STUDI PEMBAKARAN BIOMASSA DAUN DALAM MENGUJI KINERJA DASAR HASIL MODIFIKASI PADA FLUIDIZED BED COMBUSTION UNIVERSITAS INDONESIA Oksa Angger Dumas

Transkripsi

1 STUDI PEMBAKARAN BIOMASSA DAUN DALAM MENGUJI KINERJA DASAR HASIL MODIFIKASI PADA FLUIDIZED BED COMBUSTION UNIVERSITAS INDONESIA Oksa Angger Dumas Kebagusan 2, RT 003 RW 06 No.64, Kebagusan, Pasar Minggu, Jakarta Selatan, DKI Jakarta, Indonesia Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia angger.dumas@yahoo.com Abstrak Fluidized Bed Combustion sebagai salah satu teknologi pengkonversi biomassa, telah dikembangkan di Universitas Indonesia. Setiap tahunnya, terus dilakukan penelitian terhadap FBC UI ini untuk tujuan pengembangan. Pada penelitian ini, dikaji kinerja distributor modifikasi dalam proses pembakaran biomassa daun dalam keadaan dan membandingkan dengan kinerja distributor terdahulu. Perbandingan kinerja dari kedua distributor dilakukan dengan perbandingan dalam pemanasan awal dan pembakaran daun dalam keadaan self sustain combustion selama 1 jam. Kata kunci : Fluidized Bed Combustion, Self sustain combustion, biomassa Abstract Fluidized Bed Combustion as biomass converter one of the technologies, have been developed at the University of Indonesia. Each year, continues to do research on this for the purpose of FBC UI development. In this study, examined the performance of distributed modifications in combustion process of biomass in leaves and compare with previous distributor performance. Performance comparison of both distributor is done by comparison in the initial warming and burning leaves in a State of self sustain combustion for 1 hour. Key word : Fluidized Bed Combustion, Self sustain combustion, biomass Latar Belakang Apabila kita melihat kondisi lingkungan kampus Universitas Indonesia Depok, sampah daun merupakan suatu hal mudah ditemui karena kondisi lingkungan kampus memiliki banyak sekali pepohonan. Untuk memanfaatkan potensi biomassa yang sangat besar tersebut maka dilakukanlah penelitian untuk menemukan teknologi yang tepat untuk digunakan di lingkungan kamous UI. Fluidized Bed Combustion (FBC) merupakan salah satu teknologi pembakaran yang sangat tepat untuk digunakan di lingkungan kampus UI karena memanfaatkan prinsip fluidisasi dan turbulensi benda padat. Saat proses pembakaran, dengan adanya fenomena fluidisasi ini akan meningkatkan kemampuan perpindahan panas dan massa yang cukup signifikan. Dengan begitu proses pembakaran pun akan menjadi lebih baik. Teknologi ini pun telah bertahun-tahun dikembangkan oleh Universitas Indonesia. dimana pengembangan terus dilakukan tiap tahunnya dengan tujuan untuk meningkatkan performa dari FBC UI. Sehingga, nantinya FBC UI ini dapat dipergunakan dengan lebih baik selain sebagai sarana penelitian. Beberapa tahun terakhir, terdeteksi adamya performa kerja sistem yang masih kurang baik yaitu tidak meratanya fenomena fluidisasi yang mana fenomena tersebut merupakan hal yang sangat krusial dalam kinerja FBC itu sendiri Fluidisasi merupakan metoda pengontakan butiran-butiran padat berupa pasir dengan fluida gas yang menyebabkan pergolakan pada pasir sampai pasir seakan memiliki sifat-sifat seperti fluida. Banyak faktor yang memengaruhi fenomena fluidisasi, antara lain diameter partikel atau

2 pasir, densitas partikel, porositas hamparan, serta distibutor. Sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Agra dan Sabrizal pada Tugas Akhirnya mereka membuat pemodelan distributor untuk meningkatkan kemampuan fluidisasi FBC UI. Pada penelitian ini, akan dibahas mengenai perbandingan kinerja dasar distributor modifikasi yang diproduksi mengikuti pemodelan distributor yang diciptakan oleh Agra dan Sabrizal dengan distributor yang terdahulu. 1. Eksperimen 1.1 Bahan Bakar Biomassa Ada 2 biomassa yang digunakan sebagai bahan bakar pada penelitian ini, yaitu : tempurung kelapa dan daun kering. Tempurung kelapa digunakan sebagai bahan bakar digunakan sebagai bahan bakar pada pemanasan awal. Tempurung kelapa yang digunakan berukuran 1.5 x 1.5 cm. Gamb ar 1 Temp urung Kelap a Untuk daun kering digunakan sebagai bahan bakar pada saat self sustained combustion. Daun yang digunakan haruslah dalam keadaan kering untuk mendapatkan hasil pembakaran yang maksimal. Gamb ar 2 Daun Kerin g 1.2 P asir Pasir yang digunakan sebagai hamparan (bed) akan sangat berpengaruh terhadap berhasil tidaknya proses fluidisasi dan pembakaran yang akan dilakukan. Pasir yang digunakan pada Fluidized Bed Combustion (FBC) Universitas Indonesia adalah jenis pasai silica yang berukuran mesh Gambar 3 Pasir Silica 1.3 Termokopel Terdapat 6 buah termokopel yang dipasang pada furnace untuk mengukur suhu yang terjadi di titik-titik yang diinginkan. Peletakan termokopel dapat dilihat sebagai berikut : T1 = 31,5 cm dibawah distributor T2 = 3,5 cm diatas distributor T3 = 24,5 cm diatas distributor T4 = 63,5 cm diatas distributor T5 = 144,5 cm diatas distributor T6 = 219,5 cm diatas distributor Gambar 4 Skematik Fluidized Bed Combustion 1.4 Modifikasi Distributor T6 T5 T4 44 T3 T2 T1

3 Modifikasi Distributor memeiliki besar dan ketinggian yang sama dengan distributor terdahulu. Perbedaannya hanya pada besar lubang orifis yang terdapat pada distributor. Untuk distributor terdahulu memiliki besar lubang sebesar 20 mm yang sama untuk setiap lubang orifis. Namun pada distributor modifikasi memiliki besar lubang orifis yang berbeda dengan distributor terdahulu dan terdapat 2 jenis ukuran, yaitu sebesar 12 mm dan 10 mm. sementara untuk jarak pitch, besar diameter distributor, dan pattern yang digunakan masih sama yaitu 60 mm, 600 mm, dan square pitch. Gambar 7 Forced Draft Fan Sedangkan untuk membentuk aliran udara kontinu yang diperlukan bagi pembakaran sehingga tekanan di furnace tetap terjaga serta menghisap dan membuang gas sisa hasil produk pembakaran maka digunakanlah Induce Draft Fan atau yang biasa disebut dengan blower tiup. Kecepatan putaran blower hisap yang digunakan dalam percobaan pembakaran ini adalah sebesar 1000 rpm. Gambar 7 Induce Draft Fan Gambar 5 Desain Distributor 2.1 Exhaust Pipe Sebelum melakukan percobaan pembakaran untuk membandingkan kinerja dasar distributor modifikasi dengan distributor terdahulu terdapat kendala pada exhaust pipe. Exhaust pipe yang lama mengalami kerusakan yaitu banyak pipa yang mengalami karat dan patah. Oleh itu dilakukan pembuatan disan exhaust pipe yang baru dengan modifikasi pada ukurannya. Gambar 6 Distribusi Modifikasi 1.5 Forced Draft Fan dan Induce Draft Fan 2. Untuk membuat fluidisasi yang terjadi pada modifikasi distributor diperlukan Forced Draft Fan atau biasa disebut dengan blower tiup. Blower tiup yang digunakan pada FBC UI. Kecepatan putaran dari blower tiup yang digunakan dalam proses percobaan adalah sebesar 33OO rpm. Gambar 9 Jalur Pipa Pembuangan yang Baru

4 Gambar 10 Dimensi Pipa Pembuangan Baru 2.2 Prosedur Pengujian Setelah semua bahan bakar siap dan seluruh peralatan telah terhubung. Blower tiup dan hisap dihidupkan. Setelah itu burner juga dihidupkan. Dilakukan pemanasan awal dengan burner selama menit. Lalu saat temperature terlihat konstan dilakukan pemanasan awal dengan pengumpanan tempurung kelapa sebesar 0.25 kg setiap 2 menit untuk membantu pasir mempercepat kenaikan temperaturnya. Setelah mencapai kondisi dimana hampara pasir (bed) yang telah berubah warna menjadi merah menyala seperti lava bergolak membara dengan suhu sekitar o C yang disebut dengan keadaan self sustain combustion maka burner dimatikan. Setelah itu mulai dilakukan pemasukan bahan bakar biomassa daun kering dengan laju pemasukan bahan bakar sebesar 0.5 kg setiap 1 menit. Semua data mulai dari burner dihidupkan sampai dengan selesai percobaan disimpan dengan menggunakan data acquisition (DAQ). 3. Hasil dan Analisa 3.1 Hasil Grafik Pemanasan Awal dengan distributor terdahulu Grafik Pemanasan Awal 1000 Temperatur ( o C) Waktu (Menit) T1 T2 T3 T4 T5 T6 Gambar 11 Grafik pemanasan awal distributor terdahulu

5 3.1.2 Grafik Pemanasan Awal dengan disributor modifikasi Gambar 12 Grafik pemanasan awal distributor modifikasi Grafik Pembakaran Daun selama 1 jam dengan distributor terdahulu 1000 Grafik Pembakaran Daun 1 Jam Temperatur( o C) Waktu (Menit) Gambar 13 Grafik pembakaran distributor terdahulu T1 T2 T3 T4 T5 T6

6 3.1.4 Grafik Pembakaran Daun selama 1 jam dengan distributor modifikasi Gambar 14 Grafik pembakaran distributor modifikasi 3.2 Analisa Analisis perbandingan Grafik Pemanasan awal Pada gambar 11 dan 12, terlihat dari grafiknya bahwa temperature T1 cenderung tetap selama proses pemanasan awal karena T1 mengukur temperature di bawah distributor yang hanya dipengaruhi oleh udara dari Forced Draft Fan. Untuk temperatur T2 pada gambar 11 mengalami peningkatan dan juga penurunan yang artinya temperatur di T2 tidak terlalu stabil. T2 mulai mengalami kestabilan temperatur saat menit ke-100 yang berarti bahwa pasir sudah dalam keadaan self sustain. Sedangkan untuk distributor modifikasi, pemanasan awal dilakukan dengan dua metode. Metode pertama adalah pemanasan awal dengan burner. Hal itu dilakukan hingga temperatur sebesar 140 o C selama menit. Temperatur selalu konstan selama menit tersebut membuktikan bahwa pemanasan awal dengan burner hanya mampu membuat temperatur pasir sekitar 140 o C. Setelah itu dilakukan pemanasan awal dengan metode kedua yaitu dengan pengumpanan tempurung kelapa untuk membuat temperatur meningkat. Dilakukan pengumpanan tempurung kelapa hingga menit ke-53 dan hingga pasir mengalami keadaan self sustain cobustion. Dapat terlihat dari data di atas bahwa penggunaaan distributor modifikasi dapat membuat pasir lebih cepat untuk mencapai keadaan self sustain bila dibandingkan dengan distributor terdahulu. Selain itu distributor modifikasi dapat menaikkan temperatur pasir hingga 140 o C dengan tanpa pengumpanan tempurung kelapa Analisis perbandingan grafik pembakaran daun selama 1 jam dalam keadaan self sustain combustion. Self Sustained Combustion adalah suatu kondisi dimana hamparan pasir (bed) yang

7 telah berubah warna menjadi merah menyala seperti larva yang bergolak membara. Kondisi seperti ini didapatkan setelah dilakukan pemanasan awal yang cukup sehingga saat burner telah dimatikan hamparan pasir (bed) telah menyimpan panas dan saat dimasukkan bahan bakar dapat langsung terbakar. Dalam keadaaan self sustained combustion, hanya burner yang dimatikan, untuk blower tiup (Forced Draft Fan) dan blower hisap (Induce Draft Fan) tetap dinyalakan. Hal inilah yang menjadi keunggulan dari incinerator Fluidized Bed Combustion dimana dengan proses self sustain combustion dapat membuat efektifitasnya menjadi lebih tinggi karena dengan burner yang dimatikan akan membuat ongkos pengoperasian dari fluidized bed combustion akan menjadi lebih hemat. Tentunya penghematan ongkos tersebut akan dapat dirasakan apabila fluidized bed combustion dioperasikan secara terus menerus Pemasukan bahan bakar (feeding) pada saat self sustain combustion dilakukan secara berkelanjutan setelah pemanasan awal. Namun pada percobaan ini, setelah menggunakan tempurung kelapa untuk melakukan pemanasan awal hingga mencapai self sustain combustion lalu diganti menggunakan bahan bakar biomassa daun kering. Daun kering yang mudah terbakar membuat laju pengumpanan (feed rate) menjadi lebih tinggi dibandingkan tempurung kelapa sehingga kebutuhan akan bahan bakar daun kering ini pun menjadi lebih banyak. Gambar 15 Kondisi saat Self Sustained Combustion (Burner Fully Off)

8 Grafik Self Sustained Combustion Distributor Lama Temperatur ( o C) Waktu (Menit) T1 T2 T3 T4 T5 T6 Gambar 16 Grafik Self Sustained Combustion Pembakaran Daun 1 Jam Menggunakan Distributor Terdahulu Gambar 17 Grafik Self Sustained Combustion Pembakaran Daun Menggunakan Distributor Modifikasi Pada gambar 16 dan 17 terlihat dari grafiknya bahwa temperatur T1 cenderung tetap karena T1 hanya mengukur temperatur dari udara forced draft fan untuk fluidisasi, di mana nilai temperaturnya tidak mengalami perubahan yang signifikan selama proses self sustain combustion. Hal ini sama dengan yang terjadi saat pemanasan awal. Pada gambar 16, terlihat dari grafiknya bahwa temperature T2 setelah self sustain combustion dengan menggunakan distributor terdahulu lebih cenderung tidak stabil. Sering terjadi proses penurunan dan kenaikan temperature T2 di antara temperature o C. Namun ada saat temperature T2 mengalami kenaikan yang signifikan sehingga 600 o C dan bertahan sekitar 20 menit sebelum akhirnya

9 percobaan dihentikan. Pada gambar 4.9, terlihat dari grafiknya bahwa temperature T2 setelah self sustain combustion dengan menggunakan distributor modifikasi lebih stabil dibanding dengan distributor lama. Setelah burner dimatikan temperature T2 mengalami kenaikan hingga titik puncak temperaturnya pada menit ke-59. Suhu puncaknya adalah sekitar di atas 800 o C. Setelah mengalami titik puncak temperaturnya, T2 turun secara perlahan. Terlihat pada menit ke-103 temperatur T2 mulai turun drastis karena bahan bakar biomassa daun yang digunakan dalam keadaan kurang kering sehingga penurunan yang terjadi sangat cepat. Titik puncak temperature T2 yang didapat dari hasil dua percobaan dengan menggunakan distributor lama dan distributor baru adalah 600 o C dan 800 o C. dapat disimpulkan dari kedua grafik tersebut bahwa penggunaan distributor modifikasi sangat berpengaruh dalam menjaga kestabilan temperature T2 dan juga berpengaruh dalam meningkatkan temperature T2 hingga mencapai lebih dari 200 o C. Hal ini juga mengindikasikan bahwa proses heat transfer yang terjadi dari freeboard area menuju bed berlangsung dengan baik. 4. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dari kajian studi penggunaan distributor modifikasi di Fluidized Bed Combustion Universitas Indonesia antara lain: a. Distributor modifikasi mengciptakan fluidisasi yang lebih baik dibandingkan dengan fluidisasi dengan distributor lama. b. Distributor modifikasi membantu pasir untuk menyerap panas hingga suhu 140 o C dengan tanpa pengumpanan tempurung kelapa c. Penggunaakn distributor modifikasi dapat meningkatkan kecepatan pasir dalam mencapai keadaan self sustain combustion. d. Penggunaaan distributor modifikasi dapat membuat temperature mulai dari bed, freeboard area sampai dengan exhaust lebih meningkat dan relative stabil dan mengakibatkan efisiensi dari Fluidized Bed Combustion ikut meningkat. Dengan fluidisasi udara lebih baik maka pembakaran yang terjadi juga lebih baik. e. Penggunaan distributor modifikasi dapat membuat bed selalu bubbling sehingga tidak perlu dilakukan pengadukan manual 5. Daftar referensi [1] Howard, J. R., Fluidized Beds Combustion and Applications. London: Applied Science Publishers,1983. [2] Oka, Simeon N. Fluidized Bed Combustion (Marcel Dekker, Inc. 2004) [3] Surjosatyo, Adi. Fluidized Bed Incineration of Palm Shell & Oil Sludge Waste. Tesis, Program Magister Engineering Universiti Teknologi Malaysia, [4] Basu, Prabir. Combustion and Gasification in Fluidized Beds (Taylor & Francis Group 2006). [5] Muntaqo, Azmi. Studi Karakteristik Pembakaran Biomassa Tempurung Kelapa pada Fluidized Bed Combustor UI dengan Partikel Hamparan Pasir Berukuran Mesh Skripsi,

10 Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok, [6] Prima, Nanda. Studi Karakteristik Pengujian Pembakaran Biomassa Tempurung Kelapa Ukuran 1x1 cm dan 1,5x1,5 cm pada Fluidized Bed Combustor UI. Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok, [7] Yuwana, Arya. Studi Kinerja Fluidized Bed Combustor Dengan Diversifikasi Bahan Bakar Cngkang Kelapa Ke Pemanfaatan Limbah Biomassa Daun Kering Di Lingkungan Kampus UI Depok. Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok, [8] Satriavi, Prayudi. Studi Perancangan Alat Pengering Biomassa Dengan Pemanfaatan Gas Panas Hasil Pembakaran di Fludized Bed Combustor (FBC). Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok, 2013 [9] Sabrizal, Achmad. Kajian Eksperimental Aliran Dingin Pada Distributor Fkuidized Bed Combustor Universitas Indonesia Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok 2013.