ANALISA KARAKTERISTIK GASIFIKASI BIOMASSA DENGAN PENGATURAN AIR FUEL RATIO (AFR)

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR TF ANALISA KARAKTERISTIK GASIFIKASI BIOMASSA DENGAN PENGATURAN AIR FUEL RATIO (AFR) BAGUS RACHMAN FADHLILLAH NRP Dosen Pembimbing : Ir. Harsono Hadi, M.T, Ph.D Nur Laila Hamidah, S.T, M.Sc Departemen Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

2 FINAL PROJECT TF CHARACTERISTICS ANALYSIS OF BIOMASS GASIFICATION WITH SETTING OF AIR FUEL RATIO (AFR) BAGUS RACHMAN FADHLILLAH NRP Advisor Lecturer : Ir. Harsono Hadi, M.T, Ph.D Nur Laila Hamidah, S.T, M.Sc Department of Engineering Physics Faculty of Industrial Technology Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2017

3 v

4 (Halaman ini sengaja dikosongkan) vi

5 vii

6 (Halaman ini sengaja dikosongkan) viii

7 ANALISA KARAKTERISTIK GASIFIKASI BIOMASSA DENGAN PENGATURAN AIR FUEL RATIO (AFR) Nama Mahasiswa : Bagus Rachman Fadhlillah NRP : Program Studi : S-1 Teknik Fisika FTI-ITS Dosen Pembimbing : I. Ir. Harsono Hadi, M.T, Ph.D II. Nur Laila Hamidah, S.T, M.Sc Abstrak Ketersediaan bahan bakar fosil semakin lama, semakin berkurang. Hal ini menyebabkan, kebutuhan untuk mencari bahan bakar alternatif semakin meningkat. Berdasarkan hal tersebut, tugas akhir ini membahas tentang bahan bakar alternatif dari biomassa serpihan kayu. Metode yang dilakukan yaitu dengan memproses energi biomassa tersebut melalui proses gasifikasi pada sebuah reaktor, dan memvariasikan nilai Air Fuel Ratio melalui konfigurasi pitot tube dan manometer, serta ukuran panjang serpihan kayu, dengan hasil keluarannya berupa synthetic-gas. Tujuan dari penelitian ini yaitu, untuk mengetahui pengaruh variasi Air Fuel Ratio terhadap komposisi kandungan synthetic-gas, nilai kalor (LHV) synthetic-gas, serta efisiensi gasifikasi. Hasil yang didapat menunjukkan penurunan untuk senyawa CO dan H 2 baik pada ukuran serpihan kayu ± 2-5 mm maupun ± mm. Hasil ini juga berbanding lurus dengan penurunan nilai kalor (LHV) synthetic-gas yang dihasilkan melalui pendekatan perhitungan. Dan efisiensi keseluruhan proses gasifikasi terbaik didapat pada nilai AFR 1.21 dengan nilai sebesar 59.39% pada variasi ukuran serpihan kayu ± 2-5 mm, dan 55.43% pada variasi ukuran serpihan kayu ± mm. Kata kunci : Air Fuel Ratio, Biomassa, Efisiensi Gasifikasi, Low Heating Value, Synthetic-Gas ix

8 (Halaman ini sengaja dikosongkan) x

9 CHARACTERISTICS ANALYSIS OF BIOMASS GASIFICATION WITH SETTING OF AIR FUEL RATIO (AFR) Name of Student : Bagus Rachman Fadhlillah NRP : Department : Bachelor of Engineering Physics Advisor Lecturer : I. Ir. Harsono Hadi, M.T, Ph.D II. Nur Laila Hamidah, S.T, M.Sc Abstract Availability of fossil fuels is getting longer, decreasing. This cause to the need to search for alternative fuels is increasing. Based on this, this thesis discusses alternative fuels from biomass wood chips. The method to do that is by processing the biomass energy through a gasification process in a reactor, and varying the Air Fuel Ratio value through configuration pitot tube and manometer, and a length of wood chips, with the outcome in the form of synthetic gas. The purpose of this study is to determine the effect of variations in the composition of the Air Fuel Ratio of synthetic-gas content, heating value (LHV) of synthetic-gas and gasification efficiency. The results showed a decrease for both compounds CO and H2 on the size of the wood chips ± 2-5 mm and mm. This result is also proportional to the decrease in heating value (LHV) of synthetic gas produced through a calculation approach. And the overall efficiency of the gasification process is best obtained at 1.21 AFR value with a value of 59.39% on a variety of sizes of wood chips ± 2-5 mm, and 55.43% on wood chips size variation ± mm. Keywords : Air Fuel Ratio, Biomass, Gasification Efficiency, Low Heating Value, Synthetic-Gas xi

10 (Halaman ini sengaja dikosongkan) xii

11 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas berkat rahmat dan hidayah-nya, penelitian Tugas Akhir yang disusun oleh penulis dalam kurun waktu ± 6 bulan terakhir dapat terselesaikan dengan baik dan tepat waktu dengan judul : ANALISA KARAKTERISTIK GASIFIKASI BIOMASSA DENGAN PENGATURAN AIR FUEL RATIO (AFR) Tugas akhir ini merupakan salah satu persyaratan yang harus dipenuhi guna memperoleh gelar Sarjana Teknik oleh mahasiswa Program Studi S-1 Departemen Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Selama menyelesaikan tugas akhir ini penulis telah banyak mendapatkan bantuan dan dukungan yang terus diberikan dari berbagai pihak baik secara langsung maupun tidak langsung. Salah satunya kepada keluarga besar yaitu Ayah (alm), Ibu, Kakak Kandung dan Kakak Ipar yang selama proses pengerjaan tugas akhir tidak pernah berhenti untuk memberikan dukungan, doa, semangat serta motivasi kepada penulis agar dapat menyelesaikan tugas akhir dengan baik. Pada kesempatan ini pula penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada beberapa pihak baik dari dalam instansi (departemen) tempat penulis menimba ilmu dan menyelesaikan studi maupun dari luar jurusan, antara lain : 1. Bapak Agus Muhammad Hatta, S.T, M.Si, Ph.D selaku Kepala Departemen Teknik Fisika, FTI-ITS Surabaya. 2. Bapak Hendra Cordova, S.T, M.T selaku Kepala Program Studi S-1 Departemen Teknik Fisika, FTI-ITS Surabaya. 3. Ibu Ir. Ronny Dwi Noriyati, M.Kes selaku Dosen Wali yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan selama menjalani masa perkuliahan. xiii

12 4. Bapak Ir. Harsono Hadi, M.T, Ph.D dan Ibu Nur Laila Hamidah, S.T, M.Sc selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan bimbingan serta pengarahan selama proses penyelesaian Tugas Akhir. 5. Bapak dan Ibu Dosen beserta karyawan Departemen Teknik Fisika atas ilmu dan dedikasi yang diberikan. 6. Teman-teman staf dari Laboratorium Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar (TPBB), Departemen Teknik Mesin, FTI-ITS Surabaya yang telah membantu penulis dalam pengujian gasifikasi untuk keperluan Tugas Akhir. 7. Teman-teman penulis yang telah banyak memberikan informasi, bantuan serta dukungan selama proses pengerjaan Tugas Akhir. 8. Dan semua pihak yang belum dapat disebutkan satu per satu karena telah membantu selama proses pengerjaan Tugas Akhir. Penulis menyadari masih terdapat beberapa kekurangan baik dalam hal penyusunan, isi, serta materi yang disajikan dalam buku Laporan Tugas Akhir ini, namun diharapkan dengan disusunnya buku Laporan Tugas Akhir ini, dapat memberikan kontribusi dan wawasan yang lebih bagi pembaca. Semoga buku Laporan Tugas Akhir yang penulis susun ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang akan membacanya. Surabaya, Januari 2017 Penulis xiv

13 DAFTAR ISI Halaman Halaman Judul... i Lembar Pengesahan... v Abstrak... ix Abstract... xi Kata Pengantar... xiii Daftar Isi... xv Daftar Gambar... xix Daftar Tabel... xxi Bab I. Pendahuluan Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Sistematika Laporan... 4 Bab II. Tinjauan Pustaka Biomassa Karakteristik Biomassa Analisa Proksimasi dan Ultimasi Nilai Kalor Konversi Energi Biomassa Gasifikasi Reaktor Gasifier Downdraft Gasifier Tahapan Proses Reaktor Gasifikasi Downdraft Faktor Yang Mempengaruhi Suatu Proses Gasifikasi Properties Biomassa Perbandingan Udara dan Bahan Bakar Neraca Massa dan Neraca Energi Pada Gasifier Kesetimbangan Massa Kesetimbangan Energi xv

14 2.9 Efisiensi Gasifikasi Penentuan Kecepatan Aliran Fluida Menggunakan Pitot Tube dan Manometer Dengan Persamaan Bernoulli Penentuan Laju Alir Massa (ṁ) Fluida Dengan Persamaan Debit Aliran (Q) Bab III. Metodologi Penelitian Skema Penelitian Spesimen Bahan Biomassa Peralatan Uji Gasifikasi Diagram Alir Penelitian Penentuan Variabel Proses Gasifikasi Perhitungan Laju Alir Massa (ṁ) Udara Yang Masuk ke Throat Reaktor Perhitungan Laju Alir Massa (ṁ) Serpihan Kayu Perhitungan Rasio Udara-Bahan Bakar (Air Fuel Ratio) Perhitungan Nilai Kalor (LHV) Gas Terbakar (flammable gas) dari Synthetic-gas Perhitungan Kesetimbangan Massa Perhitungan Kesetimbangan Energi Perhitungan Efisiensi Gasifikasi Bab IV. Analisa Data Dan Pembahasan Analisa Distribusi Temperatur Pada Reaktor Gasifikasi Distribusi Temperatur Reaktor, Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm Distribusi Temperatur Reaktor, Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± mm Distribusi Temperatur Reaktor Pada Semua Variasi Ukuran Panjang Serpihan Kayu dan Air Fuel Ratio Analisa Komposisi Kandungan Synthetic-Gas xvi

15 4.2.1 Komposisi Kandungan Synthetic-Gas, Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm Komposisi Kandungan Synthetic-Gas, Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± mm Komposisi Kandungan Synthetic-Gas, Pada Semua Variasi Ukuran Panjang Serpihan Kayu dan Air Fuel Ratio Analisa Nilai Kalor (LHV) Synthetic-Gas Efisiensi Gasifikasi Bab V. Penutup Kesimpulan Saran Daftar Pustaka Lampiran xvii

16 (Halaman ini sengaja dikosongkan) xviii

17 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Proses Termokimia Gasifikasi Gambar 2.2 Skema Konversi Energi Biomassa Gambar 2.3 Gasifikasi Downdraft Gambar 2.4 Diagram Alir Proses Gasifikasi Gambar 2.5 Tahapan Proses Gasifikasi Gambar 2.6 Sistem Kontrol Volume Untuk Kesetimbangan Massa Pada Reaktor Gambar 2.7 Sistem Kontrol Volume Untuk Kesetimbangan Energi Pada Reaktor Gambar 2.8 Konfigurasi Pitot Tube dan Manometer Gambar 3.1 Skema Konfigurasi dan Instalasi Reaktor Gasifikasi Gambar 3.2 Diagram Alir Penelitian Tugas Akhir Gambar 3.3 Diagram Alir Penelitian Tugas Akhir (Lanjutan) Gambar 4.1 Distribusi Temperatur Reaktor Pada Variasi Ukuran Serpihan Kayu ± 2-5 mm dan Nilai AFR Gambar 4.2 Distribusi Temperatur Reaktor Pada Variasi Ukuran Serpihan Kayu ± mm dan Nilai AFR Gambar 4.3 Distribusi Temperatur Reaktor Pada Semua Variasi Ukuran Serpihan Kayu dan Air Fuel Ratio Gambar 4.4 Kandungan Synthetic-Gas Pada Variasi Ukuran Serpihan Kayu ± 2-5 mm dan Nilai AFR Gambar 4.5 Kandungan Synthetic-Gas Pada Variasi Ukuran Serpihan Kayu ± mm dan Nilai AFR Gambar 4.6 Komposisii Synthetic-Gas, Pada Semua Variasi Ukuran Serpihan Kayu dan Air Fuel Ratio xix

18 Gambar 4.7 Nilai LHV Synthetic-Gas Pada Semua Variasi Ukuran Serpihan Kayu dan Air Fuel Ratio Gambar 4.8 Nilai Efisiensi Gasifikasi Pada Semua Variasi Ukuran Serpihan Kayu dan Air Fuel Ratio xx

19 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Analisa Proksimasi Sampel Biomassa... 8 Tabel 2.2 Analisa Ultimasi Sampel Biomassa... 8 Tabel 2.3 LHV i dari gas yang terbakar (CO, CH 4, H 2) Tabel 3.1 Hasil Analisa Proksimasi Serpihan Kayu Tabel 3.2 Hasil Analisa Ultimasi Serpihan Kayu Tabel 3.3 Hasil Analisa Nilai Kalor (LHV) Serpihan Kayu Tabel 3.4 Peralatan Uji Gasifikasi Tabel 3.5 Data Parameter Variabel Tabel 3.6 Data Hasil Pengukuran Konfigurasi Pitot Tube dan Manometer (θ = 10 ) Tabel 3.7 Kecepatan Udara Yang Masuk ke Reaktor Tabel 3.8 Laju Alir Massa Udara Yang Masuk ke Reaktor 39 Tabel 3.9 Massa Serpihan Kayu & Waktu Operasi Gasifikasi Tabel 3.10 Rasio Udara-Bahan Bakar dan Kecepatan Udara Tabel 3.11 Hasil Uji Komposisi Flammable-Gas Yang Terkandung Dalam Synthetic-Gas Tabel 3.12 Nilai Kalor (LHV) Gas Yang Terbakar (flammable gas) Pada Semua Variasi Ukuran Serpihan Kayu Dan Nilai Rasio Udara-Bahan Bakar Tabel 3.13 Laju Alir Massa Serpihan Kayu dan Udara Tabel 3.14 Laju Alir Massa Char dan Ash Tabel 3.15 Laju Alir Massa Synthetic-Gas Tabel 3.16 Energi Serpihan Kayu Yang Masuk ke Reaktor.. 47 Tabel 3.17 Energi Udara Yang Masuk ke Reaktor Tabel 3.18 Energi Char Yang Keluar Dari Reaktor Tabel 3.19 Energi Synthetic-Gas Yang Keluar Dari Reaktor Tabel 3.20 Energi Ash Yang Keluar Dari Reaktor Tabel 3.21 Efisiensi Gasifikasi xxi

20 (Halaman ini sengaja dikosongkan) xxii

21 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Energi merupakan unsur vital yang tak pernah lepas dari kehidupan manusia. Seiring bertambahnya jumlah penduduk dan kemajuan teknologi, kebutuhan energi dewasa ini telah mengalami peningkatan yang tak terkendali. Hal ini tidak diimbangi dengan peningkatan sumber energi. Sebagian besar penyediaan energi primer saat ini berasal dari bahan bakar fosil. Namun, harga bahan bakar fosil dunia terus mengalami peningkatan akibat berkurangnya cadangan yang tersedia di perut bumi. Selain itu, penggunaan bahan bakar fosil juga memunculkan isu lingkungan dalam hal emisi CO 2 dan pemanasan global. Agar kebutuhan energi tetap terpenuhi, maka manusia perlu mencari sumber energi alternatif yang dapat menyediakan sumber energi secara terus-menerus. Hal ini dapat dilakukan dengan memanfaatkan sumber energi baru terbarukan (EBT) seperti angin, air, sinar matahari, dan biomassa. Upaya pemanfaatan EBT di Indonesia telah tertuang dalam programprogram pengelolaan energi nasional, sesuai Peraturan Presiden No. 5 Tahun [1] Biomassa merupakan salah satu sumber energi baru terbarukan (EBT) yang berasal dari limbah karbon dari berbagai aktivitas manusia dan alam. Biomassa adalah penyimpanan energi surya dalam bentuk kimia pada tumbuhan dan hewan. Keunggulan dari biomassa salah satunya yaitu energi yang terkandung didalamnya, dapat digunakan secara berkelanjutan, ramah lingkungan, serta ekonomis. [8] Sumber energi baru terbarukan ini sendiri sangat cocok untuk dikembangkan di Indonesia. Hal ini merujuk pada melimpahnya sumber bahan bakar biomassa di Indonesia seperti limbah serpihan kayu dari industri atau pengrajin kayu, tongkol jagung, tempurung dan serabut kelapa, sekam padi, jerami, atau ampas tebu yang belum dimanfaatkan secara maksimal. Masing-masing biomassa tersebut memiliki kandungan unsur dan senyawa kimia yang berbedabeda, faktor ini yang menyebabkan setiap biomassa memiliki 1

22 2 masing-masing kelebihan dan kekurangan apabila akan digunakan sebagai bahan bakar. Pada limbah serpihan kayu misalnya, berdasarkan data yang diperoleh dari beberapa literatur memiliki kadar volatile matters dan jumlah karbon yang lebih tinggi dari biomassa yang lain. Begitu pula dengan kadar abu atau ash yang dihasilkan cenderung memiliki nilai yang lebih rendah dari biomassa yang lainnya. [12] Ketiga faktor inilah yang menjadi pertimbangan bahwa limbah serpihan kayu memiliki kelebihan dibandingkan dengan sumber bahan bakar biomassa yang lain. Mengingat semakin tinggi kandungan volatile matters maka akan menjadikan biomassa semakin mudah terbakar, dan semakin banyak kandungan karbon menandakan semakin banyak pula zat yang dapat bereaksi dalam reaksi pembakaran sehingga memungkinkan reaksi pembakaran berjalan dengan lebih baik. Sementara kadar abu atau ash yang tinggi akan menghasilkan emisi abu dan partikulat paling banyak yang dapat mengganggu ataupun merusak sistem pembakaran. [2] Limbah serpihan kayu ini memiliki potensi konversi energi melalui proses gasifikasi. Gasifikasi sendiri merupakan salah satu teknologi potensial untuk pemanfaatan limbah biomassa. Gasifikasi bertujuan untuk mengkonversi bahan bakar padat maupun cair menjadi flammable gas menggunakan suatu reaktor yang disebut gasifier. Suatu sistem gasifikasi terdiri atas reaktor gasifikasi yang dilengkapi alat-alat untuk pengkondisian bahan bakar dan producer gas. Jenis-jenis proses gasifikasi yang telah dikembangkan saat ini adalah downdraft dan updraft. Diantara kedua proses gasifikasi ini, yang paling sederhana dan mampu menghasilkan syntheticgas dengan kualitas yang cukup baik adalah sistem gasifikasi downdraft. [11] Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik gasifikasi biomassa serpihan kayu pada proses gasifikasi reaktor downdraft dengan memvariasikan ukuran biomassa dan perbandingan udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio), untuk mendapatkan efisiensi keseluruhan proses yang paling baik. Variasi rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) diberikan dengan mengatur putaran blower melalui pengaturan dimmer. Dimmer ini bekerja dengan komponen elektronik yaitu variabel

23 resistor dimana hambatan listriknya dapat diperbesar atau diperkecil sesuai arah sudut putaran sehingga output listriknya akan berubah. 1.2 Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan, permasalahan yang dapat diangkat dalam penelitian tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Bagaimana pengaruh variasi Air Fuel Ratio (AFR) terhadap komposisi atau kandungan synthetic-gas yang dihasilkan melalui proses gasifikasi? 2. Bagaimana pengaruh variasi Air Fuel Ratio (AFR) terhadap nilai kalor bawah (Lower Heating Value/LHV) synthetic-gas yang dihasilkan melalui proses gasifikasi? 3. Bagaimana pengaruh variasi Air Fuel Ratio (AFR) terhadap efisiensi gasifikasi yang dapat diketahui dari energi hasil proses gasifikasi dibandingkan dengan energi yang masuk kedalam proses gasifikasi? 1.3 Batasan Masalah Agar penelitian tugas akhir ini tidak menimbulkan permasalahan yang melebar dan diluar topik yang diangkat, maka dibuat beberapa batasan masalah, antara lain : 1. Air Fuel Ratio (AFR) yang digunakan dalam pengujian proses gasifikasi ini divariasi menggunakan dimmer untuk mengatur kecepatan blower sebagai penyuplai udara. 2. Biomassa yang digunakan pada penelitian ini yaitu limbah serpihan kayu yang tidak terpakai dari industri kayu atau pengrajin kayu. 3. Karakteristik proses gasifikasi biomassa yang dianalisa yaitu nilai kalor bawah (Lower Heating Value/LHV), komposisi kandungan synthetic-gas dan efisiensi gasifikasi. 4. Komposisi synthetic-gas yang dihasilkan ditinjau dari nilai prosentase masing-masing gas yang terbakar (flammable gas). 3

24 4 5. Efisiensi gasifikasi diperoleh dari energi hasil proses gasifikasi dibandingkan dengan energi yang masuk kedalam proses gasifikasi pada masing-masing variasi nilai Air Fuel Ratio (AFR). 6. Rugi-rugi panas (heat loss) yang terjadi akibat perpindahan panas secara konveksi pada saat proses gasifikasi berlangsung diabaikan. 7. Sistem gasifikasi yang digunakan pada penelitian ini memakai sistem pemasukan biomassa secara batch. 1.4 Tujuan Adapun tujuan yang ingin dicapai berdasarkan perumusan masalah yang telah diangkat pada penelitian tugas akhir ini, antara lain : 1. Mengetahui pengaruh variasi Air Fuel Ratio (AFR) terhadap komposisi synthetic-gas yang dihasilkan melalui proses gasifikasi. 2. Mengetahui pengaruh variasi Air Fuel Ratio (AFR) terhadap nilai kalor bawah (Lower Heating Value/LHV) synthetic-gas yang dihasilkan melalui proses gasifikasi. 3. Mendapatkan nilai Air Fuel Ratio (AFR) terbaik untuk efisiensi proses gasifikasi. 1.5 Sistematika Laporan Sistematika penulisan laporan yang digunakan dalam penulisan tugas akhir adalah sebagai berikut : BAB I PENDAHULUAN Berisikan hal-hal umum yang memaparkan latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan sistematika laporan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Berisikan materi serta teori-teori penunjang yang terkait dengan penelitian tugas akhir.

25 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Berisikan tentang metode yang digunakan dalam penelitian tugas akhir, bahan uji, peralatan pengujian serta langkah dan prosedur pengujian. BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Berisikan analisa hasil penelitian dengan mengaitkannya terhadap teori yang digunakan. Analisa yang dibahas meliputi analisa proksimasi dan ultimasi biomassa serpihan kayu, distribusi temperatur di sepanjang reaktor, karakteristik biomassa serpihan kayu, serta analisa energi. BAB V PENUTUP Berisikan tentang kesimpulan pokok dari seluruh rangkaian penelitian yang telah diilakukan dan saran yang dapat dijadikan pengembangan penelitian selanjutnya. 5

26 6 (Halaman ini sengaja dikosongkan)

27 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Biomassa Biomassa merupakan bahan organik yang berasal dari hewan, tumbuhan, dan manusia. Yang dapat digolongkan sebagai biomassa antara lain yaitu tumbuh-tumbuhan, pepohonan, limbah di sektor pertanian, limbah yang berasal dari hutan, tinja (feses) serta kotoran hewan ternak. Biomassa juga banyak dimanfaatkan sebagai sumber energi (bahan bakar) alternatif yang sedang dikembangkan. [3] Biomassa pada umumnya mempunyai kadar volatile yang relatif tinggi, dengan kadar karbon (C) tetap yang rendah dan kadar abu (ash) yang lebih rendah dibandingkan dengan batubara. Kadar volatile yang tinggi ini berkisar ± 60-80% dibandingkan kadar volatile batubara, sehingga biomassa lebih reaktif dibandingkan dengan batubara. [4] Keuntungan biomassa yaitu merupakan bahan energi yang dapat diperbaharui karena dapat diproduksi dalam waktu yang relatif cepat. Proses fotosintesis yang melibatkan matahari yang terjadi pada biomassa jenis tumbuh-tumbuhan dan pepohonan, merupakan sumber energi yang paling utama. Keuntungan lain menggunakan biomassa sebagai bahan penghasil energi yaitu potensinya yang dapat mengurangi efek global warming yang merupakan hasil dari emisi gas rumah kaca. Meskipun dengan menggunakan biomassa dapat menghasilkan kadar karbon dioksida (CO 2) dengan jumlah yang hampir sama besarnya dengan yang dihasilkan oleh bahan bakar fossil, namun karbon dioksida (CO 2) ini dapat dimanfaatkan untuk pertumbuhan tanaman baru. [3] 2.2 Karakteristik Biomassa Analisa Proksimasi dan Ultimasi Untuk mengetahui karakteristik, sifat fisis, sifat kimia dan fuel properties suatu biomassa dapat dilakukan dengan analisa proksimasi dan ultimasi. Analisa proksimasi dan ultimasi biasa digunakan untuk mengetahui kandungan dalam biomassa. 7

28 8 Adapun analisa proksimasi dan ultimasi untuk beberapa jenis biomassa yang diperoleh dari literatur, dapat dilihat pada tabel berikut : Tabel 2.1 Analisa Proksimasi Sampel Biomassa [2] Jenis Biomassa Kadar Air (wt%) Kadar Abu (wt%) Volatile Matters (wt%) Fixed Carbon (wt%) Jerami Sekam Padi Kayu Kamper Kayu Karet Serabut Kelapa Ampas Tebu Tabel 2.2 Analisa Ultimasi Sampel Biomassa [2] Jenis Biomassa Karbon (wt%) Hidrogen (wt%) Nitrogen (wt%) Belerang (wt%) Oksigen (wt%) Jerami Sekam Padi Kayu Kamper Trace Kayu Karet Serabut Kelapa Ampas Tebu Analisa proksimasi digunakan untuk mengetahui kandungan air, abu, volatile matters, dan fixed carbon. Semakin besar kandungan air maka semakin rendah nilai kalornya karena H 2O tidak memiliki nilai kalor, kadar abu yang tinggi akan menghasilkan emisi abu dan partikulat paling banyak, semakin besar kandungan volatile matters maka akan semakin mudah biomassa terbakar. Selain itu, kadar volatile matters tersebut berhubungan dengan luasan permukaan material biomassa, apabila semakin luas permukaannya, maka semakin

29 mempermudah kandungan volatile matter tersebut menguap dalam proses gasifikasi. Dan semakin banyak kandungan karbon menandakan bahwa semakin banyak pula zat yang dapat bereaksi dalam reaksi oksidasi pada proses gasifikasi, sehingga memungkinkan proses gasifikasi berjalan dengan lebih baik. Sedangkan analisis ultimasi digunakan untuk mengetahui kandungan unsur-unsur kimia seperti karbon, hidrogen, nitrogen, oksigen, sulfur, dll. [2] Nilai Kalor Parameter yang menyatakan jumlah energi panas yang dilepaskan oleh bahan bakar saat terjadinya oksidasi unsur-unsur kimia yang terdapat didalamnya dinyatakan dengan nilai kalor. Parameter ini berhubungan secara langsung dengan kadar karbon (C) dan hidrogen (H 2) yang terkandung didalam bahan bakar padat. Semakin besar kadar keduanya, maka semakin besar pula nilai kalor yang dikandung oleh bahan bakar tersebut. [3] Apabila ditinjau berdasarkan nilai kalor, jumlah energi yang terdapat dalam suatu massa atau volume bahan bakar dibedakan menjadi 2, antara lain : 1. Nilai kalor bawah atau low heating value (LHV) yang merupakan nilai kalor yang diperoleh dari hasil pembakaran 1 kg bahan bakar dengan memperhitungkan panas kondensasi uap (air yang dihasilkan dari pembakaran berada dalam wujud gas atau uap). 2. Nilai kalor atas atau high heating value (HHV) yang merupakan nilai kalor yang diperoleh dari hasil pembakaran 1 kg bahan bakar dengan memperhitungkan panas kondensasi uap (air yang dihasilkan dari pembakaran berada dalam wujud cair). Untuk menentukan harga nilai kalor untuk padatan atau solid, dapat diperoleh dengan beberapa cara, antara lain : 1. Mengutip harga nilai kalor dari literatur yang telah ada. 9

30 10 2. Memperoleh nilai kalor melalui pengujian di laboratorium menggunakan peralatan uji bomb kalorimeter. Nilai kalor yang di dapatkan dari pengujian laboratorium menggunakan bomb kalorimeter adalah nilai kalor atas atau high heating value (HHV). Sedangkan nilai kalor bawah atau low heating value (LHV) dapat dihitung dengan cara pendekatan berdasarkan rumus berikut yang dipakai untuk sembarang bahan bakar dalam basis massa [5], yaitu : HHV LHV = 2400 (M + 9H 2 )... (2.1) HHV = LHV (2.2) maka, nilai kalor bawah atau low heating value (LHV) dan nilai kalor atas atau high heating value (HHV) menjadi : LHV = HHV 2400 (M + 9H 2 )... (2.3) LHV = HHV (2.4) HHV = LHV (M + 9H 2 )... (2.5) dengan : HHV = high heating value (kj/kg) LHV = low heating value (kj/kg) M = kandungan moisture (wt%) = kandungan hidrogen (wt%) H 2 3. Menghitung nilai kalor bahan bakar dengan menggunakan rumus Dulong. Rumus Dulong yang diambil menurut referensi [5] yaitu : HHV = (C) (H 2 O 2 ) (S)...(2.6) 8 dengan : C = kandungan karbon (wt%) H 2 = kandungan hidrogen (wt%)

31 11 O 2 = kandungan oksigen (wt%) S = kandungan belerang (wt%) Kemudian untuk menentukan harga nilai kalor bawah atau low heating value (LHV) pada gas hasil proses gafifikasi, dapat diperoleh dengan mengambil nilai kalor bawah dari konsentrasi gas yang terbakar (CO, CH 4, H 2). Perhitungan nilai kalor bawah tersebut menggunakan persamaan yang dikutip dari literatur jurnal [7], yaitu : n LHV GAS = i=1 (Y i LHV i )...(2.7) dengan : Y i = konsentrasi gas yang terbakar (CO, CH 4, H 2) LHV i = nilai kalor bawah gas yang terbakar (kj/kg) LHV GAS = nilai kalor bawah synthetic-gas (kj/kg) Berikut merupakan nilai LHV i dari gas yang terbakar (CO, CH 4, H 2) menurut literatur jurnal [7], yaitu : Tabel 2.3 LHV i dari gas yang terbakar (CO, CH 4, H 2) Gas yang terbakar LHV i (kj/kg) CO CH H Konversi Energi Biomassa Terdapat tiga metode konversi energi untuk biomassa, antara lain yaitu pirolisis, gasifikasi dan pembakaran. Pirolisis, secara luas sistem yang menguraikan kandungan karbon secara termal. Tidak seperti pembakaran langsung, setidaknya satu zona di mana dekomposisi termal berlangsung tanpa adanya oksigen. [8] Gasifikasi adalah proses mengubah biomassa padat menjadi gas yang mudah terbakar. [8] Sedangkan Pembakaran adalah metode paling sederhana dan paling awal dalam mengubah energi kimia yang tersimpan dalam biomassa menjadi energi panas. [8]

32 12 Perbedaan jenis konversi energi tersebut terletak pada banyaknya udara (oksigen) yang dikonsumsi saat proses konversi berlangsung. Proses pembakaran membutuhkan oksigen lebih banyak daripada proses gasifikasi, sementara pada proses pirolisis, oksigen yang digunakan sangat sedikit. [3] Jumlah oksigen yang dibutuhkan ini dinyatakan dengan parameter perbandingan udara-bahan bakar atau Air Fuel Ratio (AFR). Gambar 2.1 Proses Termokimia Gasifikasi [3] Perbandingan udara-bahan bakar tersebut dinyatakan dalam proses termokimia gasifikasi seperti pada Gambar 2.1. Terlihat bahwa gasifikasi merupakan proses konversi energi biomassa secara termokimia memanfaatkan sistem dengan kandungan oksigen terbatas untuk bereaksi, namun jumlah oksigen tersebut dijaga agar tidak berlebih supaya yang terjadi bukanlah pembakaran. Proses ini menggunakan perbandingan udara-bahan bakar dengan nilai maksimal 1,5. Proses gasifikasi menghasilkan synthetic-gas dengan komposisi utamanya mengandung karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H 2), dalam proses gasifikasi ini

33 13 reaksi yang terjadi dapat dikatakan lebih berkelanjutan, sehingga mampu menghasilkan synthetic-gas dengan jumlah yang lebih besar, serta lebih ramah terhadap lingkungan. [3] Gambar 2.2 Skema Konversi Energi Biomassa [3] Pada Gambar 2.2, proses pembakaran dilakukan dengan mereaksikan biomassa dengan udara langsung untuk menghasilkan energi. Apabila dibandingkan, proses konversi energi dengan gasifikasi lebih memiliki keunggulan karena synthetic-gas yang dihasilkan lebih mudah untuk dilakukan pengaturan dalam proses oksidasinya, untuk emisi yang dihasilkan juga lebih ramah lingkungan, serta gas yang dihasilkan (CO, CH 4, H 2) adalah parameter komposisi yang dapat dimanfaatkan untuk pembakaran. Sementara pada pembakaran langsung, efisiensi yang dihasilkan lebih kecil karena lebih banyak rugi-rugi panas yang terjadi, dan emisi yang dihasilkan berupa NO X. [3]

34 Gasifikasi Gasifikasi adalah proses mengubah biomassa padat menjadi gas yang mudah terbakar. Gas tersebut umumnya mengandung senyawa karbon, hidrogen, dan oksigen dengan kelembaban tertentu. Dalam kondisi dapat dikontrol, proses ini ditandai dengan suplai oksigen yang rendah dan suhu tinggi, sebagian besar bahan biomassa dapat dikonversi menjadi bahan bakar gas yang dikenal sebagai producer gas, yang terdiri dari CO, H 2, CO 2, CH 4 dan N 2. Konversi biomassa padat menjadi bahan bakar gas secara termokimia ini disebut dengan gasifikasi. [8] 2.5 Reaktor Gasifier Proses gasifikasi dilakukan dalam suatu reaktor yang dikenal dengan gasifier. Jenis gasifier yang ada saat ini dapat dikelompokkan berdasarkan mode fluidisasi, arah aliran dan jenis gas yang diperlukan untuk proses gasifikasi. Reaktor berfungsi sebagai tungku tempat berlangsungnya proses gasifikasi. Ketika gasifikasi dilangsungkan, terjadi kontak antara bahan bakar dengan medium penggasifikasi di dalam gasifier. Kontak antara bahan bakar dengan medium tersebut menentukan jenis gasifier yang digunakan. Apabila dibedakan berdasarkan arah aliran fluidanya, reaktor gasifier dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu, gasifikasi aliran searah (downdraft gasifier) dan gasifikasi aliran berlawanan (updraft gasifier). Pada downdraft gasifier, arah aliran udara dan bahan baku menuju ke bawah. Sedangkan pada updraft gasifier, arah aliran bahan baku ke bawah dan aliran udara justru berlawanan yaitu ke atas. [3] Downdraft Gasifier Pada downdraft gasifier, arah aliran udara dan bahan baku menuju ke bawah. Gasifikasi jenis ini menghasilkan tar yang lebih rendah dibandingkan jenis updraft. Hal ini dikarenakan tar hasil pirolisis terbawa bersama gas dan kemudian masuk ke daerah gasifikasi dan pembakaran yang memiliki temperatur tinggi. Pada daerah gasifikasi dan pembakaran inilah, tar kemudian akan terurai. Hasil gas dari gasifikasi sistem downdraft

35 15 ini setelah disaring dan didinginkan dapat langsung dimasukkan ke dalam mesin pembakaran dalam ataupun ditampung dalam suatu wadah untuk diuji atau dianalisis kandungan komposisinya. [3] Gambar 2.3 Gasifikasi Downdraft [8] Dari Gambar 2.3 diatas mengindikasikan proses distribusi temperatur pada downdraft gasifier ketika sedang dioperasikan. Pada fase drying atau pengeringan biomassa, reaksi yang terjadi adalah reaksi endoterm atau menghilangkan kandungan air dengan temperatur operasi kurang dari 120 C. [8] Pada fase pirolisis terjadi penguraian kandungan volatile dengan reaksi endoterm atau menyerap panas pada temperatur operasi berkisar 200 C C. [8] Pada fase oksidasi parsial dimana pada fase inilah proses pembakaran biomassa terjadi dengan reaksi eksoterm atau menghasilkan panas pada temperatur operasi >900 C. [8] Pada fase terakhir yaitu reduksi dimana fase ini akan mengurangi kandungan CO 2 dengan temperatur operasi normal berkisar 400 C C. [8] Dimana jika temperatur lebih rendah, akan menghasilkan nilai kalor yang terkandung pada gas hasil lebih rendah pula. [8]

36 Tahapan Proses Reaktor Gasifikasi Downdraft Pada proses gasifikasi, ada beberapa tahapan berdasarkan perbedaan rentang kondisi temperatur, yaitu drying atau pengeringan (<120 C), pirolisis ( C), oksidasi parsial (>900 C), dan reduksi ( C) yang dilalui oleh biomassa sebelum pada akhirnya menjadi gas yang flammable pada output reaktor. Proses drying atau pengeringan, pirolisis, dan reduksi bersifat menyerap panas (endotermik), sedangkan proses oksidasi parsial bersifat melepas panas (eksotermik). Panas yang dihasilkan dalam proses oksidasi parsial terebut digunakan dalam proses drying atau pengeringan, pirolisis dan reduksi. [1] Zona proses dan reaksi yang terjadi pada suatu reaktor gasifikasi downdraft ditunjukkan oleh Gambar 2.4 dan 2.5 berikut ini : Gambar 2.4 Diagram Alir Proses Gasifikasi [9]

37 17 Gambar 2.5 Tahapan Proses Gasifikasi [8] 1. Proses Drying (Pengeringan) Proses Drying dilakukan untuk mengurangi kadar air (moisture) yang terkandung di dalam biomassa bahkan sebisa mungkin kandungan air tersebut hilang. Temperatur pada zona ini berkisar kurang dari 120 C. Kadar air pada biomassa dihilangkan melalui proses konveksi karena pada reaktor terjadi pemanasan dan udara yang bergerak memiliki kelembaban yang relatif rendah sehingga dapat mengeluarkan kandungan air biomassa. Semakin tinggi temperatur pemanasan akan mampu mempercepat proses difusi dari kadar air yang terkandung di dalam biomassa sehingga proses drying akan berlangsung lebih cepat. Reaksi oksidasi, yang terdapat beberapa tingkat di bawah zona drying, yang bersifat eksoterm menghasilkan energi panas yang cukup besar dan menyebar ke seluruh bagian reaktor. Disamping itu kecepatan gerak media pengering turut mempengaruhi proses drying yang terjadi. [9] 2. Proses Pirolisis Proses pirolisis merupakan proses yang rumit sehingga pengertian sesungguhnya masih belum dapat dimengerti.

38 18 Namun secara harfiah pirolisis merupakan proses pembakaran tanpa melibatkan oksigen. Produk yang dihasilkan oleh proses ini dipengaruhi oleh banyak faktor seperti temperatur, tekanan, waktu, dan heat losses. Pada zona ini biomass mulai bereaksi dan membentuk tar dan senyawa gas yang flammable. Komposisi produk yang tersusun merupakan fungsi laju pemanasan selama pirolisis berlangsung. Proses pirolisis dimulai pada temperatur sekitar 300 C, ketika komponen yang tidak stabil secara termal, seperti lignin pada biomassa dan volatile matters pada batubara, pecah dan menguap bersamaan dengan komponen lainnya. Produk cair yang menguap mengandung tar dan PAH (polyaromatic hydrocarbon). Produk pirolisis biasanya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas ringan (H 2, CO, CO 2, H 2O, dan CH 4), tar, dan arang. [9] Secara umum reaksi yang terjadi pada pirolisis beserta produknya adalah : biomass char + tar + gases (CO 2; CO; H 2O; H 2; CH 4; C 2H 2) 3. Proses Oksidasi Parsial Proses oksidasi parsial adalah proses yang menghasilkan panas (eksoterm) yang memanaskan lapisan karbon di bawah. Proses ini terjadi pada temperatur yang relatif tinggi, umumnya lebih dari 900ºC. Pada temperatur setinggi ini pada downdraft gasifier, akan memecah substansi tar sehingga kandungan tar yang dihasilkan lebih rendah. [9] Adapun reaksi kimia yang terjadi pada proses oksidasi parsial ini menurut literatur adalah sebagai berikut : C + O 2 = CO (MJ/kg.mol) 2H 2 + O 2 = 2H 2O (MJ/kg.mol) Proses ini dipengaruhi oleh distribusi oksigen pada area terjadinya oksidasi karena adanya oksigen inilah dapat terjadi reaksi eksoterm yang akan menghasilkan panas yang dibutuhkan dalam keseluruhan proses gasifikasi ini. Distribusi oksigen yang merata akan menyempurnakan

39 19 proses oksidasi sehingga dihasilkan temperatur maksimal. Pada daerah pembakaran ini, sekitar 20% arang bersama volatil akan mengalami oksidasi menjadi CO 2 dan H 2O dengan memanfaatkan oksigen terbatas yang disuplaikan ke dalam reaktor (hanya 20% dari keseluruhan udara yang digunakan dalam pembakaran dalam reaktor). Sisa 80% dari arang turun ke bawah membentuk lapisan reduction dimana di bagian ini hampir seluruh karbon akan digunakan dan abu yang terbentuk akan menuju tempat penampungan abu. [9] Proses ini dipengaruhi oleh distribusi oksigen pada area terjadinya oksidasi karena adanya oksigen inilah dapat terjadi reaksi eksoterm yang akan menghasilkan panas yang dibutuhkan dalam keseluruhan proses gasifikasi ini. Distribusi oksigen yang merata akan menyempurnakan proses oksidasi sehingga dihasilkan temperatur maksimal. 4. Proses Reduksi Proses reduksi adalah reaksi penyerapan panas (endoterm), yang mana temperatur keluar dari gas yang dihasilkan harus diperhatikan. Pada proses ini terjadi beberapa reaksi kimia. Di antaranya adalah Bourdouar reaction, steam-carbon reaction, water-gas shift reaction, dan CO methanation yang merupakan proses penting terbentuknya senyawa senyawa yang berguna untuk menghasilkan flammable gas, seperti hidrogen dan karbon monoksida. Proses ini terjadi pada kisaran temperatur 400 C 900ºC. [8] Berikut adalah reaksi kimia yang terjadi pada zona tersebut menurut literature buku : Bourdouar reaction : C + CO 2 = 2CO (MJ/kg.mol) Steam-carbon reaction : C + H 2O = CO + H (MJ/kg.mol) Water-gas shift reaction : CO + H 2O = CO 2 + H (MJ/kg.mol) CO methanation : CO + 2H 2 = CH 4 + H 2O + 75 (MJ/kg.mol)

40 20 Dapat dikatakan bahwa pada proses reduksi ini gas yang dapat terbakar seperti senyawa CO, CH 4 dan H 2 mulai terbentuk. Sehingga pada bagian ini disebut sebagai producer gas. [8] 2.7 Faktor Yang Mempengaruhi Suatu Proses Gasifikasi Proses gasifikasi bukan hanya proses pengkonversian biomassa cair atau padat menjadi flammable gas, akan tetapi terdapat beberapa variabel di dalamnya yang menjadi parameter penentu kinerja reaktor, tahapan proses dan temperatur dalam reaktor atau bahkan kondisi dan komposisi gas yang dihasilkan. Berikut merupakan penjabaran parameter-parameter tersebut antara lain properties biomassa dan rasio bahan bakar dengan udara yang digunakan. [3] Properties Biomassa Setiap biomassa padat maupun cair memiliki sifat-sifat fisik maupun kimia yang dapat menentukan bahan baku biomassa tersebut dapat dikategorikan baik atau kurang baik, mulai dari segi energi yang dihasilkan maupun heat loss-nya. Sifat-sifat tersebut meliputi : 1. Kandungan Energi dan Ukuran Biomassa Semakin tinggi kandungan energi dan ukuran biomassa yang semakin kecil, dengan kapasitas gasifier yang sama, maka didapatkan energi yang lebih banyak daripada biomassa dengan kandungan energi rendah dan ukuran yang lebih besar. [3] Selain itu, ukuran biomassa ini memiliki keterkaitan dengan luasan permukaan material biomassa sebagai indikasi optimalnya suatu proses gasifikasi. Dengan semakin kecilnya luasan permukaan material biomassa, maka kandungan volatile matter yang terdapat pada biomassa tersebut akan semakin mudah menguap atau terdekomposisi. Maka dari itu, proses gasifikasi akan berjalan lebih maksimal.

41 21 2. Kandungan Moisture Untuk proses gasifikasi biomassa, umumnya dipilih biomassa yang memiliki kandungan moisture yang rendah. Karena kandungan moisture yang tinggi akan menyebabkan heat loss yang berlebihan dan beban pendinginan semakin tinggi karena pressure drop yang terjadi juga meningkat. Idealnya kandungan moisture yang sesuai untuk bahan baku gasifikasi tidak lebih dari 20%. [3] 3. Kandungan Tar Tar merupakan salah satu kandungan yang paling merugikan dan harus dihindari. Tar adalah cairan hitam kental yang terbentuk dari destilasi destruktif pada material organik. Tar yang terbentuk dari batubara atau minyak bumi diperkirakan bersifat racun karena kandungan benzena di dalamnya. Selain itu, tar memiliki bau yang tajam sehingga dapat mengganggu pernapasan. Pada reaktor gasifikasi, terbentuknya tar, yang memiliki bentuk approximate atomic CH 1.2O 0.5, terjadi pada temperatur pirolisis yang kemudian terkondensasi dalam bentuk asap, namun pada beberapa kejadian tar dapat berupa zat cair pada temperatur yang lebih rendah. Apabila hasil gas yang mengandung tar relatif tinggi dipakai pada kendaraan bermotor, dapat menimbulkan deposit pada karburator dan intake valve sehingga menyebabkan gangguan. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan tar tidak lebih dari 1 g/m³. [3] 4. Ash dan Slag Ash adalah kandungan mineral yang terdapat pada bahan baku yang tetap berupa oksida setelah proses pembakaran. Sedangkan slag adalah kumpulan ash yang lebih tebal. Pengaruh adanya ash dan slag pada gasifier mengurangi respon pereaksian bahan baku pada titik tertentu sehingga menimbulkan penyumbatan pada gasifier. Semakin tinggi kandungan ash yang dimiliki maka partikel pengotor dari syn-gas juga semakin banyak sehingga dibutuhkan pembersihan gas yang lebih baik lagi. [3]

42 Perbandingan Udara dan Bahan Bakar Kebutuhan udara pada proses gasifikasi berada di antara batas konversi energi pirolisis dan pembakaran. Karena itu dibutuhkan rasio yang tepat jika menginginkan hasil syn-gas yang maksimal. Untuk menyatakan suatu nilai perbandingan udara-bahan bakar teoretis atau stoichiometri dapat dicari menggunakan rumus. Dimana perbandingan tersebut menunjukkan kebutuhan udara minimum untuk pembakaran sempurna suatu bahan bakar. Ia dapat dinyatakan dalam bentuk massa udara per massa bahan bakar, yang jika dituliskan dalam bentuk persamaan menurut kutipan yang diambil dari buku dengan judul Prinsip-Prinsip Konversi Energi menjadi sebagai berikut [5] : Rasio udara-bahan bakar (AFR) = ṁ udara ṁ bahan bakar... (2.6) dengan : ṁ udara = laju alir massa udara (kg/s) ṁ bahan bakar = laju alir massa bahan bakar (kg/s) 2.8 Neraca Massa dan Neraca Energi Pada Gasifier Berdasarkan hukum konservasi massa dan energi, seluruh massa yang masuk pada suatu sistem control volume memiliki besaran yang sama dengan massa yang keluar. Hal tersebut juga berlaku pada reaktor gasifikasi yang menjadi instalasi penelitian tugas akhir ini Kesetimbangan Massa Hal utama yang dilakukan yaitu memodelkan sistem berupa kontrol volume pada reaktor gasifikasi, sehingga dapat diketahui apa saja massa yang masuk dan keluar dari dalam reaktor seperti Gambar 2.6 di bawah. Berdasarkan kontrol volume tersebut, maka terlihat bahwa massa yang masuk ke reaktor berasal dari dua sumber utama, yaitu biomassa yang dimasukkan kedalam reaktor gasifikasi dan udara yang masuk melalui throat kedalam reaktor gasifikasi dengan bantuan blower. Sedangkan massa

43 keluarnya berupa massa char, massa ash, massa synthetic-gas yang merupakan hasil dari proses gasifikasi. 23 Gambar 2.6 Sistem Kontrol Volume Untuk Kesetimbangan Massa Pada Reaktor [3] Secara teori seluruh energi yang dimiliki biomassa dapat dikonversikan menjadi synthetic-gas. Namun karena beberapa hal yang tidak dapat diabaikan, konversi energi yang terjadi tidak hanya menghasilkan synthetic-gas, namun juga menghasilkan arang (char) dan abu (ash). Berikut merupakan persamaan yang digunakan untuk mengetahui kesetimbangan massa pada reaktor menggunakan neraca laju massa untuk sistem kontrol volume : ṁ in = ṁ out... (2.7) dengan : Ʃ ṁ in = ṁ biomassa + ṁ udara Ʃ ṁ out = ṁ char + ṁ ash + ṁ syngas Maka, persamaan neraca laju massa untuk sistem kontrol volume pada reaktor menjadi : ṁ biomassa + ṁ udara = ṁ char + ṁ ash + ṁ syngas... (2.8)

44 Kesetimbangan Energi Parameter penentuan performa gasifier salah satunya dengan mengetahui apakah proses gasifikasi yang terjadi di dalamnya mampu mengkonversikan secara sempurna seluruh energi yang masuk menjadi energi yang berguna dan energi keluar yang berupa ash dan char seperti pada gambar di bawah. Namun pada kenyataanya pastilah terjadi banyak losses yang bisa mengurangi performa dari proses gasifikasi itu sendiri. Oleh karena itu perlu dilakukan perhitungan kesetimbangan energi untuk menganalisis efisiensi sebagai indikator dari performa gasifier dalam hal ini sebagai responnya terhadap variasi kecepatan suplai udara yang dimasukkan. [3] Gambar 2.7 Sistem Kontrol Volume Untuk Kesetimbangan Energi Pada Reaktor [3] Berikut merupakan persamaan yang digunakan untuk mengetahui kesetimbangan energi pada reaktor menggunakan neraca laju energi untuk sistem kontrol volume : E in = E out... (2.9) dengan : Ʃ E in = E biomassa + E udara Ʃ E out = E char + E ash + E syngas

45 25 Karena perhitungan energi dapat didefinisikan sebagai laju alir massa (ṁ) dikalikan dengan entalphi spesifik (h), maka nilai entalphi spesifik ini dapat didekati dengan nilai low heating value (LHV) atau Cp dikalikan dengan ΔT. Maka perhitungan untuk setiap variabel pada Persamaan 2.9 tersebut menjadi seperti berikut : E biomassa = m biomassa LHV biomassa E udara = m udara Cp udara T udara E char = m char LHV char E ash = m ash LHV ash E syngas = m syngas LHV syngas 2.9 Efisiensi Gasifikasi Parameter-parameter yang mempengaruhi efisiensi gasifier antara lain yaitu kandungan moisture, temperatur udara masuk, dan heat loss. Dapat disimpulkan bahwa kandungan moisture bahan bakar semakin tinggi, nilai kalor syngas semakin rendah, dengan kata lain efisiensi gasifikasi semakin kecil dengan tingginya kandungan moisture bahan bakar. Nilai tertinggi dari kandungan moisture dari bahan bakar tidak boleh lebih dari 33%. Untuk pengaruh temperatur udara masuk, semakin tinggi temperatur udara masuk gasifier akan menaikkan efisiensi gasifikasi. Disamping itu, pemanasan udara masuk bisa menurunkan Air Fuel Ratio (AFR). Sedangkan pengaruh besarnya heat loss adalah semakin kecil heat loss maka semakin besar pengaruhnya terhadap efisiensi gasifikasi. Namun karena heat loss yang terjadi diabaikan, maka pengaruhnya terhadap nilai efisiensi gasifikasi akan semakin besar. Bila semua proses diatas dilakukan seefisien mungkin, maka kandungan energi dari produksi gas mampu berada pada kisaran 70% - 80% dari kandungan energi biomassa yang digunakan pada gasifier, namun dalam kenyataan operasional yang dilakukan, hal tersebut sangat sulit untuk diterapkan mengingat adanya rugi-rugi panas yang terbuang ke lingkungan. Sehingga efisiensi gasifikasi, dalam hal ini merupakan nilai prosentase dari energi yang

46 26 dimiliki serpihan kayu untuk kemudian dikonversikan menjadi gas yang berguna. [3] Dan untuk menentukan nilai efisiensi gasifikasi dapat menggunakan persamaan berikut ini : η gasifikasi = E out E in 100%... (2.10) dengan : E out = Energi syngas E in = Energi biomassa + Energi udara 2.10 Penentuan Kecepatan Aliran Fluida Menggunakan Pitot Tube dan Manometer Dengan Persamaan Bernoulli Pada eksperimen pengujian gasifikasi yang dilakukan, digunakan konfigurasi pitot tube dan manometer untuk menentukan kecepatan udara yang masuk ke reaktor. Pitot tube dihubungkan dengan manometer yang nantinya akan mendeteksi perbedaan tekanan pada fluida yang berhubungan dengan kecepatan udara yang dirumuskan melalui persamaan Bernoulli. Dan berikut merupakan konfigurasi pitot tube dan manometer yang dipasang pada throat gasifier. B A Gambar 2.8 Konfigurasi Pitot Tube dan Manometer

47 27 Untuk dapat menentukan nilai kecepatan udara yang masuk ke reaktor, maka digunakan Persamaan Bernoulli seperti berikut, yaitu : P 1 + V 2 1 ρ 2 + gz 1 = P 2 + V 2 2 ρ 2 + gz 2... (2.11) dengan : P 1 = Tekanan statis (Pa) P 2 = Tekanan stagnasi (Pa) V 1 = Kecepatan aliran fluida saat tekanan statis, titik 1 (m/s) V 2 = Kecepatan aliran fluida saat tekanan stagnasi, titik 2 (m/s) ρ = Massa jenis fluida (kg/m 3 ) g = Percepatan gravitasi (m/s 2 ) z 1 = Static Head 1 (m) z 2 = Static Head 2 (m) Dikarenakan kecepatan fluida saat tekanan stagnasi cenderung mengalami penurunan hingga tidak ada sama sekali, maka nilai V 2 dapat dianggap 0 m/s. Kemudian juga dengan tidak adanya perbedaan ketinggian, nilai Δz juga bernilai 0 m. Sehingga Persamaan 2.11 diatas menjadi seperti berikut : V 1 2 = P = P 2 P 1 2 ρ ρ... (2.12) Jadi, nilai kecepatan udara yang masuk ke reaktor didapatkan dari Persamaan 2.12, yaitu : V 1 = 2( P) ρ = 2(P 2 P 1 ) ρ... (2.13) Dimana ΔP = P 2-P 1 merupakan perbedaan kenaikan tekanan pada udara dan cairan didalam manometer yang dihubungan dengan penurunan kecepatan fluida. Perbedaan kenaikan tekanan tersebut dapat didekati dengan rumus :

48 28 P 2 P 1 = ρ redoil. g. h P 2 P 1 = ρ air. SG redoil. g. h P 2 P 1 = ρ air. SG redoil. g. 2L sinθ... (2.14) dengan : ρ air = Massa jenis air pada suhu T C (kg/m 3 ) SG redoil = Specific gravity red oil L = Perbedaan ketinggian cairan didalam manometer θ = Sudut kemiringan manometer ( ) Sehingga, didapatkan formula untuk menentukan kecepatan udara yang masuk ke reaktor dengan mensubstitusikan persamaan 2.14 ke Persamaan 2.13, dan menjadi seperti berikut : V = 2.ρ air.sg redoil.g.2l sinθ ρ udara... (2.15) 2.11 Penentuan Laju Alir Massa (ṁ) Fluida Dengan Persamaan Debit Aliran (Q) Debit aliran fluida (volumetric flow rate) merupakan rumus yang digunakan untuk menghitung kecepatan aliran fluida (velocity of fluid). [12] Akan tetapi, dalam penelitian tugas akhir ini, kecepatan aliran fluida telah diketahui berdasarkan penurunan rumus dari Persamaan Bernoulli. Maka dari itu, untuk menentukan nilai laju alir massa (ṁ) udara yang masuk ke throat reaktor, didapat dari persamaan debit aliran fluida seperti berikut : Q = m...(2.16) ρ Kemudian dari Persamaan 2.16, maka didapatkan : m = ρ. Q... (2.17)

49 29 Dengan Q = V.A, V merupakan nilai kecepatan udara yang diketahui dari persamaan 2.15 dan A merupakan luas penampang medium yang dilewati udara yaitu 1 4 πd2. Sehingga Persamaan 2.17 akan menjadi sebagai berikut : m udara = ρ udara. V. A... (2.18) dengan : ρ = Massa jenis udara (kg/m 3 ) V = Kecepatan aliran udara (m/s) A = Luas penampang medium udara (m 2 )

50 30 (Halaman ini sengaja dikosongkan)

51 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Metode yang dilakukan dalam penelitian tugas akhir ini menggunakan metode eksperimental secara langsung. Penelitian dan pengujian gasifikasi dilakukan dengan bantuan reaktor gasifier tipe downdraft, dengan biomassa yang digunakan yaitu limbah serpihan kayu yang tidak terpakai atau terbuang dari tempat pengrajin kayu. Pengujian gasifikasi dilakukan untuk mendapatkan hasil syn-gas yang nantinya akan diuji kandungan komposisinya. Proses pengujian dan pengambilan data parameter ini dilakukan di Workshop Laboratorium Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar yang ada di jurusan Teknik Mesin, FTI-ITS. Sementara hasil syn-gas yang didapat kemudian ditampung, dan diuji kandungan komposisinya di Laboratorium Pusat Studi Energi dan Rekayasa LPPM ITS. 3.1 Skema Penelitian Berikut merupakan skema konfigurasi dan instalasi reaktor gasifier tipe downdraft yang digunakan dalam pengujian. Gambar 3.1 Skema Konfigurasi dan Instalasi Reaktor Gasifikasi 31

52 Spesimen Bahan Biomassa Bahan baku yang dipakai dalam pengujian gasifikasi ini yaitu serpihan kayu yang diambil dari limbah hasil dari pengrajin kayu di kawasan Manukan, Surabaya Barat. Analisa properties pada biomassa (serpihan kayu) dilakukan, agar dapat mengetahui kandungan apa saja yang terdapat pada biomassa tersebut beserta nilai kalornya. Analisa menggunakan metode ekstrapolasi forecasting dengan mengambil data analisa properties, mengingat jenis biomassa yang digunakan sama yaitu kayu yang telah dipublikasikan pada jurnal internasional [3][7][11[13][14][15][16]. Dan berikut parameter yang dianalisa serta hasilnya, yaitu : 1. Analisa Proksimasi Pada analisa ini dapat diketahui kadar kandungan moisture, ash, volatile matters, dan fixed carbon yang dimiliki oleh bahan baku. Tabel 3.1 Hasil Analisa Proksimasi Serpihan Kayu Analisa Proksimasi Moisture (wt%) 8.05 Ash (wt%) 0.79 Volatile Matters (wt%) Fixed Carbon (wt%) Analisa Ultimasi Pada analisa ini dapat diketahui karakteristik kandungan komposisi dari karbon, hidrogen, nitrogen, belerang, dan oksigen yang dimiliki oleh bahan baku. Tabel 3.2 Hasil Analisa Ultimasi Serpihan Kayu Analisa Ultimasi Carbon (wt%) Hydrogen (wt%) 5.68 Nitrogen (wt%) 0.35 Sulphur (wt%) 0.54 Oxygen (wt%) 45.04

53 33 3. Analisa Nilai Kalor Pada analisa ini bertujuan mengetahui nilai kandungan kalor (Low Heating Value) yang dimiliki oleh bahan baku. Tabel 3.3 Hasil Analisa Nilai Kalor (LHV) Serpihan Kayu Nilai Kalor Low Heating Value (kj/kg) Peralatan Uji Gasifikasi Peralatan yang dilakukan untuk pengujian gasifikasi dibagi menjadi dua bagian, yaitu peralatan pengujian serta peralatan pengukuran baik yang berbasis mekanik maupun elektronik. Semua peralatan tersebut dirangkai hingga menjadi satu kesatuan instalasi reaktor gasifikasi yang siap untuk dioperasikan. Pada Tabel 3.4 berikut dijabarkan daftar peralatan pengujian serta peralatan pengukuran yang digunakan pada saat pengujian gasifikasi dilakukan. Tabel 3.4 Peralatan Uji Gasifikasi Peralatan Pengujian Peralatan Pengukuran 1. Reaktor Gasifikasi 1. Timbangan Digital 2. Dimmer 2. Termometer Air Raksa 3. Blower 3. Manometer Tipe-V 4. Pitot Tube 4. Termokopel Tipe-K 5. Drum Pendingin 5. Termometer Infra Merah 6. Cyclone 6. Digital Anemometer 7. Water Scrubber 8. Pompa Air 9. Centrifugal Blower Untuk gambar dan spesifikasi rinci masing-masing peralatan pengujian, yang digunakan pada instalasi reaktor gasifikasi, dapat dilihat pada lampiran A1.

54 Diagram Alir Penelitian Dalam pengerjaan tugas akhir ini, penulis mengerjakan beberapa tahapan yang ditunjukkan pada diagram alir berikut ini : Gambar 3.2 Diagram Alir Penelitian Tugas Akhir

55 Gambar 3.3 Diagram Alir Penelitian Tugas Akhir (Lanjutan) 35

56 36 Dari diagram alir penelitian tugas akhir tersebut dapat diketahui bahwa metode penelitian yang digunakan yaitu metode eksperimental dan pengujian secara langsung. Sementara untuk langkah serta prosedur pengujian gasifikasi yang dilakukan dapat dilihat secara detail pada lampiran A Penentuan Variabel Proses Gasifikasi Berikut merupakan tabel parameter-parameter data yang diambil baik saat pengujian gasifikasi secara langsung maupun menggunakan perhitungan manual. Variabel Tetap Serpihan Kayu Massa Serpihan Kayu Tabel 3.5 Data Parameter Variabel Pengukuran Variabel (Sebelum Ubah Proses) Kecepatan udara masuk reaktor Ukuran Serpihan Kayu Temperatur udara sekitar Temperatur dinding reaktor Pengukuran (Saat Proses) Temperatur zona (T 1, T 2, T 3, T 4, T 5,) Temperatur dinding reaktor ΔL manometer V syn-gas Pengukuran (Setelah Proses) Komposisi syn-gas Massa ash Massa char Perhitungan Manual ṁ serpihan kayu ṁ syn-gas LHV syngas AFR Efisiensi Gasifikasi 3.6 Perhitungan Laju Alir Massa (ṁ) Udara Yang Masuk ke Throat Reaktor Metode untuk menentukan nilai laju alir massa (ṁ) udara yaitu berdasarkan penurunan rumus dari Persamaan Bernoulli, sehingga didapatkan formula untuk menentukan kecepatan udara yang masuk ke reaktor, seperti berikut : V = 2.ρ air.sg redoil.g.2l sinθ ρ udara... (3.1)

57 37 Perhitungan nilai kecepatan udara yang dihasilkan tersebut, diketahui dengan melakukan pengukuran beberapa parameter yang dibutuhkan melalui konfigurasi pitot tube dan manometer, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.6 berikut. Tabel 3.6 Data Hasil Pengukuran Konfigurasi Pitot Tube dan Manometer (θ = 10 ) ΔL Massa Jenis (ρ) Gravitasi Dimmer Manometer Air Udara SG Percepatan No. (m) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) Red Oil (m/s 2 ) Keterangan : Massa jenis (ρ) air diketahui dengan melihat tabel physical properties of water pada temperatur 30.2 C. Massa jenis (ρ) udara diketahui dengan melihat tabel density of air pada temperatur 32.8 C. Dari tabel massa jenis air dan udara yang dikutip pada handbook tersebut (Lampiran D.1 dan D.2), kemudian diinterpolasi menggunakan metode newton forward orde ke-1 untuk mendapatkan nilai secara tepat. Dari data tersebut, maka, dengan menggunakan Persamaan 3.1, nilai kecepatan udara yang masuk ke throat reaktor gasifikasi saat kecepatan blower divariasikan dengan dimmer no. 2, dapat diketahui dengan perhitungan sebagai berikut : ( ). (0.827). (9.81). ( sin 10 ) V = V = m s

58 38 Tabel 3.7 Kecepatan Udara Yang Masuk ke Reaktor ΔL Ukuran Panjang Dimmer Manometer Serpihan Kayu No. (m) ± 2-5 mm ± mm Kecepatan Udara (m/s) Sedangkan untuk perhitungan nilai kecepatan udara yang masuk ke throat reaktor gasifikasi, saat kecepatan blower divariasikan dengan dimmer no. 1 dan 3, dapat dilihat pada Lampiran D.3. Kemudian untuk menentukan nilai laju alir massa (ṁ) udara, persamaan yang digunakan yaitu : m udara = ρ udara. V udara. A throat... (3.2) Dan dikarenakan bentuk throat reaktor yang menyerupai lingkaran, rumus yang digunakan untuk mengetahui luas penampang throat adalah rumus luas lingkaran. A throat = 1 4 πd2... (3.3) Maka, nilai luas penampang throat diketahui dengan menggunakan Persamaan 3.3, yaitu : A throat = 1 4 πd2 = (0.015)2 = m 2 Sehingga, dari data tersebut, dengan menggunakan Persamaan 3.2, dapat diketahui nilai laju alir massa (ṁ) udara yang masuk ke throat reaktor gasifikasi, saat kecepatan blower divariasikan dengan dimmer no. 2, yaitu :

59 m udara = (1.154 kg m 3). ( m s ). (0, m2 ) m udara = kg s Tabel 3.8 Laju Alir Massa Udara Yang Masuk ke Reaktor Ukuran Massa Kecepatan Luas Panjang Dimmer Jenis Udara Penampang Serpihan No. Udara Kayu (kg/m 3 (m/s) Throat (m ) 2 ) ± 2-5 mm ± mm 39 ṁ Udara (kg/s) Sedangkan untuk perhitungan nilai laju alir massa (ṁ) udara yang masuk ke throat reaktor gasifikasi, saat kecepatan blower divariasikan dengan dimmer no. 1 dan 3, dapat dilihat pada Lampiran D Perhitungan Laju Alir Massa (ṁ) Serpihan Kayu Untuk menentukan nilai laju alir massa (ṁ) serpihan kayu, terdapat beberapa parameter yang diperlukan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.9 berikut. Tabel 3.9 Massa Serpihan Kayu & Waktu Operasi Gasifikasi Massa Serpihan Kayu Waktu Operasi Gasifikasi (kg) (menit) Dari data tersebut diatas, maka, laju alir massa (ṁ) serpihan kayu dapat diketahui dengan perhitungan sebagai berikut :

60 40 m serpihan kayu = 5 kg 100 menit 1 menit 60 sekon m serpihan kayu = kg s 3.8 Perhitungan Rasio Udara-Bahan Bakar (Air Fuel Ratio) Setelah nilai laju alir massa (ṁ) udara dan laju alir massa (ṁ) serpihan kayu diketahui, maka nilai rasio udara-bahan bakar untuk setiap proses gasifikasi dapat dihitung. Nilai rasio udara-bahan bakar, dapat diketahui dengan membandingkan nilai laju alir massa (ṁ) udara dan nilai laju alir massa (ṁ) serpihan kayu. Perbandingan tersebut dapat dirumuskan dalam sebuah persamaan, yaitu : Rasio udara-bahan bakar (AFR) = ṁ udara ṁ bahan bakar... (3.4) Sehingga didapatkan hasil nilai rasio udara-bahan bakar dari ketiga variasi kecepatan blower. Dan berikut merupakan perhitungan rasio udara-bahan bakar, saat kecepatan blower divariasikan dengan dimmer no. 2. AFR = m udara m bahan bakar = kg s kg = s Dengan kondisi laju alir massa (ṁ) serpihan kayu yang konstan, nilai rasio udara-bahan bakar semakin naik seiring naiknya kecepatan udara yang masuk kedalam throat reaktor. Hal tersebut ditunjukkan pada Tabel 3.10 kecepatan udara yang masuk ke reaktor dan rasio udara-bahan bakar.

61 Tabel 3.10 Rasio Udara-Bahan Bakar dan Kecepatan Udara Ukuran ΔL Kecepatan Panjang Dimmer Manometer Udara Serpihan No. (m) (m/s) Kayu ± 2-5 mm ± mm 41 Rasio Udara- Bahan Bakar Sedangkan untuk perhitungan rasio udara-bahan bakar, saat kecepatan blower divariasikan dengan dimmer no. 1 dan 3, dapat dilihat pada Lampiran D Perhitungan Nilai Kalor (LHV) Gas Terbakar (flammable gas) dari Synthetic-gas Tabel 3.11 berikut merupakan hasil komposisi kandungan flammable gas yang telah diuji di laboratorium. Tabel 3.11 Hasil Uji Komposisi Flammable Gas Yang Terkandung Dalam Synthetic-gas Ukuran Panjang Rasio Udara- Komposisi Flammable Gas (%) Serpihan Bahan CO CH 4 H 2 Kayu Bakar ± 2-5 mm ± mm

62 42 Nilai kalor gas yang terbakar (flammable gas) dari syntheticgas dapat diketahui dengan menggunakan persamaan berikut, yaitu : n LHV GAS = i=1 (Y i LHV i )...(3.5) Untuk nilai LHV i dari gas yang terbakar (CO, CH 4, H 2) dapat dilihat pada Tabel 2.3 [7], mengingat biomassa yang digunakan sama yaitu kayu. Setelah itu, perhitungan nilai kalor (LHV) gas yang terbakar (flammable gas) dari synthetic-gas dapat dilakukan dengan menggunakan Persamaan 3.5. Maka, nilai kalor (LHV) gas yang terbakar pada variasi ukuran serpihan kayu ± 2-5 mm dan AFR 1.21, menjadi seperti berikut : LHV CO = ( ) = kj kg LHV CH4 = ( ) = kj kg LHV H2 = ( ) = kj kg Jadi, total nilai kalor (LHV) gas yang terbakar (flammable gas) menjadi seperti berikut : LHV GAS = kj kj kj kg kg kg LHV GAS = kj kg Tabel 3.12 berikut menunjukkan nilai kalor (LHV) gas yang terbakar (flammable gas) dari synthetic-gas, pada semua variasi ukuran serpihan kayu dan AFR.

63 43 Tabel 3.12 Nilai Kalor (LHV) Gas Yang Terbakar (flammable gas) Pada Semua Variasi Ukuran Serpihan Kayu Dan Nilai Rasio Udara-Bahan Bakar. Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm ± mm Rasio Udara- Bahan Bakar Nilai Kalor (LHV) Gas Yang Terbakar (kj/kg) Sedangkan untuk perhitungan nilai kalor (LHV) gas yang terbakar (flammable gas) pada variasi ukuran serpihan kayu dan AFR berikutnya, dapat dilihat pada Lampiran D Perhitungan Kesetimbangan Massa Untuk mengetahui kesetimbangan massa yang terjadi pada reaktor gasifikasi, maka, massa yang masuk dan keluar reaktor terlebih dahulu ditinjau dengan Persamaan 3.6 berikut. ṁ in = ṁ out ṁ serpihan kayu + ṁ udara = ṁ char + ṁ ash + ṁ syngas... (3.6) Massa yang masuk ke reaktor Berikut merupakan perhitungan massa yang masuk ke reaktor, pada variasi ukuran serpihan kayu ± 2-5 mm dan AFR m serpihan kayu = kg s m udara = kg s

64 44 m serpihan kayu + m udara = kg kg s s m serpihan kayu + m udara = kg s Tabel 3.13 berikut menunjukkan massa yang masuk ke reaktor, pada semua variasi ukuran serpihan kayu dan AFR. Tabel 3.13 Laju Alir Massa Serpihan Kayu dan Udara Ukuran ṁ Panjang Rasio Udara- Serpihan Kayu Serpihan Bahan Bakar (kg/s) Kayu ± 2-5 mm ± mm ṁ Udara (kg/s) Sedangkan untuk perhitungan massa yang masuk ke reaktor, pada variasi ukuran serpihan kayu dan AFR berikutnya, dapat dilihat pada Lampiran D.6. Massa yang keluar dari reaktor Berikut merupakan perhitungan massa yang keluar dari reaktor, pada variasi ukuran serpihan kayu ± 2-5 mm dan AFR m char = kg 1 menit kg = menit 60 sekon s kg m ash = 1 menit kg = menit 60 sekon s m char + m ash = kg kg s s

65 45 m char + m ash = kg s Tabel 3.14 berikut menunjukkan massa yang keluar dari reaktor, pada semua variasi ukuran serpihan kayu dan AFR. Dengan lama waktu operasi gasifikasi ± 100 menit. Tabel 3.14 Laju Alir Massa Char dan Ash Ukuran Rasio Massa Massa Panjang Udara- Char Ash Serpihan Bahan (kg) (kg) Kayu Bakar ± 2-5 mm ± mm ṁ Char (kg/s) ṁ Ash (kg/s) E E E E E E E E E E E E-05 Sedangkan untuk perhitungan massa yang keluar dari reaktor, pada variasi ukuran serpihan kayu dan AFR berikutnya, dapat dilihat pada Lampiran D.7. Maka, setelah massa yang masuk ke reaktor dan keluar dari reaktor diketahui, nilai laju alir massa (ṁ) synthetic-gas dapat ditentukan. Berikut merupakan perhitungan nilai laju alir massa (ṁ) synthetic-gas pada variasi ukuran serpihan kayu ± 2-5 mm dan AFR 1.21, yang didapat dari Persamaan kg s = kg s + m syngas m syngas = kg kg s s m syngas =

66 46 Tabel 3.15 berikut menunjukkan nilai laju alir massa (ṁ) synthetic-gas, pada semua variasi ukuran serpihan kayu dan AFR. Tabel 3.15 Laju Alir Massa Synthetic-Gas Ukuran Rasio m serpihan kayu Panjang Udara- Serpihan Bahan + m udara Kayu Bakar (kg/s) ± 2-5 mm ± mm m char + m ash (kg/s) ṁ Synthetic-Gas (kg/s) Sedangkan untuk perhitungan nilai laju alir massa (ṁ) synthetic-gas pada variasi ukuran serpihan kayu dan AFR berikutnya, dapat dilihat pada Lampiran D Perhitungan Kesetimbangan Energi Untuk mengetahui kesetimbangan energi yang terjadi pada reaktor gasifikasi, maka energi yang masuk dan keluar reaktor terlebih dahulu ditinjau dengan Persamaan 3.7 berikut. E in = E out E serpihan kayu + E udara = E char + E ash + E syngas... (3.7) Energi yang masuk ke reaktor Berikut merupakan perhitungan nilai energi serpihan kayu, pada semua variasi ukuran serpihan kayu dan AFR, serta perhitungan energi udara, pada variasi ukuran serpihan kayu ± 2-5 mm dan AFR 1.21.

67 47 Energi Serpihan Kayu : m serpihan kayu = kg s LHV serpihan kayu = kj kg E serpihan kayu = m serpihan kayu LHV serpihan kayu E serpihan kayu = kg kj s kg E serpihan kayu = kj s Tabel 3.16 berikut menunjukkan nilai energi serpihan kayu, pada semua variasi ukuran serpihan kayu dan AFR. Tabel 3.16 Energi Serpihan Kayu Yang Masuk ke Reaktor Ukuran Panjang Serpihan Kayu Rasio Udara- Bahan Bakar ṁ Serpihan Kayu (kg/s) LHV Serpihan Kayu (kj/kg) ± 2-5 mm ± mm Energi Serpihan Kayu (kj/s) Energi Udara : m udara = kg s Cp udara = kj kg. K *Cp udara didapatkan dari tabel ideal-gas specific heats of various common gases, pada temperatur udara 32.8 C atau K dengan metode interpolasi newton forward orde ke-1 (Lampiran E.1).

68 48 T udara = (T udara T ref ) = ( ) = 7.8 T udara = 7.8 = K E udara = m udara + Cp udara + T udara E udara = kg s kj kg. K K E udara = kj s Tabel 3.17 berikut menunjukkan nilai energi udara, pada semua variasi ukuran serpihan kayu dan AFR. Tabel 3.17 Energi Udara Yang Masuk ke Reaktor Ukuran Rasio ṁ Panjang Udara- Cp udara Udara Serpihan Bahan (kj/kg.k) (kg/s) Kayu Bakar ± 2-5 mm ± mm ΔT udara (K) Energi Udara (kj/s) Sedangkan untuk perhitungan nilai energi udara pada variasi ukuran serpihan kayu dan AFR berikutnya, dapat dilihat pada Lampiran E.3. Energi yang keluar dari reaktor Berikut merupakan perhitungan nilai energi char, energi ash dan energi synthtetic-gas pada variasi ukuran serpihan kayu ± 2-5 mm dan AFR 1.21.

69 49 Energi Char : m char = kg s LHV char = kj kg E char = m char LHV char E char = kg kj s kg E char = kj s Tabel 3.18 Energi Char Yang Keluar Dari Reaktor Ukuran Rasio ṁ LHV Panjang Udara- Char Char Serpihan Bahan (kg/s) (kj/kg) Kayu Bakar ± 2-5 mm ± mm Energi Char (kj/s) E E E E E E Tabel 3.18 tersebut menunjukkan nilai energi char, pada semua variasi ukuran serpihan kayu dan AFR. Sedangkan untuk perhitungan nilai energi char pada variasi ukuran serpihan kayu dan AFR berikutnya, dapat dilihat pada Lampiran E.4.

70 50 Energi Synthetic-Gas : m syngas = kg s LHV syngas = kj kg E syngas = m syngas LHV syngas E syngas = kg kj s kg E syngas = kj s Tabel 3.19 Energi Synthetic-Gas Yang Keluar Dari Reaktor Ukuran Rasio ṁ LHV Panjang Udara- Synthetic-Gas Synthetic-Gas Serpihan Bahan (kg/s) (kj/kg) Kayu Bakar ± 2-5 mm ± mm Energi Synthetic-Gas (kj/s) Tabel 3.19 tersebut menunjukkan nilai energi synthetic-gas, pada semua variasi ukuran serpihan kayu dan AFR. Sedangkan untuk perhitungan nilai energi synthetic-gas pada variasi ukuran serpihan kayu dan AFR berikutnya, dapat dilihat pada Lampiran E.5.

71 51 Energi Ash : Nilai energi ash dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan 3.7, menjadi seperti berikut : kj s = kj s + E ash E ash = kj kj s s E ash = kj s Tabel 3.20 Energi Ash Yang Keluar Dari Reaktor Ukuran Panjang Serpihan Rasio Udara- Bahan Bakar Energi Ash (kj/s) Kayu ± 2-5 mm ± mm Tabel 3.20 tersebut menunjukkan nilai energi ash, pada semua variasi ukuran serpihan kayu dan AFR. Sedangkan untuk perhitungan nilai energi char pada variasi ukuran serpihan kayu dan AFR berikutnya, dapat dilihat pada Lampiran E.6.

72 Perhitungan Efisiensi Gasifikasi Untuk mengetahui nilai efisiensi gasifikasi yang terjadi pada setiap variasi ukuran serpihan kayu dan nilai AFR, dilakukan perbandingan antara energi yang keluar dari reaktor dengan energi yang masuk ke dalam reaktor. Perbandingan tersebut dinyatakan dalam Persamaan 3.9 berikut. η gasifikasi = E out E = syngas 100%...(3.9) E in E serpihan kayu +E udara Berikut merupakan perhitungan nilai efisiensi gasifikasi pada variasi ukuran serpihan kayu ± 2-5 mm dan AFR η gasifikasi = kj s kj s η gasifikasi = % 100% Tabel 3.21 merupakan hasil perhitungan nilai efisiensi gasifikasi, pada setiap variasi ukuran serpihan kayu dan nilai AFR. Tabel 3.21 Efisiensi Gasifikasi Ukuran Panjang Serpihan Kayu Rasio Udara- Bahan Bakar Efisiensi Gasifikasi (%) ± 2-5 mm ± mm Sedangkan untuk perhitungan nilai efisiensi gasifikasi, pada variasi ukuran serpihan kayu dan AFR berikutnya, dapat dilihat pada Lampiran E.7.

73 BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Bab ini memaparkan hasil analisa distribusi temperatur pada reaktor gasifikasi, analisa komposisi kandungan synthetic-gas, analisa nilai kalor (LHV) synthetic-gas, serta analisa efisiensi gasifikasi. 4.1 Analisa Distribusi Temperatur Pada Reaktor Gasifikasi Pada subbab berikut, ditampilkan grafik distribusi temperatur fungsi variasi Air Fuel Ratio, pada setiap ukuran biomassa serpihan kayu Distribusi Temperatur Reaktor, Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm Berikut merupakan hasil plot nilai distribusi temperatur reaktor di setiap zona proses gasifikasi. Gambar 4.1 Distribusi Temperatur Reaktor Pada Variasi Ukuran Serpihan Kayu ± 2-5 mm dan Nilai AFR 53

74 54 Pada Gambar 4.1, hasil distribusi temperatur pada zonazona termokopel proses gasifikasi semakin tinggi, seiring dengan kenaikan nilai rasio udara-bahan bakar (AFR). Pada zona drying (T 1), reaksi panas yang terjadi yaitu reaksi perpindahan panas secara radiasi yang diterima dari zona oksidasi (T 3) agar dapat menghilangkan kadar air atau moisture yang terkandung dalam serpihan kayu. Pada zona pirolisis (T 2), reaksi panas yang terjadi yaitu reaksi endotermik atau penyerapan panas yang nantinya digunakan untuk proses dekomposisi volatile matter yang terkandung dalam serpihan kayu. Pada zona ini, ukuran serpihan kayu memiliki peran penting terhadap optimal atau tidaknya suatu proses gasifikasi. Terlihat pada Gambar 4.1 bahwa, dengan ukuran serpihan kayu yang lebih kecil dan luasan permukaan material yang lebih kecil, kandungan volatile matter yang terdapat pada serpihan kayu akan semakin mudah menguap. Pada zona oksidasi (T 3), reaksi panas yang terjadi bukan reaksi endotermik melainkan reaksi eksotermik atau menghasilkan panas. Proses pada zona ini sangat dipengaruhi oleh suplai oksigen terbatas yang masuk ke throat reaktor, karena faktor oksigen inilah, terjadi reaksi eksotermik yang menghasilkan panas. Pada zona reduksi (T 4), reaksi panas yang terjadi yaitu reaksi endotermik atau menyerap panas. Selain itu, pada zona ini juga terjadi reaksi kimia seperti Bourdouar Reaction, Steam- Carbon Reaction, Water-Gas Shift Reaction, dan CO Methanation yang berperan penting sebagai pembentukan senyawa-senyawa yang disebut dengan flammable gas. Jika diperhatikan, rata-rata distribusi temperatur yang terjadi akan semakin meningkat pada setiap zona termokopel proses gasifikasi. Peningkatan ini dikarenakan kenaikan nilai AFR dari 1.08, 1.21, 1.32, dimana suplai udara yang masuk ke dalam reaktor bertambah, sehingga proses pembentukan reaksi panas di zona oksidasi menjadi lebih cepat [3], dengan dibuktikannya peningkatan temperatur di zona tersebut.

75 Distribusi Temperatur Reaktor, Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± mm Berikut merupakan hasil plot nilai distribusi temperatur reaktor di setiap zona proses gasifikasi. Gambar 4.2 Distribusi Temperatur Reaktor Pada Variasi Ukuran Serpihan Kayu ± mm dan Nilai AFR Pada Gambar 4.2, hasil distribusi temperatur pada zonazona termokopel proses gasifikasi menunjukkan kecenderungan yang sama dengan ukuran serpihan kayu ± 2-5 mm, yaitu semakin tinggi seiring dengan kenaikan nilai rasio udara-bahan bakar (AFR). Pada zona drying (T 1), reaksi panas yang terjadi yaitu reaksi perpindahan panas secara radiasi yang diterima dari zona oksidasi (T 3) agar dapat menghilangkan kadar air atau moisture yang terkandung dalam serpihan kayu. Pada zona pirolisis (T 2), reaksi panas yang terjadi yaitu reaksi endotermik atau penyerapan panas yang nantinya digunakan untuk proses dekomposisi volatile matter yang terkandung dalam serpihan kayu. Pada zona ini, ukuran serpihan kayu memiliki peran penting terhadap optimal

76 56 atau tidaknya suatu proses gasifikasi. Terlihat pada Gambar 4.1 bahwa, dengan ukuran serpihan kayu yang lebih besar dan luasan permukaan material yang lebih besar, kandungan volatile matter yang terdapat pada serpihan kayu akan semakin susah menguap. Pada zona oksidasi (T 3), reaksi panas yang terjadi bukan reaksi endotermik melainkan reaksi eksotermik atau menghasilkan panas. Proses pada zona ini sangat dipengaruhi oleh suplai oksigen terbatas yang masuk ke throat reaktor, karena faktor oksigen inilah, terjadi reaksi eksotermik yang menghasilkan panas. Pada zona reduksi (T 4), reaksi panas yang terjadi yaitu reaksi endotermik atau menyerap panas. Selain itu, pada zona ini juga terjadi reaksi kimia seperti Bourdouar Reaction, Steam- Carbon Reaction, Water-Gas Shift Reaction, dan CO Methanation yang berperan penting sebagai pembentukan senyawa-senyawa yang disebut dengan flammable gas. Namun terjadi selisih yang lebih besar antara temperatur pada zona oksidasi dari nilai AFR 1.08, 1.21, 1.32, dibandingkan dengan ukuran serpihan kayu ± 2-5 mm. Hal ini dikarenakan perbedaan ukuran serpihan kayu tersebut, mempengaruhi proses oksidasi yang berlangsung, maka panas yang bereaksi pada zona ini lebih lambat dalam memproses gasifikasi [3], dengan dibuktikannya penurunan temperatur di zona tersebut.

77 Distribusi Temperatur Reaktor, Pada Semua Variasi Ukuran Panjang Serpihan Kayu dan Air Fuel Ratio Berikut merupakan hasil plot nilai distribusi temperatur reaktor, pada semua variasi ukuran panjang serpihan kayu dan Air Fuel Ratio, di setiap zona proses gasifikasi. Gambar 4.3 Distribusi Temperatur Reaktor, Pada Semua Variasi Ukuran Serpihan Kayu dan Air Fuel Ratio Saat nilai AFR 1.32, zona drying (T 1) untuk ukuran panjang serpihan kayu ± 2-5 mm menunjukkan rata-rata temperatur dengan nilai 65 C. Nilai ini lebih tinggi dibandingkan dengan zona drying (T 1) untuk ukuran panjang serpihan kayu ± mm, yang menunjukkan rata-rata temperatur dengan nilai 36 C. Perbedaan ini disebabkan ukuran panjang serpihan kayu yang lebih kecil, sehingga reaksi panas yang terjadi di zona oksidasi (T 3) lebih cepat memproses gasifikasi dan mengakibatkan panas dapat merambat ke zona drying (T 1). Pada zona drying (T 1) ini, nilai temperatur paling tinggi terjadi pada ukuran panjang serpihan kayu ± 2-5 mm, menit ke-100 yaitu 119ºC. Hal ini mengindikasikan bahwa T 1 memang benar masuk

78 58 zona drying atau pengeringan, yang sesuai dengan teori dimana zona ini diindikasikan melalui rentang temperatur yang berkisar kurang dari 120ºC. [8] Zona pirolisis (T 2) untuk ukuran panjang serpihan kayu ± 2-5 mm, menunjukkan rata-rata temperatur dengan nilai 248 C. Nilai ini lebih tinggi dibandingkan dengan zona pirolisis (T 2) untuk ukuran panjang serpihan kayu ± mm yang menunjukkan rata-rata temperatur dengan nilai 146 C. Perbedaan ini disebabkan ukuran panjang serpihan kayu yang lebih kecil, sehingga panas yang terjadi di zona oksidasi (T 3) lebih cepat memproses gasifikasi dan mengakibatkan panas dapat merambat ke zona pirolisis (T 2). Pada zona pirolisis (T 2) ini, nilai temperatur paling tinggi terjadi pada ukuran panjang serpihan kayu ± 2-5 mm, menit ke-100 yaitu 326ºC. Hal ini mengindikasikan bahwa T 2 memang benar masuk zona pirolisis, yang sesuai dengan teori yaitu zona pirolisis diindikasikan melalui rentang temperatur yang berkisar pada 200ºC - 600ºC. [8] Zona oksidasi (T 3) untuk ukuran panjang serpihan kayu ± 2-5 mm menunjukkan rata-rata temperatur dengan nilai 715 C. Nilai ini lebih tinggi dibandingkan dengan zona oksidasi (T 3) untuk ukuran panjang serpihan kayu ± mm yang menunjukkan rata-rata temperatur dengan nilai 655 C. Perbedaan ini karena ukuran panjang serpihan kayu yang tidak sama, maka berpengaruh pada proses gasifikasi di dalam reaktor, sehingga panas yang bereaksi pada zona oksidasi lebih cepat dalam memproses gasifikasi. [3] Pada zona oksidasi (T 3) ini, nilai temperatur paling tinggi terjadi pada ukuran panjang serpihan kayu ± 2-5 mm, menit ke-100 yaitu 999ºC. Hal ini mengindikasikan bahwa T 3 memang benar masuk zona oksidasi, yang sesuai dengan teori dimana zona ini diindikasikan melalui rentang temperatur yang berkisar >900ºC. [8] Zona reduksi (T 4) untuk ukuran panjang serpihan kayu ± 2-5 mm, menunjukkan rata-rata temperatur dengan nilai 479 C, dengan nilai temperatur paling tinggi pada menit ke-90 yaitu 651ºC. Sedangkan zona reduksi (T 4) untuk ukuran panjang serpihan kayu ± mm, menunjukkan rata-rata temperatur dengan nilai 461 C, dengan nilai temperatur paling tinggi pada

79 59 menit ke-100 yaitu 614ºC. Hal ini mengindikasikan bahwa T 4 memang benar masuk zona reduksi yang sesuai dengan teori yaitu diindikasikan melalui rentang temperatur yang berkisar antara 400ºC - 900ºC. [8] Pada fase ini terjadi pengurangan kandungan CO 2, serta gas yang dapat terbakar atau flammable gas seperti senyawa CO, CH 4, dan H 2 mulai terbentuk. [8] 4.2 Analisa Komposisi Kandungan Synthetic-Gas Pada subbab berikut, ditampilkan grafik komposisi kandungan synthetic-gas fungsi variasi Air Fuel Ratio, pada setiap ukuran biomassa serpihan kayu Komposisi Kandungan Synthetic-Gas, Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm Berikut merupakan hasil plot nilai komposisi kandungan synthetic-gas fungsi variasi Air Fuel Ratio, pada ukuran panjang serpihan kayu ± 2-5 mm. Gambar 4.4 Kandungan Synthetic-Gas, Pada Variasi Ukuran Serpihan Kayu ± 2-5 mm dan Nilai AFR

80 60 Hasil plot komposisi synthetic-gas pada Gambar 4.4, menunjukkan adanya selisih yang besar antara prosentase H 2 dengan CO dan CH 4 pada semua variasi AFR. Hal ini mengindikasikan adanya udara luar yang bukan hasil proses gasifikasi ikut tertampung masuk pada saat pengambilan sampel gas. Pengambilan sampel gas dilakukan menggunakan plastik lalu diikat, sehingga meminimalisir udara luar yang dapat masuk, kemudian disimpan dalam satu wadah sterofoam agar terisolasi dari udara sekitar. Dari hasil uji kandungan komposisi synthetic-gas pada gas yang terbakar (flammable gas), menunjukkan tren penurunan seiring dengan meningkatnya rasio udara-bahan bakar (AFR). Namun, tren penurunan prosentase komposisi hanya berlaku pada senyawa CO dan H 2, sedangkan untuk senyawa CH 4 mengalami tren kenaikan prosentase komposisi pada AFR 1.08 ke 1.21, dan turun pada AFR Pada AFR 1.08, 1.21 dan 1.32, prosentase CO terus menurun berturut-turut dengan nilai 18.77%, 17.85%, dan 14.78%. Hal yang sama juga terjadi pada senyawa H 2 yang terus menurun berturut-turut dengan nilai 4.65%, 3.24%, dan 3.09%. Sedangkan, untuk prosentase senyawa CH 4 mengalami kenaikan dari 11.41%, 16.55%, dan turun pada nilai 14.64%. Penurunan prosentase komposisi gas tersebut ditengarai karena seiring peningkatan nilai rasio udara-bahan bakar (AFR), maka akan meningkatkan pula laju alir massa (ṁ) udara yang masuk kedalam reaktor gasifikasi. [3] Dan juga laju alir massa (ṁ) serpihan kayu yang dibuat konstan dengan nilai kg/s, menjadikan udara yang masuk kedalam reaktor gasifikasi akan berlebih, maka akan terbentuk senyawa gas yang lain dan mengakibatkan kepekatan synthetic-gas berkurang atau dengan kata lain prosentase gas yang terbakar (flammable gas) menjadi berkurang. [3]

81 Komposisi Kandungan Synthetic-Gas, Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± mm Berikut merupakan hasil plot nilai komposisi kandungan synthetic-gas fungsi variasi Air Fuel Ratio, pada ukuran panjang serpihan kayu ± mm. Gambar 4.5 Kandungan Synthetic-Gas, Pada Variasi Ukuran Serpihan Kayu ± mm dan Nilai AFR Hasil plot komposisi synthetic-gas pada Gambar 4.5, menunjukkan adanya selisih yang besar antara prosentase H 2 dengan CO dan CH 4 pada semua variasi AFR. Hal ini mengindikasikan adanya udara luar yang bukan hasil proses gasifikasi ikut tertampung masuk pada saat pengambilan sampel gas. Pengambilan sampel gas dilakukan menggunakan plastik lalu diikat, sehingga meminimalisir udara luar yang dapat masuk, kemudian disimpan dalam satu wadah sterofoam agar terisolasi dari udara sekitar.

82 62 Dari hasil uji kandungan komposisi synthetic-gas pada gas yang terbakar (flammable-gas), menunjukkan tren penurunan seiring dengan meningkatnya rasio udara-bahan bakar (AFR). Tren penurunan prosentase komposisi berlaku pada senyawa CO dan H 2, sedangkan untuk senyawa CH 4 mengalami tren kenaikan prosentase komposisi pada AFR 1.08 ke 1.21 dan turun pada AFR Pada AFR 1.08, 1.21 dan 1.32, prosentase CO terus menurun berturut-turut dengan nilai 14.35%, 13.74%, dan 11.33%. Hal yang sama juga terjadi pada senyawa H 2 yang terus menurun berturut-turut dengan nilai 5.58%, 4.25%, dan 3.08%. Sedangkan, untuk prosentase senyawa CH 4 mengalami kenaikan dari 11.05%, 15.27%, dan turun pada nilai 14.46%. Penurunan prosentase komposisi gas tersebut ditengarai karena seiring peningkatan nilai rasio udara-bahan bakar (AFR), maka akan meningkatkan pula laju alir massa (ṁ) udara yang masuk kedalam reaktor gasifikasi. [3] Dan juga laju alir massa (ṁ) serpihan kayu yang dibuat konstan dengan nilai kg/s, menjadikan udara yang masuk kedalam reaktor gasifikasi akan berlebih, maka akan terbentuk senyawa gas yang lain dan mengakibatkan kepekatan synthetic-gas berkurang atau dengan kata lain prosentase gas yang terbakar (flammable gas) menjadi berkurang. [3]

83 Komposisi Kandungan Synthetic-Gas, Pada Semua Variasi Ukuran Panjang Serpihan Kayu dan Air Fuel Ratio Berikut merupakan hasil plot nilai komposisi kandungan synthetic-gas, fungsi variasi Air Fuel Ratio, pada semua variasi ukuran panjang serpihan kayu. Gambar 4.6 Komposisi Synthetic-Gas, Pada Semua Variasi Ukuran Serpihan Kayu dan Air Fuel Ratio Hasil plot komposisi synthetic-gas, pada kedua ukuran panjang serpihan kayu dan variasi Air Fuel Ratio pada Gambar 4.6, menunjukkan penurunan nilai komposisi jika diamati dari perbedaan ukuran panjang serpihan kayu, untuk senyawa CO dan CH 4. Hal ini dikarenakan waktu pengujian yang dilakukan, mengingat untuk variasi ukuran panjang serpihan kayu yang lebih besar, sedikit lebih lama disimpan dalam plastik penampungan gas. Akibatnya, senyawa yang terkandung dalam gas tersebut sebagian telah menguap dan bercampur udara meskipun telah diikat. Hal ini memang masih rawan, dikarenakan hasil

84 64 pengujiannya sedikit kurang mewakili komposisi sesungguhnya dari senyawa-senyawa yang diujikan. Disamping itu, jika diamati pada senyawa CH 4, nilai komposisi yang terkandung akan semakin bertambah seiring dengan peningkatan nilai AFR dari 1.08 ke 1.21, dan turun pada AFR Dengan komposisi untuk ukuran panjang serpihan kayu ± 2-5 mm sebesar 11.41%, 16.55%, dan 14.64%. Sedangkan komposisi untuk ukuran panjang serpihan kayu ± mm sebesar 11.05%, 15.27%, dan 14.46%. Tren penambahan nilai prosentase komposisi CH 4 dari AFR 1.08 ke 1.21 tersebut, dikarenakan reaksi kimia yang terjadi di dalam reaktor pada zona reduksi. Reaksi kimia tersebut dinamakan CO methanation : CO + 2H 2 = CH 4 + H 2O + 75 (MJ/kg.mol) Dimana pada reaksi ini, terjadi proses pengurangan kandungan senyawa karbon baik CO maupun CO 2 dan diharapkan akan meningkatkan kandungan senyawa CH 4 pada synthetic-gas yang dihasilkan proses gasifikasi.

85 Analisa Nilai Kalor (LHV) Synthetic-Gas Berikut merupakan hasil plot nilai Low Heating Value (LHV) synthetic-gas fungsi variasi Air Fuel Ratio. Gambar 4.7 Nilai LHV Synthetic-Gas, Pada Semua Variasi Ukuran Serpihan Kayu dan Air Fuel Ratio Pada Gambar 4.7 menunjukkan adanya tren penurunan nilai LHV synthetic-gas, seiring dengan peningkatan nilai rasio udarabahan bakar (Air Fuel Ratio). Hal ini disebabkan oleh meningkatnya suplai laju alir massa (ṁ) udara yang masuk ke dalam reaktor gasifikasi, sehingga mempengaruhi proses pembentukan kandungan gas terbakar (flammable gas). Akibatnya kandungan gas yang terbakar (CO, CH 4, H 2) tersebut akan semakin menurun, jika suplai laju alir massa udara (ṁ) meningkat. Hal tersebut dikuatkan dengan semakin meningkatnya nilai rasio udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio), yang mengakibatkan peningkatan laju alir massa (ṁ) udara yang masuk ke reaktor, membuat distribusi temperatur akan semakin naik

86 66 dikarenakan suplai udara yang berlebih tersebut dapat mempercepat proses gasifikasi. Sedangkan untuk perbandingan antara tren nilai LHV synthetic-gas pada ukuran panjang serpihan kayu ± 2-5 mm, menunjukkan angka yang lebih besar, daripada tren nilai LHV synthetic-gas pada ukuran panjang serpihan kayu ± mm. Hasil ini dikarenakan faktor ukuran serpihan kayu yang menentukan pada proses gasifikasi, dimana jarak ukuran partikel serpihan kayu semakin kecil akan memberikan ruang yang sedikit untuk udara atau dengan kata lain rongga-rongga udara lebih sempit dan jarak partikel serpihan kayu yang satu dengan yang lain menjadi lebih rapat. [3] Faktor ini akan mempengaruhi proses reaksi kimia pembentukan kandungan gas terbakar (flammable gas), karena proses gasifikasi ini membutuhkan suplai udara yang terbatas, sehingga kandungan gas terbakar (flammable gas) akan dapat ditingkatkan, jika suplai laju alir massa (ṁ) udara yang dibutuhkan untuk proses gasifikasi disuplai dengan tepat. Selain itu dapat memudahkan untuk proses gasifikasi lebih stabil, dengan meninjau pada hasil distribusi temperatur yang terjadi didalam zona-zona yang dapat diamati menggunakan termokopel. Dimana suplai laju alir massa (ṁ) udara yang tepat, akan memungkinkan pendistribusian temperatur yang lebih stabil.

87 Efisiensi Gasifikasi Berikut merupakan hasil plot nilai efisiensi gasifikasi fungsi variasi Air Fuel Ratio. Gambar 4.8 Nilai Efisiensi Gasifikasi, Pada Semua Variasi Ukuran Serpihan Kayu dan Air Fuel Ratio Gambar 4.8 menunjukkan hasil efisiensi yang terjadi pada reaktor gasifikasi. Didapatkan tren kenaikan nilai efisiensi gasifikasi pada AFR 1.08 ke 1.21 dan turun pada AFR 1.32 baik untuk ukuran panjang serpihan kayu ± 2-5 mm dan ± mm. Kenaikan efisiensi gasifikasi pada AFR 1.08 ke 1.21 ini dapat disebabkan karena faktor energi biomassa serpihan kayu yang masuk kedalam reaktor bernilai konstan, maka dipengaruhi oleh energi synthetic-gas, dimana energi synthetic-gas mempunyai faktor dari laju alir massa (ṁ) synthetic-gas, yang mengalami peningkatan seiring dengan naiknya nilai rasio udara-bahan bakar (AFR). Disamping itu, peningkatan efisiensi tersebut juga dikuatkan dengan peningkatan distribusi temperatur reaktor dari AFR 1.08 ke Peningkatan distribusi temperatur ini,

88 68 menjadikan proses gasifikasi yang terjadi didalam reaktor semakin cepat, sehingga dapat meningkatkan efisiensi energi yang dihasilkan. Sedangkan adanya penurunan efisiensi energi pada AFR 1.32 mengindikasikan bahwa, jika energi udara yang masuk kedalam reaktor bertambah, namun energi synthetic-gas menurun, maka akan mengakibatkan proses reaksi gasifikasi tidak berlangsung dengan baik. Hal ini disebabkan energi udara memiliki faktor dari laju alir massa (ṁ) udara yang masuk ke reaktor. Mengingat proses gasifikasi ini membutuhkan suplai udara yang terbatas, maka apabila laju alir massa (ṁ) udara meningkat lebih dari yang dibutuhkan, proses yang terjadi bukan lagi gasifikasi melainkan pembakaran secara sempurna. Maka dari itu, untuk efisiensi gasifikasi yang terbaik dari semua variasi rasio udara-bahan bakar (AFR) ditunjukkan pada nilai AFR 1.21, pada ukuran panjang serpihan kayu ± 2-5 mm. Efisiensi gasifikasi yang dihasilkan yaitu sebesar 59.39%.

89 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Setelah melaksanakan seluruh rangkaian eksperimen penelitian tugas akhir dan menganalisa hasil yang didapat, maka berdasarkan hal tersebut, diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Pengaruh adanya variasi nilai rasio udara-bahan bakar (AFR) pada semua variasi ukuran serpihan kayu menunjukkan bahwa, prosentase komposisi synthetic-gas ditinjau dari gas yang terbakar (flammable gas) akan mengalami penurunan untuk senyawa CO dan H 2, sedangkan untuk senyawa CH 4 mengalami peningkatan pada AFR 1.08 ke Pengaruh adanya variasi nilai rasio udara-bahan bakar (AFR) pada semua variasi ukuran serpihan kayu menunjukkan bahwa, nilai kalor bawah (LHV) synthetic-gas akan terus menurun seiring meningkatnya nilai rasio udara-bahan bakar (AFR). 3. Pengaruh adanya variasi nilai rasio udara-bahan bakar (AFR) pada semua variasi ukuran serpihan kayu menunjukkan bahwa, efisiensi gasifikasi yang dihasilkan akan meningkat dengan indikator nilai rasio udara-bahan bakar (AFR) yang terbaik, melalui nilai efisiensi paling tinggi yaitu pada AFR Saran Dalam penyelesain tugas akhir ini, penulis sepenuhnya menyadari adanya banyak kekurangan baik dari sisi penyajian hasil maupun penulisan laporan. Dan untuk memperbaiki hal itu, ada beberapa saran yang ingin penulis sampaikan untuk memperbaiki kesalahan maupun keberlanjutan penelitian tentang topik sejenis dimasa mendatang, antara lain : 1. Variasi nilai rasio udara-bahan bakar (AFR) dapat ditambah pada penelitian selanjutnya, guna mengetahui sejauh mana 69

90 70 batas perbandingan antara udara dan bahan bakar yang perlu disuplai kedalam reaktor secara tepat. 2. Saat melakukan pengambilan sampel gas hasil proses gasifikasi, sebaiknya menggunakan media Gas-Bag agar lebih aman dan meminimalisir tercampurnya udara luar, sehingga komposisi kandungan synthetic-gas tidak banyak berubah. 3. Jenis senyawa yang terkandung dalam synthetic-gas yang diuji sebaiknya juga meliputi senyawa O 2, CO 2 dan N 2, karena senyawa tersebut merupakan senyawa yang paling banyak terkandung dalam udara bebas. 4. Untuk penelitian selanjutnya, sangat dianjurkan memperhitungkan heat loss atau rugi-rugi panas yang terjadi, akibat perpindahan panas secara konveksi baik dari dalam reaktor gasifikasi dan pipa-pipa penyalur synthetic-gas ke udara disekitar instalasi reaktor. 5. Perlu adanya penelitian lebih lanjut mengenai pemanfaatan gas hasil gasifikasi, agar nantinya dapat dimanfaatkan menjadi energi alternatif yang potensial untuk dikembangkan.

91 DAFTAR PUSTAKA 1. Hidayat, A., Karakterisasi Proses Gasifikasi Biomassa Pada Reaktor Downdraft Sistem Batch dengan Variasi Air Fuel Ratio (AFR) dan Ukuran Biomassa, Penelitian Tugas Akhir, Laboratorium Minyak Bumi, Gas, dan Batubara, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Inayati, F., Perancangan dan Optimasi Kinerja Kompor Gas Gas Biomassa Rendah Emisi Karbon Monoksida Berbahan Bakar Biopellet Dari Kayu Karet, Laporan Skripsi Mahasiswa Teknik Kimia, Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, Ardianto, F., Karakterisasi Gasifikasi Biomassa Serpihan Kayu Pada Reaktor Downdraft Sistem Batch Dengan Variasi Air Fuel Ratio (AFR) dan Ukuran Biomassa, Tugas Akhir Konversi Energi, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Putri. G. A., Pengaruh Variasi temperatur Gasifying Agent II Media gasifikasi terhadap Warna dan Temperatur Api Pada gasifikasi Reaktor Downdraft dengan Bahan Baku Tongkol Jagung, ITS, Surabaya, Archie W. Culp, Jr dan Sitompul Darwin, Prinsip-Prinsip Konversi Energi, Erlangga, Jakarta Anil Kr. J. dan John R. G., Determination Of Reactor Scalling Factor for Throatless Risk Husk Gasifier, International Journal Biomass & Bioenergy, vol. 18, no. 3, pp , Mar, Martinez, J. D., Lora, E. E. S. Andrade, R. V., & Jaen, R. L., Experimental study on biomass gasification in a double air stage downdraft reactor, Brazil, 2011.

92 8. Zobaa, A. F. and Bansal, R. C., Handbook of Renewable Energy Technology, World Scientific Publishing Co.,Pte., Ltd. 9. Azmi, M., Nugroho, G. dan Sarwono., Analisis Teknik dan Ekonomi Pemanfaatan Biomassa sebagai Pembangkit Energi Listrik di Surabaya, J. Teknik POMITS., vol. 1, no.1, pp. 1-6, Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Hadi S. dan Darsopuspito S., Pengaruh Variasi Perbandingan Udara-Bahan Bakar Terhadap Kualitas Api Pada Gasifikasi Reaktor Downdraft Dengan Suplai Biomass Serabut Kelapa Secara Kontinyu, J. Teknik POMITS., vol. 2, no. 3, pp. 3-6, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, K. Qin, P. A Jensen, W. Lin, and A. D. Jensen, Biomass Gasification Behavior in an Entrained Flow Reactor: Gas Product Distribution and Soot Formation, Energy & Fuels, vol. 26, no. 9, pp , Department of Chemical and Biochemical Engineering, Technical University of Denmark, DK-2800 Kongens Lyngby, Denmark, Fadhlillah, B. R., Perhitungan Pressure Drop Feedwater Line Economizer Pada Unit HRSG Di PT. Alstom Power Energy Systems Indonesia, Laporan Kerja Praktek, Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Fisafarani, H., Identifikasi Karakteristik Sumber Daya Biomassa dan Pengembangan Pellet Biomassa di Indonesia, Skripsi Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 2010.

93 14. P. N. Sheth and B. V. Babu, Experimental Studies on Producer Gas Generation From Wood Waste in a Downdraft Biomass Gasifier, Bioresour. Technol., vol. 100, no. 12, pp , Chemical Engineering Group, Birla Institute of Technology and Science (BITS), Adeyemi I et al, Gasification Behavior of Coal and Woody Biomass: Validation and Parametrical Study, Appl Energy, Waste-2 Energy Laboratory, Mechanical Engineering Program, Masdar Institute, Renewable Energy Department, Sharjah University, United Arab Emirates, J. Billaud, S. Valin, M. Peyrot, and S. Salvador, Influence of H 2O, CO 2 and O 2 Addition on Biomass Gasification in Entrained Flow Reactor Conditions : Experiments and Modelling, vol. 166, pp , Fuel, CEA, LITEN, DTBH/SBRT/LTCB, Grenoble cedex 9, France, Joan, M. J., Jose, S. L., Javier, A., Aleberto, G., and Jesus, A., Influence of Gas Residence and Air Ratio on The Air Gasification of Dried Sewage Sludge in a Bubbling Fluidized Bed, Thermo-chemical Processes Group (GPT), Aragon Institute of Engineering Research (I3A), University of Zaragoza, Maria de Luna 3, E Zaragoza, pp , Fuel 85, Spain, Moran, M. J. and Shapiro, H. N., Fundamentals of Engineering Thermodynamics, fifth edition. The Ohio State University, Iowa State University of Science and Techmology, 2006.

94 LAMPIRAN A A.1 Peralatan Pengujian dan Pengukuran Gasifikasi 1. Reaktor Gasifikasi Reaktor tersusun dari satu reaktor gasifikasi tipe downdraft dengan pemasukan biomassa secara sistem batch serta dilengkapi dengan pipa saluran gas tempat pengeluaran gas hasil proses gasifikasi agar dapat ditampung dalam sebuah wadah. Reaktor dibuat dari batu tahan api yang diisolasi dengan lapisan semen dan diselubungi oleh besi yang di-roll hingga berbentuk tabung untuk menjaga temperatur dan agar

95 heat loss yang terjadi tidak terlalu besar. Kontrol terhadap temperatur yang terjadi pada tiap tahapan proses gasifikasi dilakukan dengan pemasangan 5 termokopel yang didistribusi merata sepanjang ketinggian reaktor. Pada bagian atas terdapat lubang sebagai tempat pemasukan biomassa. Di bagian tengah reaktor dibuat cekungan (throat) agar dengan penampang yang kecil kenaikan temperatur lebih cepat tercapai. Di sekitar throat juga terdapat susunan tube sebagai media masuknya udara. Reaktor mempunyai dimensi keseluruhan dengan tinggi 1,5 m dan diameter dalam 0,35 m. 2. Dimmer Pada pengujian gasifikasi yang dilakukan, terdapat sebuah alat yang bernama dimmer dimana komponen yang terdapat didalamnya berupa resistor yang digunakan untuk memvariasikan kecepatan suplai udara dari blower dengan cara membatasi arus listrik yang mengalir, untuk mendapakan nilai Air Fuel Ratio yang diinginkan. Dimmer tersebut digunakan untuk memberikan 3 variasi tingkat kecepatan pada blower. 3. Blower Untuk membantu suplai udara yang masuk pada reaktor gasifikasi, digunakan blower yang pengaturan kecepatan putaran motornya dikendalikan melalui dimmer.

96 4. Pitot Tube Udara yang disuplai dari blower sebagian akan diarahkan masuk ke throat reaktor dan pitot tube yang berfungsi untuk mengetahui perbedaan tekanan fluida yang dihubungkan dengan manometer V. 5. Drum pendingin Pada instalasi reaktor terdapat sebuah drum pendingin berisi air yang berfungsi untuk tempat pendinginan pipa yang membawa hasil syn-gas, dikarenakan gas tersebut memiliki temperatur yang sangat tinggi sehingga diharapkan

97 temperatur syn-gas yang keluar dari reaktor dan mengalir melewati pipa dalam drum tersebut dapat diturunkan. 6. Cyclone Merupakan sebuah alat yang berfungsi untuk memisahkan materi berdasarkan perbedaan densitas atau massa jenis dan ukuran menggunakan prinsip gaya sentrifugal dan tekanan rendah karena adanya perputaran. 7. Water Scrubber Pada instalasi reaktor juga terpasang water scrubber yang berfungsi untuk membantu mendinginkan gas dan mengeluarkan partikulat abu yang masih terbawa oleh gas. Sebelum mencapai dasar dari scrubber, gas didinginkan dengan cara melewatkan pada suatu pancaran air atau gelembung air sebelum melewati water seal, seal tersebut juga berfungsi sebagai peralatan pengaman tambahan untuk

98 mencegah terjadinya kebocoran gas. Scrubber pada penelitian ini digunakan untuk menangkap pollutant yang ada pada gas dan mendinginkannya sebelum ditampung. 8. Pompa Air Pada instalasi reaktor dipasang pompa air yang berfungsi untuk mengalirkan air dari bak penampungan menuju water scrubeer dimana air disini berfungsi untuk menurunkan temperatur gas dan membersihkan gas dari kotoran atau partikulat ringan yang terbawa bersama gas sehingga diharapkan gas yang dihasilkan akan menjadi bersih.

99 9. Centrifugal Blower Blower dipasang pada bagian output water scrubber yang berfungsi untuk menghisap gas dari reaktor menuju pipa saluran gas. Pompa yang digunakan memiliki daya sebesar 0,125 kw Model / Tipe Daya Aliran Udara Tegangan Tekanan Kelas Motor Rotasi : DE100 / Direct : 0,04 kw : 280 cmh : 220 Volt / 1 fasa : 13maq / 125 Pa : IP44 B : 2800 rpm 10. Timbangan Digital Sebelum biomassa dimasukkan kedalam reaktor, terlebih dahulu ditimbang beratnya. Demikian pula untuk massa ash dan massa char juga ditimbang beratnya menggunakan timbangan digital. Merk : Quattro Kapasitas : Maks. 30 kg Pan Size : 218 mm x 260 mm Power : Rechargeable

100 11. Termometer Air Raksa Untuk mengukur temperatur udara sekitar atau ambient, digunakan termometer air raksa. 12. Manometer Tipe-V Untuk membaca perbedaan tekanan dari pitot tube, digunakan alat ukur yang bernama manometer tipe-v. Pengukuran dilakukan dengan cara membaca perbedaan defleksi cairan pada manometer yang memiliki sensitivitas sangat tinggi dengan sudut 10.

101 13. Termokopel Tipe-K Pada saat pengujian gasifikasi berlangsung, digunakan Termokopel Tipe-K yang berfungsi untuk mengukur temperatur didalam reaktor yang diletakkan dititik atau zonazona drying, pirolisis, oksidasi parsial, reduksi, dan saluran keluaran syn-gas. 14. Termometer Infra Merah Untuk mengukur temperatur dinding luar reaktor dan pipa, digunakan Termometer Infra Merah. Buatan : IRtek Range : Maksimum 1200 C

102 Range Pengukuran : -50 o C 380 o C (-58 F-716 F) Akurasi : ± 1.5 C / ± 1.5% Resolusi : 0.1 C / 0.1 F Distance Spot Ratio : 12 : 1 Emissivity : 0.95 (fixed) 15. Digital Anemometer Merk : Dekko Tipe : JT-02A Suplai Daya : 9V6F22 Wind Speed Range : m/s Ukuran : 19 x 11 x 6 (cm) Berat : 240 gram

103

104 A.2 Langkah dan Prosedur Pengujian Gasifikasi Pengujian gasifikasi dilakukan untuk pengambilan data guna mendapatkan parameter-parameter yang diperlukan untuk analisa dan identifikasi karakteristik gasifikasi dengan sistem batch. Melalui eksperimen ini akan diambil data berupa laju alir massa biomassa, udara, dan laju alir syn-gas, serta distribusi temperatur pada zona-zona reaksi gasifikasi yang terjadi didalam reaktor dengan menggunakan alat ukur temperatur yaitu termokopel. 1. Tahap Persiapan Berikut merupakan persiapan yang dilakukan sebelum proses pengujian gasifikasi dilakukan, yaitu : 1) Memeriksa instalasi reaktor gasifikasi kemudian memastikan semua peralatan penunjang yang lain seperti termokopel, blower, pompa dan komponenkomponen lainnya telah terpasang dan berfungsi dengan baik. 2) Menyiapkan alat ukur yang akan digunakan berupa timbangan digital, termometer air raksa, manometer tipe-v, termokopel tipe-k, termometer infra merah, digital anemometer, dll. 3) Menyiapkan 5 kg serpihan kayu sebagai bahan baku biomassa yang digunakan dalam pengujian gasifikasi. 2. Tahap Pengujian dan Pengambilan Data Berikut merupakan langkah dan prosedur pengujian serta pengambilan data parameter-parameter yang diperlukan untuk identifikasi karakteristik gasifikasi. 1) Catat temperatur udara sekitar atau ambient dan massa biomassa ditimbang sebanyak 5 kg. 2) Kemudian 1 kg serpihan kayu dimasukkan ke dalam reaktor dan diratakan diatas grate. 3) Masukkan sedikit kertas yang sudah dibakar agar menjadi bara api untuk menyulut serpihan kayu yang

105 sudah dimasukkan ke reaktor sebagai pemanasan awal. 4) Lalu masukkan sisa 4 kg serpihan kayu ke reaktor hingga reaktor hampir terpenuhi maksimal. 5) Dalam waktu yang bersamaan, blower dinyalakan dengan mengatur putaran dimmer. 6) Catat data perubahan panjang defleksi cairan pada manometer V. 7) Catat temperatur pada tiap termokopel yang sudah terpasang pada reaktor melalui display. 8) Pada saluran pipa keluaran dipasang digital anemometer untuk mengukur laju alir syn-gas. 9) Pengambilan data temperatur dilakukan setiap 10 menit hingga serpihan kayu yang tergasifikasi habis dan produksi gas telah terhenti. 10) Pengambilan data lajur alir massa udara dan laju alir syn-gas dilakukan 1 kali selama proses pengujian gasifikasi. 11) Pengukuran dan pengambilan data dilakukan hingga serpihan kayu didalam reaktor tidak tersisa. 12) Pengambilan data temperatur setiap titik termokopel, laju alir massa udara, dan laju alir syn-gas dilakukan kembali untuk setiap variasi kecepatan udara yang dibantu blower melalui putaran dimmer. 13) Lalu ambil dan tampung syn-gas kedalam beberapa plastik sebagai sampel, dan simpan didalam wadah sterofoam agar terisolasi dari udara luar. 14) Setelah ditampung, syn-gas hasil gasifikasi kemudian diuji komposisi kandungannya (CO, CH 4, H 2). 15) Tampung sisa-sisa hasil pembakaran didalam reaktor berupa ash dan char dan timbang beratnya.

106 Data ke- Volatile Matter (wt%) Analisa Proksimasi Ash (wt%) LAMPIRAN B Analisa Properties Biomassa Serpihan Kayu Moisture (wt%) Fixed Carbon (wt%) C (wt%) Analisa Ultimasi H 2 (wt%) O 2 (wt%) N 2 (wt%) S (wt%) Nilai Kalor LHV (kj/kg)

107 LAMPIRAN C C.1 Data Pengukuran Distribusi Temperatur Pada Variasi Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm dan AFR Hari Selasa, 29 Nopember 2016 Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm Waktu (menit ke-) T 1 Drying T 2 Pirolisis Temperatur ( C) T 3 Oksidasi T 4 Reduksi T 5 Syn-gas Massa Ash kg Massa Char kg Rata-Rata Dimmer No. ΔL Manometer V Temp. Reaktor Laju Alir Syn-Gas 1 4 mm 75.5 C 1.6 m/s

108 C.2 Data Pengukuran Distribusi Temperatur Pada Variasi Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm dan AFR Hari Senin, 12 Desember 2016 Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm Waktu (menit ke-) T 1 Drying T 2 Pirolisis Temperatur ( C) T 3 Oksidasi T 4 Reduksi T 5 Syn-gas Massa Ash kg Massa Char kg Rata-Rata Dimmer No. ΔL Manometer V Temp. Reaktor Laju Alir Syn-Gas 2 5 mm 77.7 C 1.8 m/s

109 C.3 Data Pengukuran Distribusi Temperatur Pada Variasi Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm dan AFR Hari Rabu, 14 Desember 2016 Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm Waktu (menit ke-) T 1 Drying T 2 Pirolisis Temperatur ( C) T 3 Oksidasi T 4 Reduksi T 5 Syn-gas Massa Ash kg Massa Char kg Rata-Rata Dimmer No. ΔL Manometer V Temp. Reaktor Laju Alir Syn-Gas 3 6 mm 78.1 C 1.9 m/s

110 C.4 Data Pengukuran Distribusi Temperatur Pada Variasi Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± mm dan AFR Hari Jum at, 16 Desember 2016 Ukuran Panjang Serpihan Kayu Waktu (menit ke-) T 1 Drying T 2 Pirolisis Temperatur ( C) T 3 Oksidasi T 4 Reduksi T 5 Syn-gas ± mm Massa Ash kg Massa Char kg Rata-Rata Dimmer No. ΔL Manometer V Temp. Reaktor Laju Alir Syn-Gas 1 4 mm 68.7 C 1.5 m/s

111 C.5 Data Pengukuran Distribusi Temperatur Pada Variasi Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± mm dan AFR Hari Jum at, 16 Desember 2016 Ukuran Panjang Serpihan Kayu Waktu (menit ke-) T 1 Drying T 2 Pirolisis Temperatur ( C) T 3 Oksidasi T 4 Reduksi T 5 Syn-gas ± mm Massa Ash kg Massa Char kg Rata-Rata Dimmer No. ΔL Manometer V Temp. Reaktor Laju Alir Syn-Gas 2 5 mm 73.5 C 1.7 m/s

112 C.6 Data Pengukuran Distribusi Temperatur Pada Variasi Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± mm dan AFR Hari Jum at, 16 Desember 2016 Ukuran Panjang Serpihan Kayu Waktu (menit ke-) T 1 Drying T 2 Pirolisis Temperatur ( C) T 3 Oksidasi T 4 Reduksi T 5 Syn-gas ± mm Massa Ash kg Massa Char kg Rata-Rata Dimmer No. ΔL Manometer V Temp. Reaktor Laju Alir Syn-Gas 3 6 mm 70.6 C 1.9 m/s

113 LAMPIRAN D D.1 Physical Properties of Water & Perhitungan Massa Jenis Air Pada Temperatur 30.2 C Dengan Metode Interpolasi Newton Forward Orde ke-1

114 Interpolasi Newton Forward Orde ke-1 i x i / T f(x i ) / ρ f i ? x = 30.2 h = 5 S = x x 0 h = = 0.04 f 0 = f 1 f 0 = = 1. 6 P 1 (30. 2) = f 0 + [ S 1! f ] = [ ( 1. 6)] 1 1 = ( ) = Jadi, masa jenis (ρ) air pada temperatur 30.2 C = kg/m 3

115 D.2 Density of Air & Perhitungan Massa Jenis Udara Pada Temperatur 32.8 C Dengan Metode Interpolasi Newton Forward Orde ke-1

116 Interpolasi Newton Forward Orde ke-1 i x i / T f(x i )/ ρ f i ? x = 32.8 h = 5 S = x x 0 h = = 0.56 f 0 = f 1 f 0 = = P 1 (32. 8) = f 0 + [ S 1! f ] = [ ( )] 1 1 = ( ) = Jadi, masa jenis (ρ) udara pada temperatur 32.8 C = kg/m 3

117 Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm ± mm D.3 Perhitungan Nilai Kecepatan (V) Udara Yang Masuk ke Throat Reaktor Gasifikasi Dimmer No. ΔL Manometer (mm) Sudut θ Manometer ( ) ρ (Massa Jenis) Air (kg/m 3 ) Pada T=30.2 C ρ (Massa Jenis) Udara (kg/m 3 ) Pada T=32.8 C Spesific Gravity Red Oil Percepatan Gravitasi (m/s 2 ) V (Kecepatan) Udara (m/s 2 ) Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm ± mm Massa Serpihan Kayu D.4 Perhitungan Laju Alir Massa (ṁ) dan Rasio Udara-Bahan Bakar (AFR) Waktu ρ (Massa ṁ (Laju Alir Diameter A (Luas ṁ (Laju Alir Operasi Jenis) Udara Massa) Throat Penampang) Gasifikasi (mm) Throat (m (± menit) 2 (kg/m ) 3 Massa) Udara ) Pada Serpihan (kg/s) T=32.8 C Kayu (kg/s) Rasio Udara Bahan-Bakar (AFR)

118 Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm ± mm D.5 Perhitungan Nilai Kalor (LHV) Gas Yang Terbakar Prosentase Komposisi Gas Yang Terbakar Rasio Udara- Bahan Bakar CO (%) CH 4 (%) H 2 (%) Nilai Kalor (LHV) Gas Yang Terbakar (kj/kg) D.6 Perhitungan Kesetimbangan Massa Yang Masuk (m in) ke Reaktor Gasifikasi Ukuran Panjang Rasio Udara- ṁ (Laju Alir Massa) ṁ (Laju Alir Massa) Ʃ (Jumlah) Serpihan Kayu Bahan Bakar Udara (kg/s) Serpihan Kayu (kg/s) m in ± 2-5 mm ± mm

119 Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm ± mm D.7 Perhitungan Kesetimbangan Massa Yang Keluar (m out) dari Reaktor Gasifikasi Waktu ṁ (Laju Alir Massa Massa ṁ (Laju Alir ṁ (Laju Alir Operasi Massa) Char Ash Massa) Char Massa) Ash Gasifikasi Synthetic-Gas (kg) (kg) (kg/s) (kg/s) (± menit) (kg/s) Rasio Udara- Bahan Bakar Ʃ (Jumlah) m out

120 LAMPIRAN E E.1 Ideal-Gas Spesific Heats of Various Common Gases & Perhitungan Kapasitas Panas Spesifik (Cp) Udara Pada Temperatur 32.8 C Dengan Metode Interpolasi Newton Forward Orde ke-1

121 Interpolasi Newton Forward Orde ke-1 i x i / T f(x i )/ Cp f i ? x = h = 50 S = x x 0 h = = f 0 = f 1 f 0 = = P 1 (305. 8) = f 0 + [ S 1! f ] = [ (0. 003)] 1 1 = ( ) = Jadi, kapasitas panas spesifik (Cp) udara pada temperatur 32.8 C = kj/kg.k

122 E.2 Perhitungan Energi Serpihan Kayu Yang Masuk (E in ) ke Reaktor Gasifikasi ṁ Rasio Udara- LHV Serpihan Kayu Serpihan Kayu Bahan Bakar (kj/kg) (kg/s) Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm ± mm Energi Serpihan Kayu (kj/s) Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm ± mm E.3 Perhitungan Energi Udara Yang Masuk (E in ) ke Reaktor Gasifikasi Rasio Udara- Bahan Bakar ṁ Udara (kg/s) Cp Udara Pada T=32.8 C (kj/kg.k) ΔT Udara (T udara T ref ) Energi Udara (kj/s)

123 E.4 Perhitungan Energi Char Yang Keluar (E out ) dari Reaktor Gasifikasi ṁ Rasio Udara- LHV Char Char Bahan Bakar (kj/kg) (kg/s) Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm ± mm Ukuran Panjang Serpihan Kayu Energi Char (kj/s) E.5 Perhitungan Energi Synthetic-Gas Yang Keluar (E out ) dari Reaktor Gasifikasi ṁ Rasio Udara- LHV Synthetic-Gas Synthetic-Gas Bahan Bakar (kj/kg) (kg/s) ± 2-5 mm ± mm Energi Synthetic-Gas (kj/s)

124 E.6 Perhitungan Energi Ash Yang Keluar (E out ) dari Reaktor Gasifikasi Ukuran Panjang Serpihan Kayu Rasio Udara- Bahan Bakar Energi Ash (kj/s) ± 2-5 mm ± mm Ukuran Panjang Serpihan Kayu ± 2-5 mm ± mm Rasio Udara- Bahan Bakar E.7 Perhitungan Efisiensi Gasifikasi Energi Synthetic-Gas (kj/s) Energi Serpihan Kayu (kj/s) Energi Udara (kj/s) Efisiensi Gasifikasi (%)

125 BIODATA PENULIS Bagus Rachman Fadhlillah, dilahirkan di Surabaya, Jawa Timur, 22 April Menempuh pendidikan secara formal dimulai dari TK Jenderal Soedirman Surabaya, SDN Manukan Kulon IV/541 Surabaya, SMP Negeri 20 Surabaya, SMA Ta miriyah Surabaya, dan lulus pendidikan diploma dari Insitut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya, dengan mengambil bidang studi D3 Teknik Instrumentasi, Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri. Saat ini, penulis telah menyelesaikan studi lintas jalur program sarjana (S1) pada program studi Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya. Apabila terdapat saran, kritik, atau pertanyaan tentang Tugas Akhir yang telah diselesaikan oleh penulis dapat disampaikan melalui bagusrachmanf@gmail.com.