu 25 oC dan tekanan 1 atm).
Pembuatan mesh model dan kondisi batas
Pembuatan mesh model 3 dimensi (3D) dilakukan dengan menggunakan
perangkat lunak Gambit 2.4.6. Jenis mesh yang digunakan adalah model
tet/hybrid, tipe TGrid. Kondisi batas yang digunakan adalah velocity inlet untuk
inlet udara, pressure outlet untuk outlet gas, porous jump untuk sekat (grate), dan
wall untuk inlet injeksi sekam dan dinding reaktor. Di dalam material sekam yang
diinjeksikan, terkandung material air yang terikat di dalam bahan. Bagian – bagian
kondisi batas disajikan pada Gambar 7.

Gambar 7 Kondisi batas model

16
Simulasi CFD
Simulasi CFD dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Ansys
Fluent 13.0. Pengaturan menu yang digunakan disajikan pada Lampiran 1 hingga
Lampiran 7. Set model persamaan yang digunakan di dalam simulasi terdiri dari
set persamaaan konservasi (massa, momentum, energi, dan spesies), model
turbulensi, model radiasi, model spesies transport, model fase diskret, model
devolatilisasi, model reaksi kimia, dan model pembakaran.
Persamaan konservasi massa
Bentuk umum persamaan konservasi massa yang juga dikenal sebagai
persamaan kontinuitas adalah sebagai berikut (Ansys Inc 2010):
∂ρ
+ ∇.( ρv⃗) = Sm (24)
∂t

di mana Sm merupakan massa yang ditambahkan pada fase kontinu dari fase
dispersi atau fase kedua.
Persamaan konservasi momentum

Persamaan konservasi momentum dapat dituliskan dalam bentuk sebagai
berikut (Ansys Inc 2010):
∂
( ρv⃗) + ∇.( ρv⃗v⃗) = -∇p + ∇.( τ̅) + ρg⃗ + F⃗ (25)
∂t

di mana p adalah tekanan statik, ρg⃗ dan F⃗ adalah gaya berat (gravitasi) dan gaya
eksternal benda.
Tensor tegangan τ̅ dinyatakan sebagai berikut:
τ̅ = μ

T

∇v⃗ + ∇v⃗

-

2
(∇.v⃗I) (26)
3

di mana I adalah matriks satuan dan v⃗ adalah transpose dari v⃗
Persamaan konservasi energi

Bentuk umum persamaan konservasi energi adalah sebagai berikut (Ansys
Inc 2010):
∂
( ρE) + ∇. v⃗( ρE + p) = ∇. (kt eff ∇T -
∂t

N

j=1

hj J⃗j + (τ̅.v⃗) + Sh (27)

di mana kt eff adalah konduktivitas termal efektif. Pada persamaan di atas, E dapat
dinyatakan sebagai:
p v2
E = h - + (28)
2
ρ

17
di mana entalpi h dinyatakan sebagai:
N

h =
j=1

Yj hj ( 29)

dengan Yj merupakan fraksi massa dari spesies j dan hj dapat dinyatakan sebagai:
T

hj =
Tref

Cp,j dT (30)

Persamaan konservasi spesies
Untuk setiap spesies kimia i, persamaan konservasi konveksi-difusi
diselesaikan untuk menghitung fraksi massa spesies tertentu (Yi). Persamaan ini
dikenal sebagai persamaan konservasi massa yang dinyatakan sebagai berikut
(Ansys Inc 2010):
∂
( ρYi ) + ∇.( ρv⃗Yi ) + ∇.J⃗i = Ri + Si (31)
∂t

di mana Ri adalah laju pembentukan spesies i melalui reaksi kimia. Fluks difusi
⃗Ji dari spesies i dinyatakan sebagai:
J⃗i = - ρDi,m +

μt
∇T
∇Yi - DT,i
(32)
T
Sct

Persamaan RANS (The Reynolds-averaged Navier-Stokes) – persamaan
model turbulensi
Pada persamaan RANS, variabel solusi dalam persamaan Navier-Stokes
eksak didekomposisi ke dalam bentuk rataan dan komponen yang berfluktuasi.
Φ = Φ + Φ' (33)

di mana Φ adalah nilai rataan suatu besaran tertentu dan Φ' adalah nilai yang
berfluktuatif suatu besa