Pengaruh Rasio Udara Pembakaran Antara Udara Primer Dan Sekunder Terhadap Efisiensi Pembakaran Serat Buah Sawit Pada Reaktor Pembakaran Fixed-Bed

(1)

PENGARUH RASIO UDARA PEMBAKARAN ANTARA UDARA PRIMER DAN SEKUNDER TERHADAP EFISIENSI PEMBAKARAN SERAT BUAH SAWIT PADA REAKTOR PEMBAKARAN FIXED-BED

TESIS

OLEH

BAGUS GIRI YUDANTO 067015004/MTM

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(2)

PENGARUH RASIO UDARA PEMBAKARAN ANTARA UDARA PRIMER DAN SEKUNDER TERHADAP EFISIENSI PEMBAKARAN SERAT BUAH SAWIT PADA REAKTOR PEMBAKARAN FIXED-BED

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Pada Program Studi Magister Teknik Mesin,

Program Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara

OLEH

BAGUS GIRI YUDANTO 067015004/MTM

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(3)

Judul Penelitian : PENGARUH RASIO UDARA PEMBAKARAN ANTARA UDARA PRIMER DAN SEKUNDER TERHADAP EFISIENSI PEMBAKARAN SERAT BUAH SAWIT PADA REAKTOR PEMBAKARAN

FIXED-BED

Nama Mahasiswa : BAGUS GIRI YUDANTO

Nomor Pokok : 067015004/MTM

Program Studi : MAGISTER TEKNIK MESIN

Menyetujui Komisi Pembimbing

Prof. Dr. Ir. Ilmi Abdullah, M.Sc. Ketua

Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA. Prof. Dr. Ir. Tulus, M.Si Anggota Anggota

Ketua Program Studi, Dekan Fakultas Teknik,

Dr. Eng. Ir. Indra, MT. Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME.

(4)

ABSTRAK

Kajian tentang proses pembakaran serat buah kelapa sawit (mesocarp) skala laboratorium telah dilakukan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi rasio persentase udara pembakaran antara udara primer (PA) dan udara sekunder (SA) terhadap kualitas pembakaran serat buah kelapa sawit. Secara berurutan perbandingan udara pembakaran (PA:SA) divariasikan pada rasio (20:80), (35:65), (50:50), (65:35) dan (80:20). Kegiatan eksperimen dilakukan dengan menggunakan reaktor pembakaran fixed-bed. Pengontrolan variasi laju aliran udara pembakaran menggunakan anemometer, pengukuran suhu digunakan thermocouple

tipe K, dan pengukuran emisi gas buang digunakan gas analyzer. Hasil karakteristik pembakaran mesocarp dengan metode thermogravimetry (TGA) pada heat flow

5OC/menit menunjukkan bahwa proses pengeringan serat dari kadar air berlangsung hingga suhu 168 OC, proses devolatilisasi pada suhu 298 OC dan pembakaran arang terjadi pada suhu 311 OC. Energi aktivasi proses pembakaran mesocarp sebesar 17 kJ/mol•K dengan nilai faktor pre-eksponensial 9,40 mg/s. Berdasarkan hasil eksperimen diketahui bahwa ada pengaruh cukup signifikan pengaturan jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder terhadap suhu dan efisiensi pembakaran.

Kata Kunci: rasio udara, udara pembakaran, biomasa, serat, udara primer, udara sekunder

(5)

ABSTRACT

Study of the oil palm fiber (mesocarp) combustion process in the laboratory scale has been conducting. The purpose of this research was to known the effect of various combustion air ratio between primary air (PA) and secondary air (SA) to combustion qualities of mesocarp. The ratio of combustion air (PA:SA) were variated at (20:80), (35:65), (50:50), (65:35) and (80:20). The research experimental was conducted using by a fixed bed reactor. The Controlling of combustion air flow rate using by the anemometer, to measure temperature using by thermocouple, and to measure gas emission using by the gas analyzer. The result of mesocarp combustion characteristics with thermo gravimetry analysis (TGA) method at heat flow 5 OC/min shown that the drying process (release H2O in the mesocarp) take place at 168 OC. The final

devolatilization of mesocarp occurs at 298 OC and the char burnout take place 311

C. The activation energy of mesocarp combustion around 16,13 kJ/mol•K and the pre-exponential factor around 9,43 mg/s. Based on the results of experiments known that there are significant influences the setting of combustion air ratio of primary air and secondary air to the combustion efficiency and temperature.

Keywords: Air fuel ratio, combustion air, biomass, fiber, secondary air, primary air

(6)

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT, atas rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tesis dengan judul “Pengaruh Rasio Udara Pembakaran Antara Udara Primer Dan Sekunder Terhadap Efisiensi Pembakaran Serat Buah Sawit Pada Reaktor Pembakaran Fixed-Bed”. Penelitian yang telah dilakukan ini merupakan salah satu usaha dalam mengimplementasikan Visi dan Misi Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, yaitu “Terdepan dalam Riset dan Pengembangan Teknologi”.

Penulisan laporan penelitian tesis ini merupakan salah satu syarat bagi mahasiswa pasca sarjana untuk dapat meraih gelar Magister Teknik dari Program Studi Teknik Mesin SPs-USU. Pada kesempatan ini, penulis haturkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Komisi Pembimbing, yaitu Bapak Prof. Dr. Ir. Ilmi Abdullah, M.Sc., Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA dan Bapak Prof. Dr. Tulus M.Si., yang selalu memberikan saran dan masukan dalam merumuskan laporan tesis ini. Tidak lupa penulis juga menghaturkan rasa terima kasih kepada Direksi Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS), yaitu Bapak Dr. Ir. Witjaksana Darmosarkoro, Bapak Dr. Ir. Luqman Erningpraja, dan Bapak Dr. Edy Sigit Sutarta yang telah mendukung tugas belajar penulis secara optimal.

Selain itu ucapan terima kasih juga penulis haturkan kepada Bapak Dr. Eng. Ir. Indra, MT., Dr.-Ing. Ikhwansyah Isranuri beserta seluruh staf Dosen dan Administrasi Program Studi Teknik Mesin SPs-USU yang telah memberikan fasilitas, arahan dan dukungan moril selama proses penyusunan laporan tesis ini. Tidak lupa penulis juga ucapkan terima kasih kepada istri tercinta Adinda Mulianita Megar Okturna, SP, ananda tersayang Dipa Dhaniswara Yudanto, Proboretno Giri Putri dan Paramitha Anindya Giri Prameswari beserta seluruh rekan mahasiswa yang selalu memberikan motivasi dan inspirasi ketika penulis menemui kendala dalam penyusunan usulan tesis ini.

Segala upaya telah dilakukan untuk menyelesaikan tesis ini dan tentunya tak ada gading yang tak retak. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan masukan dari pembaca agar laporan ini bermanfaat bagi pembangunan industri kelapa sawit dan perkembangan khasanah ilmu pengetahuan di Indonesia.

Medan, Juli 2012 Penulis

(7)

RIWAYAT HIDUP

Nama : Bagus Giri Yudanto

Tempat/Tanggal Lahir : Malang/23 Juli 1977

Jenis Kelamin : Laki-laki

Status Perkawinan : Menikah

Pekerjaan : Peneliti – Kelti Rekayasa Teknologi & Pengelolaan Lingkungan

Jabatan Fungsional : Peneliti Pertama

Alamat Kantor : Jl. Brigjend. Katamso No.51 Medan - 20158

Alamat Rumah : Komplek Perumahan Karyawan PPKS

Jl. Brigjen Katamso No. RS 5/3A Medan - 20158 Nomor Telephon/HP : 061-7878278/081533193896

Alamat Email : bagusgiri@yahoo.com

Riwayat Pendidikan :

2001 Jurusan Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Teknik

Universitas Negeri Malang (UM) – Malang, Jatim 2012 Magister Teknik Mesin

Sekolah Pasca Sarjana

Universitas Sumatera Utara (USU) – Sumatera Utara Riwayat Pelatihan :

1. Pelatihan Rancang Bangun Situs Web di Pusat Perpustakaan dan Penyebaran Teknologi Pertanian. Diselenggarakan oleh Pusat Perpustakaan Dan Penyebaran Teknologi Pertanian. Departemen Pertanian. Tanggal 12-13 Juni 2002.

2. Sosialisasi Pengembangan Sarana Pengolahan Kelapa Sawit (PKS) Mini. Diselenggarakan oleh Direktorat Jenderal Bina Pengolahan dan Pemasaran Hasil Pertanian. Departemen Pertanian. Tanggal 8 Desember 2003.

3. Manajemen Komersialisasi Hasil-Hasil Riset dan Teknologi. Diselenggarakan oleh Asisten Deputi Urusan Kajian Riptek dan Ekonomi Deputi Bidang Program Riptek. Kementerian Riset dan Teknologi. Tanggal 15 Pebruari 2005.

4. Workshop Pengembangan dan Pemanfaatan Energi Biomasa. Diselenggarakan oleh Balai Besar Pengembangan Mekanisasi Pertanian

(8)

Bekerjasama dengan IPB dan Jepang. Departemen Pertanian. Tanggal 01 Maret 2005.

5. Heat Exchanger Technology, Optimation & Maintenance. Diselenggarakan oleh Sinergi Dinamika Mandiri. Tanggal 14-16 Maret 2005.

6. Dasar-dasar Korosi & Pengendalian. Diselenggarakan oleh Sinergi Dinamika Mandiri. Tanggal 17-19 Maret 2005.

7. Metrologi dan Standardisasi Dalam Perspektif Otonomi Daerah. Diselenggarakan oleh Pusat Penelitian Kalibrasi Instrumentasi dan Metrologi-LIPI. Tanggal 23 Juni 2005.

8. Sosialisasi dan Peningkatan Kapasitas Terpadu Dalam Clean Development Mechanism (ICS-CDM). Diselenggarakan oleh Kementerian Lingkungan Hidup Bekerjasama dengan Institute for Global Environmental Strategies. Tanggal 21-23 November 2005.

9. Manajemen Mutu (ISO 9000), Lingkungan (ISO 14000) Manajemen Laboratorium (ISO 17025) dan Keamanan Pangan (HCCP). Diselenggarakan oleh Pusat Penelitian Kelapa Sawit. Tanggal 6-9 November 2006.

10. Diklat Fungsional Peneliti Tingkat Pertama angkatan XLI – LIPI. Diselenggarakan oleh Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI). Tanggal 15 April – 05 Mei 2007.

11. Effective Presentation Skills. Diselenggarakan oleh GML Performance Consulting. Tanggal 26-27 Juni 2007.

12. Training of Pneumatic & Hydraulic System, Microcontroller, and Programable Logic Controller. Diselenggarakan oleh CV. Andalan Prima Sejahtera. Tanggal 10-11 September 2008.

13. Workshop Pengujian Mutu Alat dan Mesin Pertanian (ISO 17025). Diselenggarakan oleh Direktorat Jenderal Bina Pengolahan dan Pemasaran Hasil Pertanian. Departemen Pertanian. Tanggal 8-11 Juni 2009.

14. Pelatihan Jurnalistik Majalah Ilmiah Populer. Diselenggarakan oleh Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS) dan Majalah Agro Observer. 22-24 Juni 2009. 15. In-house Training for Biomass Gasification. Diselenggarakan oleh Program

Magister Teknik Mesin USU bekerjasama dengan Matsue National College of Technology, Matsue-Japan. 29 September 2009.

16. The 5th Regional Seminar On Materials, Energy, And Structure (MAESTRAUCT 2010). Diselenggarakan oleh Program Magister Teknik Mesin USU bekerjasama dengan Matsue National College of Technology, Matsue-Japan. 06 Februari 2010.

(9)

17. Pendidikan dan Pelatihan Ahli K3 UMUM. Diselenggarakan oleh Kementerian Tenaga Kerja Dan Transmigrasi R.I. Diselenggarakan pada 27 September – 06 Oktober 2010 di Cisarua, Bogor.

Riwayat Pekerjaan :

2000-2001 Asisten Inspektor Pengelasan Konstruksi Baja di PLTU Paiton [PT. DIDIK HADI JAYA. Malang, Jawa Timur].

2001-2003 Sistem Data & Informasi Agribisnis Perkebunan (SIAP), di Lembaga Riset Perkebunan Indonesia (LRPI), Bogor. Jawa Barat. 2003-Sekarang Staf Peneliti Kelompok Peneliti Rekayasa Teknologi dan

Pengelolaan Lingkungan-PUSAT PENELITIAN KELAPA SAWIT (PPKS) di Medan. Sumatera Utara.

Kegiatan Penelitian, Pengembangan dan Konsultansi Antara 2005-2009:

A. Kegiatan Penelitian

No. Judul

Posisi (Peneliti Utama

/ Peneliti Anggota)

Sumber Dana

1 Pengembangan Reaktor Biodiesel Kelapa Sawit Kapasitas 1 Ton/Hari.

Peneliti Anggota PPKS

2 Pengendalian Laju Korosi Pada Sterilizer di Pabrik Kelapa Sawit.

Peneliti Utama PPKS

3 Pengendalian Laju Korosi Pada Bottom Cone Hydrocyclone dan Screw Press di Pabrik Kelapa Sawit.

Peneliti Utama PPKS

4 Rancang Bangun Alat dan Mesin Pemisah Serat dan Biji Kelapa Sawit

Peneliti Utama APBN - DEPTAN

5 Pemanfaatan Gas Buang Boiler Pabrik Kelapa Sawit Sebagai Pemanas Air Pendahuluan

Peneliti Utama PPKS

6 Optimasi Proses Pembakaran di Boiler Pabrik Kelapa Sawit

Peneliti Anggota APBN - Program SINTA-DEPTAN 2008 7 Rancang Bangun Alat dan Mesin

Penyebar Kompos di Kebun Kelapa Sawit

Peneliti Utama PTPN IV

8 Biomass Gasification of Rubber Wood Peneliti Anggota USU- Matsue National College of Technology,

(10)

Kegiatan Penelitian, Pengembangan dan Konsultansi untuk Lima Tahun Terakhir (2009-2014):

B. Kegiatan Penelitian

No. Judul

Posisi (Peneliti Utama

/ Peneliti Anggota)

Sumber Dana

1 Rancang Bangun Alat Dan Mesin Penyebar Kompos Di Kebun Kelapa Sawit

Peneliti Utama PTPN IV

2 Rancang Bangun Alat Dan Mesin Pembenam Pupuk Di Kebun Kelapa Sawit

Peneliti Utama PTPN IV

3 Teknologi Blending CPO Berbasis Microcontroller

Peneliti Utama PPKS

4 Pengaruh Rasio Udara Antara Primary Air dan Secondary Air Terhadap Kualitas Pembakaran Bahan Bakar Serat Sawit Pada Reaktor Pembakaran Fixed-Bed

Peneliti Utama

Kemenristek Program RISTEK 2010 5 Pengembangan Teknologi Kompor dan

Biobriket dari Cangkang Kelapa Sawit Untuk Daerah Remoute

Peneliti Utama

Kemenristek Program RISNAS 2012

(11)

C. Kegiatan Konsultansi

No. Konsultan Posisi Institusi

1 Studi Kelayakan Pembangunan Pabrik Kelapa Sawit (PKS) Pelaihari Kapasitas 30 Ton TBS/Jam.

Tim Ahli Bidang Kajian Konversi Energi &

Teknologi Alat dan Mesin

PTPN XIII

2 Studi Kelayakan Pembangunan Pabrik Kelapa Sawit (PKS) Kembayan Kapasitas 45 Ton TBS/Jam

Tim Ahli Bidang Kajian Konversi Energi &

Teknologi Alat dan Mesin

PTPN XIII

3 Studi Kelayakan Pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa Sawit (PLTBS) Tanjung Seumantoh Kapasitas 5 MW.

Tim Ahli Bidang Kajian Konversi Energi &

Teknologi Alat dan Mesin

PTPN I

4 Evaluasi Kinerja Pabrik Kelapa Sawit (PKS)

Tim Ahli Bidang Kajian Konversi Energi &

Teknologi Alat dan Mesin

PTPN VIII

4 Tim Investigasi Tipikor Polda Sumut Dalam Pemeriksaan Kredit Macet BNI di Pabrik Kelapa Sawit Mini Asahan

Anggota Bidang Kajian Teknologi Alat & Mesin

Polda Sumatera Utara 5 Tim Investigasi Tipikor Kejaksaan Negeri

Sumatera Utara Dalam Pemeriksaan Pabrik Kelapa Sawit di PTPN III.

Anggota Bidang Kajian Teknologi Alat & Mesin

Kejaksaan Tinggi Sumatera Utara 6 Tim Pengkajian Penerapan Teknologi

Revitalisasi: Boiler 320 dan Bunch Crusher

Tim Ahli Bidang Kajian Konversi Energi & Teknologi Alat dan Mesin Direktorat Jenderal Bina Pengolahan dan Pemasaran Hasil Pertanian DEPTAN 7 Studi Kelayakan Pembangunan Pabrik

Eco-Plywood Berbasis Kayu Kelapa Sawit Kapasitas 27.500 m3

Tim Ahli Bidang Kajian Konversi Energi &

Teknologi Alat dan Mesin /thn di Tanjung

Seumantoh

(12)

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... iii

RIWAYAT HIDUP ... iv

DAFTAR ISI ... ix

DAFTAR TABEL ... xi

DAFTAR GAMBAR ... xii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiv

DAFTAR ISTILAH ... xv

1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Perumusan Masalah ... 5

1.3. Tujuan Penelitian ... 6

1.4. Pembatasan Penelitian ... 7

1.5. Manfaat Penelitian ... 9

2. TINJAUAN KEPUSTAKAAN 2.1. Klasifikasi Bahan Bakar ... 11

2.2. Biomassa dari Produk Samping Pabrik Kelapa Sawit ... 12

2.3. Proses Pembakaran ... 14

2.1.1. Analisis Proximate ... 17

2.1.2. Analisis Ultimate ... 20

2.4. Perbandingan Udara Bahan Bakar (Air Fuel Ratio) ... 23

2.4.1. Perbandingan Udara Bahan Bakar Teoretis ... 23

2.4.2. Perbandingan Udara Bahan Bakar Aktual ... 23

2.5. Proses Pembakaran Pada Tungku Pembakaran Fixed-bed ... 25

2.6. Kinetika Reaksi Pembakaran ... 29

2.7. Rencana Penelitian ... 31

3. METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat dan Waktu ... 34

(13)

3.3. Pendekatan Metode ... 35

3.4. Disain Penelitian ... 39

3.5. Variabel Penelitian ... 39

3.6. Teknik Sampling dan Analisis Data ... 40

3.6.1. Teknik Sampling ... 40

3.6.2. Analisis Data ... 42

3.7. Set-up Gas Analyzer ... 43

4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Kharakteristik Pembakaran Bahan Bakar Serat Sawit (Mesocarp) ... 45

4.2. Pengaruh Rasio Udara Pembakaran Antara Udara Primer dan Udara Sekunder Terhadap Suhu Pembakaran ... 53

4.3. Pengaruh Rasio Udara Pembakaran Antara Udara Primer dan Udara Sekunder Terhadap Efisiensi Pembakaran ... 53

5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan ... 63

5.2. Saran ... 66

DAFTAR KEPUSTAKAAN ... 67

(14)

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1. Karakteristik Bahan Bakar Biomassa Dari Limbah Padat

Kelapa Sawit ... 19

Tabel 3.1. Jarak Pemasangan Thermocouple ... 38

Tabel 3.2. Disain Penelitian ... 39

Tabel 3.3. Variabel yang Dilibatkan Dalam Penelitian ... 40

Tabel 3.4. Estimasi Lama Waktu Sampling Emisi Gas Buang Per Data Sampling ... 41

Tabel 4.1. Data Nilai Energi Aktivasi dan Faktor Pre-Eksponensial Proses Pirolisis ... 50

Tabel 4.2. Pengolahan Data Hasil Uji Analisis Deskriptif Suhu Pembakaran ... 55

Tabel 4.3. Pengolahan Data Hasil Uji One Way-Anova Suhu Pembakaran ... 55

Tabel 4.4. Laju Reaksi Pembakaran Berdasarkan Suhu Pembakaran di Reaktor ... 57

Tabel 4.5. Data Hasil Uji Analisis Deskripsi Efisiensi Pembakaran Bruto ... 60

Tabel 4.6. Data Hasil Uji One Way-Anova Efisiensi Pembakaran Bruto ... 60

Tabel 4.7. Efisiensi dan Suhu Pembakaran Berdasarkan Rasio Udara Pembakaran ... 61

Tabel L1. Spesifikasi Gas Analyzer ... 73

Tabel L2. Data Kadar Air Rata-Rata Bahan Bakar Serat Sawit ... 75

Tabel L3. Nilai K4 Untuk Berbagai Jenis Bahan Bakar ... 83

Tabel L4. Bukaan Area Grate Untuk Reaktor Fixed-bed Kapasitas Kecil ... 90

Tabel L5. Bukaan Area Grate Untuk Reaktor Fixed-bed Kapasitas Kecil ... 90

(15)

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 1.1. Bahan Bakar Serat Buah Kelapa Sawit Keluar

Dari Mesin Screw Press ... 1

Gambar 1.2. Emisi Pembakaran dari Boiler Pabrik Kelapa Sawit ... 2

Gambar 1.3. Skema Proses Pembakaran Pada Biomassa ... 3

Gambar 2.1. Pengumpanan Bahan Bakar PadaReaktor Fixed-bed ... 26

Gambar 2.2. Jenis Grate Pada Reaktor Pembakaran Fixed-bed ... 26

Gambar 2.3. Metode Pengumpanan Bahan Bakar pada Reaktor Fixed-bed ... 26

Gambar 2.4. Hubungan Antara Udara Pembakaran dan Tebal Tumpukan Bahan Terhadap Pembentukan Emisi Gas Karbon ... 28

Gambar 2.5. Kurva Hubungan Antara ln [dY/dt] dengan 1/T ... 30

Gambar 2.6. Kerangka Konsep Penelitian ... 34

Gambar 3.1. Reaktor Pembakaran Jenis Fixed-Bed beserta Instrumennya ... 36

Gambar 3.2. Metode sampling emisigas buang ... 41

Gambar 4.1. Grafik Kharakteristik Pembakaran Mesocarp ... 48

Gambar 4.2. Kurva Hubungan Antara ln [dY/dt] dengan 1/T ... 51

Gambar 4.3. Hubungan Antara Rasio Udara Pembakaran Terhadap Suhu Pembakaran ... 54

Gambar 4.4. Hubungan Antara Suhu Pembakaran Dengan Laju Reaksi ... 58

Gambar 4.5. Hubungan Antara Rasio Udara Pembakaran Terhadap Efisiensi Bruto ... 59

Gambar 4.6. Hubungan Antara Suhu Pembakaran Dengan Efisiensi Pembakaran Bruto ... 62

Gambar L1. Gas Analyzer Merk Kane May Tipe 9106 ... 70

Gambar L2. Komponen Perlengkapan Gas Analyzer ... 71

Gambar L3. Konektifitas Antar Perangkat Gas Analyzer ... 72

Gambar L4. Tempat Pengambilan Sampel Bahan Bakar Serat Sawit ... 74

Gambar L5. Tahap Penentuan Kadar Air Dalam Serat Sawit ... 75

Gambar L6. Set-Up Instrumen Penelitian ... 86

(16)

Gambar L8. Penimbangan Mesocarp ... 88 Gambar L9. Sampling Emisi Gas Buang ... 89

(17)

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Perangkat Uji Emisi Gas Buang Merk KM9106 yang Diproduksi

Oleh Keison, Chelmsford, Essex, CM1 3UP, England ... 70

Lampiran 2. Penentuan Kadar Air Pada Serat Buah Sawit (Mesocarp) ... 74

Lampiran 3. Penentuan Jumlah Udara pembakaran ... 76

Lampiran 4. Analisis Pembakaran ... 79

Lampiran 5. Disain Reaktor Pembakaran Fixed-Bed ... 86

Lampiran 6. Data Mentah dan Data Olah Hasil Eksperimen ... 92

Lampiran 7. Menentukan Energi Aktivasi dan Faktor Pre-eksponensial ... 106

(18)

DAFTAR ISTILAH

Simbol Arti

A Udara Pembakaran (%)

A Faktor pre-eksponensial (%/s)

A grate Luas permukaan grate (mm2

C Jumlah karbon di dalam bahan bakar serat sawit (%) )

Cb Massa karbon yang sebenarnya terbakar per satuan massa bahan bakar Cr Fraksi massa bahan bakar karbon yang tak terbakar di dalam sisa Ca Fraksi massa karbon dari analisis ultimasi begitu terbakar

CO2 Karbon dioksida

CO2 Maks Jumlah karbon dioksida teoritis (CO2) (%) d Angka perbandingan udara bahan bakar teoretis DFGL Kerugian pada gas buang kering (%)

dt Perubahan waktu (dt)

dY Penurunan fraksi massa

e Bilangan natural (2,72)

E Energi aktifasi bahan (J/mol)

EP Efficiency of Combustion (%)

F Bahan bakar

F/A Rasio bahan bakar per udara

GCV Nilai kotor kalor bahan bakar (Gross calorific value) GHV Nilai kotor panas bahan bakar (Gross heating value)

Grate load Beban grate

H Kandungan hidrogen di dalam bahan bakar (%)

HHV Nilai tinggi kalor bahan bakar (Higher heating value)

H2O Persentase kandungan air di dalam bahan bakar serat sawit (%) H2 Persentase kandungan hidrogen di dalam serat sawit (%)

K1n Konstanta nilai kalor bahan bakar dengan basis perhitungan LHV K1g Konstanta nilai kalor bahan bakar dengan basis perhitungan LHV K2 Max CO2 teoritis (%)

K3 Kerugian panas akibat kandungan air (%)

K4 Merupakan persentase kerugian karbon yang tidak terbakar (%) LHV Nilai rendah kalor bahan bakar (Lower heating value)

λ Lambda Rasio antara udara dan bahan bakar

mi Massa awal

m(t) Massa yang berubah terhadap waktu

•

(19)

N Kandungan nitrogen di dalam bahan bakar (%)

Nf Fraksi massa nitrogen dalam bahan bakar (dari analisis ultimasi) NCV Nilai bersih kalor bahan bakar (Net calorific value)

NHV Nilai bersih panas bahan bakar (Net heating value)

O2 Kandungan oksigen di dalam bahan bakar (%)

O2m

p Angka perbandingan udara bahan bakar aktual

Jumlah oksigen yang diukur didalam gas buang (%)

ρ Densitas udara (kg/m3

Qnet Nilai kalor rendah bahan bakar serat sawit (kJ/kg) )

Qg Nilai kalor tinggi bahan bakar serat sawit (kJ/kg)

Rumus K4 di dasarkan pada nilai pembakaran tinggi (Qgr) suatu bahan bakar. Untuk memperoleh nilai ”kerugian” berdasarkan nilai

R Konstanta gas (8,31 J/mol K)

S Kandungan sulfur di dalam bahan bakar (%)

SO2 Sulfur dioksida

T Suhu pembakaran (K)

Tf Temperatur gas buang (O

Ti Temperatur udara pembakaran masuk reaktor (

O Tnet Temperatur sebenarnya (OC)

UF Kerugian karbon yang tak terbakar (%)

Uog Jumlah udara pembakaran (kg udara/kg bahan bakar) Uov Jumlah udara pembakaran (Nm3 udara/kg bahan bakar) Uog Jumlah udara pembakaran (kg udara/kg bahan bakar)

V Volume aliran udara (m3/s)

Wa Jumlah udara pembakaran (kg udara)

WL Kerugian akibat kandungan air (%) Wserat Jumlah bahan bakar yang dibakar (kg)

Y Fraksi massa = m(t)/mi

teoretis F A     

 Perbandingan antara bahan bakar dan udara teoritis

aktual F A     

(20)

ABSTRAK

tipe K, dan pengukuran emisi gas buang digunakan gas analyzer. Hasil karakteristik pembakaran mesocarp dengan metode thermogravimetry (TGA) pada heat flow

Kata Kunci: rasio udara, udara pembakaran, biomasa, serat, udara primer, udara sekunder

(21)

ABSTRACT

devolatilization of mesocarp occurs at 298 OC and the char burnout take place 311

Keywords: Air fuel ratio, combustion air, biomass, fiber, secondary air, primary air

(22)

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Serat buah kelapa sawit (mesocarp), seperti ditunjukkan pada Gambar 1.1 yang diperoleh dari proses ekstraksi minyak sawit pada mesin screw press seluruhnya digunakan sebagai bahan bakar utama di boiler pabrik kelapa sawit (PKS). Energi panas yang dilepaskan dari pembakaran mesocarp di ruang pembakaran boiler tersebut digunakan untuk merubah fase air menjadi uap (steam). Uap panas latent

bertekanan 21 kg/cm2 dengan suhu sekitar 260 OC yang diproduksi oleh boiler

digunakan untuk memutar turbin uap guna menggerakkan generator listrik untuk keperluan penyediaan energi listrik di pabrik. Keluaran uap jenuh dari turbin uap bertekanan 3 kg/cm2 dengan suhu sekitar 130 OC digunakan untuk keperluan proses

produksi di unit pengolahan (Guthrie Plantation and Agriculture service, 1995).

Gambar 1.1. Bahan Bakar Serat Buah Kelapa Sawit Keluar Dari Mesin Screw Press Serat buah

(23)

Pada beberapa pabrik yang memiliki unit konversi energi dengan efisiensi tinggi tidak diperlukan lagi bahan bakar tambahan. Namun, pada beberapa PKS dengan efisiensi pembakaran rendah diperlukan bahan bakar tambahan berupa cangkang kelapa sawit (shell) antara 20% - 30% dari jumlah total cangkang yang tersedia di pabrik. Proses pembakaran yang berlangsung dengan kondisi tidak komplit (masih terdapat unsur bahan bakar di dalam gas buang) dapat menurunkan efisiensi pembakaran yang diindikasikan dengan hilangnya bahan bakar (dalam bentuk gas) yang ikut keluar bersama gas buang. Bahan bakar yang tidak terbakar dan ikut keluar bersama gas buang melalui cerobong asap tersebut dapat diidentifikasi dengan munculnya asap berwarna hitam atau putih pekat selama proses pembakaran berlangsung seperti ditunjukkan Gambar 1.2.

(24)

Pada umumnya, faktor penyebab utama kualitas pembakaran bahan bakar mengalami penurunan cukup signifikan disebabkan oleh proses pencampuran antara udara pembakaran (oksidator) dengan bahan bakar di dalam ruang pembakaran tidak berlangsung dengan baik (Culp, 1991).

Aliran udara pembakaran pada ruang pembakaran boiler di pabrik kelapa sawit (PKS) dibagi menjadi dua aliran, yaitu udara primer (primary air) dan udara sekunder (secondary air). Udara primer (PA) yang dialirkan dari bagian bawah tungku pem-bakaran (grate) berfungsi untuk mengoksidasi fixed carbon dan mendinginkan grate. Sedangkan udara sekunder (SA) yang dialirkan pada bagian atas

grate atau bahan bakar berfungsi untuk mengoksidasi unsur volatile matter (Hallett, 2005).

Gambar 1.3. Skema Proses Pembakaran Pada Biomassa

Gambar 1, menunjukkan proses oksidasi bahan bakar padat di atas tungku pembakaran fixed bed dengan proses pembakaran secara overfeed yang sering

(25)

ditemui di boiler PKS. Pada awalnya, proses dekomposisi bahan bakar dimulai dari tahap pengeringan (drying) kadar air (H2O) pada suhu antara 100 OC – 200 OC. Tahap

kedua, proses devolatilisasi (devolatilization) yang merupakan proses pelepasan senyawa gas volatile matter pada suhu antara 280 OC – 400 OC (Hagge, 2006). Tahap ketiga, proses pembakaran fixed carbon yang menghasilkan gas CO dan CO2 pada suhu di atas 400 OC. Terakhir, proses degradasi kandungan mineral bahan bakar

menjadi abu (ash forming) pada suhu sekitar 1000 OC (Ragland, 1991).

Sebagaimana diketahui bahwa biomasa memiliki kandungan unsur volatile matter lebih tinggi (sekitar 65%) dari pada unsur fixed carbon (De Souza and Santos, 2004). Ini artinya bahwa pada saat proses oksidasi bahan bakar biomassa, komponen volatil yang terbentuk jumlahnya relatif lebih banyak yang terurai menjadi gas (sekitar 65%) dibanding kandungan fixed karbon sehingga diperlukan jumlah udara pembakaran yang tepat pada masing-masing saluran udara (udara primer dan sekunder) untuk mengoksidasinya agar diperoleh proses pembakaran dengan efisiensi yang relatif tinggi.

Sampai dengan saat ini, belum ada aturan baku mengenai jumlah persentase rasio udara pembakaran antara saluran udara primer (PA) dan udara sekunder (SA), terutama pada proses pembakaran bahan bakar biomassa serat buah kelapa sawit. Oleh karena itu, tujuan dari penelitian ini adalah mencari rasio udara pembakaran yang tepat antara udara primer (PA) dan udara sekunder (SA) agar diperoleh efisiensi pembakaran tinggi. Sedangkan sasaran dari kegiatan ini adalah memperbaiki proses

(26)

pembakaran serat buah kelapa sawit melalui pengaturan jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder.

1.2. Perumusan Masalah

Secara aktual, efisiensi proses pembakaran pada bahan bakar padat (biomass) dipengaruhi oleh 5 hal yaitu, homogenitas campuran reaktan, ketersedian udara yang cukup, suhu pembakaran yang cukup, waktu yang cukup untuk berlangsungnya reaksi, dan densitas bahan bakar (Culp, 1991). Sejalan dengan latar belakang masalah seperti telah diuraikan pada sub bab 1.1 dan dengan mempertimbangkan kompleksitas permasalahan pada proses pembakaran yang banyak melibatkan parameter dan variabel penelitian, maka perlu diberikan batasan masalah secara jelas dan terfokus.

Untuk itu, pada kegiatan riset ini variabel yang digunakan sebagai prediktor penentu efisiensi proses pembakaran adalah jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder. Penentuan efisiensi pembakaran dilakukan dengan mempertimbangkan faktor kehilangan kalor pada gas buang kering (dry flue gas loss) dan faktor kehilangan kalor pada gas buang dalam kondisi basah (wet loss). Dimana, faktor kehilangan kalor pada gas buang kering (dry flue gas loss) ditentukan oleh parameter nilai kalor rendah bahan bakar (Low Heating Value), kadar CO2 teoritis,

kadar oksigen di dalam gas buang, dan suhu gas buang. Sementara itu, faktor kehilangan kalor pada gas buang basah (wet loss) ditentukan oleh parameter kerugian panas akibat kandungan air dan suhu gas buang. Selain itu, juga akan dicari pengaruh jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder terhadap

(27)

suhu di dalam reaktor pembakaran. Hal ini mengingat bahwa suhu pembakaran dapat mempengaruhi efisiensi proses pembakaran (Culp, 1991).

Berdasarkan batasan masalah seperti telah diuraikan sebelumnya, maka masalah yang menjadi obyek penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut:

1. Bagaimanakah kharakteristik pembakaran bahan bakar serat sawit (mesocarp)? 2. Apakah ada pengaruh yang cukup signifikan jumlah rasio udara pembakaran

antara udara primer dan udara sekunder terhadap suhu di dalam reaktor pembakaran?

3. Apakah ada pengaruh yang cukup signifikan jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder terhadap efisiensi proses pembakaran?

1.3. Tujuan Penelitian

Sejalan dengan rumusan masalah yang telah dirinci sebelumnya, tujuan yang ingin dicapai dalam kegiatan riset ini adalah untuk mengetahui:

1. Kharakteristik pembakaran bahan bakar serat sawit (mesocarp)

2. Pengaruh jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder terhadap suhu di dalam reaktor pembakaran.

3. Pengaruh jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan udara sekunder terhadap efisiensi proses pembakaran

(28)

1.4. Pembatasan Penelitian

Kegiatan riset yang dilakukan ini sifatnya eksperimental. Oleh karena itu perlu dilakukan pembatasan dalam kegiatan penelitian ini antara lain;

1. Bahan bakar serat buah kelapa sawit (serabut) yang digunakan untuk kegiatan eksperimen diambil dari Pabrik Kelapa Sawit (PKS) Adolina yang merupakan salah satu unit usaha PT. Perkebunan Nusantara (PTPN) IV, dimana serat tersebut diperoleh dari mesin screw press. Dengan demikian kadar air dan kharakteristik (kandungan volatile matter dan fixed carbon) bahan bakar serat buah kelapa sawit yang digunakan sebagai dasar perhitungan di dalam penelitian ini mengacu pada hasil kharakterisasi bahan bakar di PKS Adolina.

2. Reaktor pembakaran yang digunakan untuk proses pembakaran serat buah kelapa sawit pada saat eksperimen menggunakan reaktor pembakaran jenis fixed bed

dengan mengikuti disain reaktor Sheffield University Waste Incereration Center

(SUWIC) tanpa menghitung proses perpindahan panas yang terjadi pada reaktor tersebut.

3. Proses pemasukan bahan bakar untuk setiap kali eksperimen dilakukan dengan cara memasukkannya melalui bagian atas reaktor dengan terlebih dahulu membuka penutup bagian atas reaktor dan setelah itu menutupnya kembali secara rapat. Kegiatan ini dilakukan setiap akan melakukan eksperimen pembakaran.

(29)

4. Jumlah kadar air yang digunakan sebagai dasar acuan untuk perhitungan kadar air di dalam bahan bakar serat ditentukan pada saat awal saja, sedangkan pada setiap eksperimen tidak dilakukan pengukuran kadar air.

5. Untuk menentukan suhu pembakaran di dalam reaktor digunakan thermocouple

yang dipasang pada tumpukan bahan bakar, bagian tengah reaktor dan pada saluran gas buang.

6. Untuk menentukan efisiensi pembakaran dilakukan dengan mempertimbangkan faktor kehilangan kalor pada gas buang kering (dry flue gas loss) dan faktor kehilangan kalor pada gas buang basah (wet loss). Dimana, faktor kehilangan kalor pada gas buang kering (dry flue gas loss) ditentukan oleh parameter nilai kalor rendah bahan bakar (Low Heating Value), kadar CO2 teoritis, kadar

oksigen di dalam gas buang dan suhu gas buang. Sementara itu, faktor kehilangan kalor pada gas buang basah (wet loss) ditentukan oleh parameter kerugian panas akibat kandungan air dan suhu gas buang.

7. Jumlah rasio persentase udara pembakaran antara udara primer (PA) dan udara sekunder (SA) dalam penelitian ini diatur dengan ketentuan (PA:SA) secara berurutan adalah (20:80), (35:65), (50:50), (65:35), dan (80:20). Dimana, rasio (65:35) digunakan sebagai kontrol karena rasio inilah yang sering digunakan di lapangan oleh sebagian besar pabrik kelapa sawit di Indonesia.

(30)

1.5. Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat bagi pihak-pihak yang terkait dalam pengembangan daya saing industri hilir kelapa sawit, pemerhati energi dan pemerhati lingkungan. Secara rinci manfaat dari kegiatan riset ini dapat dijabarkan sebagai berikut:

1.5.1. Bagi Pengguna (User)

Data dan informasi yang dihasilkan dari kegiatan riset ini dapat digunakan sebagai bahan referensi yang bersifat teknis dalam upaya untuk:

1. Konservasi energi di pabrik kelapa sawit (PKS).

2. Mengatur jumlah persentase rasio udara pembakaran yang tepat antara udara primer dan udara sekunder.

3. Meningkatkan efisiensi proses pembakaran bahan bakar biomassa.

4. Mengurangi dampak penurunan kualitas lingkungan yang diakibatkan oleh ketidaksempurnaan proses pembakaran yang terjadi di dalam reaktor pembakaran boiler pabrik kelapa sawit.

1.5.2. Bagi Produsen Boiler

Data dan informasi yang diperoleh dari kegiatan riset ini dapat digunakan sebagai bahan masukan yang bersifat teknis dalam rangka mengatur udara pembakaran yang tepat antara saluran udara primer dan udara sekunder.

(31)

1.5.3. Bagi Kalangan Akademisi, Pemerintah dan Institusi Riset

Data dan informasi yang diperoleh dari kegiatan riset ini dapat digunakan sebagai bahan referensi dalam menambah khasanah Iptek dan pengembangan ilmu-ilmu terapan dalam bidang konversi energi terutama dalam bidang proses pembakaran bahan bakar biomassa. Selain itu, hasil penelitian ini juga diharapkan dapat dijadikan sebagai masukan awal dalam tindakan yang bersifat teknis dalam rangka pengembangan dan pengkajian suatu teknologi.

(32)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Klasifikasi Bahan Bakar

Bahan bakar merupakan suatu materi di mana apabila dipanaskan pada suhu tertentu disertai oksidasi dengan oksigen (O2) akan terjadi proses pembakaran.

Produk hasil proses pembakaran ada tiga, yaitu; radiasi panas, emisi gas buang dan abu. Berdasarkan formasi dan proses pembentukannya bahan bakar dapat diklasifikasikan menjadi beberapa macam, antara lain;

1. Berdasarkan materi pembentuknya, bahan bakar dapat diklasifikasikan menjadi dua, yaitu:

a. Bahan bakar berbasis bahan organik, yang terdiri dari:

• Bahan bakar fosil, misalnya: batubara, minyak bumi dan gas bumi.

• Bahan bakar terbarukan (biofuel), misalnya; biomassa, biogas, biodiesel, bioetanol yang berbasis pada minyak nabati dan hewani. Bahan bakar organik tersusun dari unsur-unsur karbon (C), hidrogen (H), nitrogen (N), oksigen (O), sulfur (S), dan lain-lain dalam jumlah kecil. Dari beberapa unsur kimia pembentuk bahan bakar tersebut, unsur C, H, dan S merupakan kandungan utama yang berperan sebagai bahan bakar.

(33)

b. Bahan bakar nuklir, misalnya;uranium dan plutonium. Energi yang dihasilkan dari reaksi rantai penguraian atom-atom melalui peristiwa peluruhan radioaktif.

2. Berdasarkan wujudnya, bahan bakar dibagi menjadi tiga, yaitu; Bahan bakar padat, bahan bakar cair, dan Bahan bakar gas.

3. Berdasarkan proses pembentukannya, bahan bakar dibagi menjadi dua, yaitu; Bahan bakar alamiah dan bahan bakar non-alamiah.

2.2. Biomassa dari Produk Samping Pabrik Kelapa Sawit

Biomassa merupakan bahan bakar organik yang terbentuk dari zat-zat organik yang disusun oleh tumbuhan melalui proses fotosintesis (dengan bantuan energi matahari). Biasanya bahan bakar jenis ini diklasifikasikan ke dalam bahan bakar padat yang memiliki unsur kimia antara lain: zat arang atau karbon (C), hidrogen (H), zat asam atau oksigen (O), zat lemas atau nitrogen (N), belerang (S), abu dan air, yang semuanya itu terikat dalam satu persenyawaan kimia. Salah satu bahan bakar padat alternatif yang digunakan sebagai sumber energi adalah biomassa.

Biomassa merupakan materi turunan organisme hidup seperti tumbuh-tumbuhan. Sebagai contoh pupuk, sampah, dan serbuk gergaji, yang semuanya itu merupakan sumber biomassa. Biomassa merupakan sumber energi terbarukan yang meliputi banyak karbon yang tidak sama dengan sumber-sumber alamiah lain seperti bahan bakar minyak, batubara dan bahan bakar nuklir.

(34)

Biomassa sawit termasuk dalam kategori bahan bakar padat yang mengandung dua komponen utama, yaitu; komponen dapat terbakar (combustible) dan komponen tak dapat dibakar (uncombustible). Komponen dasar yang tak dapat terbakar adalah air (water) dan abu (ash) dan bahan yang dapat dibakar adalah gas dan karbon. Perbedaan utama antara biomassa dengan batu bara adalah bahwa kandungan volatile matter pada biomassa relatif lebih banyak dibanding batu bara dan kandungan abu pada biomassa lebih sedikit dibanding batu bara.

Dalam penelitian ini biomassa yang digunakan sebagai bahan bakar adalah serat buah kelapa sawit (mesocarp). Serat buah sawit merupakan limbah padat dari industri pengolahan kelapa sawit. Persentase serat buah sawit dalam satu ton tandan buah segar (TBS) yang diolah sekitar 18% (Guthrie Plantation and Agriculture service, 1995)

Seperti diketahui bahwa untuk membangkitkan uap guna mendukung kegiatan proses produksi di pabrik kelapa sawit (PKS) diperlukan sejumlah energi yang diperoleh dari proses pembakaran biomassa sawit. Pada umumnya biomassa sawit yang digunakan sebagai bahan bakar untuk keperluan tersebut adalah serat buah sawit (mesocarp). Serat tersebut diperoleh dari mesin screw press setelah buah sawit mengalami proses pengempaan. Menurut kharakteristiknya, biomassa serat buah sawit memiliki kadar air antara 30–50% dengan nilai kalor 4.278 Cal/gr (17.911,13 kJ/kg) dan kandungan volatile matter (VM) sekitar 71,47% serta kandungan karbon (C) 44,97% (Pusat Penelitian Kelapa Sawit, 2007).

(35)

2.3. Proses Pembakaran

Pembakaran merupakan reaksi kimia cepat antara oksigen dan bahan bakar pada suhu tertentu, yang disertai pelepasan suatu kalor. Berdasarkan kondisinya, pembakaran dibagi menjadi tiga, yaitu; pembakaran spontan, pembakaran sempurna dan pembakaran parsial. Sebelum proses pembakaran berlangsung, terlebih dahulu bahan bakar dinaikkan suhunya hingga titik bakarnya tercapai (flash point). Penguraian dan oksidasi dimulai pada suhu yang rendah ke suhu tinggi. Jika bahan bakar mengandung unsur oksigen dan zat penguap (volatile matter) yang tinggi maka suhu penguraian dan oksidasi akan semakin rendah.

Pada proses pembakaran biomassa, 80% energi yang dilepaskan dalam bentuk gas yang mudah terbakar dan sisanya dalam bentuk karbon. Oleh karena itu, selama proses pembakaran sangat penting untuk mempertahankan agar oksigen dapat selalu dijaga dalam kontak dengan bahan bakar dan gas-gas yang terbentuk ketika pembakaran berlangsung pada suhu penyalaannya. Kontak yang baik antara bahan bakar dengan oksigen akan menghasilkan proses pembakaran secara cepat dan komplit, sehingga diperoleh efisiensi pembakaran yang relatif tinggi.

Jika bahan bakar dalam bentuk gas, maka pencampuran reaktan (oksigen dan bahan bakar) dapat dicapai secara optimal karena substansi gas-gas tersebut dapat dengan mudah dicampur secara cepat dan tepat sesuai dengan rasio kebutuhan udara yang diperlukan. Proses pembakarannya pun mungkin dapat terjadi secara cepat, dan kemudian pengontrolannya pun juga lebih cepat terutama dalam penambahan atau

(36)

pengurangan bahan bakar maupun oksigen yang diperlukan. Supaya proses pembakaran bahan bakar biomassa juga dalam situasi yang sama dengan proses pembakaran gas alam, maka bahan bakar biomassa yang dioksidasi perlu direduksi ukurannya menjadi partikel-partikel lebih kecil dari kondisi awalnya.

Proses pembakaran pada bahan bakar pada pada umumnya dibagai menjadi 3 tahap, antara lain;

1. Proses pengeringan 2. Proses devolatilisasi 3. Proses pembakaran karbon

Pada saat biomasa dipanasi, kandungan air di dalam bahan bakar sedikit demi sedikit mulai menguap pada suhu antara 90 – 100 OC. Kandungan air yang dilepaskan

dari bahan bakar biomasa tersebut kemudian mengalir keluar bersama dengan gas buang melalui cerobong. Pada suhu antara 140 – 400 OC terjadi proses devolatilisasi

yang akan melepaskan gas-gas pembentuk unsur biomassa (volatile). Gas-gas tersebut kemudian dioksidasi dengan udara sekunder dan akan melepaskan kalor hingga suhunya mencapai 800 – 1.026 OC (De Souza and Santos, 2004). Proses

pembakaran tersebut terjadi secara sinambung mengikuti ketiga reaksi di atas.

Sebagaimana diketahui bahwa pembakaran adalah proses oksidasi dimana oksigen diberikan dengan mengikuti rasio udara berlebih terhadap massa bahan bakar agar diperoleh reaksi pembakaran yang komplit. Reaksi utama dari proses pembakaran antara karbon dengan oksigen akan membentuk karbon monoksida (CO) dan karbon dioksida (CO2). Karbon dioksida merupakan produk pembakaran yang

(37)

memiliki temperatur rendah. Oksidasi karbon monoksida ke karbon dioksida hanya dapat terbentuk jika memiliki sejumlah oksigen yang seimbang. Kandungan CO yang tinggi mengindikasikan proses pembakaran tidak komplit dan ini harus seminimal mungkin dihindari, karena:

a. CO adalah gas yang dapat dibakar. Kandungan CO yang tinggi akan

menghasilkan efisiensi pembakaran yang rendah b. Dapat menyebabkan gangguan bau (odour)

c. Bila konsentrasi gas CO sangat tinggi mempunyai resiko yang tinggi bagi makhuk hidup dan lingkungan sekitarnya.

Emisi gas CO2 di atmosfer sangat problematik, sejak kehadiran CO2 menjadi

pertimbangan utama dalam kasus efek pemanasan global maka keberadaan CO2 saat

ini mulai dipertimbangkan lagi. Selama proses pembakaran bahan bakar biomasa gas CO2 yang dikeluarkan akan segera diikat kembali oleh tanaman selama proses

pertumbuhannya berlangsung. Hal ini dapat terjadi karena CO2 yang dihasilkan dari

proses pembakaran biomasa adalah CO2 netral berbeda dengan bahan bakar fosil.

Selama proses pembakaran biomassa juga akan menghasilkan gas metan (CH4) yang merupakan komponen dasar dari gas alam. CH4 mempunyai kontribusi

yang besar terhadap efek pemanasan global, bahkan lebih kuat 21 kali dari pada CO2.

Keberadaan CH4 di atmosfer dapat mencapai jangka waktu 12 tahun sebelum

akhirnya terdegradasi secara alami. Beberapa gas lainnya juga akan dihasilkan dari reaksi oksidasi antara oksigen dengan komponen bahan bakar seperi oksida-oksida

(38)

nitrogen, yaitu; NO, N2O, dan NO2. Pada beberapa literatur menyebutkan bahwa

jumlah oksida nitrogen diperoleh dari dua sumber, yaitu; panas dan udara.

Untuk mendapatkan proses pembakaran secara komplit diperlukan sejumlah udara pembakaran yang cukup untuk mengoksidasi unsur-unsur pembentuk biomassa. Jumlah kebutuhan udara untuk keperluan oksidasi bahan bakar biomassa dapat ditentukan berdasarkan persentase kandungan unsur-unsur pembentuknya. Komposisi unsur senyawa bahan bakar dapat diketahui melalui analisis proksimasi (analisis pendekatan) dan analisis ultimasi (analisis tuntas).

2.3.1. Analisis Proksimasi (Proximate)

Analisa ini dilakukan pada bahan bakar padat yang didasarkan pada sifatnya yang dapat/ mudah menguap atau membentuk gas (volatile), yaitu:

a. Fixed carbon

Merupakan bahan bakar padat yang tertinggal dalam reaktor pembakaran setelah bahan yang mudah menguap didestilasi. Kandungan utamanya adalah karbon tetapi juga mengandung hidrogen, oksigen, sulfur dan nitrogen yang tidak terbawa gas. Fixed carbon memberikan perkiraan kasar terhadap nilai panas bahan bakar.

b. Volatile matter

Bahan yang mudah menguap dalam bahan bakar seperti; metan, hidrokarbon, hidrogen, karbon monoksida, dan gas-gas yang tidak mudah terbakar (karbon dioksida dan nitrogen). Bahan yang mudah menguap merupakan indeks dari

(39)

kandungan bahan bakar bentuk gas di dalam bahan bakar. Kandungan bahan yang mudah menguap pada biomasa berkisar antara 60 – 80 %. Hal inilah menjadi alasan utama mengapa arang di dalam karung terlihat lebih ringan bila dibandingkan dengan volume yang tampak. Arang karbon mempunyai volume asli yang lebih ringan dari pada biomasa dalam keadaan normal (sebelum dibakar). Ini dapat terjadi karena 80 % dari pembentuknya (volatile matter) telah hilang terdevolatilisasi pada saat proses gasifikasi. Kandungan volatile

yang tinggi pada bahan bakar menandakan bahwa jumlah persentase udara pembakaran secara umum harus lebih banyak diberikan pada bagian atas tumpukan bahan bakar (secondary air), dimana gas-gas yang telah terdevolatilisasi tersebut akan dibakar, dan tidak di bawah tumpukan bahan bakar (primary air).

c. Kadar abu

Abu merupakan kotoran yang tidak akan terbakar. Kandungan abu pada bahan bakar biomasa relatif lebih sedikit dibandingkan dengan bahan bakar batu bara, yaitu; berkisar antara 1 % - 6 %. Bahan bakar biomasa juga mengandung kadar garam yang mempunyai peranan penting dalam proses pembakaran. Kandungan utamanya adalah potassium (K) dan sebagian sodium (Na), di mana kandungan garam dasar tersebut menghasilkan abu yang bersifat lengket. Hal ini yang biasanya banyak ditemui pada beberapa kasus pada boiler menyebabkan deposit pada permukaan boiler.

(40)

d. Kadar air

Kandungan air yang tinggi di dalam bahan bakar biomasa dapat menurunkan efisiensi proses pembakaran dan menurunkan kandungan panas per kg bahan bakar.

Berdasarkan hasil analisis proksimasi dan ultimasi, karakteristik bahan bakar biomassa dari limbah padat pengolahan kelapa sawit disajikan seperti tampak pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Karakteristik Bahan Bakar Biomassa dari Limbah Padat Kelapa Sawit

Parameter Analisis

(Dried Sample)

Jenis Biomassa

Unit

Basis

Standard Acuan : International Standard / ASTM Tandan Kosong

Sawit

Serat Cangkang

PROKSIMASI

Moisture In Air(M) 9,38 9,35 9,76 % adb ASTM D.3173

Ash(A) 5,38 3,87 1,19 % adb ASTM D.3174

Volatile Matter(VM) 68,47 71,47 69,95 % adb ISO D.562 Fixed Carbon (FC) 16,77 15,31 19,10 % adb ASTM D.3172 Nilai Kalor 4469 4278 4515 Cal/gr adb ASTM D.5865

ULTIMASI

Carbon (C) 46,50 44,97 45,74 % adb ASTM D.3178

Hydrogen(H) 7,13 6,99 5,54 % adb ASTM D. 3179

Nitrogen(N) 0,89 0,45 0,25 % adb ASTM D. 3179

Total Sulfur(S) 0,21 0,14 0,09 % adb ASTM D. 3177

Oxygen(O) 39,89 43,58 47,19 % adb ASTM D. 3176

Chlorine(Cl) 0,17 trace Trace % adb ASTM D.2361

True Spesific Gravity (TSG ) 1,42 1,48 1,42 ASTM D.167 Sumber: PPKS (2007)

(41)

2.3.2. Analisis Ultimasi (Ultimate)

Analisis ini bertujuan untuk menentukan berbagai macam unsur kimia seperti karbon, hidrogen, oksigen, sulfur, dll. Analisis ini berguna dalam penentuan jumlah udara yang diperlukan untuk pembakaran dan menentukan volume gas pembakaran. Informasi ini diperlukan untuk perhitngan suhu nyala dan perancangan saluran gas buang dan lain-lain. Data analisis ini meliputi:

a. Karbon (C). b. Hidrogen (H). c. Nitrogen (N) d. Oksigen (O), dan e. Sulfur (S).

Setelah dilakukan analisis, maka dapat dihitung jumlah udara pembakar yang dibutuhkan untuk melakukan pembakaran sempurna. Perhitungan ini dapat dihitung melalui pendekatan stoikiometri. Air Fuel Ratio (AFR) merupakan perbandingan massa udara yang ada selama proses pembakaran. Ketika semua bahan bakar bergabung dengan udara bebas, campuran tersebut berdasarkan reaksi kimia setimbang dan perbandingan AFR ini disebut dengan campuran stoikiometri.

Campuran stoikiometri ini dapat terjadi jika jumlah oksigen dalam campuran tepat untuk bereaksi dengan C, H, dan S membentuk CO2, H2O dan SO2. Secara teori

(42)

sempurna dari bahan bakar yang tersedia. Namun, pada prakteknya hampir tidak pernah tercapai, karena beberapa kondisi yang tidak ideal.

Lambda (λ) dapat digunakan sebagai suatu alternatif untuk mewakili AFR. Lambda (λ) merupakan ukuran untuk mengetahui seberapa besar stoikiometri tersebut berperan dalam campuran. Suatu campuran dikatakan campuran kaya bahan bakar,

bila lamda (λ) >1, sedangkan campuran dikatakan kurus bahan bakar bila λ < 1.

Sementara itu, campuran dikatakan ideal atau sesuai dengan stoikiometri bila λ≈1 (Kenneth, 2005). Jika jumlah lamda sama dengan 1 maka dikatakan setimbang, jika kurang dari 1 disebut campuran kental dan jika lebih besar dari 1 disebut campuran miskin.

Hubungan langsung antara lambda (λ) dan stoikiometri dapat dihitung melalui harga lambda (λ) yang telah diketahui, perkalian lambda (λ) hasil pengukuran

terhadap AFR stoikiometri untuk bahan bakar yang dimaksud. Untuk memperoleh harga lamda (λ) dari nilai (F/A), dapat dihitung melalui pembagian F/A terhadap AFR stoikiometri. Biasanya lamda untuk bahan bakar biomassa sekitar 1,4 – 1,6 (Davidson, 2006). Persamaan reaksi ini dapat ditulis dengan:

ri stoikiomte A

A F

) / (

= λ

………..…. Dimana;

F = Jumlah bahan bakar (kg) A = Udara pembakaran (kg)

(43)

Untuk melakukan pembakaran diperlukan kalor, besarnya kalor yang dibutuhkan disebut dengan nilai kalor (calorific value). Jumlah nilai kalor yang dibutuhkan oleh setiap bahan bakar berbeda-beda tergantung dari titik nyalanya (flash poin). Nilai kalor juga dapat didefenisikan sebagai panas total yang diberikan saat bahan bakar yang digunakan terbakar sempurna dengan oksigen bebas. Nilai kalor dibagi menjadi dua bagian yaitu:

a. Nilai kalor atas

Nilai kalor atas disebut juga GHV (gross heating value), GCV (gross calorific value) atau HHV (higher heating value), yaitu; kalor laten yang dihasilkan dari uap air yang dapat digunakan untuk tujuan-tujuan yang berguna yang ditambahkan ke dalam nilai kalor bawah. Nilai HHVdapat dicari melalui persamaan Dulong (Muin, 1988), berikut;

HHV = 33.950C+144.200 [H2-(O2/8)]+9.400S ……….. Dimana,

HHV = Nilai kalor atas (higher heating value) (kJ/kg) C = Kandungan karbon dalam bahan bakar (%) H2 = Kandungan hidrogen dalam bahan bakar (%) O2 = Kandungan oksigen dalam bahan bakar (%) S = Kandungan sulfur dalam bahan bakar (%) b. Nilai kalor bawah

Nilai kalor bawah disebut juga NCV (net calorific value), NHV (net heating value) atau LHV (lower heating value), yaitu; kalor yang dihasilkan saat nilai kalor bahan bakar ditentukan, mengingat bahwa air dalam bentuk uap. Nilai (2.2)

(44)

LHV = HHV – 2.400 (M + 9H2) ………... Dimana,

LHV = Nilai kalor rendah (low heating value) (kJ/kg) HHV = Nilai kalor atas (higher heating value) (kJ/kg) M = Kandungan air dalam bahan bakar (%) H2 = Kandungan hidrogen dalam bahan bakar (%)

2.4. Perbandingan Udara Bahan Bakar (Air Fuel Ratio)

2.4.1. Perbandingan Udara Bahan Bakar Teoritis

Perbandingan udara bahan bakar teoritis atau stoikiometri menunjukkan kebutuhan udara minimum untuk pembakaran sempurna suatu bahan bakar. Perbandingan ini dapat dinyatakan dalam bentuk massa udara/massa bahan bakar, mol udara/mol bahan bakar, ataupun dalam bentuk volume udara/volume bahan bakar. Perbandingan ini dapat ditentukan dengan analisis ultimasi begitu terbakar. Perbandingan ini dihitung dengan membuat kesetimbangan massa oksigen pada reaktan dapat terbakar (karbon, hidrogen dan sulfur).

Perbandingan udara bahan bakar teoritis ditulis dengan persamaan:

232 , 0

2 yangdibutuhkandariudara perkgbahanbakar

O Massa F

teoretis

=     

 _……..

Dimana;

F = Jumlah bahan bakar (kg) A = Udara pembakaran (kg)

Faktor 0,232 merupakan fraksi massa oksigen dalam udara.

(45)

2.4.2. Perbandingan Udara Bahan Bakar Aktual

Angka perbandingan antara udara dan bahan bakar aktual untuk suatu proses pembakaran umumnya ditaksir dari pengukuran eksperimental komponen-komponen gas di dalam gas buang. Gas buang dapat dianalisis dengan menggunakan peralatan orsat. Untuk menentukan perbandingan antara udara dan bahan bakar aktual pada waktu membakar suatu bahan bakar maka analisis ultimasi dan analisis orsat sangat diperlukan. Setelah analisis gas buang dengan menggunakan gas analyser dan analisis ultimasi diketahui, maka perbandingan antara udara dan bahan bakar aktual dapat dihitung melalui persamaan:

(

)( )

(

)( )

768 , 0 12 % % 28 % 2 2       − + =     

 b f

aktual N C CO CO N F A ……… Dimana :

( )

p aktual bakar bahan udara an Perbanding F A aktual =      

Cb = Massa karbon yang sebenarnya terbakar per satuan massa bahan bakar.

Nf = Fraksi massa nitrogen dalam bahan bakar (dari analisis ultimasi).

0,768 = Fraksi massa nitrogen dalam udara. Harga Cb dapat dihitung melalui persamaan:

b C C

C = − _………...

Dimana:

C = Fraksi massa karbon dari analisis ultimasi begitu terbakar. Cr =Fraksi massa bahan bakar karbon yang tak terbakar di dalam

sisa.

(2.5)

(46)

Secara teoretis, oksigen dan karbon monoksida tidak dapat muncul secara serempak dalam gas buang tetapi biasanya keduanya muncul dalam proses pembakaran aktual disebabkan oleh pencampuran tak sempurna.

Apabila angka perbandingan antara udara dan bahan bakar aktual diketahui, maka persentase kelebihan udara dapat dihitung. Persentase kelebihan udara ditentukan melalui persamaan:

( ) ( )

(

) ( )

d p Udara Kelebihan Persentase

− − =

01 ,

0 _………

Dimana :

p = Angka perbandingan udara bahan bakar aktual d = Angka perbandingan udara bahan bakar teoretis

2.5. Proses Pembakaran Pada Tungku Pembakaran Fixed-bed

Boiler di pabrik kelapa sawit, pada umumnya menggunakan tungku pembakaran jenis fixed-bed. Pada tungku ini, distribusi bahan bakar ke dalam ruang pembakaran dilakukan secara overfeed. Udara pembakaran dialirkan melalui dua buah saluran udara, yaitu saluran udara primer (primary air) yang terletak di bagian bawah grate dan saluran udara sekunder (secondary air) yang terletak pada dinding bagian atas grate di sisi kiri dan kanan dinding.

Tungku pembakaran jenis fixed-bed merupakan tungku pembakaran biomassa menggunakan grate dengan model alas tetap atau tidak bergerak. Di mana bahan bakar yang akan dibakar ditumpuk di atas alas dasar (bed) tungku pembakaran (Gambar 2.1- 2.2). Pada tungku pembakaran fixed-bed terdapat susunan logam secara memanjang yang berfungsi sebagai alas dasar bahan bakar. Material logam yang

(47)

mempunyai lubang dengan jarak tertentu tersebut berguna untuk memasukkan udara dari bagian bawah tungku pembakaran. Jumlah bukaan lubang udara pada alas dasar (bed) tungku pembakaran antara 20-40 % dari total luas area grate (Woodruff, 1984).

Gambar 2.1. Pengumpanan Bahan Bakar PadaReaktor Fixed-bed.

Gambar 2.2. Jenis Grate Pada Reaktor PembakaranFixed-bed.

Proses pengumpanan bahan bakar biomassa ke dalam ruang pembakaran di boiler dilakukan dengan 2 cara, yaitu dengan bantuan peralatan mekanis (rotary feeder) dan operator (Gambar 2.3).

Gambar 2.3. Metode Pengumpanan Bahan Bakar pada Reaktor Fixed-bed

a) Wide grate, 1 in

b) Wide grate, 3 in

c) Coal Tupper grate

d) Sawdust grate

(48)

Di pabrik kelapa sawit, proses pengumpanan bahan bakar pada umum dilakukan dengan kombinasi dua cara tersebut di atas, yaitu secara mekanis dan manual. Kebanyakan prosedur pengisian bahan bakar ke dalam ruang pembakaran dilakukan dengan mengandalkan “feeling” dari seorang operator berdasarkan indikator tekanan presure gauge boiler. Apabila tekanan kerja boiler turun maka diberikan umpan bahan bakar secara banyak dan apabila bahan bakar yang diumpankan berlebih maka operator boiler yang berada di bagian bawah akan mengeluarkan sebagian bahan bakar yang berada di dalam boiler tersebut.

Cara pengisian bahan bakar yang dilakukan tanpa mempertimbangkan aspek stoikiometri (memenuhi prinsip kesetimbangan campuran antara bahan bakar dan udara) dapat menurunkan efisiensi pembakaran (karena boros bahan bakar). Proses pembakaran tidak sempurna yang diindikasikan dengan konsumsi bahan bakar yang boros akan memberikan dampak lain yang tidak kalah penting, yaitu penurunan kualitas lingkungan akibat peningkatan emisi pembakaran di udara.

Umpan bahan bakar yang tidak terkontrol dapat menyebabkan kelebihan bahan bakar di dalam ruang pembakaran. Tumpukan bahan bakar yang melebihi beban grate tersebut dapat menyebabkan bahan bakar sulit teroksidasi dengan baik karena propagasi api menjadi lambat akibat padatnya bahan bakar. Jumlah beban massa bahan bakar yang diumpankan ke dalam ruang bakar (grate) dapat ditentukan dapat ditentukan melalui persamaan berikut ini (De Souza and Santos, 2004)

Grate load =

grate fuel A HHV

(49)

Di mana:

HHV fuel : Nilai kalor tinggi bahan bakar (J/kg) A grate : Luas permukaan grate (mm2)

Penumpukan bahan bakar yang tidak terkontrol di atas grate ditambah dengan kandungan air yang relatif tinggi serta kurangnya pasokan udara pembakaran di dalam ruang pembakaran merupakan suatu kombinasi yang sangat kuat dalam menurunkan kualitas pembakaran (Hallett, 2005). Jumlah kandungan air yang berlebihan (<20%) di dalam bahan bakar biomasa sangat berpengaruh terhadap kenaikan volume gas buang karena dapat menurunkan temperatur nyala api pembakaran sehingga dapat menurunkan efisiensi pembakaran. Kondisi tersebut secara signifikan juga dapat mempengaruhi proses laju kecepatan pembentukan uap pada pembangkit uap (boiler). Tentu saja hal ini secara makro akan menurunkan produktivitas kerja unit proses pengolahan kelapa sawit di pabrik kelapa sawit.

Gambar 2.4. Hubungan Antara Udara Pembakaran dan Tebal Tumpukan Bahan Bakar Terhadap Pembentukan Emisi Gas Karbon

(50)

Gambar 2.4, menunjukkan pengaruh ketebalan tumpukan bahan bakar dan jumlah fluks massa udara primer terhadap tren evolusi karbon (carbon) pada saat proses oksidasi. Gambar tersebut menunjukkan bahwa, ada pengaruh yang cukup signifikan tebal tumpukan bahan bakar dan kecukupan pemberian udara pembakaran terhadap produksi emisi karbon monoksida (CO) dan karbon dioksida (CO2). Ini

artinya bahwa, jumlah udara dan tebal tumpukan bahan bakar sangat memegang peranan penting dalam proses oksidasi unsur karbon yang akan berevolusi menjadi emisi gas CO dan CO2.

2.6. Kinetika Reaksi Pembakaran

Proses pembakaran merupakan reaksi eksotermal, dimana ketika proses oksidasi tersebut berlangsung akan mengeluarkan sejumlah energi atau menghasilkan sejumlah kalor dengan suhu panas tertentu. Seperti diketahui bahwa temperatur pembakaran sangat mempengaruhi laju reaksi proses pembakaran. Berdasarkan pengalaman empiris diketahui bahwa proses pembakaran mempunyai konstanta laju yang mentaati persamaan Arrhenius;

RT E

Ae dt

dY ₌ − / _……….

Di mana;

Y : Fraksi massa = m(t)/mi mi : Massa awal

m(t) : Massa yang berubah terhadap waktu dY : Penurunan fraksi massa

dt : Perubahan waktu (dt)

A : Faktor pre-eksponensial (%/s) e : Bilangan natural (2,72) E : Energi aktifasi bahan (J/mol)

(51)

R : Konstanta gas (8,31 J/mol K)

T : Suhu pembakaran (K)

Dengan demikian untuk proses pembakaran, ternyata bahwa grafik antara ln [dY/dt] terhadap 1/T akan menghasilkan garis lurus (Gambar 2.5).

Gambar 2.5. Kurva Hubungan Antara ln [dY/dt] dengan 1/T

Energi aktivasi (E) merupakan energi minimum yang harus dimiliki reaktan untuk membentuk suatu produk. Ketergantungan temperatur reaksi ditentukan oleh energi aktivasi dan tingkat temperatur dari reaksi. Sebagai contoh, reaksi fase pembentukan gas pembakaran terdapat banyak tumbukan dalam setiap detik, tetapi hanya sebagian kecil diantaranya yang cukup berenergi untuk menghasilkan reaksi. Fraksi tumbukan dengan energi kinetika melebihi energi aktivasi (E) yang dinyatakan dengan distribusi Boltszmann e –E/RT. Jadi, faktor eksponensial dapat ditafsirkan sebagai fraksi tumbukan yang mempunyai cukup energi untuk menghasilkan reaksi.

Slope = −�

�

ln=

��

� y = ax - c

(52)

Energi aktivasi dalam proses pembakaran biomasa (pers. 2.9) selanjutnya dapat diubah menjadi:

RT E A dt

dY ₌ ₋

ln ln

Dengan melakukan pengujian di laboratorium terhadap bahan bakar dengan metode thermogravimetry maka akan diperoleh pasangan dY/dt dan T, sehingga dapat dibuat grafik hubungan antara ln (dY/dt) dengan 1/T. Kurva yang terbentuk tersebut kemudian dapat dicari persamaan garis lurusnya melalui metode regresi linear seperti pada Gambar 2.5.

Persamaan linier yang diperoleh dari hubungan kurva ln [dY/dt] dan 1/T tersebut dimasukkan ke dalam persamaan 2.10, sehingga diperoleh persamaan 2.11. sebagai berikut;

y= ax - c

  c

x ln 1 ln A T R E dt dY a y − − =    ………….………..

Dengan demikian energi aktivasi dapat diperoleh dari persamaan 2.12 berikut ini;

E = -aR ………...

Sementara itu nilai faktor pre-eksponensial (A) diperoleh dengan cara meneruskan grafik y = ax - c hingga memotong sumbu y atau (1/T = 0), dimana;

RT E A dt

dY ₌ ₋

ln ln ……… 0 1₌ = T dt dY A ……….………… 0 (2.10) (2.11) (2.12) (2.14) (2.13)

(53)

2.7. Rencana Penelitian

Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa fokus dari kegiatan riset ini adalah melakukan kajian tentang pengaruh rasio udara pembakaran antara udara primer dan sekunder terhadap efisiensi proses pembakaran serat buah sawit. Adapun parameter efisiensi pembakaran yang diamati antara lain; nilai kalor rendah bahan bakar (Low Heating Value), kadar CO2 teoritis, kadar oksigen di dalam gas buang, suhu gas

buang, kandungan air di dalam emisi gas buang dan suhu pembakaran di dalam reaktor pembakaran.

Kegiatan riset yang akan dilakukan ini termasuk dalam kategori penelitian eksperimental, untuk itu dibutuhkan sebuah reaktor pembakaran yang digunakan untuk kegiatan eksperimen. Jenis reaktor pembakaran yang digunakan dalam riset ini adalah fixed-bed. Pengamatan kondisi pembakaran pada saat eksperimen dilakukan dengan bantuan beberapa alat instrumen, antara lain;

1. Thermocouple jenis K. Alat ini digunakan untuk mendeteksi besaran suhu pembakaran hingga 1.375 OC. Jumlah thermocouple yang digunakan untuk pengamatan suhu di dalam ruang pembakaran sebanyak 9 batang.

2. Gas analyzer. Alat ini digunakan untuk mengukur kadar emisi gas buang yang dihasilkan dari tiap kondisi pembakaran. Alat tersebut dapat mengukur jumlah emisi gas pembakaran terutama gas CO, CO2 dan O2.

3. Anemometer. Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara pembakaran yang dialirkan ke dalam ruang pembakaran. Laju kecepatan aliran

(54)

udara yang didistribusikan pada saluran udara primer dan sekunder, debitnya diukur dengan menggunakan alat ini.

4. Data logger. Digunakan untuk merekam data hasil eksperimen secara langsung (real time) dari kondisi proses pembakaran. Alat ini secara otomatis dapat memasukkan data hasil pengukuran perkembangan suhu pembakaran yang terjadi di dalam ruang bakar.

5. Neraca analitik (Scales). Alat ini digunakan untuk menimbang berat massa serat yang akan digunakan untuk setiap kali proses pembakaran pada setiap eksperimen.

2.7.1. Kerangka Konseptual Penelitian

Sebagaimana dijelaskan sebelumnya, bahwa kegiatan riset yang dilakukan ini dilatar-belakangi adanya fenomena asap berwarna hitam dan putih pekat yang sering muncul di saluran gas buang boiler pabrik kelapa sawit. Di mana, diduga kuat kejadian tersebut mengindikasikan bahwa proses pembakaran bahan bakar biomassa sawit di dalam ruang bakar boiler berlangsung dengan tidak sempurna.

Secara konseptual, kerangka berpikir dari kegiatan riset ini ditunjukkan seperti tampak pada Gambar 2.5.

(55)

Fakta di lapangan: Adanya suatu fenomena bahwa di cerobong gas asap boiler pabrik kelapa sawit (PKS) mengeluarkan asap yang berwarna hitam dan putih pekat

Dampak:

1. Dapat menurunkan kualitas lingkungan (menimbulkan pencemaran udara)

2. Konsumsi bahan bakar menjadi boros 3. Efisiensi boiler turun 4. Energi dalam bentuk kalor yang digunakan untuk keperluan proses produksi minyak sawit di PKS dapat mengalami penurunan

Studi Literatur:

1. Penyebab asap (hitam dan putih) pekat dikarenakan proses pembakaran berlangsung tidak sempurna

2. Pembakaran di boiler, terutama pada bahan bakar padat (biomass) diperlukan pengaturan udara pembakaran yang tepat antara udara primer dan udara sekunder

3. Pengaturan udara pembakaran pada kedua saluran udara tersebut harus mengacu pada kharakteristik bahan bakar

4. Biomassa memiliki kadar volatile matter (VM) 70% lebih tinggi dibanding fixed carbonnya (FC) sekitar 30%

5. Fungsi udara primer untuk mengoksidasi carbon sedangkan udara sekunder untuk oksidasi volatile matter

Identifikasi masalah:

Asap (hitam dan putih) pekat yang muncul dari saluran gas buang (cerobong asap) di boiler pabrik kelapa sawit (PKS) mengindikasikan bahwa proses pembakaran biomasa sawit berlangsung tidak sempurna. Hal ini diduga kuat akibat proses oksidasi bahan bakar dengan udara pembakaran tidak berlangsung baik. Agar proses oksidasi unsur bahan bakar dengan oksigen berlangsung secara komplit maka campuran kedua reaktan tersebut harus homogen. Dengan mempertimbangkan kharakteristik bahan bakar, maka diperlukan pengaturan jumlah rasio udara pembakaran yang tepat, baik pada saluran udara primer maupun udara sekunder agar proses oksidasi berlangsung dengan baik. Oleh karena itu, tujuan dari kegiatan riset ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer dan sekunder terhadap efisiensi pembakaran serat buah kelapa sawit.

Eksperimen:

Pengaruh rasio udara pembakaran antara udara primer dan sekunder terhadap efisiensi pembakaran serat buah kelapa sawit.

Rasio udara pembakaran antara udara primer (PA) dan udara sekunder (SA) divariasikan pada rasio (PA:SA); (20:80), (35:65), (50:50), (65:35), dan (80:20). Dengan rasio yang digunakan sebagai kontrol (65:35)

Alat & Bahan:

1. Fixed bed reactor, mengacu pada metode SUWIC dengan diameter ID 200 mm dan tinggi 1500 mm

2. Serat buah kelapa sawit (serabut)

Instrument:

1. Thermocouple 2. Gas analyzer 3. Anemometer 4. Data logger 5. Neraca analitik 6. Oven 7. Desicator 8. Cawan petridish 9. Stop watch

Parameter yang dikontrol:

1. Jumlah aliran massa udara pembakaran

2. Jumlah massa serat buah kelapa sawit (serabut)

Data:

1. Kadar air di dalam bahan bakar serat 2. Suhu pembakaran di dalam reaktor fixed bed 3. Nilai kalor rendah bahan bakar (Low Heating Value), kadar CO₂ teoritis, kadar oksigen di dalam gas buang, dan suhu gas buang.

4. Kerugian panas akibat kandungan air di gas buang. 5. Kharakteristik pembakaran serat buah sawit melalui metode TGA

Analisis Data:

Deskriptif, regresi linier dan one way anova

Pelaporan

(56)

BAB 3

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu

Kegiatan riset ini diawali dengan observasi lapangan di beberapa pabrik kelapa sawit (PKS) yang ada di sekitar Provinsi Sumatera Utara yang dilakukan dalam kurun waktu antara tahun 2007-2008. Kemudian dilanjutkan dengan observasi di Laboratorium Pembakaran Growth Center- Kopertis Wilayah I pada bulan Januari 2009. Kegiatan eksperimen dilakukan di Laboratorium Rekayasa Teknologi dan Pengelolaan Lingkungan (RTPL) Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS) pada bulan Februari 2011.

3.2. Bahan dan Alat

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah serat buah kelapa sawit (mesocarp) yang diperoleh dari PT. Perkebunan Nusantara (PTPN) IV di PKS Adolina dengan kadar air rata-rata 35,32% dan kadar minyak 4,5%. Serat diambil dari keluaran mesin screw press yang terletak di stasiun pengepresan pabrik kelapa sawit (PKS). Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah reaktor pembakaran fixed bed yang dilengkapi dengan saluran udara primer dan udara sekunder. Kecepatan aliran udara pembakaran yang melewati saluran udara primer dan sekunder diukur dengan alat digital anemometer merk Kanomax model 6701. Suhu pembakaran diukur dengan thermocouple jenis K yang dapat mengukur suhu hingga 1.370 OC.

(57)

Thermocouple tersebut kemudian dihubungkan dengan data logger merk Graphtec

tipe midi Logger GL800.

Neraca analitik (timbangan) yang digunakan untuk pengukuran massa serat buah kelapa sawit bermerek Lion Star dengan maksimum beban adalah 4,95 kg dan ketelitian 25 gram. Untuk mendeteksi suhu pada berbagai lokasi di reaktor pembakaran fixed bed diperlukan thermocouple sebanyak 9 batang. Untuk mengukur jumlah emisi gas buang yang dihasilkan dari setiap kali eksperimen digunakan gas analyzer merk Kane May tipe 9106. Sebelum digunakan, gas analyzer perlu diatur ulang beberapa konstantanya sesuai buku petunjuk penggunaan terutama dalam penentuan konstanta K1g, K1n, K2, K3 dan K4 untuk analisa bahan bakar berbasis biomasa.

Proses dekomposisi termal untuk mengetahui kharakteristik pembakaran

mesocarp dilakukan dengan metode thermogravimetry (TGA) dengan laju pemanasan 5OC/menit dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Institut

Teknologi Sepuluh November (ITS). Mesin TGA yang digunakan untuk proses dekomposisi termal adalah METTLER TOLEDO TGA tipe DSC-1.

3.3. Pendekatan Metode

Reaktor pembakaran jenis fixed-bed yang digunakan untuk keperluan eksperimen mengadopsi reaktor pembakaran Sheffield University Waste Incineration Centre (SUWIC) (Frisberg and Blasials, 2000). Adapun set-up instrumen penelitian yang dipasang pada reaktor ditunjukkan pada Gambar 3.1.

(58)

Gambar 3.1. Reaktor Pembakaran Jenis Fixed-Bed beserta Instrumennya

Gambar 3.1, menunjukkan set-up instrumen penelitian yang diinstalasikan pada reaktor pembakaran fixed-bed. Ruang pembakaran (combustion chamber) pada

(59)

reaktor tersebut menggunakan material stainless steel AISI 316 tebal 5 mm dengan diameter dalam 200 mm dan tinggi 1500 mm. Dengan mempertimbangkan faktor keamanan dan keselamatan pada saat eksperimen berlangsung maka dinding bagian luar reaktor diselubungi oleh material penahan panas (isolator) berupa rock wall

dengan ketebalan 20 mm dan dibalut (clading) dengan material aluminium tebal 1 mm.

Saluran udara pembakaran dialirkan melalui dua masukan, dari bagian bawah dan dinding samping (wall) reaktor. Saluran udara primer dipasang pada dari bagian bawah reaktor dan saluran udara sekunder dipasang pada bagian dinding reaktor. Pada masing-masing saluran udara pembakaran tersebut dipasang sebuah instrumen pengukur kecepatan aliran udara (anemometer).

Alas (bed) tempat dudukan bahan bakar serat sawit atau biasa disebut dengan

grate dibuat berlubang-lubang. Fungsi dari lubang tersebut adalah untuk memasukkan udara pembakaran dari bagian bawah reaktor (primary air). Dimana, jumlah lubang perforasi udara tersebut adalah 332 lubang dengan diameter lubang 6 mm. Jumlah bagian grate yang terbuka tersebut ekuivalen dengan luas 9.424,78 mm2 atau 30% dari luas permukaan grate (31.416 mm2).

Luas lubang perforasi udara primer (9.424,78 mm2) tersebut mengikuti

standar luas bukaan grate (open area) yang berkisar 20-40% (Woodruff,1984). Untuk menghindari perubahan bentuk (deformasi) grate pada saat eksperimen dilakukan maka grate dibuat dari material cast iron dengan ketebalan sekitar 15 mm. Untuk

(60)

dipasangkan sensor panas. Ada 9 sensor suhu yang dipasang pada reaktor pembakaran, sensor suhu yang dipasang adalah jenis K. Dimana, pemasangannya diatur dengan posisi ujung sensor berada pada bagian tengah ruang pembakaran. Secara detil jarak pemasangan thermocouple dan secondary air (SA) seperti ditunjukkan pada Tabel 3.1. Sementara itu, saluran udara sekunder yang dibuat pada dinding bagian samping atas dari reaktor jaraknya sekitar 0,5 D dari bagian atas tumpukan bahan bakar yang akan dibakar.

Titik sampling emisi gas (tempat sampling gas analyzer) berada pada bagian saluran gas buang dengan diameter sampling port 15 mm. Reaktor pembakaran dilengkapi load cell untuk mengukur jumlah bahan bakar yang dimasukkan ke dalam reaktor. Data hasil pengukuran suhu pembakaran yang diperoleh selama kegiatan eksperimen direkam dengan menggunakan sistem data akuisisi (data acquisition system ).

Tabel 3.1. Jarak Pemasangan Thermocouple, Secondary Air dan Sampling Port. Item Jarak Pasang

(mm) Keterangan

TC1 100 Di bawah grate pada saluran udara masuk

TC2 0 Di atas grate

TC3 80 Di bed bahan bakar/di atas grate

TC4 160 Di bed bahan bakar/di atas grate

TC5 240 Di bed bahan bakar/di atas grate

TC6 320 Di bed bahan bakar/di atas grate

TC7 400 Di bed bahan bakar/di atas grate

Top Level of Fuel 480 Di atas grate Secondary Air I 580 Di atas grate

TC 8 780 Di atas grate

TC 9 1400 Di atas grate

(61)

Pada saat memulai pembakaran (start-up) bahan bakar dilakukan dengan bantuan pembakar luar (pilot burner) menggunakan gas LPG. Setelah bahan bakar mulai terbakar kemudian pilot burner dimatikan. Untuk mengontrol aliran udara pembakaran yang masuk di dalam ruang bakar digunakan kran penutup udara (stop valve) yang jumlah bukaannya disesuaikan dengan jumlah kecepatan aliran udara yang dikehendaki berdasarkan kondisi eksperimen yang telah ditentukan.

3.4. Disain Penelitian

Kegiatan eksperimen dilakukan dengan mengacu pada rumusan masalah seperti telah diuraikan pada sub bab 1.2, dimana variabel yang digunakan sebagai prediktor (variabel x) penentu efisiensi proses pembakaran dan suhu pembakaran di dalam reaktor fixed bed adalah jumlah rasio udara pembakaran antara udara primer (PA) dan udara sekunder (SA). Secara berurutan pengaturan jumlah persentase rasio udara pembakaran PA:SA (%) adalah 80:20, 65:35, 50:50, 35:65, dan 20:80. Adapun disain penelitian dalam riset ini dijabarkan seperti disajikan pada Tabel 3.2.

Tabel 3.2. Disain Penelitian Variabel Bebas

Variabel Terikat

[PA : SA] (m/s) [80:20]

(0,92:0,23)

[65:35] (0,75:0,40)

[50:50] (0,58:0,58)

[35:65] (0,40:0,75)

[20:80] (0,23:0,92) Oksigen (O2) O2 (80:20) O2 (65:35) O2 (50:50) O2 (35:65) O2 (20:80)

Suhu Pembakaran (RT) RT(80:20) RT(65:35) RT(50:50) RT(35:65) RT (20:80)

(1)

No Waktu Ts Massa Awal Massa Aktual Laju Penurunan Ts (K) X Y T2

x (1-x) (Detik) (O

C) (mg) (mg) Massa (mg/min) (K)

69 4080 360 4,2059 1,15 0,0181 633,15 0,001579405 -12,296920 400878,9225 0,8396 0,1604 70 4140 365 4,2059 1,13 0,0177 638,15 0,00156703 -12,296018 407235,4225 0,8445 0,1555 71 4200 370 4,2059 1,11 0,0170 643,15 0,001554847 -12,295414 413641,9225 0,8491 0,1509 72 4260 375 4,2059 1,09 0,0169 648,15 0,001542853 -12,294491 420098,4225 0,8538 0,1462 73 4320 380 4,2059 1,08 0,0164 653,15 0,001531042 -12,293752 426604,9225 0,8583 0,1417 74 4380 385 4,2059 1,06 0,0163 658,15 0,00151941 -12,292704 433161,4225 0,8628 0,1372 75 4440 390 4,2059 1,05 0,0158 663,15 0,001507954 -12,291827 439767,9225 0,8671 0,1329 76 4500 395 4,2059 1,03 0,0158 668,15 0,00149667 -12,290509 446424,4225 0,8714 0,1286 77 4560 400 4,2059 1,01 0,0156 673,15 0,001485553 -12,289036 453130,9225 0,8757 0,1243 78 4620 405 4,2059 1,00 0,0150 678,15 0,0014746 -12,287809 459887,4225 0,8798 0,1202 79 4680 410 4,2059 0,98 0,0153 683,15 0,001463807 -12,285910 466693,9225 0,8840 0,1160 80 4740 415 4,2059 0,97 0,0145 688,15 0,001453172 -12,284451 473550,4225 0,8880 0,1120 81 4800 420 4,2059 0,96 0,0142 693,15 0,001442689 -12,282872 480456,9225 0,8919 0,1081 82 4860 425 4,2059 0,94 0,0138 698,15 0,001432357 -12,281344 487413,4225 0,8957 0,1043 83 4920 430 4,2059 0,93 0,0135 703,15 0,001422172 -12,279788 494419,9225 0,8994 0,1006 84 4980 435 4,2059 0,91 0,0135 708,15 0,00141213 -12,277736 501476,4225 0,9031 0,0969 85 5040 440 4,2059 0,90 0,0137 713,15 0,00140223 -12,274989 508582,9225 0,9069 0,0931 86 5100 445 4,2059 0,89 0,0137 718,15 0,001392467 -12,271694 515739,4225 0,9106 0,0894 87 5160 450 4,2059 0,87 0,0133 723,15 0,001382839 -12,268408 522945,9225 0,9143 0,0857 88 5220 455 4,2059 0,86 0,0136 728,15 0,001373343 -12,264264 530202,4225 0,9180 0,0820 89 5280 460 4,2059 0,85 0,0132 733,15 0,001363977 -12,260042 537508,9225 0,9216 0,0784 90 5340 465 4,2059 0,83 0,0127 738,15 0,001354738 -12,255919 544865,4225 0,9251 0,0749 91 5400 470 4,2059 0,82 0,0132 743,15 0,001345623 -12,250443 552271,9225 0,9287 0,0713 92 5460 475 4,2059 0,81 0,0129 748,15 0,00133663 -12,244767 559728,4225 0,9323 0,0677 93 5520 480 4,2059 0,80 0,0127 753,15 0,001327757 -12,238667 567234,9225 0,9358 0,0642

94 5580 485 4,2059 0,78 0,0128 758,15 0,001319 -12,231658 574791,4225 0,9393 0,0607

95 5640 490 4,2059 0,77 0,0124 763,15 0,001310358 -12,224462 582397,9225 0,9427 0,0573 96 5700 495 4,2059 0,76 0,0123 768,15 0,001301829 -12,216508 590054,4225 0,9460 0,0540 97 5760 500 4,2059 0,75 0,0124 773,15 0,00129341 -12,207378 597760,9225 0,9495 0,0505

(2)

106 6300 545 4,2059 0,64 0,0105 818,15 0,00122227 -12,078370 669369,4225 0,9777 0,0223 107 6360 550 4,2059 0,63 0,0103 823,15 0,001214845 -12,055669 677575,9225 0,9805 0,0195 108 6420 555 4,2059 0,62 0,0099 828,15 0,001207511 -12,030415 685832,4225 0,9832 0,0168 109 6480 560 4,2059 0,61 0,0102 833,15 0,001200264 -11,998721 694138,9225 0,9860 0,0140 110 6540 565 4,2059 0,60 0,0099 838,15 0,001193104 -11,961165 702495,4225 0,9887 0,0113 111 6600 570 4,2059 0,59 0,0096 843,15 0,001186029 -11,915155 710901,9225 0,9914 0,0086 112 6660 575 4,2059 0,58 0,0096 848,15 0,001179037 -11,852613 719358,4225 0,9940 0,0060 113 6720 580 4,2059 0,57 0,0098 853,15 0,001172127 -11,753547 727864,9225 0,9967 0,0033 114 6780 585 4,2059 0,56 0,0098 858,15 0,001165297 -11,504003 736421,4225 0,9994 0,0006 115 6840 590 4,2059 0,55 0,0095 863,15 0,001158547 0,000000 745027,9225 1,0000 0,0000 116 6900 595 4,2059 0,54 0,0092 868,15 0,001151875 0,000000 753684,4225 1,0000 0,0000 117 6960 600 4,2059 0,54 0,0093 873,15 0,001145279 0,000000 762390,9225 1,0000 0,0000

Interpolasi

No Waktu Ts Massa Awal Massa Aktual Laju Penurunan Ts (K) X Y T2

x (1-x)

(Detik) (O

C) (mg) (mg) Massa (mg/min) (K)

30 1740 165 4,2059 3,5683 0,0056 438,1500 0,0023 -13,8137 191975,4225 0,1750 0,8250 31 1800 170 4,2059 3,5626 0,0057 443,1500 0,0023 -13,8266 196381,9225 0,1765 0,8235 Xn 1776 168 4,2059 3,5649 0,0057 441,1500 0,0023 -13,8214 194619,3225 0,1759 0,8241 56 3300 295 4,2059 2,25659 0,10512 568,15 0,001760099 -12,95205969 322794,4225 0,534876357 0,465123643 57 3360 300 4,2059 2,13666 0,11993 573,15 0,001744744 -12,87804162 328500,9225 0,567784268 0,432215732 Xn 3336 298 4,2059 2,184632 0,114006 571,15 0,001750886 -12,90764885 326218,3225 0,554621104 0,445378896 59 3480 310 4,2059 1,84606 0,15352 583,15 0,001714825 -12,69500895 340063,9225 0,647522776 0,352477224 60 3540 315 4,2059 1,68009 0,16597 588,15 0,001700247 -12,58750502 345920,4225 0,693063725 0,306936275 Xn 3516 311 4,2059 1,812866 0,15601 584,15 0,001711909 -12,67350817 341235,2225 0,656630965 0,343369035

Pengaruh Rasio Udara Pembakaran Antara Udara Primer Dan Sekunder Terhadap Efisiensi Pembakaran Serat Buah Sawit Pada Reaktor Pembakaran Fixed-Bed

ABSTRAK

ABSTRACT

KATA PENGANTAR

RIWAYAT HIDUP

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL

DAFTAR GAMBAR

DAFTAR LAMPIRAN

DAFTAR ISTILAH

ABSTRAK

ABSTRACT

(

)( )

(

)( )

( )

( ) ( )

(

) ( )

ln=

Interpolasi

L

am

pi

ran

8

.

Has

il P

en

gu

jian

Meso

car

p

D

en

gan

Met

od

e T

Parts

Dokumen yang terkait

Uji Pengaruh Kerapatan Saluran Udara dan Ketinggian Minyak Goreng Bekas Terhadap Kualitas Pembakaran Kompor Biobriket Limbah Sawit

PENDAHULUAN Pengaruh Variasi Kecepatan Udara Terhadap Temperatur Pembakaran Pada Tungku Gasifikasi Sekam Padi.

TUGAS AKHIR PENGARUH KECEPATAN UDARA PADA TUNGKU Pengaruh Kecepatan Udara Pada Tungku Gasifikasi Sekam Padi Terhadap Temperatur Pembakaran.

PENDAHULUAN Pengaruh Kecepatan Udara Pada Tungku Gasifikasi Sekam Padi Terhadap Temperatur Pembakaran.

PENGARUH KOMPOSISI PARTIKEL BATUBARA DAN PROSENTASE UDARA PRIMER PADA PEMBAKARAN BATUBARA SERBUK (PULVERIZED COAL).

PENGENALAN SILINDER PEMBAKARAN DAN PROSES PEMBAKARAN PADA MESIN BENSIN

74 PEMBAKARAN BRIKET BIOMASSA CANGKANG KAKAO PENGARUH TEMPERATUR UDARA PREHEAT

Proses kimia bahan kulit - kimia

212071128 Perbandingan Pembakaran Udara Stoikiometri

ANALISA ALIRAN FLUIDA UDARA MASUK TERHADAP KEBUTUHAN UDARA PEMBAKARAN DIESEL ENGINE - ITS Repository

Dokumen yang Anda mencari sudah siap untuk unduhkan