Genset dengan bahan bakar gasifikasi downdraft kulit kopi dan batubara

Transkripsi

1 Genset dengan bahan bakar gasifikasi downdraft kulit kopi dan batubara I Gusti Ngurah Putu Tenaya1, a *, I Nyoman Suprapta Winaya2,b dan I Nyoman Edi Gunawan3,c 1,2,3 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana Kampus Bukit Jimbaran Badung Bali Telp/Faks: a b putu.tenaya@me.unud.ac.id, ins.winaya@me.unud.ac.id Abstrak Proses gasifikasi downdraft adalah proses pengkonversian dua bahan bakar padat atau lebih menjadi gas mudah terbakar dengan jumlah udara yang terbatas dan gas hasil pembakaran dilewatkan pada bagian oksidasi dari pembakaran dengan cara ditarik mengalir ke bawah. Pada penelitian ini bahan bakar yang digunakan adalah campuran antara biomassa kulit kopi dengan batubara. Pengkonversian dua jenis bahan bakar padat dimaksudkan untuk meningkatkan kualitas (nilai kalor) dari biomassa kulit kopi dan mengurangi dampak negatif atau pencemaran lingkungan. Dalam penelitan ini dianalisis lama genset menyala dengan komposisi campuran kulit kopi dan batubara berdasarkan prosentase massa dengan berat total bahan bakar 3 kg. Penelitian ini melibatkan 3 variasi presentase massa kulit kopi-batubara seperti: 80 : 20, 70 : 30 dan 60 : 40. Temperatur dan kondisi operasi disesuaikan untuk proses gasifikasi pada laju alir udara yang konstan. Hasil penelitian menunjukkan seiring dengan prosentase peningkatan biomassa kulit kopi pada campuran bahan bakar akan memperpendek lama genset menyala dan mempersingkat waktu penyalaan. Kata kunci : kulit kopi, batubara, gasifikasi downdraft, lama genset menyala

2 berbentuk pohon yang termasuk dalam keluarga rubiaceae dan genus coffea. Tanaman ini berbentuk tegak, bercabang dan bila dibiarkan tumbuh dapat mencapai tinggi 12 m. Jenis kopi yang banyak diusahakan di Indonesia yaitu Robusta dan Arabika. Dalam proses pengolahan kopi secara basah akan menghasilkan limbah padat berupa kulit buah pada proses pengupasan buah (pulping) dan kulit tanduk pada saat penggerbusan (hulling). Kadar organik kulit buah kopi adalah 45,3 %, kadar nitrogen 2,98 %, fosfor 0,18 % dan kalium 2,26 %. Selain itu kulit buah kopi juga mengandung Ca, Mg, Mn, Fe, Cu dan Zn. Kulit kopi selama ini tidak mengalami pemprosesan di pabrik karena yang digunakan hanya biji kopi yang kemudian dijadikan bubuk kopi instan. Ada tiga tipe bahan bakar yang dihasilkan oleh biomassa dan dipergunakan untuk berbagai macam kebutuhan, antara lain : Cairan : ethanol, biodiesel dan methanol. Gas : biogas (CH4, CO2), producer gas (CO2, H2, CH4, CO2), syngas (CO2, H2). Padat : arang, briket. Pendahuluan Salah satu pemanfaatan energi biomassa dapat dilakukan dengan cara teknologi gasifikasi downdraft. Gasifikasi downdraft adalah proses yang mengkonversikan bahan bakar padat menjadi bahan bakar gas dengan memakai jumlah udara yang terbatas dan gas hasil pembakaran dilewatkan pada bagian oksidasi dari pembakaran dengan cara ditarik mengalir ke bawah. Gas yang dihasilkan seperti metana (CH4), karbon monoksida (CO) dan hydrogen (H2) bisa dimanfaatkan untuk pembangkit energi thermal. Pengkonversian dua jenis bahan bakar padat dimaksudkan untuk meningkatkan kualitas (nilai kalor) dari biomassa kulit kopi dan mengurangi dampak negatif atau pencemaran lingkungan. Kandungan volatile metter yang tinggi pada kulit kopi mempunyai keuntungan yaitu mudah terbakar tetapi berpotensi menghasilkan gas NOx akibat pembakaran. Disisi lain penggunaan batubara sebagai bahan bakar dikarenakan mempunyai nilai kalor yang tinggi. Komposisi bahan bakar kulit kopi dan batubara pada gasifikasi sangat diperlukan sebagai parameter untuk mengembangkan sistem gasifikasi khususnya kulit kopi sehingga bisa menjadi teknologi terapan. Dalam penelitan ini mengacu pada pengaruh komposisi (persen massa) campuran bahan bakar kulit kopi dan batubara dengan sistem gasifikasi downdraft terhadap lama genset menyala. Penggunaan ethanol dan biodiesel sebagai bahan bakar kendaraan transportasi dapat mengurangi emisi gas CO2. Oleh karena itu biomassa bukan hanya energi terbarukan tapi juga bersih atau ramah lingkungan dan dapat digunakan sebagai sumber energi secara global. Dasar Teori Jenis Gasifikasi Berdasarkan arah aliran gasnya, gasifikasi dapat dibedakan menjadi gasifikasi aliran berlawanan (updraft gasification), gasifikasi aliran searah (downdraft gasification) dan gasifikasi aliran menyilang (crossdraft gasification). Ketiga jenis gasifikasi tersebut memiliki keunggulan dan kekurangan masingmasing. a. Updraft Gasifier. Biomassa Kulit Kopi Biomassa adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintentis, baik berupa produk maupun buangan. Biomassa digunakan sebagai sumber energi (bahan bakar). Secara umum yang digunakan sebagai bahan bakar adalah biomassa yang nilai ekonomisnya rendah atau merupakan limbah setelah diambil produk primernya. Kopi (coffea sp.) adalah spesies tanaman

3 Pada bagian ini pembakaran berlangsung di bagian bawah dari tumpuan bahan bakar dalam silinder, gas hasil pembakaran akan mengalir ke atas melewati tumpuan bahan bakar sekaligus mengeringkannya. Bahan bakar dimasukkan ke dalam ruang bakar dari lubang pemasukan atas. Keunggulan yang dimiliki jenis gasifier ini menghasilkan pembakaran yang sangat bersih, lebih mudah dioperasikan dan arang yang dihasilkan lebih sedikit sedangkan kekurangannya adalah menghasilkan sedikit metan, tidak dapat beroperasi secara kontinyu dan gas yang dihasilkan tidak kontinyu. Gambar 2. Skema Downdraft Gasifier c. Crossdraft Gasifier. Udara disemprotkan ke dalam bahan bakar dari lubang arah samping yang saling berhadapan dengan lubang pengambilan gas sehingga pembakaran dapat terkonsentrasi pada satu bagian saja dan berlangsung secara lebih banyak dalan suatu satuan waktu tertentu. Keunggulan yang dimiliki jenis gasifier ini suhu gas yang keluar tinggi, reduksi CO2 rendah, kecepatan gas tinggi, tempat penyimpanan, pembakaran dan zona reduksi terpisah, kemampuan pengoprasiannya sangat bagus dan waktu mulai lebih cepat. Sedangkan kekurangannya adalah komposisi gas yang dihasilkan kurang bagus, gas CO yang dihasilkan tinggi, gas H rendah dan gas metan yang dihasilkan juga rendah Gambar 1. Skema Updraft Gasifier b. Downdraft Gasifier. Gas hasil pembakaran dilewatkan pada bagian oksidasi dari pembakaran dengan cara ditarik mengalir ke bawah sehingga gas yang dihasilkan akan lebih bersih karena tar dan minyak akan terbakar sewaktu melewati bagian tadi. Keunggulan yang dimiliki jenis gasifier ini dapat beroperasi secara kontinyu dan suhu gas tinggi sedangkan kekurangannya adalah tar yang dihasilkan lebih banyak, produksi asap terlalu banyak saat beroperasi dan menghasilkan arang lebih banyak. Gambar 3. Skema Crossdraft Gasifier Proses Gasifikasi Gasifikasi adalah proses yang merubah biomassa menjadi gas yang dapat dibakar secara umum, dimana udara yang diperlukan lebih rendah dari udara yang digunakan untuk proses pembakaran. Proses gasifikasi melibatkan empat tahapan seperti drying, pyrolisis, oksidasi parsial dan reduksi. a. Pengeringan (drying).

4 Kandungan air dalam wujud cair berubah menjadi uap air yang berwujud gas akibat proses pemanasan. H2O (cair) Biomassa yang dibutuhkan pada proses gasifikasi dapat dihitung menggunakan rumus : berat biomassa tergasifik asi FCR = waktu operasiona l berat biomassa berat arang FCR = waktu operasiona l (kg/dt) H2O (cair) b. Pyrolisis Terjadi pada suhu 150o C sampai 800o C. Untuk gasifikasi biomassa, pyrolisis dapat diprentasikan sebagai berikut: c) Air Fuel Rate (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 blower yang dibutuhkan untuk reaktor. Ini dapat ditentukan dengan menggunakan tingkat konsumsi bahan bakar (FCR), udara stokiometri dari bahan bakar (SA) dan rasio equivalensi ( ) untuk gasifying 0,3 sampai 0,4. Seperti ditunjukkan menggunakan rumus : Bahan bakar panas Char + Volatil c. Oksidasi (pembakaran) Pembakaran merupakan reaksi terpenting, terjadi pada suhu 800o C sampai dengan 1400o C. Reaksi yang terjadi pada proses pembakaran adalah: C + ½ O2 C + O2 H2 + ½ O2 CO + ½ O2 C2O + 110,7 KJ/mol C2O + 393,77 KJ/mol H2O KJ/mol C2O KJ/mol d. Reduksi Terjadi pada suhu 600o C sampai dengan 900o C. Produk yang dihasilkan pada proses ini adalah gas terbakar seperti H2, CO dan CH4 x FCR x SA a Dimana: AFR = Air Fuel Rate (tingkat aliran 3 udara) (m /jam) FCR = Fuel Consumtion Rate (kg/jam) a = Massa jenis udara (kg/m3) = Rasio equivalensi (0,3-0,4) SA = Udara stokiometri dari bahan bakar padat AFR = Parameter Gasifikasi 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 agar menghasilkan gas yang bersih. Temperatur yang tinggi juga dapat berpengaruh dalam menghasilkan gas yang mudah terbakar. Untuk mempertahankan temperatur, maka tangki reaktor diisolasi dengan bata tahan api agar tidak ada panas yang keluar ke lingkungan sehingga efisiensi reaktor menjadi baik. d) Waktui Mulai Menyala Adalah total waktu yang dibutuhkan oleh reaktor sirkulasi fix bed mulai dari blower dihidupkan sampai keluar gas mampu bakar. e) Durasi Gas Menyala Adalah jumlah total waktu gas mampu bakar dapat menyala. b) Fuel Consumtion Rate (FCR) f) Durasi Operasi Adalah jumlah total reaktor gasifikasi untuk terjadinya proses fluidisasi sampai

5 gas mampu bakar yang dihasilkan tidak dapat terbakar lagi dan bahan bakar habis terbakar. Dalam penelitian ini bahan bakar yang digunakan berupa biomassa kulit kopi dan batubara. Biomassa kulit kopi dan batubara adalah bahan bakar padat yang berbeda karakteristiknya. Batubara memiliki kadar abu sedang dan kandungan senyawa volatile rendah dengan nilai karbon dan nilai kalor tinggi. Sedangkan biomassa kulit kopi memiliki kandungan bahan volatile tinggi namun kadar karbon rendah. Kadar abu biomassa terggantung dari jenis bahannya (kulit kopi, dll), sedangkan nilai kalornya tergolong sedang. Pembakaran dapat dimulai pada suhu rendah dikarenakan tingginya kandungan senyawa volatile dalam biomassa. Dalam penelitian ini biomassa yang digunakan berbahan dasar butiran kopi utuh karena mudah ditemukan di daerah PupuanTabanan Bali karena sebagian besar komoditi petani disana adalah penghasilannya sebagai petani lahan kering yaitu petani kopi. Bahan dasar kulit kopi tersebut kemudian digiling untuk memisahkan biji kopi dengan kulitnya. Hal tersebut dikarenakan pada proses gasifikasi tidak mungkin dilakukan secara langsung, karena berbagai alasan sepeti menggunakan bahan bakar biomassa yang tidak terpakai dan biji kopi bernilai ekonomi tinggi. Oleh karenanya biomassa butiran kopi perlu diperlakukan hingga diperoleh biomassa yang tidak terpakai. Bahan baku tersebut berupa kulit kopi. Metode Penelitian Deskripsi Alat Dalam penelitian ini reaktor gasifikasi (gasifier) yang digunakan menggunakan sistem downdraft tipe fixed bed. Komposisi campuran kulit kopi dan batubara berdasarkan prosentase massa dengan berat total bahan bakar 3 kg. Penelitian ini melibatkan 3 variasi presentase massa kulit kopi-batubara seperti: (I) 80 : 20. (II) 70 : 30 dan (III) 60 : 40. Gambar 4. dibawah ini adalah skematik downdraft gasifier yang digunakan dalam penelitian. Gambar 4. Skematik Downdraft Gasifier Keterangan Gambar : 1. Tabung reaktor bahan bakar. 2. Blower. 3. Biomassa yang terbakar (areal pembakaran). 4. Saluran pematik api. 5. Wajan pembakaran. 6. Lubang pembersih abu pada reaktor 7. Tabung cyclone. 8. Toples kaca penampung tar. 9. Filter 10. Katup ke lingkungan. 11. Katup ke genset. 12. T1 (Oksidasi). 13. T2 (Reduksi). 14. T3 (Pirolisis). 15. T4 (Pengeringan). Gambar 5 Kulit Kopi dan Batu Bara Tahapan Pengujian Bahan bakar berupa variasi komposisi batubara dan kulit kopi dimasukkan ke dalam tabung reaktor bahan bakar dengan ukuran yang seragam hingga penuh. Hidupkan blower sebelum melakukan proses pembakaran bahan bakar. Kemudian bahan bakar yang jatuh ke wajan pembakaran disiram dengan minyak tanah melalui tutup reaktor dan dibakar melalui saluran pematik hingga terjadi proses pembakaran. Dari Bahan Penelitian

6 pembakaran campuran bahan bakar tersebut akan timbul gas yang akan dihisap oleh blower lalu diteruskan ke tabung cyclone dan pada tabung cyclone akan dipisahkan antara tar dan gas hingga tar akan jatuh ke toples kaca penampung tar. Gas yang masih terdapat debu akan diteruskan ke kotak filter untuk disaring. Gas yang telah bersih akan langsung dihisap blower dan nantinya gas akan dibuang ke valve yang menuju ke lingkungan untuk dicoba gasnya apakah sudah mampu terbakar atau tidak. Jika gas sudah mampu terbakar tutup valve yang menuju ke lingkungan dan buka valve yang menuju genzet. Untuk lama genset menyala dapat di dihitung dari waktu gas mulai menyala sampai gas tidak bisa dinyalakan. Gambar 7. Grafik lama genset menyala Dari gambar 7, terlihat bahwa genset menyala paling lama terjadi pada variasi III, hal ini disebabkan variasi III memiliki komposisi batubara paling banyak, dimana batubara memiliki nilai kalor paling tinggi dan volatil yang rendah. maka akan menyebabkan gas yang dihasilkan selama proses gasifikasi lebih lama menyala. Hasil dan Pembahasan Data hasil penelitian didapat waktu mulai menyala, waktu gas menyala, waktu operasi dan lama genzet menyala. Perbandingan data tersebut dapat dianalisis sebagai berikut: Kesimpulan Dari penelitian gasifikasi tipe downdraf pada variasi komposisi campuran bahan bakar batubara dan kulit kopi, dapat ditarik kesimpulan bahwa: Semakin besar komposisi biomassa kulit kopi pada campuran bahan bakar maka akan memperpendek lama genset menyala, terlihat pada variasi I lama genset menyala 721 detik, variasi II 2426 detik dan variasi III 3819 detik, Gambar 6.Grafik hubungan antara variasi komposisi bahan bakar terhadap waktu mulai menyala, waktu gas menyala dan waktu operasi Semakin besar komposisi biomassa kulit kopi pada campuran bahan bakar maka menyebabkan bahan bakar lebih reaktif sehingga waktu penyalaan menjadi lebih singkat. Dari Gambar 6. terlihat bahwa dengan bertambahnya komposisi biomassa kulit kopi (variasi I) yang mempunyai zat volatile (zat mudah terbakar) yang tinggi menyebabkan bahan bakar lebih reaktif sehingga waktu penyalaan menjadi lebih singkat. Waktu operasi yang paling lama terjadi pada komposisi biomassa paling sedikit (variasi III). Hal ini disebabkan karena batubara mempunyai nilai kalor lebih tinggi dan nilai volatile lebih rendah dari kulit kopi, maka akan menyebabkan gas yang dihasilkan selama proses gasifikasi lebih lama menyala. Referensi [1] Alamsyah, (2011), Pengelolaan Pencemaran Partikel. 8/ipa-pencemaran-lingkungan.html#. Di unduh (2014/11/08), Jam wita.

7 [2] Belino, A.T,. (2005) Rice Huck Stove, Departemen of Agricultural Engineering and Environmental Management, Central Philippine University: Lolio City [3] Ernawan, E. (2013), Performansi Tungku Gasifikasi Downdraft Dengan Variasi Density Briket Biomassa Kulit Kopi. Skripsi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana. [4] Gunamntha, (2010), Analisis Teknik, Ekonomi dan Lingkungan, Jurusan Analisis Kimia, FMIPA, Universitas Pendidikan Ganesha, Singaraja, Bali [5] Jean and Badeau Pierre, (2009), Biomass Gasification, Chemistry Processes and Application, Nova Science Publisher, Inc., New York. [6] Paul Grabowski, Biomass Thermochemical Conversion.,OBP Efforts TechnicalAdvisory Committee - March 11, Washington, D.C. [7] Robert Manuriung, MS Roa (1981) Gasifier Unggun Tetap Aliran Ke Bawah Lontar. Ui.ac.id/fire=digital/ r020850Pengmbangan % 20 dan % 20 StudiLiteratur.pdf. [8] Suryosatyo A dan Vidian F, 2004 Studi Co-Gasifikasi Tandan Kosong dan Tempurung Kelapa Sawit Menggunakan Gasifier Aliran Ke Bawah. Prosiding Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses, C-1-1 s/d C-1-6, ISSN: Semarang