Pengembangan Tungku Gasifikasi Arang Biomassa Tipe Natural Draft Gasification Berdasarkan Analisis Computational Fluid Dynamics (CFD)
PENGEMBANGAN TUNGKU GASIFIKASI ARANG BIOMASSA TIPE
NATURAL DRAFT GASIFICATION BERDASARKAN
ANALISIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
ERLANDA AUGUPTA PANE
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Pengembangan Tungku
Gasifikasi Arang Biomassa Tipe Natural Draft Gasification Berdasarkan Analisis
Computational Fluid Dynamics (CFD) 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
Erlanda Augupta Pane
NIM F151130176
RINGKASAN
ERLANDA AUGUPTA PANE. Pengembangan Tungku Gasifikasi Arang
Biomassa Tipe Natural Draft Gasification Berdasarkan Analisis Computational
Fluid Dynamics (CFD). Dibimbing oleh LEOPOLD O. NELWAN dan DYAH
WULANDANI
Sebuah tungku biomassa natural draft gasification (NDG) yang berbasis
pada gasifikasi dengan efek gaya apung telah dikembangkan dengan pendekatan
persamaan berbasis pindah panas dan equilibrium. Namun, metode tersebut belum
dapat menjelaskan pengaruh bentuk geometri terhadap kinerja tungku. Oleh
karena itu, penelitian ini menganalisis pengaruh bentuk geometri terhadap kinerja
tungku dengan metode numerik melalui simulasi computational fluid dynamics
(CFD). Tujuan penelitian ini adalah mengembangkan disain geometri yang
mencakup diameter lubang udara sekunder dan tinggi cerobong gas mampu bakar
dengan menggunakan simulasi CFD dan melakukan uji water boiling test (WBT)
beserta komposisi gas pada tungku hasil disain.
Prosedur penelitian melalui lima tahap yaitu tahap perancangan,
penggambaran model, simulasi model, pabrikasi, dan uji kinerja lapang. Simulasi
CFD model tungku NDG dilakukan meliputi dua tahap. Tahap pertama
menentukan kecepatan aliran udara akibat adanya efek gaya apung. Kecepatan
aliran udara yang dihasilkan digunakan pada simulasi tahap kedua untuk
menentukan komposisi gas dan energi yang dihasilkan.
Hasil simulasi tahap pertama menghasilkan data kecepatan aliran udara
sebesar 0.1 m/detik (lubang primer) dan 0.11 m/detik sampai dengan 0.29 m/detik
(lubang udara sekunder). Simulasi tahap kedua menghasilkan data energi tungku
antara 1863.9 J/detik sampai dengan 2585.7 J/detik, dan memiliki efisiensi
gasifikasi sebesar 67.11 %. Proses pembuatan tungku menggunakan ukuran tinggi
cerobong gas bakar sebesar 10 cm, dan diameter lubang udara sekunder sebesar 4
cm. Uji WBT mendapatkan efisiensi tungku sebesar 22% sampai dengan 23 %.
Uji komposisi gas mampu bakar menghasilkan gas CO sebesar 9.42% dan gas
CH4 sebesar 3.87 %. Hasil uji lapang yang dilakukan ini dapat disimpulkan bahwa
rancangan tungku yang dilakukan memiliki efisiensi tungku yang baik jika
dibandingkan dengan efisiensi tungku konvensional lainnya.
Kata kunci : Efisiensi, Energi, Komposisi gas, Tungku
SUMMARY
ERLANDA AUGUPTA PANE. Development of Biochar Gasifier Stove Natural
Draft Gasification Using Computational Fluid Dynamics Analysis (CFD).
Supervised by LEOPOLD O. NELWAN and DYAH WULANDANI
A natural draft gasification (NDG) biomass stove based on gasification
with the buoyancy effect has been developed with the approach of heat transfer
and equilibrium equation. However, that method could not explain about
influence of the geometry on the performance of the stove. Therefore, this study
analyzed the influence of the geometry on the performance of the stove with
numerical method by computational fluid dynamics (CFD) simulation. The
objectives of this study were to develop the design of geometry which include the
diameter of the secondary air holes and height of flue gas chimney by CFD
simulation and to conduct water boiling test (WBT) and gas composition test on
stove.
Procedures of this study included five ways i.e. design development,
design modeling, model simulating, fabrication, and performance test. The CFD
simulation of the NDG stove model included two ways. The first way was
determination air velocity due to buoyancy effect. The air velocity produced was
used on the second way simulation to determine the gas composition and energy
produced.
Results the first simulation showed that air velocity at primary air hole was
0.1 ms-1 and at secondary air holes were 0.11 ms-1 until 0.29 ms-1. Results the
second simulation showed that energy produced by stove was between 1863.9 Js-1
until 2585.7 Js-1, and its efficiency was 67.11 %. The stove NDG fabricated had
height of flue gas chimney of 10 cm and diameter of secondary air holes was 4 cm.
Results of performance test showed that efficiency of stove was 22 % until 23 %,
and percentage of CO and CH4 was 9.42 %, and 3.87 %, respectively. Based on
this research, efficiency of NDG stove was better than others conventional stove.
Keyword: Efficiency, Energy, Composition Gas, Stove
© 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
PENGEMBANGAN TUNGKU GASIFIKASI ARANG
BIOMASSA TIPE NATURAL DRAFT GASIFICATION
BERDASARKAN ANALISIS COMPUTATIONAL FLUID
DYNAMICS (CFD)
ERLANDA AUGUPTA PANE
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
Judul Tesis
: Pengembangan Tungku Gasifikasi Arang Biomassa Tipe Natural
Draft Gasification Berdasarkan Analisis Computational Fluid
Dynamics (CFD)
Nama
: Erlanda Augupta Pane
NIM
: F151130176
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr.Leopold Oscar Nelwan, STP, M.Si
Ketua
Dr.Ir.Dyah Wulandani, M.Si
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Dekan Sekolah Pascasarjana
Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
Dr.Ir.Y. Aris Purwanto, M.Sc
Tanggal Ujian :
19 September 2014
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala
berkat, rahmat, dan karunia-Nya sehingga tesis ini berhasil diselesaikan.
Penelitian ini dilaksanakan sejak bulan Februari 2014. Judul tesis yang ditulis
adalah “Pengembangan Tungku Gasifikasi Arang Biomassa Tipe Natural Draft
Gasification Berdasarkan Analisis Computational Fluid Dynamics (CFD)”.
Dalam penulisan dan penyusunan tesis ini juga, penulis ingin
menyampaikan rasa terima kasih atas bantuan, dan bimbingan kepada :
1. Dr. Leopold O.Nelwan, S.TP, M.Si selaku ketua komisi pembimbing
atas bimbingan dan arahan yang telah diberikan kepada penulis.
2. Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si selaku anggota komisi pembimbing atas
bimbingan dan arahan yang telah diberikan kepada penulis.
3. Dr. Ir. Y.Aris Purwanto M.Sc selaku ketua program studi teknik mesin
pertanian dan pangan yang telah memberikan saran, kritik, serta arahan
kepada penulis dalam melakukan penulisan tesis.
4. Dr. Ir. Irzaman, M.Si selaku dosen penguji yang telah memberikan saran,
kritik, serta arahan kepada penulis dalam melakukan penulisan tesis.
5. Bapak Harto (Teknisi Lab.EEP), Mas Firman dan Mas Darma (Staff
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem) yang telah banyak
memeberikan bantuan dan saran kepada penulis selama penelitian.
6. Teman-teman Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Departemen
Teknik Mesin dan Biosistem angkatan 2012 (TMP 2012) yang telah
membantu dan memberikan saran kepada penulis selama penelitian dan
penulisan tesis.
7. Teman-teman Keluarga Mahasiswa Katholik IPB (KEMAKI) angkatan
46 yang telah membantu dan memberikan saran kepada penulis selama
penelitian dan penulisan tesis.
Dalam kesempatan ini juga peneliti menyampaikan terima kasih dan apresiasi
kepada Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi atas sumber dana penelitian melalui
program penelitian dasar untuk bagian, Bantuan Operasional Perguruan Tinggi
Negeri (BOPTN) IPB No. Kontrak 260/IT3.41.2/L2/SPK/2013.
Penulis menyadari dalam penulisan tesis ini masih banyak kekurangan,
dikarenakan keterbatasan kemampuan, dan pengetahuan penulis. Oleh karena itu,
penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak
untuk penyempurnaan dan perbaikan tesis ini. Akhir kata, penulis berharap
semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi semua orang.
Bogor, Oktober 2014
Erlanda Augupta Pane
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL
i
HALAMAN PENGESAHAN
ii
PRAKATA
iii
DAFTAR ISI
iv
DAFTAR TABEL
v
DAFTAR GAMBAR
v
DAFTAR LAMPIRAN
v
DAFTAR SIMBOL
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
3
Tujuan Penelitian
3
Manfaat Penelitian
3
Ruang Lingkup Penelitian
3
TINJAUAN PUSTAKA
3
Gasifikasi
3
Bahan Bakar Biomassa
7
Water Boiling Test
8
Tungku Biomassa
9
Computational Fluid Dynamics (CFD)
METODE PENELITIAN
12
13
Peralatan, dan Bahan Penelitian
13
Waktu dan Tempat Penelitian
14
Prosedur Penelitian
14
HASIL DAN PEMBAHASAN
26
SIMPULAN DAN SARAN
41
DAFTAR PUSTAKA
42
LAMPIRAN
45
RIWAYAT HIDUP
61
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Kebutuhan energi pada sektor kegiatan ekonomi (%) (ESDM 2012)
Klasifikasi metode gasifikasi (Kawamoto et al. 2008)
Efisiensi berbagai sistem tungku (Nyahoro 2006)
Uji proximat dan uji ultimate arang kayu
Rancangan fungsional tungku NDG
Reaksi fase gas
Hasil simulasi kecepatan aliran udara
Data laju aliran massa, suhu dan daya energi
Hasil uji komposisi gas tungku NDG
1
4
10
14
16
24
29
31
41
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Updraft gasifier (Basu 2010)
Downdraft gasifier (Basu 2010)
Grafik water boiling test (Jackson 2012)
Disain tungku gasifikasi tipe NDG (Nelwan et al. 2013)
Diagram alir prosedur penelitian
Prinsip kerja tungku biomassa
Disain rancangan tungku NDG
Kondisi batas tungku NDG
Hasil simulasi kecepatan aliran udara tungku NDG (m/detik)
Hasil simulasi suhu udara (oC) dan tekanan udara (Pa) tungku NDG
Komposisi volatile dan gas CH4 tungku NDG (fraksi mol)
Komposisi gas CO2 dan gas H2O tungku NDG (fraksi mol)
Komposisi gas O2 dan C(s) tungku NDG (fraksi mol)
Komposisi gas CO dan gas H2 tungku NDG (fraksi mol)
Suhu tungku NDG (oC)
Komposisi gas CO2, H2O, CH4, CO, dan H2
Reaksi C(S), CO, H2, dan CH4 (kgmol/m3s)
Konsumsi bahan bakar selama uji WBT
Perubahan suhu air selama uji WBT
6
7
9
11
15
16
28
28
30
31
32
33
33
34
34
35
36
40
40
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
Contoh perhitungan
Perhitungan efisiensi sistem tungku-panci
Tahapan simulasi CFD tungku NDG
Tahapan uji water boiling test (WBT) dan uji komposisi gas
Data uji water boiling test (WBT) dan komposisi gas
Perhitungan efisiensi gasifikasi
Ukuran arang kayu
45
51
53
54
57
59
60
DAFTAR SIMBOL
A
A
Aa
Ar
Ath
B
C
C1ɛ
C2ɛ
Cµ
Cj
Cp
Cpair
Cparang kayu
Cpgas bakar
D
d
E
Er
⃗
Fa
FT
G
Gk
⃗
h
hfg.avg
I
J
K
k
k
keff
kr
L
L
l
Mair
Luas (m2, ft2)
Konstanta Magnussen reaktan (4.0)
Berat aktual udara yang dibutuhkan untuk pembakaran (kg/kg
bahan bakar)
Faktor pra-eksponensial
Berat udara teoritis untuk pembakaran sempurna (kg/kg bahan
bakar)
Konstanta Magnussen produk (0.5)
Konstanta efek cerobong gas
Konstanta model empirik aliran turbulent (1.44)
Konstanta model empirik aliran turbulent (1.92)
Konstanta model empirik aliran turbulent (0.09)
Konsentrasi spesies molar
Kapasitas panas pada tekanan dan volume tetap (J/kgK,
Btu/lbm⁰F)
Kalor jenis air (kJ/kgoC)
Kalor jenis arang kayu (kJ/kg)
Kalor jenis gas bakar (J/kgoC)
Koefisien difusi massa (m2/s, ft2/s)
Diameter ruang bakar (cm)
Energi total, energi aktivasi (J,kJ,cal,Btu)
Energi aktivasi
Vektor gaya (N,lbf)
Laju udara dan gas yang dihasilkan (kg/jam)
Berat udara teoritis untuk pembakaran (kg/kg bahan bakar)
Intensitas black-body
Energi kinetik aliran turbulent akibat perbedaan kecepatan
Percepatan gravitasi (m/s2, ft/s2) Nilai standar : 9.80665m/s2,
32.1740 ft/s2)
Enthalpy spesies: ho formasi standar kesetimbangan enthalpy
(energi/massa, energi/mol)
Tinggi cerobong gas (m)
:Panas laten penguapan air pada rata-rata dari awal dan suhu air
saat mendidih (kJ/kg)
Intensitas radiasi
Fluks massa, fluks diffusi (kg/m2s, lbm/ft2s)
Konstanta kesetimbangan
Energi kinetik aliran turbulent
Konduktivitas panas (W/mK, Btu/fth⁰F)
Konduktivitas efektif (W/mK, Btu/fth⁰F)
Konduktivitas radiasi
Tinggi tungku (m)
Luas (m2)
Skala panjang (m,cm,ft,in)
Massa air (kg)
mavg
muap
mfuel
̇
ṁgas bakar
ṁbahan bakar
Marang kayu
Mt
n
Nkgas bakar
Nkbahan bakar
Nw
P
Qe
q
q
R
Ri
R’
R”
̅
r
Sc
Si
Sm
SH
Ttumpukan
T
Tair
Tboil
Tm
Tk
Tg
Tg
T∞
Th
Tw
Tamb
Tref
tm
t
V
v
⃗
̅
Massa air rata-rata yang dipanaskan (kg)
Massa air yang diuapkan (kg)
Massa bahan bakar yang digunakan selama pengujian WBT (kg)
Debit gas hasil pembakaran (m3/s)
Laju aliran gas bakar (kg/detik)
Laju aliran bahan bakar (kg/detik)
Massa arang kayu (kg)
Berat udara teoritis yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna
(kg/kg bahan bakar)
Skala refractive
Nilai kalor gas bakar (kJ/kg)
Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg)
Parameter radiasi konduksi
Tekanan (Pa, atm, mmHg, lbf/ft2)
Konsumsi energi (kJ/hari)
Volume udara yang diperlukan per kg bahan bakar (m3)
Fluks panas (W/m2, Btu/ft2-h)
Hukum gas ideal (8.31447x103 J/kmolK, 1.98588 Btu/lbmmol⁰F)
Laju produksi bersih spesies-i oleh reaksi
Laju pembakaran pada tungku (kg/jam)
Laju pemanasan air (kg/jam)
Rata-rata laju pembakaran (kg/jam)
Jari-jari (m)
Rasio difusi momentum terhadap difusi massa
Laju massa akibat penambahan dari fase dispersed
Massa yang ditambahkan pada fase kontinu
Reaksi kimia panas
Tebal tumpukan (m)
Suhu (K, ⁰C, ⁰R, ⁰F)
Suhu air (OC)
Suhu air saat mendidih (⁰C)
Suhu lingkungan (K)
Suhu gas hasil pembakaran (K)
Suhu gas hasil pembakaran (K)
Suhu gas pada dinding (K)
Suhu lingkungan (K)
Suhu gas hasil pembakaran (K)
Suhu dinding (K)
Suhu lingkungan (K)
Suhu reference (K)
Waktu memasak (jam/hari)
Waktu (detik)
Kecepatan aliran udara (m/detik)
Viskositas kinematik (m2/s, ft2/s)
Vektor kecepatan keseluruhan (m/s, ft/s)
Rataan kecepatan yang berfluktuasi (m/s, ft/s)
Komponen kecepatan yang berfluktuasi (m/s, ft/s)
Vmo
Vko
Vtm
Vti,r,
Vni,r
Wo
Y
z
α
µ tungku
µ
µ
µɛ
Δ
ΔP
ρ
ρgas
ρkayu bakar
ρudara
Π
Ƞij,r,
Ƞnj,r
̅
ψ
σ
σk
σɛ
Debit udara yang dibutuhkan untuk pembakaran (m3/jam)
Debit udara dan gas hasil pembakaran (m3/jam)
Debit udara aktual yang dibutuhkan untuk pembakaran (m3/jam)
Koefisien stoikionometri reaksi
Koefisien stoikionometri produk
Jumlah udara untuk pembakaran sempurna (kg/ kg bahan bakar)
Fraksi massa
Excess air (30% - 100%)
Diffusivitas panas (m2/s, ft2/s)
Laju dissipation
Efisiensi tungku (%)
Efisiensi gasifikasi (%)
Viskositas dinamik (cP, Pa-s, lbm/ft-s)
Viskositas turbulent
Perubahan variabel
Pressure drop (Pa/m)
Densitas (kg/m3, lbm/ft3)
Densitas gas (kg/m3)
Densitas kayu bakar (kg/m3)
Densitas udara (kg/m3)
Phi (3.14)
Laju eksponen untuk reaktan
Laju eksponen untuk produk
Stress tensor (Pa, lbf/ft2)
Koefisien slip
Besaran skalar
Konstanta Stefan-Boltzman
Konstanta Prandtl-k (1.0)
Konstanta Prandtl-ɛ (1.3)
Penguji luar komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Irzaman, M.Si
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kebutuhan manusia terhadap energi terus meningkat setiap tahun terkait
dengan perkembangan kegiatan ekonomi dan pertambahan jumlah penduduk. Hal
tersebut ditunjukkan oleh bertambahnya output serta beragam aktivitas ekonomi
yang dilakukan oleh masyarakat, sehingga peningkatan kebutuhan energi tidak
bisa dihindari. Masyarakat melakukan aktivitas perekonomian pada sektor industri,
rumah tangga, transportasi, jasa, dan lain-lain.
Tabel 1 Kebutuhan energi pada sektor kegiatan ekonomi (%) (ESDM 2012)
Tahun Industri
Rumah tangga Komersial Transportasi Lain-lain
2000
41.18
18.78
4.10
29.71
6.24
2001
40.63
18.36
4.13
30.58
6.31
2002
40.07
17.99
4.22
31.48
6.23
2003
43.34
17.07
4.04
30.08
5.48
2004
39.99
16.76
4.43
32.96
5.86
2005
40.50
16.49
4.59
33.03
5.39
2006
43.33
15.69
4.60
31.57
4.81
2007
44.83
15.21
4.59
31.06
4.32
2008
43.23
14.32
4.72
33.35
4.38
2009
41.09
13.14
4.79
36.56
4.42
2010
43.97
11.50
4.47
36.01
4.05
2011
42.91
11.60
4.44
37.68
3.37
Pada Tabel 1 di atas, menunjukan bahwa kebutuhan energi tersebut
menggunakan bahan baku yang berasal dari bahan bakar konvensional, berupa
bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil yang digunakan di masyarakat sebagian besar
diubah menjadi produk turunan yaitu minyak tanah. Persediaan bahan bakar fosil
telah berkurang untuk diproduksi menjadi minyak tanah, sehingga pihak
pemerintah melakukan kebijakan untuk melakukan konversi minyak tanah ke
LPG (liquid petroleum gases). Solusi ini bersifat sementara karena bahan baku
dari LPG juga berasal dari bahan bakar fosil.
Proses konversi bahan bakar fosil menjadi minyak tanah dan LPG
dilakukan secara terus menerus menyebabkan persediaan bahan bakar fosil
semakin sedikit dan dapat mengancam ketersediaan energi di masa mendatang.
Dengan kondisi faktor yang dialami oleh bahan bakar tersebut, maka diperlukan
proses renewable energy yang dilakukan oleh masyarakat, salah satunya yaitu
dengan memanfaatkan bahan bakar lain berupa bahan biomassa. Bahan biomassa
memiliki beberapa kelebihan untuk dijadikan sebagai bahan bakar yaitu sangat
mudah untuk mendapatkan panas, dan menghasilkan NOx, SOx, HCl, dioksin
rendah. Bahan biomassa ini juga memiliki beberapa kekurangan yaitu nyala api
2
yang kurang stabil, dan timbulnya asap selama proses pembakaran dikarenakan
bahan biomassa mengalami proses pirolisis. Bahan biomassa untuk bahan bakar
biasanya berasal dari bahan organik hasil proses fotosintesis baik berupa produk
maupun buangan sebagai bahan bakar utama memasak. Proses memasak yang
menggunakan bahan biomassa ini berpusat pada industri kecil, ini dikarenakan
proses memasak pada industri kecil menggunakan beberapa disain tungku dengan
bahan biomassa yang memiliki periode waktu cukup lama untuk proses
produksinya. Beberapa industri kecil yang menggunakan disain tungku dengan
bahan biomasssa ini biasanya industri kecil yang berpusat untuk proses produksi
makanan.
Beberapa disain tungku dengan bahan biomassa telah dirancang yaitu
tungku biomassa Top Lift Updraft (TLUD) yang dirancang oleh Field pada tahun
2012. Pada konfigurasi TLUD, proses pirolisis dan gasifikasi berlangsung
bersamaan pada tempat pembakaran yang menyebabkan penggunaan bahan bakar
biomassa secara langsung masih menimbulkan masalah asap. Penggunaan arang
pada tungku ini juga sulit dilakukan sehubungan dengan tebal tumpukan bahan
bakar minimum yang menyebabkan proses gasifikasi secara langsung dan
kebutuhan pirolisis dalam memperoleh laju pembakaran primer yang memadai
sehingga gas yang dihasilkan tidak terlalu optimum. Selain tungku TLUD, ada
beberapa tungku gasifikasi yang lain yaitu tungku gasifikasi kayu (Reed dan
Larson 1996), tungku gasifikasi briket (Stanley dan Venter 2003), tungku
gasifikasi IISc (Indian Institute of Science 2004), dan tungku gasifikasi sekam
padi (U Tin Win 2005) beberapa tungku ini masih dikembangkan dengan
menggunakan proses konveksi paksa. Konveksi paksa yang dilakukan pada
tungku menggunakan bantuan aliran udara dari kipas sentrifugal untuk proses
pengaliran gas hasil pembakaran mencapai cerobong gas dan aliran udara untuk
proses pembakaran.
Perkembangan disain tungku biomassa kemudian mulai memperhitungkan
menggunakan pemodelan dan simulasi. Pemodelan dan simulasi menggunakan
pemodelan pindah panas dan equilibrium. Beberapa tungku biomassa yang telah
menggunakan perhitungan dengan pemodelan ini antara lain tungku yang
dikembangkan oleh Varunkumar et al. (2011) dengan melalui simulasi
Computational Fluid Dynamics (CFD). Simulasi CFD ini merupakan simulasi
yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia,
dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika.
Tungku ini menggunakan tipe gasifier based stove dengan bahan bakar berupa
potongan kayu bakar. Tungku tersebut masih menggunakan kipas sentrifugal juga
sehingga dapat dikatakan belum cukup baik karena masih menggunakan prinsip
kerja konveksi paksa. Nelwan et al. (2013) melakukan pengembangan tungku
natural draft gasification (NDG) dengan pemodelan pindah panas dan
equilibrium menggunakan prinsip kerja konveksi bebas. Konveksi bebas
menggunakan perbedaan tekanan dan suhu di dalam tungku untuk proses
pergerakan gas hasil pembakaran. Tungku ini memiliki tingkat kinerja baik dari
sisi efektifitas, efisiensi, dan kualitas gas cukup baik sebagai tungku masak.
Namun, tungku NDG ini masih belum diinvestigasi secara numerik dengan
simulasi CFD pada bagian geometri tungku. Geometri tungku mempengaruhi
kinerja tungku NDG, oleh karena itu pada penelitian ini dilakukan analisis
numerik dengan simulasi CFD pada bagian geometri. Beberapa perubahan disain
3
geometri tungku NDG dianalisis dengan simulasi CFD untuk melihat perubahan
sistem kinerja dari tungku NDG sebelumnya. Simulasi CFD ini dijadikan tahap
disain skala laboratorium untuk mengdapatkan data yang tepat dan akurat, dimana
data simulasi ini dapat digunakan sebagai hal dasar untuk merancang tungku NDG.
Perumusan Masalah
Disain geometri tungku NDG (Nelwan et al. 2013) belum diinvestigasi
secara numerik sehingga belum diketahui apakah kinerjanya masih dapat
ditingkatkan dengan pengubahan geometrinya. Simulasi CFD dapat menyarankan
geometri dari lubang udara pemasukan udara sekunder, luas zona porositas dari
bahan bakar biomassa, dan tinggi cerobong gas pada tungku. Disain yang baru ini
selanjutnya akan diuji lapang. Parameter yang dilihat dari simulasi dan uji lapang
perancangan tungku NDG ini adalah kecepatan aliran udara, laju alir bahan bakar,
suhu pembakaran, dan energi gas bakar yang optimal.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah mengembangkan disain geometri yang
mencakup diameter lubang udara sekunder, dan tinggi cerobong gas mampu bakar
dengan menggunakan simulasi CFD dan melakukan uji water boiling test (WBT)
beserta komposisi gas pada tungku hasil disain.
Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah mengembangkan tungku NDG agar
dapat diaplikasikan pada industri kecil untuk proses memasak.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup dari penelitian ini adalah melakukan proses simulasi, uji
lapang dan perbandingan data hasil pengujian lapang dan simulasi. Hasil simulasi
yang dilakukan berupa pengembangan disain geometri tungku NDG meliputi
lubang udara pemasukan udara sekunder, luas zona porositas dari bahan bakar
biomassa untuk proses pembakaran dan tinggi cerobong gas. Dari hasil simulasi
ini dilakukan proses pembuatan tungku untuk dilakukan uji lapang. Parameter
jumlah persentase gas hasil simulasi diverifikasi dengan data ukur. Hasil ini
diharapkan, dapat meningkatkan kinerja dari tungku tersebut.
TINJAUAN PUSTAKA
Gasifikasi
Gasifikasi merupakan proses untuk mengkonversi bahan bakar dalam
bentuk padat ke dalam bentuk gas. Energi kimia bahan bakar dalam bentuk padat
dikonversi ke dalam bentuk energi panas dan energi kimia gas. Energi kimia yang
4
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
meningkatkan energi pembakaran dari gas yang dihasilkan (Iyer et al 2002 dalam
Kumar et al. 2008). Gas dapat dibakar sehingga menghasilkan panas untuk
keperluan industri atau suatu wilayah tertentu, untuk menjalankan motor bakar
untuk keperluan tenaga mekanik maupun listrik, atau untuk membuat bahan bakar
sintetik (Reed dan Das 1988). Metode gasifikasi diklasifikasikan menurut
kombinasi faktor kondisional seperti ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2 Klasifikasi metode gasifikasi (Kawamoto et al. 2008)
Klasifikasi
Faktor kondisional
Tekanan gasifikasi Tekanan normal (0.1-0.12 MPa),Tekanan tinggi (0.5-2.5
MPa)
Suhu gasifikasi
Suhu rendah (dibawah 700⁰C), suhu tinggi (diatas
700⁰C), dekomposisi suhu tinggi (titik fusi abu keatas)
Agen gasifikasi
Udara, oksigen, uap dan kombinasinya, karbon dioksida
untuk waktu tertentu
Pemanasan (zona Gasifikasi langsung (pembangkitan panas melalui reaksi
pembentukan suhu) gasifikasi sebagian dari bahan baku dan oksigen)
Gasifikasi tidak langsung (pemanasan bahan baku dan
agen gasifikasi melalui panas dari luar)
Tipe-tipe gasifikasi Fixed bed, flow bed, circulating flow bed, entrained bed,
mixing bed, rotary kiln, twin tower, molten furnance
Menurut Kawamoto et al. (2008), proses gasifikasi pada saat
perencanaannya perlu dilakukan pemeriksaan sifat bahan biomassa. Analisis unsur
pada biomassa memeriksa kandungan karbon (C), hydrogen (H), oksigen (O),
belerang (S), nitrogen (N), dan klorin (Cl) diamati melalui analisis unsur
(pengkodean HCN, dan lain-lain). Belerang dan atau klorin berlebihan dapat
menyebabkan korosi pada peralatan pabrik. Rumus molekul yang disingkat
dengan CnHmOp dapat ditentukan dengan mendapatkan rasio mol untuk karbon
(C), hydrogen (H) dan oksigen (O). untuk biomassa yang terdiri atas rumput dan
kayu, n = 1.2-1.5 dan p = 0.8-1.0 saat m = 2
Titik pelunakan abu, titik fusi dan titik aliran harus diukur keduanya dalam
proses gasifikasi yaitu oksidasi dan reduksi atmosfer. Masalah dengan peralatan
pabrik terjadi lebih mudah ketika suhu titik fusi rendah. Analisis teknik juga
dilakukan pada bahan baku biomassa untuk menentukan kelembaban permukaan,
kelembaban yang melekat, bahan yang mudah menguap, kadar karbon tetap dan
kadar abu, begitu juga dengan bahan berkalori tinggi dan dan rendah. Nilai sifat
bahan ini penting untuk analisis gasifikasi.
Untuk mengkonversi biomassa padat menjadi gas yang sudah terbakar,
diperlukan bahan untuk mendorong reaksi kimia tersebut. Bahan ini disebut agen
gasifikasi. Bahan ini utamanya adalah udara (N2), oksigen (O2), H2O atau CO2
diaplikasikan pada campuran. Udara (hanya O2 yang bereaksi) dan O2
5
membangkitkan panas melalui oksidasi, dan peningkatan O2 efektif menurunkan
jumlah gas yang mudah terbakar.
Pada proses gasifikasi terdapat fenomena-fenomena penting yang terjadi
diantaranya adalah penguapan kelembaban permukaan, penguapan kelembaban
yang melekat, volatilisasi, reaksi gasifikasi dan volatilisasi, gasifikasi arang, dan
residu arang. Penguapan kelembaban permukaan ,yang mana kelembaban
permukaan menguap dari bahan baku pada titik didih air (tergantung pada
tekanan). Kelembaban di dalam bahan akan tetap bila bahan bakunya besar.
Volatilisasi, yaitu dekomposisi termal biomassa yang dimulai pada suhu 200300⁰C, dan CO, CO2, H2, dan H2O menguap sebagai gas. Dekomposisi termal
sendiri adalah reaksi pembangkitan panas yang merupakan karakteristik dari
biomassa (CnHmOp). Rekasi gasifikasi dan volatilisasi, mengalami peristiwa suhu
dinaikkan lebih lanjut selama volatilisasi, dan bahan yang mudah menguap dari
hidrokarbon ringan (CxHy: dimana x dan y adalah bilangan bulat dari setidaknya
1; nilai x yang rendah menunjukkan ringan dan nilai x yang tinggi menunjukkan
berat) diubah menjadi CxHy yang berat dengan titik didih tinggi. Selanjutnya,
CxHy bereaksi dengan agen gasifikasi untuk dikonversi menjdi molekul gas ringan
dan bersih, meskipun tar dan jelaga dapat terbentuk ketika difusi dari agen
gasifikasi terjadi secara perlahan dan CxHy mengembun. Setelah penguapan dari
bahan yang mudah menguap dalam bahan baku biomassa, karbon tetap dan abu
menjadi arang, dan arang kemudian dipanaskan sampai suhu di sekitar. Reaksi
lanjutan dengan agen gasifikasi mengandung uap berlebih dan suhu sekitarnya
lebih dari 750⁰C, reaksi gas basah terjadi (C + H2O (CO + H2)), menghasilkan gas
yang terutama terdiri atas CO, CO2, dan H2 ini yang biasa disebut dengan proses
gasifikasi arang. Residu arang terjadi dengan laju reaksi dari reaksi gas basah
berjalan secara perlahan, dan sisa arang dengan mudah dapat terbentuk.
Pembentukan tar, jelaga dan arang cenderung mengurangi efisiensi, serta
menyebabkan masalah pada peralatan.
Gasifikasi juga pada umumnya mengadopsi metode gasifikasi langsung
dengan pembakaran parsial bahan baku untuk menaikkan suhu. Bahan baku
terutama arang kayu. Kebanyakan tungku gasifikasi menggunakan tekanan normal
dan proses gasifikasi langsung. Untuk menjaga suhu reaksi tetap pada 800⁰C ke
atas untuk gasifikasi langsung, udara, oksigen dan uap (yang sesuai) diperlukan
untuk agen gasifikasi. Untuk tujuan ini, sekitar 1/3 dari oksigen yang dibutuhkan
untuk pembakaran sempurna (dikenal sebagai rasio oksigen) disediakan, dengan
pembakaran parsial (oksidasi parsial) menyebabkan gasifikasi. Nilai kalor produk
gas tergantung pada persentase gas yang mudah terbakar (CO, H2, CxHy) yang
terkandung. Umumnya, gas dapat dibagi menjadi gas rendah kalori (4-12 MJ/m3),
gas kalori menengah (12-28 MJ/m3), dan gas kalori tinggi (diatas 28 MJ/m3)
(Kawamoto et al. 2008). Untuk sebagian besar, gasifikasi langsung biomasssa
menghasilkan gas rendah kalori. Rasio antara kadar kalor biomassa dan produk
gas (pada suhu kamar) disebut efisiensi gas pendingin. Agen gasifikasi
(udara,oksigen, uap atau campurannya) diberikan dari bawah dengan aliran naik
(beberapa sistem menggunakan aliran menurun) (Sano et al. 2008). Reaksi
gasifikasi berlangsung dari bawah ke arah atas. Dari bawah ke atas, lapisan
individu terbentuk karena perubahan yang menyertai gasifikasi dari bahan baku,
dalam urutan abu, arang bahan yang telah diuapkan dan terdekomposisi, dan
produk.
6
Menurut Prabir Basu (2010) dalam pengoperasian gasifikasi, terdapat
beberapa perlakuan fluida gas di dalam reaktor. Hal inilah yang kemudian
mendasari munculnya reaktor gasifikasi, yaitu antara lain updraft gasifier, dan
downdraft gasifier. Updraft gasifier merupakan salah satu jenis bentuk reaktor
gasifikasi yang banyak digunakan. Pada gasifier jenis ini, udara masuk melalui
bagian bawah gasifier melalui grate. Aliran udara ini berlawanan arah (counter
current) dengan aliran bahan bakar yang masuk dari bagian atas gasifier. Gas
producer yang dihasilkan keluar melalui bagian atas gasifier. Reaksi pembakaran
pada gasifier ini terjadi di dekat grate kemudian diikuti reaksi reduksi (proses
gasifikasi). Reaksi reduksi tersebut akan menghasilkan gas bersuhu tinggi. Gas
hasil reaksi (gas producer) tersebut bergerak ke bagian atas gasifier menembus
unggun bahan bakar menuju daerah yang bersuhu lebih rendah. Pada saat
menembus unggun bahan bakar, gas producer akan kontak dengan bahan bakar
yang turun sehingga terjadi proses pirolisis dan pertukaran panas antara gas dan
bahan bakar. Panas sensible yang diberikan gas digunakan bahan bakar untuk
pemanasan awal dan pengeringan bahan bakar. Proses pirolis dan pengeringan
tersebut terjadi pada bagian teratas gasifier. Updraft gasifier mencapai efisiensi
tertinggi ketika gas panas yang dihasilkan meninggalkan gasifier pada suhu
rendah.
Gambar 1 Updraft gasifier (Basu 2010)
Updraft gasifier pada Gambar 1 memiliki kekurangan dan kelebihan.
Kekurangan yang dimiliki adalah tingginya jumlah uap tar yang terkandung di
dalam gas keluaran dan kemampuan gas producer membawa muatan rendah.
Sedangkan keuntungannya adalah gasifier tipe ini memiliki mekanisme kerja yang
cukup sederhana, memiliki toleransi kekasaran bahan bakar yang lebih baik,
kemampuannya mengolah jenis bahan bakar (terutama batubara) kualitas rendah,
arang (charcoal) dapat habis terbakar, suhu keluaran rendah, dan efisiensi tinggi.
Downdraft gasifier pada Gambar 2 memiliki sistem yang hampir sama
dengan updraft gasifier yaitu memanfaatkan sistem oksidasi tertutup untuk
7
memperoleh suhu yang tinggi. Dalam pengoperasiannya, suhu tertinggi yang
dapat terjadi berkisar 1000-1400⁰C dan bahan bakar dimasukkan dari atas reaktor
sedangkan udara dihembuskan dari samping. Salah satu perbedaannya dengan
updraft gasifier terletak pada posisi burner di reaktor downdraft gasifier. Burner
tersebut terletak di bawah ruangan bahan bakar sehingga pada saat naik ke atas,
gas tersebut akan turun kembali akibat bertambahnya volume dan terus mencari
daerah dengan tekanan lebih rendah. Sistem ini sengaja dibuat begitu agar gas
mampu bakar yang terbentuk tersaring kembali oleh bahan bakar dan melewati
zona pirolisis sehingga kandungan tarnya dapat dikurangi (
NATURAL DRAFT GASIFICATION BERDASARKAN
ANALISIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
ERLANDA AUGUPTA PANE
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Pengembangan Tungku
Gasifikasi Arang Biomassa Tipe Natural Draft Gasification Berdasarkan Analisis
Computational Fluid Dynamics (CFD) 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
Erlanda Augupta Pane
NIM F151130176
RINGKASAN
ERLANDA AUGUPTA PANE. Pengembangan Tungku Gasifikasi Arang
Biomassa Tipe Natural Draft Gasification Berdasarkan Analisis Computational
Fluid Dynamics (CFD). Dibimbing oleh LEOPOLD O. NELWAN dan DYAH
WULANDANI
Sebuah tungku biomassa natural draft gasification (NDG) yang berbasis
pada gasifikasi dengan efek gaya apung telah dikembangkan dengan pendekatan
persamaan berbasis pindah panas dan equilibrium. Namun, metode tersebut belum
dapat menjelaskan pengaruh bentuk geometri terhadap kinerja tungku. Oleh
karena itu, penelitian ini menganalisis pengaruh bentuk geometri terhadap kinerja
tungku dengan metode numerik melalui simulasi computational fluid dynamics
(CFD). Tujuan penelitian ini adalah mengembangkan disain geometri yang
mencakup diameter lubang udara sekunder dan tinggi cerobong gas mampu bakar
dengan menggunakan simulasi CFD dan melakukan uji water boiling test (WBT)
beserta komposisi gas pada tungku hasil disain.
Prosedur penelitian melalui lima tahap yaitu tahap perancangan,
penggambaran model, simulasi model, pabrikasi, dan uji kinerja lapang. Simulasi
CFD model tungku NDG dilakukan meliputi dua tahap. Tahap pertama
menentukan kecepatan aliran udara akibat adanya efek gaya apung. Kecepatan
aliran udara yang dihasilkan digunakan pada simulasi tahap kedua untuk
menentukan komposisi gas dan energi yang dihasilkan.
Hasil simulasi tahap pertama menghasilkan data kecepatan aliran udara
sebesar 0.1 m/detik (lubang primer) dan 0.11 m/detik sampai dengan 0.29 m/detik
(lubang udara sekunder). Simulasi tahap kedua menghasilkan data energi tungku
antara 1863.9 J/detik sampai dengan 2585.7 J/detik, dan memiliki efisiensi
gasifikasi sebesar 67.11 %. Proses pembuatan tungku menggunakan ukuran tinggi
cerobong gas bakar sebesar 10 cm, dan diameter lubang udara sekunder sebesar 4
cm. Uji WBT mendapatkan efisiensi tungku sebesar 22% sampai dengan 23 %.
Uji komposisi gas mampu bakar menghasilkan gas CO sebesar 9.42% dan gas
CH4 sebesar 3.87 %. Hasil uji lapang yang dilakukan ini dapat disimpulkan bahwa
rancangan tungku yang dilakukan memiliki efisiensi tungku yang baik jika
dibandingkan dengan efisiensi tungku konvensional lainnya.
Kata kunci : Efisiensi, Energi, Komposisi gas, Tungku
SUMMARY
ERLANDA AUGUPTA PANE. Development of Biochar Gasifier Stove Natural
Draft Gasification Using Computational Fluid Dynamics Analysis (CFD).
Supervised by LEOPOLD O. NELWAN and DYAH WULANDANI
A natural draft gasification (NDG) biomass stove based on gasification
with the buoyancy effect has been developed with the approach of heat transfer
and equilibrium equation. However, that method could not explain about
influence of the geometry on the performance of the stove. Therefore, this study
analyzed the influence of the geometry on the performance of the stove with
numerical method by computational fluid dynamics (CFD) simulation. The
objectives of this study were to develop the design of geometry which include the
diameter of the secondary air holes and height of flue gas chimney by CFD
simulation and to conduct water boiling test (WBT) and gas composition test on
stove.
Procedures of this study included five ways i.e. design development,
design modeling, model simulating, fabrication, and performance test. The CFD
simulation of the NDG stove model included two ways. The first way was
determination air velocity due to buoyancy effect. The air velocity produced was
used on the second way simulation to determine the gas composition and energy
produced.
Results the first simulation showed that air velocity at primary air hole was
0.1 ms-1 and at secondary air holes were 0.11 ms-1 until 0.29 ms-1. Results the
second simulation showed that energy produced by stove was between 1863.9 Js-1
until 2585.7 Js-1, and its efficiency was 67.11 %. The stove NDG fabricated had
height of flue gas chimney of 10 cm and diameter of secondary air holes was 4 cm.
Results of performance test showed that efficiency of stove was 22 % until 23 %,
and percentage of CO and CH4 was 9.42 %, and 3.87 %, respectively. Based on
this research, efficiency of NDG stove was better than others conventional stove.
Keyword: Efficiency, Energy, Composition Gas, Stove
© 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
PENGEMBANGAN TUNGKU GASIFIKASI ARANG
BIOMASSA TIPE NATURAL DRAFT GASIFICATION
BERDASARKAN ANALISIS COMPUTATIONAL FLUID
DYNAMICS (CFD)
ERLANDA AUGUPTA PANE
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
Judul Tesis
: Pengembangan Tungku Gasifikasi Arang Biomassa Tipe Natural
Draft Gasification Berdasarkan Analisis Computational Fluid
Dynamics (CFD)
Nama
: Erlanda Augupta Pane
NIM
: F151130176
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr.Leopold Oscar Nelwan, STP, M.Si
Ketua
Dr.Ir.Dyah Wulandani, M.Si
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Dekan Sekolah Pascasarjana
Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
Dr.Ir.Y. Aris Purwanto, M.Sc
Tanggal Ujian :
19 September 2014
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala
berkat, rahmat, dan karunia-Nya sehingga tesis ini berhasil diselesaikan.
Penelitian ini dilaksanakan sejak bulan Februari 2014. Judul tesis yang ditulis
adalah “Pengembangan Tungku Gasifikasi Arang Biomassa Tipe Natural Draft
Gasification Berdasarkan Analisis Computational Fluid Dynamics (CFD)”.
Dalam penulisan dan penyusunan tesis ini juga, penulis ingin
menyampaikan rasa terima kasih atas bantuan, dan bimbingan kepada :
1. Dr. Leopold O.Nelwan, S.TP, M.Si selaku ketua komisi pembimbing
atas bimbingan dan arahan yang telah diberikan kepada penulis.
2. Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si selaku anggota komisi pembimbing atas
bimbingan dan arahan yang telah diberikan kepada penulis.
3. Dr. Ir. Y.Aris Purwanto M.Sc selaku ketua program studi teknik mesin
pertanian dan pangan yang telah memberikan saran, kritik, serta arahan
kepada penulis dalam melakukan penulisan tesis.
4. Dr. Ir. Irzaman, M.Si selaku dosen penguji yang telah memberikan saran,
kritik, serta arahan kepada penulis dalam melakukan penulisan tesis.
5. Bapak Harto (Teknisi Lab.EEP), Mas Firman dan Mas Darma (Staff
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem) yang telah banyak
memeberikan bantuan dan saran kepada penulis selama penelitian.
6. Teman-teman Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Departemen
Teknik Mesin dan Biosistem angkatan 2012 (TMP 2012) yang telah
membantu dan memberikan saran kepada penulis selama penelitian dan
penulisan tesis.
7. Teman-teman Keluarga Mahasiswa Katholik IPB (KEMAKI) angkatan
46 yang telah membantu dan memberikan saran kepada penulis selama
penelitian dan penulisan tesis.
Dalam kesempatan ini juga peneliti menyampaikan terima kasih dan apresiasi
kepada Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi atas sumber dana penelitian melalui
program penelitian dasar untuk bagian, Bantuan Operasional Perguruan Tinggi
Negeri (BOPTN) IPB No. Kontrak 260/IT3.41.2/L2/SPK/2013.
Penulis menyadari dalam penulisan tesis ini masih banyak kekurangan,
dikarenakan keterbatasan kemampuan, dan pengetahuan penulis. Oleh karena itu,
penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak
untuk penyempurnaan dan perbaikan tesis ini. Akhir kata, penulis berharap
semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi semua orang.
Bogor, Oktober 2014
Erlanda Augupta Pane
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL
i
HALAMAN PENGESAHAN
ii
PRAKATA
iii
DAFTAR ISI
iv
DAFTAR TABEL
v
DAFTAR GAMBAR
v
DAFTAR LAMPIRAN
v
DAFTAR SIMBOL
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
3
Tujuan Penelitian
3
Manfaat Penelitian
3
Ruang Lingkup Penelitian
3
TINJAUAN PUSTAKA
3
Gasifikasi
3
Bahan Bakar Biomassa
7
Water Boiling Test
8
Tungku Biomassa
9
Computational Fluid Dynamics (CFD)
METODE PENELITIAN
12
13
Peralatan, dan Bahan Penelitian
13
Waktu dan Tempat Penelitian
14
Prosedur Penelitian
14
HASIL DAN PEMBAHASAN
26
SIMPULAN DAN SARAN
41
DAFTAR PUSTAKA
42
LAMPIRAN
45
RIWAYAT HIDUP
61
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Kebutuhan energi pada sektor kegiatan ekonomi (%) (ESDM 2012)
Klasifikasi metode gasifikasi (Kawamoto et al. 2008)
Efisiensi berbagai sistem tungku (Nyahoro 2006)
Uji proximat dan uji ultimate arang kayu
Rancangan fungsional tungku NDG
Reaksi fase gas
Hasil simulasi kecepatan aliran udara
Data laju aliran massa, suhu dan daya energi
Hasil uji komposisi gas tungku NDG
1
4
10
14
16
24
29
31
41
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Updraft gasifier (Basu 2010)
Downdraft gasifier (Basu 2010)
Grafik water boiling test (Jackson 2012)
Disain tungku gasifikasi tipe NDG (Nelwan et al. 2013)
Diagram alir prosedur penelitian
Prinsip kerja tungku biomassa
Disain rancangan tungku NDG
Kondisi batas tungku NDG
Hasil simulasi kecepatan aliran udara tungku NDG (m/detik)
Hasil simulasi suhu udara (oC) dan tekanan udara (Pa) tungku NDG
Komposisi volatile dan gas CH4 tungku NDG (fraksi mol)
Komposisi gas CO2 dan gas H2O tungku NDG (fraksi mol)
Komposisi gas O2 dan C(s) tungku NDG (fraksi mol)
Komposisi gas CO dan gas H2 tungku NDG (fraksi mol)
Suhu tungku NDG (oC)
Komposisi gas CO2, H2O, CH4, CO, dan H2
Reaksi C(S), CO, H2, dan CH4 (kgmol/m3s)
Konsumsi bahan bakar selama uji WBT
Perubahan suhu air selama uji WBT
6
7
9
11
15
16
28
28
30
31
32
33
33
34
34
35
36
40
40
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
Contoh perhitungan
Perhitungan efisiensi sistem tungku-panci
Tahapan simulasi CFD tungku NDG
Tahapan uji water boiling test (WBT) dan uji komposisi gas
Data uji water boiling test (WBT) dan komposisi gas
Perhitungan efisiensi gasifikasi
Ukuran arang kayu
45
51
53
54
57
59
60
DAFTAR SIMBOL
A
A
Aa
Ar
Ath
B
C
C1ɛ
C2ɛ
Cµ
Cj
Cp
Cpair
Cparang kayu
Cpgas bakar
D
d
E
Er
⃗
Fa
FT
G
Gk
⃗
h
hfg.avg
I
J
K
k
k
keff
kr
L
L
l
Mair
Luas (m2, ft2)
Konstanta Magnussen reaktan (4.0)
Berat aktual udara yang dibutuhkan untuk pembakaran (kg/kg
bahan bakar)
Faktor pra-eksponensial
Berat udara teoritis untuk pembakaran sempurna (kg/kg bahan
bakar)
Konstanta Magnussen produk (0.5)
Konstanta efek cerobong gas
Konstanta model empirik aliran turbulent (1.44)
Konstanta model empirik aliran turbulent (1.92)
Konstanta model empirik aliran turbulent (0.09)
Konsentrasi spesies molar
Kapasitas panas pada tekanan dan volume tetap (J/kgK,
Btu/lbm⁰F)
Kalor jenis air (kJ/kgoC)
Kalor jenis arang kayu (kJ/kg)
Kalor jenis gas bakar (J/kgoC)
Koefisien difusi massa (m2/s, ft2/s)
Diameter ruang bakar (cm)
Energi total, energi aktivasi (J,kJ,cal,Btu)
Energi aktivasi
Vektor gaya (N,lbf)
Laju udara dan gas yang dihasilkan (kg/jam)
Berat udara teoritis untuk pembakaran (kg/kg bahan bakar)
Intensitas black-body
Energi kinetik aliran turbulent akibat perbedaan kecepatan
Percepatan gravitasi (m/s2, ft/s2) Nilai standar : 9.80665m/s2,
32.1740 ft/s2)
Enthalpy spesies: ho formasi standar kesetimbangan enthalpy
(energi/massa, energi/mol)
Tinggi cerobong gas (m)
:Panas laten penguapan air pada rata-rata dari awal dan suhu air
saat mendidih (kJ/kg)
Intensitas radiasi
Fluks massa, fluks diffusi (kg/m2s, lbm/ft2s)
Konstanta kesetimbangan
Energi kinetik aliran turbulent
Konduktivitas panas (W/mK, Btu/fth⁰F)
Konduktivitas efektif (W/mK, Btu/fth⁰F)
Konduktivitas radiasi
Tinggi tungku (m)
Luas (m2)
Skala panjang (m,cm,ft,in)
Massa air (kg)
mavg
muap
mfuel
̇
ṁgas bakar
ṁbahan bakar
Marang kayu
Mt
n
Nkgas bakar
Nkbahan bakar
Nw
P
Qe
q
q
R
Ri
R’
R”
̅
r
Sc
Si
Sm
SH
Ttumpukan
T
Tair
Tboil
Tm
Tk
Tg
Tg
T∞
Th
Tw
Tamb
Tref
tm
t
V
v
⃗
̅
Massa air rata-rata yang dipanaskan (kg)
Massa air yang diuapkan (kg)
Massa bahan bakar yang digunakan selama pengujian WBT (kg)
Debit gas hasil pembakaran (m3/s)
Laju aliran gas bakar (kg/detik)
Laju aliran bahan bakar (kg/detik)
Massa arang kayu (kg)
Berat udara teoritis yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna
(kg/kg bahan bakar)
Skala refractive
Nilai kalor gas bakar (kJ/kg)
Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg)
Parameter radiasi konduksi
Tekanan (Pa, atm, mmHg, lbf/ft2)
Konsumsi energi (kJ/hari)
Volume udara yang diperlukan per kg bahan bakar (m3)
Fluks panas (W/m2, Btu/ft2-h)
Hukum gas ideal (8.31447x103 J/kmolK, 1.98588 Btu/lbmmol⁰F)
Laju produksi bersih spesies-i oleh reaksi
Laju pembakaran pada tungku (kg/jam)
Laju pemanasan air (kg/jam)
Rata-rata laju pembakaran (kg/jam)
Jari-jari (m)
Rasio difusi momentum terhadap difusi massa
Laju massa akibat penambahan dari fase dispersed
Massa yang ditambahkan pada fase kontinu
Reaksi kimia panas
Tebal tumpukan (m)
Suhu (K, ⁰C, ⁰R, ⁰F)
Suhu air (OC)
Suhu air saat mendidih (⁰C)
Suhu lingkungan (K)
Suhu gas hasil pembakaran (K)
Suhu gas hasil pembakaran (K)
Suhu gas pada dinding (K)
Suhu lingkungan (K)
Suhu gas hasil pembakaran (K)
Suhu dinding (K)
Suhu lingkungan (K)
Suhu reference (K)
Waktu memasak (jam/hari)
Waktu (detik)
Kecepatan aliran udara (m/detik)
Viskositas kinematik (m2/s, ft2/s)
Vektor kecepatan keseluruhan (m/s, ft/s)
Rataan kecepatan yang berfluktuasi (m/s, ft/s)
Komponen kecepatan yang berfluktuasi (m/s, ft/s)
Vmo
Vko
Vtm
Vti,r,
Vni,r
Wo
Y
z
α
µ tungku
µ
µ
µɛ
Δ
ΔP
ρ
ρgas
ρkayu bakar
ρudara
Π
Ƞij,r,
Ƞnj,r
̅
ψ
σ
σk
σɛ
Debit udara yang dibutuhkan untuk pembakaran (m3/jam)
Debit udara dan gas hasil pembakaran (m3/jam)
Debit udara aktual yang dibutuhkan untuk pembakaran (m3/jam)
Koefisien stoikionometri reaksi
Koefisien stoikionometri produk
Jumlah udara untuk pembakaran sempurna (kg/ kg bahan bakar)
Fraksi massa
Excess air (30% - 100%)
Diffusivitas panas (m2/s, ft2/s)
Laju dissipation
Efisiensi tungku (%)
Efisiensi gasifikasi (%)
Viskositas dinamik (cP, Pa-s, lbm/ft-s)
Viskositas turbulent
Perubahan variabel
Pressure drop (Pa/m)
Densitas (kg/m3, lbm/ft3)
Densitas gas (kg/m3)
Densitas kayu bakar (kg/m3)
Densitas udara (kg/m3)
Phi (3.14)
Laju eksponen untuk reaktan
Laju eksponen untuk produk
Stress tensor (Pa, lbf/ft2)
Koefisien slip
Besaran skalar
Konstanta Stefan-Boltzman
Konstanta Prandtl-k (1.0)
Konstanta Prandtl-ɛ (1.3)
Penguji luar komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Irzaman, M.Si
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kebutuhan manusia terhadap energi terus meningkat setiap tahun terkait
dengan perkembangan kegiatan ekonomi dan pertambahan jumlah penduduk. Hal
tersebut ditunjukkan oleh bertambahnya output serta beragam aktivitas ekonomi
yang dilakukan oleh masyarakat, sehingga peningkatan kebutuhan energi tidak
bisa dihindari. Masyarakat melakukan aktivitas perekonomian pada sektor industri,
rumah tangga, transportasi, jasa, dan lain-lain.
Tabel 1 Kebutuhan energi pada sektor kegiatan ekonomi (%) (ESDM 2012)
Tahun Industri
Rumah tangga Komersial Transportasi Lain-lain
2000
41.18
18.78
4.10
29.71
6.24
2001
40.63
18.36
4.13
30.58
6.31
2002
40.07
17.99
4.22
31.48
6.23
2003
43.34
17.07
4.04
30.08
5.48
2004
39.99
16.76
4.43
32.96
5.86
2005
40.50
16.49
4.59
33.03
5.39
2006
43.33
15.69
4.60
31.57
4.81
2007
44.83
15.21
4.59
31.06
4.32
2008
43.23
14.32
4.72
33.35
4.38
2009
41.09
13.14
4.79
36.56
4.42
2010
43.97
11.50
4.47
36.01
4.05
2011
42.91
11.60
4.44
37.68
3.37
Pada Tabel 1 di atas, menunjukan bahwa kebutuhan energi tersebut
menggunakan bahan baku yang berasal dari bahan bakar konvensional, berupa
bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil yang digunakan di masyarakat sebagian besar
diubah menjadi produk turunan yaitu minyak tanah. Persediaan bahan bakar fosil
telah berkurang untuk diproduksi menjadi minyak tanah, sehingga pihak
pemerintah melakukan kebijakan untuk melakukan konversi minyak tanah ke
LPG (liquid petroleum gases). Solusi ini bersifat sementara karena bahan baku
dari LPG juga berasal dari bahan bakar fosil.
Proses konversi bahan bakar fosil menjadi minyak tanah dan LPG
dilakukan secara terus menerus menyebabkan persediaan bahan bakar fosil
semakin sedikit dan dapat mengancam ketersediaan energi di masa mendatang.
Dengan kondisi faktor yang dialami oleh bahan bakar tersebut, maka diperlukan
proses renewable energy yang dilakukan oleh masyarakat, salah satunya yaitu
dengan memanfaatkan bahan bakar lain berupa bahan biomassa. Bahan biomassa
memiliki beberapa kelebihan untuk dijadikan sebagai bahan bakar yaitu sangat
mudah untuk mendapatkan panas, dan menghasilkan NOx, SOx, HCl, dioksin
rendah. Bahan biomassa ini juga memiliki beberapa kekurangan yaitu nyala api
2
yang kurang stabil, dan timbulnya asap selama proses pembakaran dikarenakan
bahan biomassa mengalami proses pirolisis. Bahan biomassa untuk bahan bakar
biasanya berasal dari bahan organik hasil proses fotosintesis baik berupa produk
maupun buangan sebagai bahan bakar utama memasak. Proses memasak yang
menggunakan bahan biomassa ini berpusat pada industri kecil, ini dikarenakan
proses memasak pada industri kecil menggunakan beberapa disain tungku dengan
bahan biomassa yang memiliki periode waktu cukup lama untuk proses
produksinya. Beberapa industri kecil yang menggunakan disain tungku dengan
bahan biomasssa ini biasanya industri kecil yang berpusat untuk proses produksi
makanan.
Beberapa disain tungku dengan bahan biomassa telah dirancang yaitu
tungku biomassa Top Lift Updraft (TLUD) yang dirancang oleh Field pada tahun
2012. Pada konfigurasi TLUD, proses pirolisis dan gasifikasi berlangsung
bersamaan pada tempat pembakaran yang menyebabkan penggunaan bahan bakar
biomassa secara langsung masih menimbulkan masalah asap. Penggunaan arang
pada tungku ini juga sulit dilakukan sehubungan dengan tebal tumpukan bahan
bakar minimum yang menyebabkan proses gasifikasi secara langsung dan
kebutuhan pirolisis dalam memperoleh laju pembakaran primer yang memadai
sehingga gas yang dihasilkan tidak terlalu optimum. Selain tungku TLUD, ada
beberapa tungku gasifikasi yang lain yaitu tungku gasifikasi kayu (Reed dan
Larson 1996), tungku gasifikasi briket (Stanley dan Venter 2003), tungku
gasifikasi IISc (Indian Institute of Science 2004), dan tungku gasifikasi sekam
padi (U Tin Win 2005) beberapa tungku ini masih dikembangkan dengan
menggunakan proses konveksi paksa. Konveksi paksa yang dilakukan pada
tungku menggunakan bantuan aliran udara dari kipas sentrifugal untuk proses
pengaliran gas hasil pembakaran mencapai cerobong gas dan aliran udara untuk
proses pembakaran.
Perkembangan disain tungku biomassa kemudian mulai memperhitungkan
menggunakan pemodelan dan simulasi. Pemodelan dan simulasi menggunakan
pemodelan pindah panas dan equilibrium. Beberapa tungku biomassa yang telah
menggunakan perhitungan dengan pemodelan ini antara lain tungku yang
dikembangkan oleh Varunkumar et al. (2011) dengan melalui simulasi
Computational Fluid Dynamics (CFD). Simulasi CFD ini merupakan simulasi
yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia,
dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika.
Tungku ini menggunakan tipe gasifier based stove dengan bahan bakar berupa
potongan kayu bakar. Tungku tersebut masih menggunakan kipas sentrifugal juga
sehingga dapat dikatakan belum cukup baik karena masih menggunakan prinsip
kerja konveksi paksa. Nelwan et al. (2013) melakukan pengembangan tungku
natural draft gasification (NDG) dengan pemodelan pindah panas dan
equilibrium menggunakan prinsip kerja konveksi bebas. Konveksi bebas
menggunakan perbedaan tekanan dan suhu di dalam tungku untuk proses
pergerakan gas hasil pembakaran. Tungku ini memiliki tingkat kinerja baik dari
sisi efektifitas, efisiensi, dan kualitas gas cukup baik sebagai tungku masak.
Namun, tungku NDG ini masih belum diinvestigasi secara numerik dengan
simulasi CFD pada bagian geometri tungku. Geometri tungku mempengaruhi
kinerja tungku NDG, oleh karena itu pada penelitian ini dilakukan analisis
numerik dengan simulasi CFD pada bagian geometri. Beberapa perubahan disain
3
geometri tungku NDG dianalisis dengan simulasi CFD untuk melihat perubahan
sistem kinerja dari tungku NDG sebelumnya. Simulasi CFD ini dijadikan tahap
disain skala laboratorium untuk mengdapatkan data yang tepat dan akurat, dimana
data simulasi ini dapat digunakan sebagai hal dasar untuk merancang tungku NDG.
Perumusan Masalah
Disain geometri tungku NDG (Nelwan et al. 2013) belum diinvestigasi
secara numerik sehingga belum diketahui apakah kinerjanya masih dapat
ditingkatkan dengan pengubahan geometrinya. Simulasi CFD dapat menyarankan
geometri dari lubang udara pemasukan udara sekunder, luas zona porositas dari
bahan bakar biomassa, dan tinggi cerobong gas pada tungku. Disain yang baru ini
selanjutnya akan diuji lapang. Parameter yang dilihat dari simulasi dan uji lapang
perancangan tungku NDG ini adalah kecepatan aliran udara, laju alir bahan bakar,
suhu pembakaran, dan energi gas bakar yang optimal.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah mengembangkan disain geometri yang
mencakup diameter lubang udara sekunder, dan tinggi cerobong gas mampu bakar
dengan menggunakan simulasi CFD dan melakukan uji water boiling test (WBT)
beserta komposisi gas pada tungku hasil disain.
Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah mengembangkan tungku NDG agar
dapat diaplikasikan pada industri kecil untuk proses memasak.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup dari penelitian ini adalah melakukan proses simulasi, uji
lapang dan perbandingan data hasil pengujian lapang dan simulasi. Hasil simulasi
yang dilakukan berupa pengembangan disain geometri tungku NDG meliputi
lubang udara pemasukan udara sekunder, luas zona porositas dari bahan bakar
biomassa untuk proses pembakaran dan tinggi cerobong gas. Dari hasil simulasi
ini dilakukan proses pembuatan tungku untuk dilakukan uji lapang. Parameter
jumlah persentase gas hasil simulasi diverifikasi dengan data ukur. Hasil ini
diharapkan, dapat meningkatkan kinerja dari tungku tersebut.
TINJAUAN PUSTAKA
Gasifikasi
Gasifikasi merupakan proses untuk mengkonversi bahan bakar dalam
bentuk padat ke dalam bentuk gas. Energi kimia bahan bakar dalam bentuk padat
dikonversi ke dalam bentuk energi panas dan energi kimia gas. Energi kimia yang
4
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
meningkatkan energi pembakaran dari gas yang dihasilkan (Iyer et al 2002 dalam
Kumar et al. 2008). Gas dapat dibakar sehingga menghasilkan panas untuk
keperluan industri atau suatu wilayah tertentu, untuk menjalankan motor bakar
untuk keperluan tenaga mekanik maupun listrik, atau untuk membuat bahan bakar
sintetik (Reed dan Das 1988). Metode gasifikasi diklasifikasikan menurut
kombinasi faktor kondisional seperti ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2 Klasifikasi metode gasifikasi (Kawamoto et al. 2008)
Klasifikasi
Faktor kondisional
Tekanan gasifikasi Tekanan normal (0.1-0.12 MPa),Tekanan tinggi (0.5-2.5
MPa)
Suhu gasifikasi
Suhu rendah (dibawah 700⁰C), suhu tinggi (diatas
700⁰C), dekomposisi suhu tinggi (titik fusi abu keatas)
Agen gasifikasi
Udara, oksigen, uap dan kombinasinya, karbon dioksida
untuk waktu tertentu
Pemanasan (zona Gasifikasi langsung (pembangkitan panas melalui reaksi
pembentukan suhu) gasifikasi sebagian dari bahan baku dan oksigen)
Gasifikasi tidak langsung (pemanasan bahan baku dan
agen gasifikasi melalui panas dari luar)
Tipe-tipe gasifikasi Fixed bed, flow bed, circulating flow bed, entrained bed,
mixing bed, rotary kiln, twin tower, molten furnance
Menurut Kawamoto et al. (2008), proses gasifikasi pada saat
perencanaannya perlu dilakukan pemeriksaan sifat bahan biomassa. Analisis unsur
pada biomassa memeriksa kandungan karbon (C), hydrogen (H), oksigen (O),
belerang (S), nitrogen (N), dan klorin (Cl) diamati melalui analisis unsur
(pengkodean HCN, dan lain-lain). Belerang dan atau klorin berlebihan dapat
menyebabkan korosi pada peralatan pabrik. Rumus molekul yang disingkat
dengan CnHmOp dapat ditentukan dengan mendapatkan rasio mol untuk karbon
(C), hydrogen (H) dan oksigen (O). untuk biomassa yang terdiri atas rumput dan
kayu, n = 1.2-1.5 dan p = 0.8-1.0 saat m = 2
Titik pelunakan abu, titik fusi dan titik aliran harus diukur keduanya dalam
proses gasifikasi yaitu oksidasi dan reduksi atmosfer. Masalah dengan peralatan
pabrik terjadi lebih mudah ketika suhu titik fusi rendah. Analisis teknik juga
dilakukan pada bahan baku biomassa untuk menentukan kelembaban permukaan,
kelembaban yang melekat, bahan yang mudah menguap, kadar karbon tetap dan
kadar abu, begitu juga dengan bahan berkalori tinggi dan dan rendah. Nilai sifat
bahan ini penting untuk analisis gasifikasi.
Untuk mengkonversi biomassa padat menjadi gas yang sudah terbakar,
diperlukan bahan untuk mendorong reaksi kimia tersebut. Bahan ini disebut agen
gasifikasi. Bahan ini utamanya adalah udara (N2), oksigen (O2), H2O atau CO2
diaplikasikan pada campuran. Udara (hanya O2 yang bereaksi) dan O2
5
membangkitkan panas melalui oksidasi, dan peningkatan O2 efektif menurunkan
jumlah gas yang mudah terbakar.
Pada proses gasifikasi terdapat fenomena-fenomena penting yang terjadi
diantaranya adalah penguapan kelembaban permukaan, penguapan kelembaban
yang melekat, volatilisasi, reaksi gasifikasi dan volatilisasi, gasifikasi arang, dan
residu arang. Penguapan kelembaban permukaan ,yang mana kelembaban
permukaan menguap dari bahan baku pada titik didih air (tergantung pada
tekanan). Kelembaban di dalam bahan akan tetap bila bahan bakunya besar.
Volatilisasi, yaitu dekomposisi termal biomassa yang dimulai pada suhu 200300⁰C, dan CO, CO2, H2, dan H2O menguap sebagai gas. Dekomposisi termal
sendiri adalah reaksi pembangkitan panas yang merupakan karakteristik dari
biomassa (CnHmOp). Rekasi gasifikasi dan volatilisasi, mengalami peristiwa suhu
dinaikkan lebih lanjut selama volatilisasi, dan bahan yang mudah menguap dari
hidrokarbon ringan (CxHy: dimana x dan y adalah bilangan bulat dari setidaknya
1; nilai x yang rendah menunjukkan ringan dan nilai x yang tinggi menunjukkan
berat) diubah menjadi CxHy yang berat dengan titik didih tinggi. Selanjutnya,
CxHy bereaksi dengan agen gasifikasi untuk dikonversi menjdi molekul gas ringan
dan bersih, meskipun tar dan jelaga dapat terbentuk ketika difusi dari agen
gasifikasi terjadi secara perlahan dan CxHy mengembun. Setelah penguapan dari
bahan yang mudah menguap dalam bahan baku biomassa, karbon tetap dan abu
menjadi arang, dan arang kemudian dipanaskan sampai suhu di sekitar. Reaksi
lanjutan dengan agen gasifikasi mengandung uap berlebih dan suhu sekitarnya
lebih dari 750⁰C, reaksi gas basah terjadi (C + H2O (CO + H2)), menghasilkan gas
yang terutama terdiri atas CO, CO2, dan H2 ini yang biasa disebut dengan proses
gasifikasi arang. Residu arang terjadi dengan laju reaksi dari reaksi gas basah
berjalan secara perlahan, dan sisa arang dengan mudah dapat terbentuk.
Pembentukan tar, jelaga dan arang cenderung mengurangi efisiensi, serta
menyebabkan masalah pada peralatan.
Gasifikasi juga pada umumnya mengadopsi metode gasifikasi langsung
dengan pembakaran parsial bahan baku untuk menaikkan suhu. Bahan baku
terutama arang kayu. Kebanyakan tungku gasifikasi menggunakan tekanan normal
dan proses gasifikasi langsung. Untuk menjaga suhu reaksi tetap pada 800⁰C ke
atas untuk gasifikasi langsung, udara, oksigen dan uap (yang sesuai) diperlukan
untuk agen gasifikasi. Untuk tujuan ini, sekitar 1/3 dari oksigen yang dibutuhkan
untuk pembakaran sempurna (dikenal sebagai rasio oksigen) disediakan, dengan
pembakaran parsial (oksidasi parsial) menyebabkan gasifikasi. Nilai kalor produk
gas tergantung pada persentase gas yang mudah terbakar (CO, H2, CxHy) yang
terkandung. Umumnya, gas dapat dibagi menjadi gas rendah kalori (4-12 MJ/m3),
gas kalori menengah (12-28 MJ/m3), dan gas kalori tinggi (diatas 28 MJ/m3)
(Kawamoto et al. 2008). Untuk sebagian besar, gasifikasi langsung biomasssa
menghasilkan gas rendah kalori. Rasio antara kadar kalor biomassa dan produk
gas (pada suhu kamar) disebut efisiensi gas pendingin. Agen gasifikasi
(udara,oksigen, uap atau campurannya) diberikan dari bawah dengan aliran naik
(beberapa sistem menggunakan aliran menurun) (Sano et al. 2008). Reaksi
gasifikasi berlangsung dari bawah ke arah atas. Dari bawah ke atas, lapisan
individu terbentuk karena perubahan yang menyertai gasifikasi dari bahan baku,
dalam urutan abu, arang bahan yang telah diuapkan dan terdekomposisi, dan
produk.
6
Menurut Prabir Basu (2010) dalam pengoperasian gasifikasi, terdapat
beberapa perlakuan fluida gas di dalam reaktor. Hal inilah yang kemudian
mendasari munculnya reaktor gasifikasi, yaitu antara lain updraft gasifier, dan
downdraft gasifier. Updraft gasifier merupakan salah satu jenis bentuk reaktor
gasifikasi yang banyak digunakan. Pada gasifier jenis ini, udara masuk melalui
bagian bawah gasifier melalui grate. Aliran udara ini berlawanan arah (counter
current) dengan aliran bahan bakar yang masuk dari bagian atas gasifier. Gas
producer yang dihasilkan keluar melalui bagian atas gasifier. Reaksi pembakaran
pada gasifier ini terjadi di dekat grate kemudian diikuti reaksi reduksi (proses
gasifikasi). Reaksi reduksi tersebut akan menghasilkan gas bersuhu tinggi. Gas
hasil reaksi (gas producer) tersebut bergerak ke bagian atas gasifier menembus
unggun bahan bakar menuju daerah yang bersuhu lebih rendah. Pada saat
menembus unggun bahan bakar, gas producer akan kontak dengan bahan bakar
yang turun sehingga terjadi proses pirolisis dan pertukaran panas antara gas dan
bahan bakar. Panas sensible yang diberikan gas digunakan bahan bakar untuk
pemanasan awal dan pengeringan bahan bakar. Proses pirolis dan pengeringan
tersebut terjadi pada bagian teratas gasifier. Updraft gasifier mencapai efisiensi
tertinggi ketika gas panas yang dihasilkan meninggalkan gasifier pada suhu
rendah.
Gambar 1 Updraft gasifier (Basu 2010)
Updraft gasifier pada Gambar 1 memiliki kekurangan dan kelebihan.
Kekurangan yang dimiliki adalah tingginya jumlah uap tar yang terkandung di
dalam gas keluaran dan kemampuan gas producer membawa muatan rendah.
Sedangkan keuntungannya adalah gasifier tipe ini memiliki mekanisme kerja yang
cukup sederhana, memiliki toleransi kekasaran bahan bakar yang lebih baik,
kemampuannya mengolah jenis bahan bakar (terutama batubara) kualitas rendah,
arang (charcoal) dapat habis terbakar, suhu keluaran rendah, dan efisiensi tinggi.
Downdraft gasifier pada Gambar 2 memiliki sistem yang hampir sama
dengan updraft gasifier yaitu memanfaatkan sistem oksidasi tertutup untuk
7
memperoleh suhu yang tinggi. Dalam pengoperasiannya, suhu tertinggi yang
dapat terjadi berkisar 1000-1400⁰C dan bahan bakar dimasukkan dari atas reaktor
sedangkan udara dihembuskan dari samping. Salah satu perbedaannya dengan
updraft gasifier terletak pada posisi burner di reaktor downdraft gasifier. Burner
tersebut terletak di bawah ruangan bahan bakar sehingga pada saat naik ke atas,
gas tersebut akan turun kembali akibat bertambahnya volume dan terus mencari
daerah dengan tekanan lebih rendah. Sistem ini sengaja dibuat begitu agar gas
mampu bakar yang terbentuk tersaring kembali oleh bahan bakar dan melewati
zona pirolisis sehingga kandungan tarnya dapat dikurangi (