Analisis Performansi Reaktor Gesifikasi Updraft dengan Variasi Rasio Campuran Udara dan Oksigen.

(1)

TESIS

ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI

UPDRAFT

DENGAN VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA

DAN OKSIGEN

I Gede Hendra Gunawan

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS UDAYANA

DENPASAR

2016

(2)

TESIS

ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI

UPDRAFT

DENGAN VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA

DAN OKSIGEN

I Gede Hendra Gunawan (1191961004)

PROGRAM MAGISTER

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS UDAYANA

DENPASAR

(3)

ANALISIS PERFORMANSI REKTOR GASIFIKASI

UPDRAFT

DENGAN

VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA DAN OKSIGEN

Tesis Untuk Memperoleh Gelar Magister

Pada Program Magister, Program Studi Teknik Mesin

Program Pascasarjana Universitas Udayana

I Gede Hendra Gunawan

NIM 1191961004

PROGRAM MAGISTER

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS UDAYANA

2016

(4)

iii

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

UNIVERSITAS UDAYANA

PROGRAM PASCA SARJANA

PROGRAM MEGISTER TEKNIK MESIN

Basement Floor, Gedung Pasca Sarjana, Kampus Sudirman, Denpasar Bali Telp. +62-361-241390, Fax. +62-361-241390 Email: magister.mesin@me.unud.ac.id

atau s2mesin.udayana@yahoo.com

website: http://www.pps.unud.ac.id/ind/program-magister-teknik-mesin

Lembar Pengesahan

TESIS INI TELAH DISETUJUI PADA TANGGAL, JANUARI 2016

Dosen Pembimbing I

Dr. Eng. Made Sucipta, ST, MT

NIP. 19741114 200012 1 001

Mengetahui,

Ketua Program Megister Teknik Mesin Direktur Program Pascasarjana Program Pascasarjana Universitas Udayana Universitas Udayana

Prof.Dr.Ir. I Gusti BagusWijaya Kusuma Prof.Dr.Made Budiarsa,M.A. NIP.19700607 199303 1 002 Nip.195301071981031002

Dosen Pembimbing II

Prof. I Nym. Suprapta Winaya, ST, MASc, PhD NIP. 19691231 199412 1 001

(5)

Tesis Ini Telah Diuji Pada

Tanggal 14 Januari 2016

Panitia Penguji Tesis Berdasarkan SK Rektor

Universitas Udayana, No : 0277/UN14.4/HK/2016

Ketua

: Dr. Eng. Made Sucipta,ST,MT

Anggota :

1. Prof. I Nyoman Suprapta Winaya, ST.,MASc.,PhD

2. Prof. Dr. Ir. I Gusti Wijaya Kusuma

3. I Made Widiyarta, ST., Msc.,PhD

4. Dr. I KG Sugita

(6)

SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT

NAMA : IGEDE HENDRA GUNAWAN NIM :1191961004

PROGRAM STUDI : PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS UDAYANA

JUDUL PROPSAL TESIS : ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI UPDRAFT DENGAN VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA DAN OKSIGEN

Dengan ini menyatakan bahwa proposal karya ilmiah ini bebas plagiat. Apabila di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan perundang – undangan yang berlaku

Denpasar,18 Agustus 2016 Yang membuat pernyataan

(7)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa, karena atas Berkat-Nya penulis dapat menyelesaikan Tesis ini dengan baik. Tesis ini dengan judul “Analisis Performansi Reaktor Gasifikasi Updrfat Dengan Variasi Rasio Campuran oksigen Dan Udara”.

Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan untuk memperoleh gelar Master pada Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana.

Dalam penyusunan Tesis ini penulis banyak mendapat bantuan serta bimbingan dari berbagai pihak sehingga pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada, Ketua Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana, Pembimbing Akademik, Dosen Pembimbing I, Dosen Pembimbing II, Keluarga yang slalu memberikan dukungan, Teman-teman mahasiswa Megister Teknik Mesin Universitas Udayana dan semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dalam penulisan Tesis ini.

Penulis menyadari bahwa dalam Tesis ini masih banyak kekurangannya baik dalam isi maupun pengkajiannya oleh karena itu kritik dan saran sangat penulis harapkan agar menjadi lebih baik.

Denpasar , Januari 2016 Penulis

(8)

ABSTRAK

ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI

UPDRAFT

DENGAN

VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA DAN OKSIGEN

Tempurung kelapa dapat dengan mudah didapatkan karena jumlahnya

melimpah dan untuk sekarang ini hanya dimanfaatkan sebagai arang saja. Dengan

mengetahui komposisi dan kandungan kimia yang terdapat di dalam tempurung

kelapa, bahan tersebut dapat dijadikan sumber energi alternatif melalui proses

gasifikasi.

Ada beberapa jenis gasifikasi

Fixed Bed

yaitu : Gasifikasi

Updraft

,

Downdraft

dan

Crossdrfat.

Pada penelitian ini tempurung kelapa dapat dijadikan bahan bakar gas

melalui proses gasifikasi menggunakan gasifikasi updraft.

Proses gasifikasi

dilakukan dengan menggunakan reaktor updraft yang dibuat 2

inlet

tempat masuknya

udara dan oksigen murni sebagai agen gasifikasi. Variasi I (100% udara) dengan laju

aliran masa agen 37 lpm, Variasi II(75% udara dan 25% oksigen murni) dengan laju

aliran pada masing -masing inlet 23 lpm untuk udara dan 0,5 lpm untuk oksigen,

variasi III(50% udara dan 50 % oksigen) dengan laju aliran pada masing – masing

inlet 12 lpm untuk udara dan1,5 lpm untuk oksigen,variasi IV (25% udara dan 75%

oksigen murni) dengan laju aliran masa padamasing –masing inlet 4 lpm untuk

udara dan 2 lpm untuk oksigen serta variasi V (menggunakan 100% oksigen murni)

dengan laju aliran masa 2 lpm. Dimensi reaktor yang digunakan dalam penelitian,

dengan tinggi reaktor dari dasar penyangga sampai bagian atas 70 cm dan diameter 6

inch,

Dari hasil penelitian FCR aktual untuk 100% udara = 9,716 kg/jam, FCR

dengan ditambahkan 25% oksigen = 5,787 kg/jam, FCR dengan ditambahkan 50%

oksigen = 3,133 kg/jam, FCR dengan ditambahkan 75% = 2,84 kg/jam, FCR dengan

100% oksigen = 2,09 kg/jam, dari masing – masing penelitian akan menghasilkan

energi masing – masing variasi : variasi I= 5,91 MJ/kg, variasi II=4,41 MJ/kg,

variasi III=10,12 MJ/kg,variasi IV=12,5 MJ/kg dan variasi V=13,4 MJ/kg. Efisiensi

gas yang dihasilkan sebesar 28,8%, 21,5%, 49,5%, 60,9% dan 65,4%. Dengan

penambahan oksigen murni akan mempengaruhi efisiensi gasifikasi akan

menghasilkan efisiensi dan energi gas yang lebih tinggi

Kata Kunci : Gasifikasi

Updraft

, Variasi agen gasifikasi, Tempurung kelapa

(9)

ABSTRACT

GASIFICATION REACTOR PERFORMANCE ANALYSIS UPDRAFT WITH

VARIATION RATIO AIR AND OXYGEN MIXTURE

Coconut shell can be easily obtained because of abundant and for now it is

only used as charcoal only. By knowing the chemical composition and content

contained in coconut shell, the material can be used as a source of alternative

energy through a gasification process. There are several types of gasification Fixed

Bed namely: Gasification updrafts, Downdraft and Crossdrfat.

In this study coconut shell can be used as fuel gas through a gasification

process using updraft gasification. Gasification process is performed by using the

updraft created 2 reactor inlet where the entry of air and pure oxygen as the

gasification agent. Variations I (100% air) with a flow rate of 37 lpm agent period,

the variation II (75% air and 25% pure oxygen) with the flow rate at each -masing

inlet for air 23 lpm and 0.5 lpm of oxygen, variation III ( 50% air and 50% oxygen)

with a flow rate on each - each inlet for air dan1,5 12 lpm lpm to oxygen, variation

IV (25% air and 75% pure oxygen) with a flow rate padamasing period -masing inlet

4 lpm for air and 2 lpm of oxygen as well as the variation V (using 100% pure

oxygen) to the mass flow rate of 2 lpm. Dimensions reactor used in the study, with a

high reactor from the bottom of the buffer to the upper 70 cm and a diameter of 6

inches,

From the research to 100% of actual FCR air = 9.716 kg / h, FCR with

added 25% oxygen = 5.787 kg / h, FCR with added 50% oxygen = 3.133 kg / h, FCR

with added 75% = 2.84 kg / hours, FCR with 100% oxygen = 2.09 kg / hour of each

- each study will produce energy each - each variation: variation of I = 5.91 MJ / kg,

variation II = 4.41 MJ / kg, variation III = 10.12 MJ / kg, IV variation = 12.5 MJ /

kg and variations of V = 13.4 MJ / kg. The efficiency of the gas produced by 28.8%,

21.5%, 49.5%, 60.9% and 65.4%. With the addition of pure oxygen will affect the

efficiency of gasification will generate energy efficiency and higher gas

Keywords: Gasification updrafts, Variation gasification agent, coconut shell

(10)

RINGKASAN

ANALISIS PERFORMANSI REAKTOR GASIFIKASI UPDRAFT DENGAN VARIASI RASIO CAMPURAN UDARA DAN OKSIGEN

I Gede Hendra Gunawan., Dr. Eng. Made Sucipta, ST, MT, Pembimbing I., dan Prof. I Nyoman Suprapta Winaya, ST, MASc,PhD, Pembimbing II.

Dalam penelitian ini bahan yang dugunakan pada proses gasifikasi adalah tempurung kelapa, dimana tempurung kelapa sangat mudah di dapatkan khususnya Indonesia. Selama ini tempurung kelapa hanya dimanfaatkan untuk arang saja. Pada proses gasifikasi digunakan metode gasifiaksi updraft karena disain yang sederhana dan tidak memiliki batasan jenis bahan bakar yang digunakan.

Pada penelitian ini bahan yang digunakan dalam pembuatan reaktor adalah pipa black steel dengan ukuran diameter 17 cm (6”) dan variasi campuran agen gasifikasi antara udara dan oksigen yang bertujuan untuk mendapatkan energi yang terbaik dan efisiensi gas yang paling tinggi. Variasi campuran agen gasifikasi yang digunakan antara udara dan oksigen, variasi I 37 lpm udara lingkungan, variasi II 23 lpm : 0,5 lpm, variasi III 12 lpm : 1,5 lpm, variasi IV 4 lpm : 2 lpm dan variasi V 2 lpm oksigen murni

Dari hasil penelitian efisiensi gas yang paling tinggi dihasilkan adalah menggunakan 100% oksisgen murni dengan energi yang dihasilkan 13,4 MJ/kg, dengan komposisi gas yang dihasilkan. CH4 = 1,73%, N2 = 5,04% ,CO = 19,68%,

O2 = 3,79%, CO2 = 64,98%, H2 = 4,20 bahan bakar dan efisiensi yang dihasilkan.

Dari hasil gas gasifikasi yang didapatkan proses lebih mengacu pada sisitem pembakaran dimana kompsisi dari CO2 yang relative sangat tinggi

(11)

DAFTAR ISI

SAMPUL DALAM ... i

PRASARAT GELAR ... ii

LEMBAR PENGESAHAN ... iii

PENETAPAN PANITIA PENGUJI ... iv

SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT ... v

KATA PENGHANTAR ... vi

ABSTRAK ... vii

ABSTRACT ... viii

RINGKASAN ... x

DAFTAR ISI ... xi

DAFTAR TABEL ... xii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1Latar Belakang ... 1

1.2Rumusan Masalah ... 4

1.3Batasan Masalah ... 5

1.4Tujuan Masalah ... 5

1.5Manfaat Penelitian ... 5

BAB II KAJIAN PUSTAKA ... 7

2.1 Biomasa ... 7

2.2 Komposisi Biomasa ... 8

2.3 Tempurung Kelapa ... 9

2.4 Produk Biomasa ... 9

2.5 Gasifikasi Biomasa ... 10

2.4.1 Gasifikasi Udara ... 13

2.4.2 Steam Gasification ... 13

2.4.2 Oxygen Gasification ... 14

(12)

xii

2.6 Reaktor Gasifikasi ... 15

2.6.1 Fixed Bed Gasifier ... 15

2.6.1.1 Updraft Gasifier ... 15

2.6.1.2 Downdraft Gasifier ... 16

2.6.1.3 Croosdraft Gasifier ... 18

2.6.2 Fluidized Bed ... 19

2.6.3 Reaktor Entrained Flow ... 20

2.7 Dasar – Dasar Proses Gasifikasi ... 22

2.7.1 Zona Pengeringan ... 22

2.7.2 Zona Pirolisa ... 23

2.7.3 Zona Oksidasi ... 24

2.7.4 Penambahan Udara Sekunder ... 25

2.7.5 Zona Reduksi ... 24

2.8 Parameter – Parameter Penting Dalam Gasifikasi ... 26

2.9 Pembakaran Bahan Bakar ... 30

2.9.1 Jumlah Udara Dalam Pembakaran ... 30

2.10 Masa Jenis Biomasa ... 31

2.11 Karakteristik Nyala Api ... 31

2.12 Efisiensi Gasifikasi ... 34

BAB III KERANGKA BERPIKIR, KONSEP DAN HIPOTESIS ... 37

3.1 Kerangka Berpikir ... 37

3.2 Konsep ... 38

3.3 Hipotesis ... 39

BAB IV METODE PENELITIAN ... 40

4.1 Rancangan Alat Uji ... 40

4.2 Waktu dan Tempat Penelitian ... 42

4.3 Ruang Lingkup Penelitian ... 43

4.4 Variabel Penelitian ... 44

4.4.1 Perancangan Detail ... 45

4.4.2 Menghitung Fuel Consumtion Rate (FCR) ... 48

4.4.3 Menghitung Air Fuel Rate (AFR) Dan Oxigen Fuel Rate (OFR) .. 49

(13)

xiii

4.4.5 Tinggi Reaktor ... 53

4.5 Penentuan Sumber Data ... 54

4.6 Bahan Penelitian ... 55

4.7 Instrumen Peneletian ... 57

4.8 Prosedur Penelitian ... 58

4.9 Analisis Data ... 62

4.10 Selesai ... 62

4.11 Penutup ... 62

BAB V HASIL PENELTIAN ... 63

5.1 Data Pengujian Awal ... 64

5.1.1 Hasil Analisa Proximate Dan Ultimate Tempurung Kelapa ... 65

5.1.2 Waktu Operasional Dan Masa Arang ... 63

5.2 Distribusi Temperatur Reaktor ... 65

5.3 Perhitungn Fuel Consumtion Rate Aktual (FCRa) ... 75

5.3.1 Perhitungaan SA dan SO aktual ... 77

5.3.2 Perhitungan Gas Gasifikasi ... 79

5.3.3 Perhitungan Afisiensi Gasifikasi ... 82

BAB VI PEMBAHASAN ... 87

6.1 Analisis Data ... 87

6.1.1 Analisis Reaktor Gasifikasi ... 87

6.1.2 Analisis Perbandingan Temperatur Variasi Agen Gasifikasi ... 89

6.1.3 Analisis Perbandingan Variasi Campuran Agen GasifikasiTerhadap Efisiensi Gasifikasi ... 91

BAB VII SIMPULAN DAN SARAN ... 93

7.1 Simpulan ... 93

7.1 Saran ... 93

(14)

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Gasification Proces and Their Products ... 12

Gambar 2.2 Updraft Gasifier ... 15

Gambar 2.3 Downdraft Gasifier ... 17

Gambar 2.4 Crossdraft Gasifier ... 19

Gambar 2.5 Flidized Bed Gasifier ... 20

Gambar 2.6 Reaktor Entrained Flow ... 21

Gambar 2.7 Nyala Api ... 33

Gambar 2.8 Perubahan Api Laminer dan Torbulen Terhadap Flow Velocity ... 34

Gambar 4.1 Penempatan Termokopel Pada Tabung Reakor Gasifier ... 40

Gambar 4.2 Skema Reaktor Gasifikasi ... 41

Gambar 4.3 Diagram Alir ... 60

Gambar 4.5 Diagram Alir ... 61

Gambar 5.1 Bahan Bakar Yang Digunakan ... 63

Gambar 5.2 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 100% Udara Lingkungan ... 66

Gambar 5.3 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 75% Udara dan 25% Oksigen Murni……….... 67

Gambar 5.4 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 50% Udara dan 50% Oksigen ………. 69

Gambar 5.5 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 25% Udara dan 75% Oksigen Murni …...………. 70

Gambar 5.6 Grafik Temparatur Perbandingan Agen Gasifikasi 100% Oksigen Murni………. 72

Gambar 5.7 Grafik Perbandingan Temperatur Agen Gasifikasi Terhadap Temperatur Rata – Rata Reaktor ... 73

Gambar 6.1 Tar Yang Dihasilkan Pada Proses Gasifikasi ... 87

(15)

Gambar 6.3 Distribusi Temperatur Reaktor Gasifikasi ... 89 Gambar 6.4 Persentase CO2 Yang Dihasilkan ... 90

(16)

xvi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Ultymate Analysis Biomasa ... 8

Tabel 2.2 Higher Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV) ... 36

Tabel 4.1 Jadwal Penelitian ... 43

Tabel 4.2 Menentukan laju Aliran Masa Yang Masuk Ke Reaktor ... 48

Tabel 4.4 Pencatatan Data Untuk Bahan Bakar Dari Tempurung Kelapa ... 54

Tabel 5.1 Hasil Pengujian Ultimate dan Proximate Analisis Tempurung Kelapa ... 64

Tabel 5.2 Kebutuhan Udara Untuk Proses Gasifikasi ... 64

Tabel 5.3 Variasi Dengan 100% Udara ... 65

Tabel 5.4 Variasi dengan Proses dengan 25% Oksigen :75 % Udara ... 67

Tabel 5.5 Variasi dengan Proses dengan 25% Oksigen :75 % Udara ... 67

Tabel 5.6 Variasi 3 Proses dengan 50% Oksigen :50 % Udara ... 68

Tabel 5.7 Variasi 4 Proses dengan 75% Oksigen :25 % Udara ... 68

Tabel 5.8 Variasi 5 Proses dengan 100% Oksigen ... 71

Tabel 5.9 Ditribusi Rata – Rata Temperatur Reaktor Gasifikasi ... 73

Tabel 5.10 Data Hasil Pengujian Abudnace Gas Gasifikasi ... 75

Tabel 5.11 Hasil Perhitungan FCR Aktual ... 77

Tabel 5.12 Kebutuhan Oksigen Bahan Bakar ... 79

Tabel 5.13 Persentase Kandungan Hasil Gasifikasi ... 81

Tabel 5.14 Persentase Kandungan Gas CO, CH4 dan H2 ... 82

Tabel 5.15 Produksi N ... 84

(17)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kebutuhan energi yang sangat tinggi pada saat ini menimbulkan suatu pemikiran untuk mencari alternatif sumber energi yang dapat membantu mengurangi pemakaian bahan bakar fosil. Hal ini disebabkan karena semakin meningkatnya kebutuhan manusia akan penggunaan bahan bakar fosil untuk digunakan pada mesin-mesin penggerak yang akan menyebabkan pencemaran lingkungan khususnya pencemaran lingkungan yang diakibatkan oleh emisi gas buang hasil dari pembakaran. Energi alternatif membawa dampak yang lebih baik terhadap lingkungan karena sifatnya yang ramah lingkungan dan bahan baku yang digunakan mudah didapat dan juga merupakan energi yang dapat diperbarui

Indonesia adalah negara agraris sehingga Indonesia mempunyai potensi akan biomassa yang sangat besar salah satunya adalah tempurung kelapa. Tempurung kelapa dapat dengan mudah didapatkan karena jumlahnya melimpah dan untuk sekarang ini hanya dimanfaatkan sebagai arang saja. Dengan mengetahui komposisi dan kandungan kimia yang terdapat di dalam tempurung kelapa, bahan tersebut dapat dijadikan sumber energi alternatif melalui proses gasifikasi.

Gasifikasi adalah suatu proses perubahan bahan bakar padat secara termokimia menjadi gas, dimana udara yang diperlukan lebih rendah dari udara yang digunakan untuk proses pembakaran. Proses gasifikasi terjadi di dalam

(18)

gasifier, dimana gasifier merupakan alat yang sederhana karena mekanisme operasinya. Akan tetapi keberhasilan dari gasifikasi dan penerapanya tidaklah mudah. Ini dikarenakan fenomena termodinamika untuk operasi gasifier tidak terlalu mendalam, sehingga perlu dilakukan pengkajian yang banyak untuk membantu proses gasifikasi. Proses gasifikasi biomasa dapat dilakukan dengan metode langsung dan tidak langsung, metode langsung dimana menggunakan udara atau oksigen untuk membangkitkan panas melalui reaksi eksotermis dan metode tidak langsung menggunakan panas yang ditransfer ke dalam reator dari luar (Reed,1988). Gasifikasi umumya terjadi 4 proses yaitu pengeringan, pirolisis, oksidasi dan reduksi. Proses pengeringan, pirolisis dan reduksi bersifat endotermis dan oksidasi bersifat eksotermis yang fungsinya menyediakan panas pada ketiga proses tersebut

Dalam proses gasifikasi dengan menggunakan oksigen murni sebagai agen gasifikasi dimana jumlah nitrogen terbatas jumlahnya bahkan tidak ditemukan sama sekali, gas yang dihasilkan mempunyai energi menengah sehingga baik jika digunakan pada mesin pembakaran dibandingkan proses gasifikasi dengan menggunakan media udara hanya menghasilkan energi yang rendah. Dalam proses gasifikasi dengan oksigen secara sederhana disalurkan oleh pipa yang dibuat menjadi suatu sistem plant dan selanjutnya melalui proses panas atau mungkin juga gas sintetis untuk menghasilkan chemical dan bahan bakar (Belie,1979)

(19)

Reaktor gasifikasi updraft memiliki tidak ada batasan jenis dan kualitas bahan bakar yang digunakan. Keuntungan utama dari reaktor updraft adalah kesederhanaan desainnya, tingkat pembakaran dari arang yang tinggi dan perpindahan panas di dalam reaktor yang memicu rendahnya suhu gas keluaran dan efisiensi gasifikasi yang tinggi. Karena perpindahan panas di dalam reaktor, bahan bakar dikeringkan pada bagian atas dari reaktor. sehingga bahan bakar dengan kadar air yang tinggi (60%) dapat digunakan. Lebih jauh, reaktor tipe ini dapat memproses partikel bahan bakar relatif kecil dan berbagai jenis bahan bakar. Kerugian terbesar adalah tingginya kadar tar dan gas pirolisis. Karena gas pirolisis dan tar tidak melewati zona pembakaran, sehingga tidak terbakar. Akan tetapi hal ini tidak terlalu penting jika gas digunakan untuk aplikasi pembakaran menggunakan burner. Akan tetapi jika dipergunakan untuk mesin pembakaran dalam, banyak proses pembersihan harus dilakukan (Reed, 1988). Hal-hal di atas menarik minat peneliti untuk menggasifikasi tempurung kelapa menggunakan reaktor gasifikasi updraft sebagai alternatif pembangkit kalor untuk industri. Rasio udara-bahan bakar teoritis adalah perbandingan jumlah udara yang bereaksi dengan bahan bakar untuk terjadinya proses pembakaran sempurna. Sedangkan rasio udara bahan bakar aktual adalah perbandingan jumlah udara dengan bahan bakar saat proses pembakaran berlangsung. Efisiensi pembakaran adalah perbandingan energi yang dihasilkan dengan energi yang diberikan. Nilai kalor proses pembakaran dapat mencapai 100 %, akan tetapi dengan adanya rugi-rugi, radiasi, konveksi dan pendinginan, secara teoritis nilai kalor pembakaran mencapai 93 % (Kinsky, 1997).

(20)

Sebagian dari reaktor gasifikasi menggunakan udara sebagai reaktan. Penggunaan udara sebagai reaktan akan menghasilkan gas dengan nilai kalor rendah karena gas keluaran terdilusi dengan nitrogen yang dikandung udara. Penggantian reaktan dengan oksigen akan menghasilkan gas dengan nilai kalor menengah karena tidak adanya nitrogen dari reaktan, akan tetapi nitrogen tetap terbentuk dari unsur penyusun bahan bakar itu sendiri. Nilai kalor tinggi dapat dicapai jika pembentukan metana pada gas dapat direkayasa. Kombinasi antara oksigen dengan udara digunakan sebagai reaktan untuk memicu pembentukan CO dan H2 ( steam reformer) di zona reduksi melalui reaksi steam-carbon yang terjadi secara endotermis. Penggunaan uap air dapat merubah laju reaksi, nilai kalor, komposisi dan tingkat produksi gas yang dihasilkan (Blasiak, 2002).

Dalam penelitian ini kami gunakan desain alat gasifikasi jenis updraft. Jenis gasifikasi ini kami pilih karena memiliki kelebihan – kelebihan seperti yang sudah disebutkan, selain itu kami pilih tempurung kelapa sebagai bahan baku serta oksigen dan udara sebagai media gasifikasi. Di mana penelitian ini untuk menghitung rasio antara udara dan oksigen untuk menghasilkan efisiensi gas yang terbaik

1.2 Rumusan Masalah

Melihat dari permasalahan dari gasifikasi yang begitu kompleks pada sistem gasifikasi updraft, maka dalam penyusunan proposal ini menitik beratkan pada permasalahan perancangan reaktor dan pengaruh rasio laju aliran masa oksigen dan udara yang dibutuhkan pada desain gasifikasi updraft untuk mendapatkan hasil gas gasifikasi yang terbaik.?

(21)

1.3 Batasan Masalah

Pembatasan masalah pada penelitian ini adalah menitik beratkan pada teknologi pembentukan gasifikasi :

1. Penelitian ini hanya menggunakan tempurung kelapa sebagai bahan gasifikasi

2. Media yang digunakan adalah oksigen murni dan udara yang selama proses tidak mengandung unsur-unsur senyawa asing

2. Penilitian ini hanya membahas pengaruh rasio laju aliran masa oksigen dan udara sebagai agen gasifikasi untuk mendapatkan gas terbaik

3. Jenis reaktor yang digunakan adalah jenis reaktor updraft

4. Penelitian ini hanya mengukur kadar CO, CO2, H2 dan O2 dengan rasio

oksigen dan udara sebagai media gasifikasi 1.4 Tujuan Masalah

Berdasarkan pokok permasalahan di atas maka tujuan dari penelitian ini adalah analisis terhadap pengaruh rasio oksigen murni dan udara dengan laju kecepatan aliran bervariasi yang masuk ke dalam gasifier terhadap pembentukan gasifikasi untuk mendapatkan gas hasil gasifikasi yang terbaik dengan menggunakan tempurung kelapa sebagai bahan baku.

1.5 Manfaat Penelitian

Adapun dari penelitian yang dilakukan ini diharapkan mendapatkan manfaat-manfaat seperti

(22)

Data- data yang dapat mengoptimalkan pembentukan gasifikasi sehingga dapat menghasilkan energi yang terbarukan yang makin efisien yang bisa membantu mengurangi penggunaan bahan bakar fosil

(23)

BAB II KAJIAN PUSTAKA

2.1 Biomasa

Biomasa adalah sebutan yang diberikan untuk material yang tersisa dari tanaman atau hewan seperti kayu dari hutan, material sisa pertanian serta limbah organik manusia dan hewan. Energi yang terkandung dalam biomasa adalah berasal dari matahari. Melalui fotosintesis, karbondioksida di udara ditransformasi menjadi molekul karbon lain ( misalnya gula dan selulosa ) dalam tumbuhan. Energi kimia yang tersimpan dalam tanaman dan hewan (akibat memakan tumbuhan atau hewan lain) atau dalam kotorannya dikenal dengan nama bio-energy

Ketika biomasa dibakar, energi akan terlepas, umumnya dalam bentuk panas. Karbon pada biomasa bereaksi dengan oksigen diudara sehingga membentuk karbondioksida. Apabila dibakar sempurna, jumlah karbon yang dihasilkan akan sama dengan jumlah yang diserap dari udara ketika tanaman tersebut tumbuh

Di alam bebas, biomasa yang dibiarkan begitu saja di tanah akan terurai dalam waktu yang lama, melepaskan karbondioksida dan energi yang tersimpan perlahan-lahan. Dengan membakar biomasa, energy yang tersimpan akan cepat terlepas dengan dan dapat dimanfaatkan. Oleh karena itu proses konversi biomasa menjadi energi yang berguna meniru proses alam dengan laju yang lebih cepat. Biomasa dapat digunakan langsung (misalnya membakar kayu untuk pemanas

(24)

dan memasa dan alcohol

bahan baka pengganti b pengganti g

2.2 Kom

Pada Ini ditunjuk komposisi d CxHyOz, nil

Dan ditunju

Tabel 2.1 Ult Badeau Pierr

ak) dan dap

l) atau biofu

ar fosil. Mis bensin atau b

as alam

mposisi Biom

a biomasa ka kan pada tab

dari 13 biom lai koefisien ukan pada tab

timate analysis re, 2009)

at juga digu

uel gas (biog salnya alcoh biogas dari k

masa

andungan ut bel ultimate

masa. Rumus n dari x,y da bel berikut.

s Biomasa (S

unakan untuk gas) yang da hol dari tebu kotoran hewa

tamanya ada

analysis. Pa s kimia dari an z ditentuk

Sumber : Rav

k produksi b

apat digunak u dapat digu an dapat dig

alah carbon, o ada tabel ter i biomasa um kan oleh ma

eendran dkk.

biofuel cair ( kan sebagai unakan seba gunakan seba oksigen dan rsebut memp mumnya diw asing-masing

. 1995, Tercan

( Biodiesel

pengganti agai bahan agai bahan n hydrogen. perlihatkan wakili oleh g biomasa. ntum dalam

(25)

2.3 Tempurung Kelapa

Tempurung kelapa beratnya antara 15 – 19 % berat kelapa Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Chereminisoff (1), komposisi kimia tempurung kelapa adalah seperti berikut: Sellulosa 26,60 %, Lignin 29,40 %, Pentosan 27,70 %, Solvent ekstraktif 4,20 %, Uronat anhidrid 3,50 %, Abu 0,62 %, Nitrogen 0,11 %, dan Air 8,01 %.Tempurung Kelapa disamping dipergunakan untuk pembuatan arang, juga dapat dimanfaatkan untuk pembuatan arang aktif, yang dapat berfungsi untuk mengadsorbsi gas dan uap. Struktur arang/karbon aktif menyerupai struktur grafit. Grafit mempunyai susunan seperti pelat-pelat yang sebagian besar terbentuk dari atom karbon yang berbentuk heksagonal. Jarak antara atom karbon dalam masing-masing lapisan. Pada grafit, jarak antara pelat-pelat lebih dekat dan terikat lebih teratur daripada struktur karbon aktif (Suhartana,2006)

struktur umum karbon aktif :

1. Dekomposisi menghasilkan tar, metanol dan hasil samping lainnya.

Pembentukan karbon terjadi pada temperatur 400 - 600 0C.

2. Aktifasi : dekomposisi tar dan perluasaan pori-pori. Dapat dilakukan dengan uap atau CO2 sebagai aktifator.

2.4 Produk Biomasa

Terdapat tiga tipe bahan bakar yang dihasilkan dari biomasa yang biasa digunakan untuk berbagai macam kebutuhan, yaitu :

(26)

2. Gas (Biogas (CH4, CO2), producer gas (CO,H2,CH4,CO2) syngas (CO,H2)

3. Padat (Arang)

Penggunaan etanol dan biodiesel sebagai bahan bakar kendaraan

transportasi dapat mengurangi emisi gas CO2. Oleh karena itu biomasa bukan

hanya energi terbarukan tapi juga bersih dan ramah lingkungan, dan dapat juga digunakan sebagai sumber energy secara global

Biomasa merupakan sumber energi tertua yang dikenal oleh manusia,

kontribusinya terhadap total pemanfaatan pemanfaatan energi di Indonesia bahkan di dunia masih sangat kecil. Pemahaman akan keterbatasan cadangan sumber energi fosil dan kepedulian terhadap keberlangsungan penyedia sumber energi tersebut menyebabkan munculnya ketertarikan peneliti terhadap pemanfaatan biomasa pada tahun 1970an. Akan tetapi harga energi yang terus menurun saat itu menyebabkan perkembangan teknologi biomasa tidak begitu

pesat. Hingga pada tahun 1980an kepedulian terhadap emisi CO2 yang

disebabkan oleh penggunaan energy fosil mengakibatkan dikeluarkannya Kyoto

Protocol yang membatasi emisi CO2 yang boleh dilapaskan ke udara.

2.5 Gasifikasi Biomasa

Gasifikasi adalah proses yang merubah biomasa menjadi gas yang dapat dibakar. Secara umum, proses gasifikasi melibatkan empat tahapan proses berupa

drying, pyrolisis, oksidasi dan reduksi. Drying merupakan tahapan pertama dari proses gasifikasi, yaitu proses penguapan kandungan air didalam biomasa melalui

(27)

pemberian sejumlah panas dari interval suhu 100-3000C. Pada drying ini,

biomasa tidak mengalami penguraian unsure-unsur kimianya (dekomposisi kimia) tetapi hanya terjadi pelepasan kandungan air dalam bentuk uap air. Proses

drying dilanjutkan dengan dekomposisi thermal kandungan volatile matter

berupa gas dan menyisakan arang carbon, dimana proses ini bisa disebut sebagai pirolisis. Proses pirolisis merupkan proses eksoterm yang melepas sejumlah

panas pada interval suhu 300-9000C. Selanjutnya sisa arang karbon akan

mengalami proses oksidasi parsial, dimana proses ini merupakan proses eksoterm

yang melepas sejumlah panas pada interval suhu diatas 9000C. Panas yang

dilepas dari proses oksidasi parsial ini digunakan untuk mengatasi kebutuhan panas dari reaksi reduksi endotermis dan untuk memecah hidrokarbon yang telah

terbentuk selama proses pirolisis. Proses reduksi gas CO2 dan H2O ini terjadi

pada interval suhu 400 – 9000C. Reduksi gas CO2 melalui reaksi kesetimbangan

Boudouard equilibrium reaction dan reduksi gas H2O melalui reaksi

kesetimbangan water-gas reaction, dimana reaksi-reaksi tersebut secara dominan

dipengaruhi oleh suhu dan tekanan(Sudarmanta. 2010).

Produk gas terdiri atas karbonmonoksida (CO), karbondioksida (CO2),

dan Hidrogen (H2),metan (CH4), sedikit hidrokarbon berantai lebih tinggi (etana,

etana), air, nitrogen (apabila menggunakan udara sebagai oksidan), dan berbagai kontaminan seperti partikel arang, debu, tar, hidrokarbon rantai tinggi, alkali, amoniak, asam dan senyawa-senyawa sejenisnya

(28)

(29)

2.5.1 Gasifikasi Udara

Gasifikasi yang paling sederhana adalah menggunakan udara sebagai agent proses gasifikasi. Kelebihan arang yang dibentuk saat proses pirolisis dengan gasifier merupakan pembakaran udara dengan jumlah yang terbatas (biasanya equivalensi ratio 0,25). Hasil yang dihasilkan adalah energi yang rendah karena mengandung hydrogen dan karbonmonoksida yang bercampur denga nitrogen yang berasal dari udara. Dari hasil gasifiksi dengan menggunakan

udara mnghasilkan 3,5 – 7,8 MJ/Nm3. Yang mana sangat baik digunakan untuk

boiler dan engine akan tetapi tidak baik digunakan untuk bahan bakar transportasi. Udara yang masuk sangat rendah pada gasifier sehingga gas yang dihasilkan sangat rendah dan mengadung tar yang sangat tinggi (Groves,1979)

2.5.2 Gasifikasi Uap Air

Tidak seperti menggunakan udara sebagi agen, uap air gasifikasi adalah menggunakan panas eksternal yang bersumber steam sebagai agen gasifikasi. Dengan menggunakan percampuran udara dan steam tidak biasa digunakan pada teknologi, tetapi pada kenyataannya banyak yang melakukan penelitian tentang hal ini. Dari hasil reaksi dengan carbonmonoksida akan menghasilkan gas hydrogen dan karbondioksida. Pada prinsipnya pada steam gasification dituliskan dengan persamaan :

(30)

Gas yang dihasilkan pada steam gasification adalah energi yang tinggi, yang mana ditemukan paling banyak adalah gas hydrogen. Energi yang dihasilkan dari

11,1 MJ/M3 pada temperature 7000C dan 12,1 MJ/m3. Energi yang bisa

digunakan kembali sekitar 35% - 59 % pada temperature yang sama (Hoveland et al. 1982)

2.5.3 Oxigen Gasification

Dalam proses ini jumlah nitrogen terbatas jumlahnya bahkan tidak ditemukan sama sekali, gas yang dihasilkan mempunyai energy menengah ( 12 –

21 MJ/Nm3). Dalam hal ini proses gas secara ekonomi disalurkan oleh pipa yang

dibuat menjadi suatu sistem plant dan selanjutnya melalui proses panas atau mungkin juga gas sintetis untuk menghasilkan chemical dan bahan bakar (Belie,1979)

2.5.4 Hydrogen Gasification

Sampai saat ini banyak penelitian mengarah pada system hydrogen gasification karena bahan bakar mentah dikonversi menjadi bahan bakar dalam bentuk gas dengan tekanan masih dibawah tekanan maximum. Dengan proses ini banyak yang mengkritik karena merupakan proses yang sangat kuat dimana kondisi harus tetap terjaga dengan baik sejak gas dalam keadaan normal sampai gas gasifikasi terbentuk. Digunakan campuran hydrogen yang masuk ke gasifier

dengan panas yang dibutuhkan sebulumnya 4260C sampai 7600C dengan

perkembangan carbonmonoksida dan gas hydrogen berkembang dari 8% sampai 18% dan 41% samapi 63% ( Weil.1978)

(31)

2.6 Reaktor Gasifikasi

Saat ini terdapat tiga jenis utama reactor gasifikasi yaitu reactor unggun

tetap (fixed bed), rector unggun terfluidakan (Fulidized Bed) dan reactor

entrained flow. Ketiga jenis reactor tersebut memiliki keunggulan dan kelemahan masing-masing yang akan diuraikan pada sub berikutnya

2.6.1 Fixxed Bed Gasifier

2.6.1.1 Updraft Gasifier

Pada tipe ini udara masuk melalui arah bawah dan mengosidasikan arang

secara parsial untuk menghasilkan CO dan H2 (jika digunakan udara). Gas ini

kemudian bertemu dengan biomasa. Gas yang panas tersebut mempirolisa biomasa, menghasilkan karbon padatan (arang), uap air dan 10-20% uap minyak

pada temperatur 100 - 4000C, tergantung pada kadar air biomasa. Selanjutnya

arang akan dioksidasi parsial oleh udara dan menghasilkan gas.

(32)

2.6.1.2 Downdraft Gasifier

Downdraft Gasifier dirancang untuk membatasi kandungan minyak dan

tar yang terbawa bersama gas producer. Pada downdraft gasifier, udara

dimasukan ke dalam aliran bahan bakar padat (packet bed) pada atau diatas zona

oksidasi. Aliran udara ini searah (co-curent) dengan aliran bahan bakar yang

masuk kedalam gasifier. Bahan bakar tersebut akan mengalami proses pengeringan dan pirolisis akibat panas yang dihasilkan pada reaksi oksidasi. Pada tahapan pirolisis bahan bakar, dihasilkan uap dan ta. Uap dan tar yang dihasilkan tersebut akan melalui unggun arang panas dan mengalami perengkahan menjadi gas yang lebih sederhana atau arang. Perengkahan ini menghasilkan pembakaran

stabil yang menjaga temperatur pada 800-10000C. Jika temperature naik

(melebihi rentang temparatur tersebut) maka reaksi endotermik mendominasi dan mendinginkan gas, dan jika temperature turun (kurang dari rentang temperature tersebut) maka reaksi eksotermik akan mendominasi dan menjaga agar panas tetap panas. Tahap selanjtnya adalah reaksi reduksi. Reaksi reduksi akan terjadi

pada zona dekat dengan grate. Pada tahap ini, gas producer dihasilkan. Gas

producer yang dihasilkan akan tertarik keluar menuju bagian bawah gasifier.

Gambaran tahap-tahap yang terjadi pada downdraft gasifier dapat dilihat pada

(33)

Gambar 2.3 Downdraft Gasifier sumber : Tasliman, 2008 diambil dari Turare, 1997)

Sama halnya dengan updraft gasifier, downdraft gasifier juga memiliki

kekurangan dan kelebihan. Kekurangan yang dimiliki gasifier jenis ini adalah

rendahnya efisiensi keseluruhan akibat rendahnya pertukaran panas dalam system dan kesulitan dalam menangani kelembaban dan kadar abu yang tinggi. Sedangkan kelebihan menggunakan gasifier jenis ini antara lain adanya kemungkinan menghasilkan gas bebas tar sehingga masalah lingkungan yang ditimbulkan lebih kecil dari pada updraft gasifier. Perolehan tar dan minyak yang

dihasilkan pada downbdraft gasifier lebih kecil 10% terhadap perolehan tar dan

minyak yang dihasilkan pada updraft gasifier, waktu yang dibutuhkan untuk

penyalaan bahan bakar dan pengoperasian system pada kondisi optimal sekitar 20-30 menit. Waktu lebih singkat jika dibandingkan dengan waktu yang oleh

updraft gasifier. Gasifier unggun tetap aliran kebawah (downdraft gasifier)

mengahsilkan gas producer relative bersih dengan kandungan tar dan partikel yang kecil sehingga sangat sesuai untuk mesin pembakaran dalam, ketel dan

turbin (Robert Manurung,1981). Sedangkan M.S Roa menegaskan fixed bed tipe

(34)

memungkinkan berbagai feedstock dengan partikel rendah pada gas producer.

Selain itu juga berefisiensi tinggi. Atas dasar itu pengoperasian skala laboratorium gasifikasi di Departemen Teknik Mesin FTUI menggunakan jenis

gasifier

2.6.1.3 Crossdraft Gasifier

Mungkin gasifikasi tipe crossdraft lebih menguntungkan dari pada

updraft dan downdraft gasifier. Keuntungannya seperti suhu yang keluar tinggi,

reduksi CO2 yang rendah dan kecepatan gas yang tinggi dikarenakan desainnya.

Tidak seperti downdraft dan updraft gasifier, tempat penyimpanan, pembakaran

dan zona reduksi pada crossdraft gasifier terpisah. Untuk desain bahan bakar

yang terbatas untuk pengoperasian rendah abu bahan bakar seperti kayu, batu bara, limbah pertanian. Kemampuan pengoperasiannya sangat bagus,

menyebabkan kosenterasi sebagian zona beroperasi diatas suhu 2000C. Waktu

mulai (start up) 5-10 menit jauh lebih cepat dari pada downdraft dan updraft

gasifier. Pada crossdraft dapat menghasilkan temperature yang relative tinggi, komposisi gas yang dihasilkan kurang baik seperti tingginya gas CO dan rendahnya gas hydrogen serta gas metana

(35)

Gambar 2.4 Crossdraft Gasifier (sumber : Tasliman, 2008 diambil dari Turare, 1997)

2.6.2 Fluidised Bed

Gasifikasi fluidized bed awalnya dikembangkan untuk mengatasi masalah

operasional pada gasifikasi moving bed atau sering disebut fixed bed yang

menghasilkan kadar abu yang tinggi, tetapi sangat cocok untuk kapasitas lebih besar (lebih besar dari 10 MWth) pada umumnya. Fitur dari gasifikasi fluidized

bed dapat dibandingkan dengan pembakaran fluidized bed. Dibandingkan dengan

moving bed gasifier yang temperature gasifikasinya relative rendah sekitar

750-9000C. Dalam moving bed gasifier suhu di zona perapian mungkin setinggi

12000C, dalam gasifier arang suhunya bahkan 15000C. Bahan bakar ini

dimasukan ke dalam pasir panas yang dalam keadaan suspensi (Flidised bed

gelembung) atau sirkulasi (Sirkulasi fluidized bed). Bed berperilaku kurang lebih seperti fluida dan ditandai dengan turbulensi yang tinggi. Pencampuran partikel

bahan bakar yang sangat cepat dengan material bed, sehingga dalam pirolisis

cepat dan jumlah gas pirolisis yang relative besar. Karena suhu rendah konversi tar tidak terlalu tinggi

(36)

Gambar 2.5 Fulidised Bed Gasifier (Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004)

2.6.3 Reaktor Entrained Flow

Reaktor entrained flow dapat dibagi menjadi 2 (dua) jenis yaitu slagging

dan non slagging. Di dalam gasifier slagging, komponen-komponen yang

terbentuk dari partikel debu dapat meleleh di dalam gasifier, mengalir turun di

sepanjang dinding reactor, dan meninggalkan reactor dalam bentuk slag cair.

Secara umum, laju alir masa slag sekurang-kurangnya 6% dari laju bahan bakar

untuk memastikan proses berjalan dengan baik. Di dalam gasifier non slgging,

dinding reactor tetap bersih dari slag. Jenis gasifier ini cocok untuk umpan yang

kandungan partikel debunya tidak terlalu tinggi. Skema reactor entrained flow

(37)

Gambar 2.6 Reaktor Entrained flow (Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004)

Kelakuan partikel debu yang dihasilkan oleh biomasa diteliti secara detail oleh Boerrigter dkk. Hasil eksperimen menunjukan bahwa partikel debu yang dihasilkan oleh biomasa, khususnya biomasa kayu, sulit meleleh pada temparatur operasi gasifier entrained flow (1300-15000C. Hal tersebut disebabkan kenyataan

bahwa partikel debu tersebut banyak mengandung CaO. Oleh karena itu gasifier

non slagging sepertinya menjadi pilihan utama untuk proses gasifikasi, juga

dengan pertimbangan bahwa jenis gasifier ini lebih murah. Akan tetapi gasifier

entrained flow jenis slagging lebih disukai untuk operasi gasifikasi dengan umpan biomasa. Alasan yang paling penting adalah :

1. Pelelehan sebagian kecil kompenen partikel debu tidak akan pernah dapat dihindari

2. Gasifier entrained flow jenis slagging lebih fleksible terhadap jenis biomasa yang akan digunakan

(38)

Fleksibilitas jenis umpan ini bahkan dapat diperluas hingga ke batu bara. Penambahan agen fluks seperti silica atau clay diperlukan. Selain itu recycle slag

juga diperlukan penggunaan reactor entrained flow jenis slagging untuk batu bara

sudah dapat diaplikasikan. Oleh karena itu, penambahan material fluks

menyebabkan slag yang dihasilkan melalui gasifikasi biomasa menjadi mirip

dengan slag yang dihasilkan oleh gasifikasi batu bara. Sehingga tidak terdapat

permasalahan untuk proses gasifikasi itu sendiri apabila umpan yang digunakan bukan batu bara, melainkan biomasa. Sebagaimana telah dikaji oleh peneliti-peneliti di seluruh dunia, proses gasifikasi dapat terjadi pada tekanan yang berbeda, melalui proses pemanasan langsung ataupun tidak langsung, serta menggunakan udara

2.7 Dasar Proses Gasifikasi Pada Gasifier Updraft

2.7.1 Zona Pengeringan

Bahan bakar padat dimasukan ke dalam gasifier di atas. Hal ini tidak

perlu menggunakan peralatan pengumpan bahan bakar yang kompleks, karena sejumlah kecil kebocoran udara dapat ditoleransi di tempat ini. Sebagai akibat dari perpindahan panas dari bagian bawah gasifier, pengeringan bahan bakar biomasa terjadi dibagian bungker. Uap air akan mengalir ke bawah dan menambah uap air yang terbentuk dizona oksidasi. Bagian dari itu dapat direduksi menjadi hydrogen dan sisanya akan berakhir sebagai kelembaban dalam gas.

(39)

2.7.2 Zona Pirolisa

Tidak seperti pembakaran, pirolisis terjadi pada tempat yang tidak terdapat oksigen, kecuali dalam kasus dimana oksidasi parsial diperbolehkan untuk menyediakan energi thermal yang dibutuhkan untuk proses gasifikasi. Terdapat tiga variasi pirolisis.

a. mild pyrolisis

b. slow pyrolisis

c. fast pyrolisis

Pada pirolisis molekul besar hydrocarbon dipecah menjadi partikel kecil

hydrocarbon. Fast pyrolisis hasil utamanya adalah bahan bakar cair, slow pyrolisis menghasilkan gas dan arang. Mild pyrolisis yang saat ini sedang dipertimbangkan untuk pemanfaatan biomasa yang efektif. Pada proses ini

biomasa dipanaskan 200-3000C tanpa kontak dengan oksigen. Struktur kimia dari

biomasa diubah, dimana menghasilkan carbondioksida, carbonmonoksida, air,

asam asetat dn methanol. Mild pyrolisis meningkatkan densitas energy dri

biomasa.

Pada suhu di atas 2500C, bahan bakar biomasa dimulai pyrolysing.

Rincian pirolisis ini reaksi yang tidak dikenal, tetapi orang bisa menduga bahwa molekul-molekul besar (seperti selulosa dan lignin) terurai menjadi molekul

berukuran sedang dan carbon (char) selama pemanasan bahan baku. Produk

(40)

dibakar di zona oksidasi, dan sisanya akan memecah bahkan molekul yang lebih kecil dari hydrogen, metana, carbonmonoksida,etana,etilena,dll jika tetap berada dizona panas cukup lama. Jika waktu tinggal di zona panas terlalu pendek atau suhu terlalu rendah, maka molekul berukuran menengah dapat melarikan diri dan akan mengembun sebagai tar dan minyak, dalam suhu rendah bagian dari system. Secara umum reaksi yang terjadi pada pirolisis beserta produknya adalah :

Biomasa char + tar +gasses (CO2 ; CO ; H2O ; H2 ; CH4

; CxHy)……….(2.2)

2.7.3 Zona Oksidasi

Zona pembakaran(oksidasi) dibentuk pada tingkat di mana oksigen (udara dimasukan.Reaksi dengan oksigen sangat eksotermik dan mengakibatkan

kenaikan tajam suhu sampai 1200-15000C. Sebagaimana disebutkan di atas,

fungsi penting dari zona oksidasi, selain penghasil panas, adalah untuk mengkonversi dan mengoksidasi hampir semua produk terkondensasi dari zona pirolisis. Untuk menghindari titik-titik dingin di zona oksidasi, kecepatan udara masuk dan geometri reaktor harus dipilih dengan baik. Umumnya dua metode yang digunakan untuk mendapatkan suhu distribusi :

1. Mengurangi luas penampang pada ketinggian tertentu dari reactor (konsep”tenggorokan”)

(41)

2. Penyebaran nozel inlet udara di atas lingkar mengurangi croos-sectional area,

atau alternative menggunakan inlet udara sentral dengan perangkat

penyemprotan.

2.7.4 Penambahan Udara Sekunder

Desain reactor sangat penting untuk efisiensi dari proses gasifikasi, nilai kalor dari gas hasil dan kandungan tar yang dihasilkan. Pensuplaian udara sekunder ke dalam gasifier sangatlah besar pengaruhnya terhadap kandungan tar yang dihasilkan karena panas yang dihasilkan pada zona oksidasi tinggi. Pemasukan udara sekunder dlakukan tepat di atas saluran masuk biomasa untuk menghasilkan suhu pembakaran yang lebih tinggi untuk mengurangi kandungan tar yang dihasilkan. Sedangkan untuk udara primer disuplai melalui saluran udara pada tenggorokan /leher tempat terjadi pembakaran pada proses gasifikasi.

2.7.5 Zona Reduksi

Produk reaksi dari zona oksidasi (gas panas dan bara arang) bergerak

turun ke zona reduksi. Di zona ini masuk panas sensible dari gas dan arang

dikonversi sebanyak mungkin menjadi energy kimia dari gas producer. Produk akhir dari reaksi kimia yang terjadi di zona reduksi adalah gas mudah terbakar yang dapat digunakan sebagai bahan bakar dalam pembakaran dan setelah pembuangan abu dan pendinginan cocok motor bakar dalam

Abu yang dihasilkan dari gasifikasi biomasa kadang-kadang harus

(42)

dengan demikian membantu untuk mencegah penyumbatan yang dapat menyebabkan obstruksi aliran gas berikut ini adalah reaksi kimia yang terjadi pada zona tersebut :

 Bourdour reaction :

C + CO2 2CO – 172 (MJ/kmol)………(2.3)

 Steam-carbon reaction :

C + H2O CO + H2 – 131 (MJ/kmol)………(2.4)

 Water-gas shift reaction:

CO + H2O CO2 + H2 + 41 (MJ/kmol)……….(2.5)

 CO mthanation :

CO + 3H2O – 206 (MJ/kmol) CH4 + H2O…….(2.6)

2.8 Parameter – Parameter Penting Dalam Proses Gasifikasi

Menurut Belonio (2005), parameter-parameter penting yang harus dipertimbangkan dalam proses gasifikasi, yaitu :

a. Temperatur Gasifikasi

Temperatur gasifikasi harus tinggi karena dalam tahap pertama gasifikasi adalah pengeringan untuk menguapkan kandungan air dalam sekam padi dan serbuk kayu agar menghasilkan gas yang bersih. Temperatur yang tinggi juga dapat berpengaruh dalam menghasilkan gas yang mudah terbakar. Sehingga untuk mempertahankan temperature, maka tangki reactor diisolasi dengan bata

(43)

tahan api agar tidak ada panas yang keluar kelingkungan sehingga efisiensi rekator menjadi baik

b. Spesific Gasification Rate (SGR)

SGR merupakan banyaknya bioamasa rata-rata yang dapat tergasifikasi dalam gasifier. Jika SGR semakin besar maka proses gasifikasi tidak berjalan secara sempurna, sebaliknya jika SGR semakin kecil maka proses gasifikasi berjalan lambat. SGR dapat dihitung dengan cara :

SGR =

………(2.7)

c. FCR (Fuel Consumtion Rate)

Biomasa yang dibutuhkan pada proses gasifikasi dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

FCR =

………...(2.8)

……….(2.9)

d. GFR (Gas Fuel Ratio)

GFR (Gas Fuel Ratio) dapat dihitung dengan menggunakan rumus

sebagai berikut

(44)

e. Oksigen Fuel Rate (OFR)

OFR adalah jumlah laju aliran massa oksigen yang dibutuhkan dalam proses gasifikasi. Sebelum menentukan OFR maka terlebih dahulu

kita harus mengetahui begaimana caranya menghitung Air Fuel Ratio

(AFR).

AFR adalah tingkat aliran udara primer yang masuk ke reaktor. Hal ini mengacu pada laju aliran udara yang diperlukan untuk mengubah bahan bakar padat menjadi gas . Hal ini sangat penting dalam menentukan ukuran kipas angin atau blower yang dibutuhkan untuk reaktor. Ini dapat ditentukan dengan menggunakan tingkat konsumsi bahan bakar (FCR), udara stoikiometri dari bahan bakar (SA), dan rasio ekuevalensi (εu) untuk gasifying 0,3 sampai 0,4. Seperti ditunjukkan, ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

AFR ε x FCR x SA_ρ … … … .

Dimana:

AFR = Air fuel rate (tingkat aliran udara), (m3/jam) FCR = fuel consumption rate (kg/jam)

ρa = massa jenis udara = 1,18 (kg/m3)

εu = rasio ekuivalensi (0,3 - 0,4) = 0,35

(45)

Udara bebas terdiri dari 78% Nitrogen, 21% Oksigen, dan 1% Uap Air. Berdasarkan kandungan oksigen pada udara bebas maka kita dapat menyimpulkan rumus untuk menentukan OFR adalah sebagai berikut.

OFR , … … … .

Dimana:

OFR = Oxygen fuel rate (tingkat aliran udara), (m3/jam) FCR = fuel consumption rate (kg/jam)

ρo = massa jenis oksigen = 1,43 (kg/m3)

ε ratio ekuivalensi udara x kandungan oksigen di dalam udara , 5 x , , 7 5

SA = udara stoikiometri dari bahan bakar padat pada proses gasifikasi

Oksigen atau zat asam adalah unsur kimia dalam sistem tabel

periodik yang mempunyai lambang O dan nomor atom 8. Ia merupakan

unsur golongan kalkogen dan dapat dengan mudah bereaksi dengan

hampir semua unsur lainnya (utamanya menjadi oksida). Pada Temperatur dan tekanan standar, dua atom unsur iniberikatan menjadi dioksigen, yaitu

senyawa gas diatomik dengan rumus O2yang tidak berwarna, tidak

berasa, dan tidak berbau. Oksigen merupakan unsur paling

melimpah ketiga di alam semesta berdasarkan massa dan unsur paling

melimpah di kerak Bumi. Gas oksigen diatomik mengisi 20,9% volume

atmosferbumi (Hiska,1992)

(46)

% Char adalah perbandingan banyaknya arang yang dihasilkan dengan

banyaknya biomasa yang dibutuhkan % char dapat dihitung dengan

menggunakan rumus :

% char =

X 100% ………..(2.13)

2.9 Pembakaran Bahan Bakar .

2.9.1 Jumlah Udara Dalam Pembakaran

Jika susunan bahan bakar diketahui, berdasarkan buku ketel uap (Djokosetyardjo,1989) maka dapat dihitung jumlah kebutuhan udara pembakaran untuk pembakaran sempurna.

Karbon (C) terbakar sempurna menjadi CO2 menurut persamaan:

C + O2 =CO2

12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2

1kg C + 32/12 O2 = 44/12 CO2

1kg C + 2,67 O2 = 3,67 CO2… … … …(2.16)

Hidrogen (H) terbakar menjadi H2O menurut persamaan:

2H2 + O2 2H2O

4 kg H2 + 32 kg O2 36 kg H2O

1kg H2 + 8kg O2 9 kg H2O… … … …(2.17)

Belerang (S) terbakar berdasarakan persamaan:

S + O2 SO2

32 kg S + 32 kg O2 64 kg SO2

(47)

Dari perhitungan di atas kemudian dijumlahkan jumlah kebutuhan steam maka stoikiometri (SS) dri bahan bakar padat dapat dihitung dengan persamaan :

Kebutuhan Steam Stoikiometri (SS) = kebutuhan Steam H + kebutuhan

Steam C + Kebutuhan Steam S … … … …(2.19)

2.10 Massa Jenis Biomassa

Massa jenis biomassa adalah spesifik massa suatu biomassa per volumenya. Massa jenis dapat dihitung dengan persamaan :

ρ m v_{⁄ kg m} … … … …(2.20) Dimana :

= massa jenis (kg/m3)

m = massa bahan/biomassa (kg)

v = volume bahan/biomassa (m3)

2.11 Karakteristik Nyala Api

Dalam proses pembakaran, bahan bakar dan udara bercampur dan terbakar dan pembakarannya dapat terjadi baik dalam mode nyala api ataupun tanpa mode

nyala api. Berdasarkan buku an introduction to combustion concept and

application, definisi api adalah pengembangan yang bertahan pada suatu daerah pembakaran yang dialokasikan pada kecepatan subsonic. Warna api dipengaruhi oleh 2 hal yaitu kandungan bahan bakar dan campuran udara yang ikut terbakar. Ketika api memiliki warna cenderung merah hal tersebut dapat diartikan bahwa bahan terbakar api tersebut memiliki nilai kalor yang relative rendah, atau udara

(48)

yang mencampuri proses pembakaran hanya sedikit sehingga campuran kaya. Saat api berwarna kebiruan adalah sebaliknya yang merepresentasikan nilai kalor bahan bakar yang tinggi, atau campuran miskin.

Api hidrokarbon dikarakteristikkan oleh radiasinya yang tampak.

Dengan excess air, daerah reaksi akan terlihat biru. Radiasi biru berasal dari

eksitasi CH radikal di dalam daerah bertemperatur tinggi. Saat udara berkurang yang menyebabkan stoichiometrinya berkurang, daerah api akan brwarna

biru-hijau yang berasal dari eksitasi C2. Dalam kedua jenis apai OH radikal

memberikan kontribusi terhadap radiasi yang tampak. Jika campuran api kaya jelaga akan terbentuk akibat radiasi hitam. Meskipun radiasi jelaga memiliki intensitas maksimal dalam infra merah, kepekaan spectrum mata manusia menyebabkan kita melihat cahaya kuning terang (mendekati putih) akibat pudarnya emisi oranye,tergantung temperatur api.

Terdapat dua tipe mode nyala api, yaitu :

1. Premixed Flame

Premixed flame adalah api yang dihasilkan ketika bahan bakar bercampur dengan oksigen yang telah tercampur sempurna sebelum pemberian sumber api. Umumnya indikasi premixed flame dapat dilihat dari warna api yang berwarna biru. Laju pertumbuhan api tergantung dari komposisi kimia bahan bakar yang digunakan.

(49)

Diffusion Flame adalah api yang dihasilkan ketika bahan bakar dan oksigen bercampur dan penyalaan dilakukan secara bersamaan. Laju difusi reaktan bisa dipengaruhi oleh energi yang dimiliki oleh bahan bakar.

Gambar 2.7 Nyala api (a) Premix, (b) Difusi (Putri, 2009)

Selain itu kedua tipe di atas nyala api juga dibedakan berdasarkan jenis aliran yang terjadi, yaitu :

 Api Laminer

Visualisasi api yang terlihat pada api tipe ini berbentuk secara laminar atau teratur. Api jenis ini memiliki bentuk mengikuti streamline aliran tanpa membentuk turbulensi atau gerakan tidak beraturan.

 Api Turbulen

Api turbulen menunjukan pola aliran nyala api yang tidak beraturan atau acak yang member indikasi aliran yang bergerak sangat aktif. Pada pembakaran gas hasil gasifikasi menunjukan indikasi diskontinuitas atau produksi yang cenderung

(50)

tidak kons pertumbuha bersamaan d kalor yang Semakin ti semakin ting Gambar 2.8 2.12 Efisien Para lain,kandun disimpulkan

syngas sem

stan membu annya. Gas

dengan saat terkandung inggi kandu ggi.

Perubahan A

nsi Gasifika

ameter-param gan moistu n bahwa kan makin rendah

uat api yang sebagai re penyalaan. K g dalam syn

ungan zat y

Api Laminar d

si meter yang ure, temper ndungan mo h, dengan 34

g terbentuk j eaktan akan Kualitas dari ngas yang d yang flamm

dan Turbulen

g mempeng atur udara oisture bahan

kata lain e

juga menga n direaksik i nyala api ju dihasilkan o mable maka k

Terhadap Flo

garuhi efisi masuk, da n bakar sem efisiensi gas

alami hamba kan bersam

uga tak lepa oleh proses

kualitas api

ow Velocity (P

iensi gasifi an heat lo

makin tinggi, sifikasi sem

atan dalam a oksigen as dari nilai

gasifikasi. juga akan

Putri, 2009)

ier antara

oss. Dapat

,nilai kalor makin kecil

(51)

dengan tingginya kandungan moisture bahan bakar. Untuk pengaruh temperatur

udara masuk, semakin tinggi temperatur udara masuk gasifier akan menaikkan

efisiensi gasifikasi. Sedangkan pengaruh besarnya heat loss, semakin kecil heat

loss semakin besar pengaruhnya terhadap efisiensi gasifikasi.

Pengaruh temperatur dan besarnya nilai dari equivalen ratio gasifikasi

juga mempengaruhi efisiensi gasifikasi. Untuk bahan bakar biomassa dengan nilai persentase karbon yang rendah, temperatur gasifikasi dikondisikan pada 782oC-927oC pada ekuivalen ratio 0,244-0,295. Pada equivalen ratio yang lebih rendah,jumlah udara menjadi berlimpah menjadikan panas banyak terbuang, efisiensi gasifikasi turun. Untuk memastikan semua karbon bereaksi, temperatur harus tinggi > 927oC dan equivalen ratio 0,4. Pada kondisi tersebut persentase tar yang dihasilkan sangat tinggi. Ada dua carauntuk mengatasi hal tersebut, yaitu

memanaskan udara masuk gasifier dan memperlama waktu tinggal (residence

time) produk gas.Efisiensi gas hasil gasifikasi dapat dihitung dengan cara dan

persamaan berikut:

 Mencari N2 yang disupply dari udara yang mana mengandung sekitar 78%:

Supply N2Udara=0,769 x SA………...(2.21)

 Mencari total nitrogen yang diproduksi udara dan bahan bakar :

Total N =

…………(2.22)

 Mencari jumlah gas nitrogen yang diproduksi:

Produksi N =

………...(2.23)

 Mencari energi dari gas mampu bakar (syngas) yang dihasilkan:

Energi syngas =Produksi N x syngaspada hasil gasifikasix HHV syngas....(2.24)

 Mencari total energi dari gas mampu bakar/syngas (CO, H2 dan CH4)

Energi syngas = energi syngasCO + energi syngasH2 + energisyngas CH4…(2.25)

 Mencari total energi input dari bahan bakar yang digunakan:

Energi Input= nilai kalor bahan bakar………..(2.26)

(52)

η

g = x100%……….(2.27)

Tabel 2.2 Higher Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV) Gas mampu Bakar

Gas Higher Heating Value (MJ/kg mol) Lower Heating Value (MJ/kg mol)

CO 282,99 282,99

H2 285,84 241,83

CH4 890,36 802,34

Sumber: Basu, 2006

(1)

Dari perhitungan di atas kemudian dijumlahkan jumlah kebutuhan steam maka stoikiometri (SS) dri bahan bakar padat dapat dihitung dengan persamaan :

Kebutuhan Steam Stoikiometri (SS) = kebutuhan Steam H + kebutuhan

Steam C + Kebutuhan Steam S … … … …(2.19) 2.10 Massa Jenis Biomassa

Massa jenis biomassa adalah spesifik massa suatu biomassa per volumenya. Massa jenis dapat dihitung dengan persamaan :

ρ m v_{⁄ kg m} … … … …(2.20) Dimana :

= massa jenis (kg/m3)

m = massa bahan/biomassa (kg) v = volume bahan/biomassa (m3)

2.11 Karakteristik Nyala Api

Dalam proses pembakaran, bahan bakar dan udara bercampur dan terbakar dan pembakarannya dapat terjadi baik dalam mode nyala api ataupun tanpa mode nyala api. Berdasarkan buku an introduction to combustion concept and application, definisi api adalah pengembangan yang bertahan pada suatu daerah pembakaran yang dialokasikan pada kecepatan subsonic. Warna api dipengaruhi oleh 2 hal yaitu kandungan bahan bakar dan campuran udara yang ikut terbakar. Ketika api memiliki warna cenderung merah hal tersebut dapat diartikan bahwa bahan terbakar api tersebut memiliki nilai kalor yang relative rendah, atau udara

(2)

yang mencampuri proses pembakaran hanya sedikit sehingga campuran kaya. Saat api berwarna kebiruan adalah sebaliknya yang merepresentasikan nilai kalor bahan bakar yang tinggi, atau campuran miskin.

Api hidrokarbon dikarakteristikkan oleh radiasinya yang tampak. Dengan excess air, daerah reaksi akan terlihat biru. Radiasi biru berasal dari eksitasi CH radikal di dalam daerah bertemperatur tinggi. Saat udara berkurang yang menyebabkan stoichiometrinya berkurang, daerah api akan brwarna biru-hijau yang berasal dari eksitasi C2. Dalam kedua jenis apai OH radikal memberikan kontribusi terhadap radiasi yang tampak. Jika campuran api kaya jelaga akan terbentuk akibat radiasi hitam. Meskipun radiasi jelaga memiliki intensitas maksimal dalam infra merah, kepekaan spectrum mata manusia menyebabkan kita melihat cahaya kuning terang (mendekati putih) akibat pudarnya emisi oranye,tergantung temperatur api.

Terdapat dua tipe mode nyala api, yaitu :

1. Premixed Flame

(3)

Gambar 2.7 Nyala api (a) Premix, (b) Difusi (Putri, 2009)

Selain itu kedua tipe di atas nyala api juga dibedakan berdasarkan jenis aliran yang terjadi, yaitu :

 Api Laminer

 Api Turbulen

(4)

tidak kons pertumbuha bersamaan d kalor yang Semakin ti semakin ting Gambar 2.8 2.12 Efisien Para lain,kandun disimpulkan syngas sem stan membu annya. Gas dengan saat terkandung inggi kandu ggi.

Perubahan A

nsi Gasifika ameter-param

gan moistu n bahwa kan makin rendah

uat api yang sebagai re penyalaan. K g dalam syn

ungan zat y

Api Laminar d

meter yang ure, temper ndungan mo h, dengan

g terbentuk j eaktan akan Kualitas dari ngas yang d yang flamm

dan Turbulen

g mempeng atur udara oisture bahan

kata lain e

juga menga n direaksik i nyala api ju dihasilkan o mable maka k

Terhadap Flo

garuhi efisi masuk, da n bakar sem efisiensi gas

alami hamba kan bersam

uga tak lepa oleh proses

kualitas api

ow Velocity (P

iensi gasifi

an heat lo

makin tinggi, sifikasi sem

atan dalam a oksigen as dari nilai

gasifikasi. juga akan Putri, 2009) ier antara oss. Dapat ,nilai kalor makin kecil

(5)

dengan tingginya kandungan moisture bahan bakar. Untuk pengaruh temperatur udara masuk, semakin tinggi temperatur udara masuk gasifier akan menaikkan efisiensi gasifikasi. Sedangkan pengaruh besarnya heat loss, semakin kecil heat loss semakin besar pengaruhnya terhadap efisiensi gasifikasi.

Pengaruh temperatur dan besarnya nilai dari equivalen ratio gasifikasi juga mempengaruhi efisiensi gasifikasi. Untuk bahan bakar biomassa dengan nilai persentase karbon yang rendah, temperatur gasifikasi dikondisikan pada 782oC-927oC pada ekuivalen ratio 0,244-0,295. Pada equivalen ratio yang lebih rendah,jumlah udara menjadi berlimpah menjadikan panas banyak terbuang, efisiensi gasifikasi turun. Untuk memastikan semua karbon bereaksi, temperatur harus tinggi > 927oC dan equivalen ratio 0,4. Pada kondisi tersebut persentase tar yang dihasilkan sangat tinggi. Ada dua carauntuk mengatasi hal tersebut, yaitu memanaskan udara masuk gasifier dan memperlama waktu tinggal (residence time) produk gas.Efisiensi gas hasil gasifikasi dapat dihitung dengan cara dan persamaan berikut:

 Mencari N2 yang disupply dari udara yang mana mengandung sekitar 78%: Supply N2Udara=0,769 x SA………...(2.21)  Mencari total nitrogen yang diproduksi udara dan bahan bakar :

Total N =

…………(2.22)

 Mencari jumlah gas nitrogen yang diproduksi:

Produksi N =

………...(2.23)

 Mencari energi dari gas mampu bakar (syngas) yang dihasilkan:

Energi syngas =Produksi N x syngaspada hasil gasifikasix HHV syngas....(2.24)  Mencari total energi dari gas mampu bakar/syngas (CO, H2 dan CH4)

Energi syngas = energi syngasCO + energi syngasH2 + energisyngas CH4…(2.25)  Mencari total energi input dari bahan bakar yang digunakan:

Energi Input= nilai kalor bahan bakar………..(2.26)  Mencari effisiensi gas hasil gasifikasi (ηg )

(6)

η

g = x100%……….(2.27)

Tabel 2.2 Higher Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV) Gas mampu Bakar

Gas Higher Heating Value (MJ/kg mol) Lower Heating Value (MJ/kg mol)

CO 282,99 282,99

H2 285,84 241,83

CH4 890,36 802,34

Sumber: Basu, 2006