TUGAS AKHIR TM

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR TM STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH LAJU ALIR MASSA UDARA PADA PROSES GASIFIKASI PELET MUNICIPAL SOLID WASTE (MSW) TERHADAP KANDUNGAN TAR DAN CARBON CONVERSION RATE GASIFIER TIPE DOWNDRAFT RIZKI WASE PRIMAWAN NRP Dosen Pembimbing Dr. BAMBANG SUDARMANTA, ST.,MT PROGRAM SARJANA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TENOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017 i

2 FINAL PROJECT TM EXPERIMENTAL STUDY OF EFFECT AIR MASS FLOW RATE ON THE GASIFICATION PROCESS PELLETS MUNICIPAL SOLID WASTE (MSW) TO TAR CONTENT AND CARBON CONVERSION RATE GASIFIER DOWNDRAFT TYPE RIZKI WASE PRIMAWAN NRP Advisor Dr. BAMBANG SUDARMANTA, ST.,MT BACHELOR PROGRAM DEPARTEMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY SEPULUH NOPEMBER INSTITUTE OF TECHNOLOGY SURABAYA 2017 ii

3 iii

4 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH LAJU ALIR MASSA UDARA PADA PROSES GASIFIKASI PELET MUNICIPAL SOLID WASTE (MSW) TERHADAP KANDUNGAN TAR DAN CARBON CONVERSION RATE GASIFIER TIPE DOWNDRAFT Nama Mahasiswa : Rizki Wase Primawan NRP : Jurusan : Teknik Mesin FTI ITS Dosen Pembimbing : Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT Abstrak Sampah merupakan salah satu masalah dalam masyarakat. Salah satu teknologi untuk mengubah sampah menjadi energi terbarukan dengan menggunakan proses termokimia atau Gasifikasi. Sampah dibentuk menjadi pelet karena memiliki nilai HHV tinggi dan moisture content yang rendah. Salah satu parameter operasi gasifikasi adalah pasokan udara, yang mana laju alir massa udara semakin meningkat maka kandungan tar dalam syngas berkurang dan carbon conversion rate akan meningkat Penelitian ini bersifat eksperimental, karena diperlukan proses pengujian untuk mengetahui pengaruh laju alir massa udara terhadap kandungan tar dan carbon conversion rate. Pengujian dilakukan dengan cara diberikan variasi laju alir massa udara (ṁ) yang masuk gasifier sebesar 0,0069; 0,0075; 0,0081; 0,0085 kg/s. Hasil dari penelitian ini adalah diperoleh temperatur udara optimum pada laju alir massa udara (ṁ) 0,0085 kg/s sebesar C. Kandungan tar pada laju alir massa udara 0,0069 0,0085 kg/s sebesar 150,33 mg/m 3 menjadi 82,53 mg/m 3. Carbon conversion rate mengalami peningkatan dari 84,21 %, menjadi 96,29%. ṁ optimum 0,0085 kg/s dengan tar terendah yaitu 82,53 mg/m 3 dan nilai carbon conversion rate tertinggi sebesar 96,29 %. Kata kunci : pelet MSW, gasifikasi, tar, carbon conversion rate iv

5 EXPERIMENTAL STUDY OF EFFECT AIR MASS FLOW RATE ON THE GASIFICATION PROCESS PELLETS MUNICIPAL SOLID WASTE (MSW) TO TAR CONTENT AND CARBON CONVERSION RATE GASIFIER DOWNDRAFT TYPE Name : Rizki Wase Primawan NRP : Departement : Teknik Mesin FTI ITS Advisor : Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT Abstract Trash is one of the problems in society. The ways is one of them with a technology that allows to transform waste into renewable energy to use the process of Gasification. Waste formed into pellet because contains HHV high and low moisture content. The parameters operation of gasification is air supply, which the air mass flow rate increases so that the tar content in the syngas will be reduced and carbon conversion rate will be increased. This research is both experimental, because it takes the process of testing to find out the effect air mass flow rate against the content of tar and carbon conversion rate. The air mass flow rate are variations (ṁ) incoming gasifier of 0,0069; 0,0075; 0,0081; 0,0085 kg/s. The result of the highest temperature on air mass flow rate (ṁ) at 0,0085 kg/s is C. The air mass flow rate 0,0069 0,0085 kg/s, tar content has decreased from 150,33 mg/m 3, 148,34 mg/m 3 ; 129,82 mg/m 3 becomes 82,53 mg/m 3. The carbon conversion rate has increased from 84,21%, becomes 96,29%,. Then the air mass flow rate optimum at kg/s with tar content 82,53 mg/m 3 and carbon conversion rate is 96,29 %. Key words : pellet MSW, gasification, tar, carbon conversion rate v

6 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, segala puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT. Karena atas rahmat dan hidayah-nya, tugas akhir yang berjudul STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH LAJU ALIR MASSA UDARA PADA PROSES GASIFIKASI PELET MUNICIPAL SOLID WASTE (MSW) TERHADAP KANDUNGAN TAR DAN CARBON CONVERSION RATE GASIFIER TIPE DOWNDRAFT ini dapat disusun dan diselesaikan dengan baik dan lancar. Tugas Akhir ini merupakan salah satu persyaratan yang harus dipenuhi oleh setiap mahasiswa Program Studi S1 Teknik Mesin ITS Surabaya, sesuai dengan kurikulum yang telah ditetapkan. Selain itu Tugas Akhir ini juga merupakan suatu bukti yang diberikan almamater dan masyarakat. Banyak dorongan dan bantuan yang penulis dapatkan selama penyusunan Tugas Akhir ini sampai terselesaikannya laporan. Untuk itu penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya kepada : 1. Allah SWT dan junjungan besar Nabi Muhammad SAW yang telah memberikan ketenangan dalam jiwaku. 2. Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT sebagai Dosen Pembimbing yang telah dengan sangat sabar, tidak bosanbosannya membantu dan memberikan ide serta ilmu hingga terselesaikannya Tugas Akhir ini. 3. Bapak dan Ibu, kakakku yang benar - benar memberikan semangat, cinta dan doa yang sangat berperan dalam menyelesaikan tugas Akhir ini. 4. Dosen tim penguji yang telah memberikan kritik dan saran dalam penyempurnaan dan pengembangan Tugas Akhir ini. vi

7 vii 5. Seluruh dosen dan staf pengajar Jurusan Teknik Mesin FTI- ITS, yang telah memberikan ilmunya dan membantu semua selama menimba ilmu di bangku kuliah. 6. Pak arif, Irfan, Aji, Depi, Fandi, Mas Gofur dan Seluruh keluarga laboratorium teknik pembakaran dan bahan bakar yang telah menyediakan tempat dan telah memberikan bantuan dalam proses penyelesaian tugas akhir ini. Semoga segala keikhlasan dan kebaikan yang telah diberikan mendapatkan balasan yang terbaik dari Tuhan Yang Maha Esa, Amin. Karena keterbatasan waktu dan kemampuan penulis, sebagai manusia biasa kami menyadari dalam penulisan ini masih terdapat beberapa kesalahan dan kekurangan. Oleh karena itu, kami mengharap kritik dan saran membangun sebagai masukan untuk penulis dan kesempurnaan Tugas Akhir ini. Semoga dengan penulisan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang memerlukan, mahasiswa Mesin pada khususnya. Surabaya, 28 Juli 2017 Penulis

8 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i LEMBAR PENGESAHAN... iii ABSTRAK... iv KATA PENGANTAR... vi DAFTAR ISI... viii DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR TABEL... xiii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Pendukung Biomasa karakteristik Biomasa Analisa Ultimate dan Proximate Densitas Biomasa Nilai Kalor Biomasa Pelet MSW (Municipal Solid Waste) Gasifikasi Definisi Media Gasifikasi Proses Gasifikasi Produk Gasifikasi Biomasa Komponen Gasifikasi Reaktor viii

9 ix 2.5 Faktor yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi Properties Biomasa Udara Pembakaran Suhu Reaktor Gasifikasi Kandungan Tar Penelitian Terdahulu Pengaruh Laju Alir Massa Udara Terhadap Tar Grafik ER Dengan Carbon Conversion Rate BAB III METODOLOGI 3.1 Metode Penelitian Mengukur Kandungan Tar Mengukur Carbon Conversion Rate Bahan Uji Pelet MSW Alat Uji Alat Ukur Prosedur Pengujian Flowchart Penelitian BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Karakteristik Pelet MSW Data Dan Analisis Hasil Gasifikasi Analisa Perhitungan Laju Alir Massa Udara Analisa Perhitungan Laju Alir Massa Biomassa Analisa Perhitungan Laju Alir Massa Syngas Analisa Distribusi Temperatur Pada Zona Gasifikasi Distribusi Reaktor pada ṁ 1 = 0,0069 kg/s Distribusi Reaktor pada ṁ 1 = 0,0075 kg/s Distribusi Reaktor pada ṁ 1 = 0,0081 kg/s Distribusi Reaktor pada ṁ 1 = 0,0085 kg/s Analisa Kandungan Tar Analisa Carbon Conversion Rate... 66

10 4.6 Perbandingan Dengan Penelitian Sebelumnya Perbandingan Kandungan Tar Perbandingan Carbon Conversion Rate BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN x

11 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Analisa Ultimate dan Proximate Gambar 2.2 Pelet MSW Gambar 2.3 Tahapan dalam Proses Gasifikasi Gambar 2.4 Pengaruh Proses Suhu pada Syngas Gambar 2.5 Reaktor Fixed Bed : (a) Updraft (b) Downdraft.. 23 Gambar 2.6 Reaktor Downdraft Gambar 2.7 Mekanisme Sederhana Pembentukan Tar Gambar 2.8 Efek Laju Aliran Udara Terhadap Tar Gambar 2.9 Grafik ER Dengan Carbon Conversion Rate Gambar 3.1 Sistem Pengambilan Sampel Tar Dalam Syngas. 34 Gambar 3.2 Skema Instalasi proses Gasifikasi Gambar 3.3 Dimensi Reaktor Gasifikasi Downdraft Gambar 3.4 (a). Blower (b).induced Fan Gambar 3.5 Cyclone dan Pompa Air Gambar 3.6 Dimmer Gambar 3.7 Thermocoujple Type K Gambar 3.8 Pitot Tube Dan Manometer Digital Gambar 3.9 Susunan Pengatur Laju Alir Massa Udara Gambar 3.10 Gas Cromathography Gambar 3.11 Stopwatch Gambar 3.12 Flowchart Penelitian Gambar 3.12 Flowchart Pengambilan Data Kandungan Tar Gambar 4.1 Pelet MSW yang digunakan dalam penelitian Gambar 4.2 Distribusi Temperatur Zona Gasifikasi Gambar 4.3 Distribusi Temperatur = f(ketinggian reaktor) pada ṁ 1=0,0069 kg/s Gambar 4.4 Distribusi Temperatur = f(ketinggian reaktor) pada ṁ 2=0,0075kg/s xi

12 xii Gambar 4.5 Distribusi Temperatur = f(ketinggian reaktor) pada ṁ 3=0,0081 kg/s Gambar 4.6 Distribusi Temperatur = f(ketinggian reaktor) pada ṁ 4=0,0085 kg/s Gambar 4.7 Distribusi Temperatur = f(ketinggian reaktor) Gambar 4.8 Laju alir massa udara terhadap tar Gambar 4.9 Laju alir massa udara terhadap CCR Gambar 4.10 Perbandingan Kandungan Tar Gambar 4.11 Perbandingan Carbon Conversion Rate... 70

13 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Komposisi MSW Tabel 2.2 Media Gasifikasi Tabel 2.3 Klasifikasi Jenis Tar Tabel 3.1 Tabel Variabel Variabel Dalam Penelitian Tabel 4.1 Hasil Pengujian Pelet MSW Tabel 4.2 Laju Alir Massa Udara Tabel 4.3 Perhitungan Kandungan Tar Setiap Variasi Laju Alir Massa Udara Tabel 4.4 Komposisi Syngas xiii

14 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penggunaan minyak bumi yang merupakan bahan bakar fosil meningkat seiring dengan pertumbuhan penduduk. Jumlah Penduduk Indonesia semakin hari semakin meningkat, tercatat pada tahun 2010 berjumlah 238 juta penduduk. Sedangkan pada tahun 2015 meningkat menjadi 255 juta menurut Badan Pusat Statistik [1], dimana sebagian besar menggunakan bahan bakar fosil untuk kehidupan sehari hari. Sebagian besar semua kegiatan yang dilakukan tidak bisa lepas dari penggunaan bahan bakar, sedangkan cadangan minyak bumi semakin lama mengalami penurunan disebabkan bahan bakar fosil salah satu bahan bakar yang tidak dapat diperbarui. Oleh sebab itu perlu adanya solusi untuk dapat mengurangi atau bahkan bisa menggantikan penggunaan bahan bakar fosil yang mana selama ini menjadi sumber energi utama, yaitu berupa pemanfaatan energi alternatif yang masih kurang pengembangannya. Semakin meningkatnya jumlah penduduk dan aktifitas maka timbul permasalahan mengenani sampah, jumlah sampah di Indonesia setiap harinya mencapai 130 ribu ton [2], pengelolaan sampah hingga saat ini belum ada pemanfaatan yang maksimal. Sampah padat perkotaan atau Municipal Solid Waste (MSW) adalah jenis limbah yang terdiri dari barang sehari sehari yang dikonsunsi meliputi sisa makanan, limbah makanan, wadah dan kemasan produk serta limbah anorganik, MSW tidak termasuk limbah industry, limbah pertanian, dan limbah dari saluran pembuangan. Municipal Solid Waste hanya berupa limbah berbentuk padat dan setengah padat, jenis limbah ini berkaitan dengan limbah sisa dari sumber rumah tangga yang mngandung bahan bahan yang belum dipisahkan atau dikirim untuk daur ulang. Salah satu teknologi yang memungkinkan untuk mengubah sampah menjadi energi terbarukan (renewable energy) adalah 1

15 2 dengan menggunakan proses termokimia, (Indarto, 2016). Salah satu cara pemanfaatan sampah perkotaan Municipal Solid Waste (MSW) adalah dengan menggunakannya sebagai bahan bakar pada engine melalui proses gasifikasi. Namun ukuran biomassa sebagai feedstock proses gasifikasi sangat berpengaruh semakin kecil dan rapat jarak antar biomassa akan menghasilkan syngas yang baik. Oleh karena itu pada penelitian kali ini digunakan pelet sampah sebagai biomassa gasifikasi. Nilai kalor MSW mentah adalah sekitar 1000 kcal/kg. Sementara itu nilai kalor pelet bahan bakar adalah 4000 kcal/kg. Karena peletisasi memperkaya kandungan organik sampah melalui penghapusan bahan organik dan kelembaban (Azeus.) serta dapat meningkatkan HHV (Higher Heating Value) dan kadar air (moisture content) pada bahan baku tersebut, (Nyakoma, 2016) [3]. Gasifikasi sangat tepat bila digunakan pada proses pengolahan MSW menjadi energi. Hal utama yang menjadikannya sangat menarik adalah karena gasifikasi dapat mengkonversikan MSW ataupun bahan bakar bernilai rendah, menjadi bahan kimia bernilai tinggi, (Basu, 2013) [4]. Selain itu bila dibandingkan dengan penggunaan syngas pada pembangkit tenaga dengan siklus Rankine, terdapat potensi efisiensi konversi yang lebih tinggi bila syngas dipergunakan pada motor bakar torak ataupun turbin gas, bahkan lebih baik lagi bila gasifikasi yang diintegrasikan dengan siklus kombinasi (Arena, 2012) [4]. Sudarmanta [5] telah melakukan penelitian unjuk kerja mesin diesel dual fuel dengan menggunakan bahan bakar biodiesel dan syngas. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa penggunaan syngas dapat mengurangi pemakaian bahan bakar diesel hingga 60%. Dari hal hal yang telah disebutkan diatas maka sangatlah beralasan untuk memanfaatkan syngas sebagai bahan bakar motor pembakaran dalam yang dapat menghasilkan daya kerja untuk kepentingan lebih lanjut. Pengaturan jumlah udara yang masuk dalam reaktor gasifikasi untuk mengendalikan suhu proses gasifikasi menjadi salah satu kunci dari pengendalian komposisi dan jumlah syngas

16 3 (Reed dan Das, 1988) [6]. Bila reaktor gasifikasi digunakan pada kondisi biomassa dengan karakteristik yang berubah ubah, maka dapat menimbulkan potensi perubahan suhu pada proses gasifikasi sehingga komposisi syngas berubah ubah pula ataupun terjadi kondisi reaktor yang tidak bisa berfungsi. Oleh karena itu temperatur operasi dari reaktor gasifikasi secara kontinyu diawasi agar saat terjadi perubahan suhu dapat diatasi, salah satu caranya yaitu dengan mengatur jumlah udara masuk dalam reaktor. Pada penelitian ini reaktor yang digunakan untuk proses gasifikasi adalah reaktor tipe downdraft, karena dari kandungan tar yang dihasilkan lebih rendah pada kisaran 0, g/m 3, konversi karbon yang tinggi (Molio, Antonio, 2015) [7]. Proses gasifikasi dengan menggunakan reaktor gasifikasi memiliki beberapa parameter operasional. Temperatur adalah salah satu parameter operasional yang penting pada proses gasifikasi karena jumlah dan komposisi dari gas yang diproduksi sangat dipengaruhi oleh temperatur demikian juga kandungan tar di dalam syngas. Untuk reaktor gasifikasi dengan tipe fixed bed downdraft suhu proses gasifikasi berkisar 600 o C hingga 800 o C (Reed dan Das, 1988) [6]. Sumber energi panas yang dibutuhkan pada proses gasifikasi berasal dari oksidasi / pembakaran parsial (partial combustion) pada biomassa setelah melalui proses pirolisis. Pembakaran parsial ini terjadi karena jumlah oksigen yang digunakan kurang dari jumlah oksigen yang diperlukan untuk pembakaran sempurna, atau dalam kata lain pembakaran parsial ini adalah pembakaran yang tidak sempurna. Pada pembakaran parsial ini jumlah oksigen sangat berpengaruh pada temperatur, semakin besar jumlah oksigen maka temperatur akan semakin meningkat. Oleh karena itu pada reaktor gasifikasi untuk mengatur suhu proses gasifikasi salah satu langkahnya adalah dengan cara mengatur jumlah udara yang masuk dalam reaktor. Gasifikasi adalah suatu proses perubahan bahan bakar padat secara termokimia menjadi gas, di mana udara yang diperlukan lebih rendah dari udara yang digunakan untuk proses pembakaran, Suyitno[8]. Gas tersebut atau biasa disebut syngas mempunyai sifat

17 4 mudah terbakar yang kemudian dapat digunakan sebagai bahan bakar pada motor pembakaran. Contoh penelitian syngas hasil biomassa dari serbuk kayu yang dilakukan oleh Kahardiyansyah [9] dengan sistem batch menunjukkan bahwa gas hasil gasifikasi mengandung unsur CH 4 =1,81 %, H 2 = 5,34%, O 2 = 12,79%, N 2 = 49,26 %, CO 2 =11,23 %, CO =19,57 %. Lower heating value (LHV) serbuk kayu sebesar 9262,96 KJ/kg. Untuk gasifikasi downdraft yang menggunakan udara sebagai agen gasifikasi, tingkat aliran udara adalah operasi yang lebih penting daripada temperatur. Meningkatkan laju aliran udara mengakibatkan peningkatan suhu. Jadi mengoptimalkan tingkat aliran udara sangat penting untuk operasi yang tepat. Tingkat aliran udara yang masuk khusus untuk gasifier tertentu, antara satu gasifier satu dengan lainnya tidak sama. Oleh karena itu, tidak dapat digeneralisasi ke berbagai gasifiers. Menurut (Reed and Das) [6], kecepatan udara yang masuk sebagai ukuran yang paling penting dari kinerja gasifier, karena dapat mengontrol tingkat produksi gas, tingkat konsumsi bahan bakar, kandungan energi gas, kandungan tar dan carbon conversion rate. Menurut Yamazaki [10] melakukan penelitian menggunakan Municipal Solid Waste (MSW) menunjukkan bahwa pengaruh pasokan udara yang masuk gasifier terhadap hasil dari tar. Menggunakan gravimetri menunjukkan kandungan tar terendah 0,7% dan tertinggi 3,0% diperoleh masing masing pada debit udara sebesar 6.7 dan 4.0 m 3 /h. Efek dari pasokan udara dengan ṁ 0,05 0,44 kg/s, menunjukkan bahwa kandungan tar terendah diperoleh pada 0,44 kg/s. Laju aliran udara yang lebih tinggi menyebabkan temperatur naik, yang memiliki efek positif berupa kandungan tar akan berkurang. (Raman, P dan Ram N.K, 2013) meneliti carbon conversion rate pada gasifikasi dari biomassa menjadi syngas sebesar 92.3 %. Dengan bertambahnya laju alir massa udara carbon conversion rate semakin meningkat karena oksigen yang masuk semakin bertambah sehingga mempercepat reaksi dalam pembakaran.

18 5 Berdasarkan uraian tersebut diketahui bahwa laju aliran udara yang masuk gasifier berpengaruh terhadap pembentukan tar dan carbon conversion rate. Pada penelitian ini kami ingin mengetahui pengaruh perubahan laju alir massa udara yang masuk gasifier terhadap jumlah kandungan tar dan carbon conversion rate pada gasifikasi downdraft. Sebagai pengumpanan yaitu pelet MSW sehingga nanti akan didapatkan laju alir massa yang optimal. 1.2 Perumusan Masalah Dalam penelitian ini, permasalahan dirumuskan sebagai berikut: Bagaimana pengaruh perubahan laju aliran udara yang masuk gasifier terhadap kandungan tar dan carbon conversion rate pada gasifikasi downdraft sistem kontinyu. 1.3 Batasan Masalah Adapun batasan masalah pada penilitian ini adalah sebagai berikut: 1. Penelitian dan pembahasan Tugas Akhir ini akan dilakukan secara eksperimental dengan menggunakan reaktor gasifikasi tipe downdraft yang ada pada laboratorium Jurusan Teknik Mesin ITS, Surabaya. 2. Bahan baku (feedstock) yang digunakan adalah MSW berbentuk pelet yang dikondisikan memiliki komposisi 60% bahan organik dan 40% bahan anorganik. 3. Media gasifikasi menggunakan udara pada kondisi suhu normal. 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh perubahan laju aliran udara yang masuk gasifier terhadap kandungan tar dan carbon conversion rate pada gasifikasi downdraft sistem kontinyu.

19 6 1.5 Manfaat Penelitian Adapun manfaat dari penilitian ini adalah sebagai berikut : 1. Dapat memberikan informasi dan wacana baru tentang perubahan laju alir massa udara pada proses gasifikasi, khususnya gasifikasi pada Municipal Solid Waste (MSW). 2. Dapat digunakan sebagai acuan untuk penelitian lebih lanjut yang terkait dengan kandungan tar dan carbon conversion rate pada proses gasifikasi downdraft. 3. Dapat digunakan sebagai acuan pengembangan reaktor gasifikasi yang menggunakan Municipal Solid Waste (MSW) sebagai bahan baku biomassa.

20 Halaman ini sengaja dikosongkan 7

21 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Pendukung Biomasa Biomassa secara umum adalah bahan organik yang berasal dari tumbuh tumbuhan baik secara langsung maupun tidak langsung dan dimanfaatkan sebagai energi atau bahan dalam jumlah besar (Yokayama, 2008). Secara tidak langsung mengacu pada produk yang diperoleh melalui peternakan dan industri makanan. Sebagai sebuah sumber daya yang terbarukan, biomassa secara kontinyu terbentuk melalui interaksi antara materi yang terkandung pada udara, air, tanah, dengan cahaya matahari dalam proses fotosintesis yang terjadi pada tumbuh-tumbuhan. Pada umumnya biomassa terdiri dari unsur karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O) dan nitrogen (N). Sumber-sumber umum dari biomassa berdasarkan yang telah ditulis oleh Basu (2013) [4] adalah sebagai berikut : a. Pertanian dan Peternakan : biji bijian, ampas tebu, tongkol jagung, jerami, kulit buah, kotoran ternak. b. Hutan : batang kayu, serbuk kayu sisa penggergajian. c. Masyarakat : sampah rumah tangga, potongan tanaman rumah. d. Tanaman energi : kayu sengon, sawit, kelapa, kedelai. e. Biologis : kotoran hewan, tanaman air, sampah biologis. Selain itu biomassa juga dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu : a. Biomassa murni, seperti contohnya : kayu, tanaman, daun, hasil pertanian, dan sayuran. b. Biomassa sampah, baik dalam bentuk padat ataupun cair, seperti contohnya : sampah rumah tangga, lumpur selokan, kotoran hewan atau manusia, gas dari TPA, dan sampah pertanian. 8

22 Karakteristik Biomasa Biomassa terdiri dari campuran bahan organik yang kompleks, kandungan air, dan sejumlah kecil bahan yang bisa disebut sebagai abu. Campuran organik terdiri dari empat elemen utama : karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), dan nitrogen (N). Biomassa (semisal sampah perkotaan dan kotoran hewan) kemungkinan juga mengandung sejumlah kecil klorin (Cl) dan sulfur (S). Desain termal dari sebuah sistem yang mempergunakan biomassa, baik sebuah reaktor gasifikasi ataupun pembakaran sangat tergantung pada komposisi biomassanya. Dalam konteks konversi termal seperti pembakaran, dua analisa komposisi dari biomassa berikut ini yang biasanya digunakan : a. Analisa ultimate atau analisa elemental. b. Analisa proximate Analisa Ultimate dan Proximate Kandungan yang dimiliki biomassa mempengaruhi proses gasifikasi yang akan dilalui, dan dari kandungan inilah struktur biomassa tersusun. Untuk mengetahui karakter dan komposisi dari biomassa digunakan metode pemeriksaan secara analitis (proximate analyze) dan pemeriksaan secara kimia (ultimate analyze). Analisa proximate mengidentifikasi kandungan air. (moisture), volatile matter (ketika dipanaskan sampai 950ºC), fixed carbon, dan abu yang dimiliki oleh biomassa, sedangkan analisa ultimate menyatakan komposisi dari karbon, hidrogen, nitrogen, belerang, dan oksigen.

23 10 Gambar 2.1 Analisa Ultimate dan Proximate Gambar 2.1 menjelaskan komponen yang terkandung dalam biomassa dalam analisa secara ultimate dan proximate. Untuk mendapatkan unsur yang diperlukan yaitu C, S, N, O, H maka kandungan moisture dari biomassa harus dikeluarkan terlebih dahulu, moisture yang keluar akan membentuk molekul H 2O. Proses devolatilisasi atau pengeluaran volatile dari biomassa menghasilkan unsur unsur C, H, O dan bersama fixed carbon dari biomassa bereaksi bersama udara media gasifikasi membentuk synthetic-gas. Sedangkan untuk ash (abu) akan terbentuk sebagai sisa hasil proses. Dibandingkan dengan batubara, biomassa mempunyai kadar volatile yang lebih tinggi sekitar 60 80% dan kadar karbon tetap yang lebih rendah. Kadar abu juga lebih rendah (Suyitno, 2007) [11], sehingga dapat dikatakan biomassa lebih reaktif dibanding batubara. Pada pembakaran maupun gasifikasi, abu dari biomassa juga lebih aman karena banyak mengandung mineral seperti fosfat dan potassium. Pada temperatur operasi tidak lebih dari 950 ºC atau 1000 ºC, abu dari biomassa tidak menimbulkan kerak.

24 Densitas Biomasa Densitas juga merupakan salah satu parameter yang penting pada biomassa. Dari beberapa macam densitas yang ada (true density, apparent density dan bulk density) maka yang sering digunakan untuk menilai karakter dari biomassa adalah bulk density yang merupakan massa sekumpulan biomassa dibagi volume ruang yang digunakan. Untuk menentukan bulk density dari biomassa berdasarkan standar pengukuran ASTM E dapat dilakukan dengan mengisikan biomassa dalam kotak berukuran terstandar (305 mm x 305 mm x 305 mm) dengan cara dikucurkan dari ketinggian 610 mm. Kemudian kotak tersebut dijatuhkan dari ketinggian 150 mm sebanyak 3 kali untuk pemadatan, kemudian ditambahkan lagi biomassa hingga penuh. Massa akhir dari biomassa dibagi dengan volume kotak merupakan bulk density dari biomassa Nilai Kalor Biomasa Merupakan salah satu properti yang penting pada proses konversi energi dari biomassa. Dibandingkan dengan bahan bakar fosil, nilai kalor biomassa sangat rendah terutama bila dihitung berdasarkan volumenya. Oleh sebab itu nilai densitas dari biomassa sangat rendah dan tingginya kandungan oksigen dalam biomassa. Nilai kalor merupakan suatu angka yang menyatakan jumlah energi panas (kalor) yang dilepaskan bahan bakar pada waktu terjadinya oksidasi unsur unsur kimia yang ada pada bahan bakar tersebut. Nilai kalor berhubungan langsung dengan kadar C dan H yang dikandung oleh bahan bakar padat. Semakin besar kadar keduanya, semakin besar pula nilai kalor yang dikandung. Ditinjau dari nilai kalor bahan bakar dibedakan atas : a. Nilai Kalor Atas atau High Heating Value (HHV) Nilai kalor yang diperoleh dari pembakaran 1 kg bahan bakar dengan memperhitungkan panas kondensasi uap (air yang dihasilkan dari pembakaran berada dalam wujud cair) atau energi yang dihasilkan oleh sejumlah massa atau volume biomassa yang dibakar dan temperaturnya meningkat dimulai

25 12 dari C hingga terbakar habis dan suhunya kembali C (Basu, 2013) [4]. Energi yang dihasilkan termasuk juga energi yang digunakan sebagai panas laten penguapan kandungan air. (Reed dan Das 1988, hal 13) [6] menuliskan dalam tabel, beberapa Nilai Kalor Panas dari biomassa, dapat dilihat salah satunya adalah sampah padat perkotaan (MSW) yang memiliki nilai kalor panas 19,83 kj/g. b. Nilai Kalor Bawah atau Low Heating Value (LHV) Nilai kalor yang diperoleh dari pembakaran 1 kg bahan bakar dengan memperhitungkan panas kondensasi uap (air yang dihasilkan dari pembakaran berada dalam wujud gas atau uap) atau besarnya energi yang dikeluarkan saat pembakaran sempurna biomassa tanpa mengikutsertakan besarnya energi yang digunakan untuk menguapkan kandungan air. Harga nilai kalor baik HHV dan LHV dapat diperoleh dengan cara berikut : 1. Mengambil harga nilai kalor dari literatur yang ada. 2. Menghitung nilai kalor bahan bakar dengan menggunakan rumus Dulong dan Petit. Rumus Dulong dan Petit yaitu : Nilai Kalor Atas : 349,1C ,3 H + 100,5 S 103,4 O 15,1 N 21,1 ash kj/kg (2.1) dimana C, H, S, O, N, dan ash adalah persentase berat dari karbon, hidrogen, sulfur, oksigen, nitrogen, dan abu yang diperoleh dari analisa ultimate dalam kondisi dry basis. Persamaan empiris diatas dapat digunakan bila : 0 < C < 92 % ; 0,43 < H < 25 % ; 0 < O < 50 % ; 0 < N < 5,6 % ; 0 < abu < 71 % ; 4745 < HHV < 55,345 kj/kg Hubungan antara Nilai Kalor Atas dan Nilai Kalor Bawah adalah sebagai berikut : Nilai Kalor Bawah = Nilai Kalor Atas hg (9H/100 M/100) (2.2) dimana H dan M adalah persentase dari hidrogen dan kelembaban dari biomassa pada kondisi as receive. Dan hg adalah panas laten dari uap air dengan satuan yang sama dengan Nilai Kalor Atas. Panas laten dari penguapan air

26 13 bila menggunakan referensi suhu penguapan C adalah 2260 kj/kg. 2.2 Pelet MSW (Municipal Solid Waste) MSW (Municipal Solid Waste) merupakan sampah padat yang terdiri dari barang-barang sehari hari yang dibuang oleh masyarakat perkotaan. Komposisi utama MSW adalah bahan organik (sisa sisa makanan, daun daun kering, kertas) dan anorganik (sampah plastik yang sebagian besar berupa plastik polypropylene) (Indarto, 2015). Jumlah MSW dipengaruhi oleh proses urbanisasi (Shweta dan Somnath 2015). Setiap jenis sampah memiliki fraksi massa dan volume yang berbeda-beda seperti pada tabel berikut : Tabel 2.1 Komposisi MSW Dari Tabel 2.1 di atas dapat diamati prosentase kandungan unsur unsur yang terdapat dalam biomassa secara fisik maupun kimiawi. Kandungan karbon dan oksigen menunjukan jumlah yang cukup dominan, unsur unsur ini menjadi komponen utama dalam reaksi pembentukan syngas. Kandungan C dan H yang cukup tinggi mampu menghasilkan nilai kalor gas yang cukup potensial untuk dimanfaatkan. Kandungan moisture pelet MSW yang relatif

27 14 rendah tidak membutuhkan energi yang terlalu besar untuk menghilangkannya. Kadar air yang dikandung akan dikeluarkan dari biomassa dengan pemanasan. Bila kandungan moisture terlalu tinggi maka dibutuhkan energi aktivasi pengeringan yang tinggi. Kandungan moisture yang teruapkan mampu memperbesar produksi H 2 (flammable component), namun untuk menjaga proses produksi H 2 dibutuhkan energi yang cukup besar dari proses eksoterm. Dalam proses eksoterm menghasilkan CO 2 yang bersifat tidak bisa terbakar. Energi hasil proses eksoterm yang terambil pada produksi H 2 dari moisture justru mengurangi energi yang diperlukan pada proses produksi H 2 dan CO yang flammable dari reaksi endoterm, sehingga hal itu cukup merugikan. Nilai kalor yang dimiliki pelet MSW cukup tinggi membuat proses gasifikasi mampu tercapai dengan mudah. MSW yang akan digunakan sebagai bahan baku untuk proses gasifikasi biasanya dirubah terlebih dahulu menjadi bentuk pelet. Hal ini didasarkan untuk meningkatkan nilai kalor terendah (LHV) dari MSW tersebut. Gambar 2.2 merupakan salah satu contoh bentuk pellet MSW. Gambar 2.2 Pelet MSW 2.3 Gasifikasi Definisi Gasifikasi adalah suatu teknologi proses konversi biomassa yang mengandung karbon (baik padat maupun cair) menjadi gas yang memiliki nilai bakar dengan cara oksidasi parsial

28 15 pada temperatur tinggi. Gas yang dimaksud adalah gas gas yang keluar dari proses gasifikasi dan umumnya berbentuk CO, CO 2, N 2, O 2, H 2, dan CH 4. Gasifikasi dengan bahan baku biomassa padat ini terjadi pada kondisi yang terisolasi dari udara sekitar (oksigen terbatas), berada pada tekanan yang relatif terhadap tekanan ambient. Gas produk dari gasifikasi ini dinamakan syngas atau synthetic gas. Nilai kalori dari gas hasil proses ini berkisar antara kcal.nm 3 (Husein, 2005)[12] Media Gasifikasi Media gasifikasi akan bereaksi dengan karbon padat dan zat hidrokarbon yang lebih berat untuk mengkonversinya menjadi gas dengan massa molekul yang ringan seperti CO dan H 2. Media utama yang digunakan pada proses gasifikasi adalah sebagai berikut : o Oksigen o o Uap air Udara Oksigen merupakan media gasifikasi yang paling dikenal, kegunaan utamanya adalah untuk pembakaran sebagian pada reaktor gasifikasi. Oksigen dapat disuplai dalam reaktor gasifikasi baik dalam bentuk murni ataupun dalam bentuk udara. Nilai kalor dan komposisi dari gas yang dihasilkan dari reaktor gasifikasi merupakan fungsi kuat dari kondisi dan jumlah dari media gasifikasi. Bila media gasifikasi memiliki kandungan oksigen yang rendah maka CO akan terbentuk dan bila kandungan oksigen tinggi maka akan terbentuk CO 2. Bila jumlah oksigen melebihi jumlah oksigen tertentu (kondisi stoikiometris) maka proses akan berubah menjadi proses pembakaran yang akan menghasilkan fluegas. Selain itu jumlah oksigen yang tinggi juga mengurangi jumlah kandungan hidrogen yang dihasilkan dan memperbanyak campuran yang berbasis karbon dalam gas yang dihasilkan. Bila uap air digunakan sebagai media gasifikasi maka kandungan hidrogen dalam gas yang dihasilkan akan meningkat sehingga perbandingan antara hidrogen dan karbon (H dan C) dalam gas

29 16 akan meningkat. Pemilihan media gasifikasi juga mempengaruhi nilai kalor dari gas yang dihasilkan. Sebagai contoh, bila udara yang digunakan sebagai media gasifikasi maka nitrogen dalam udara akan mempengaruhi gas yang dihasilkan dan mengurangi nilai kalornya. Udara sebagai media gasifikasi menghasilkan gas dengan nilai kalor terendah (sekitar 4 7 MJ/Nm 3 ) dibandingkan dengan media gasifikasi uap dan oksigen, seperti yang ditabelkan oleh Basu (2013, hal 119). Tabel 2.2 Media gasifikasi Proses Gasifikasi Reaksi utama gasifikasi adalah endotermik dan energi yang diperlukan untuk terjadinya proses tersebut, umumnya didapat dari proses oksidasi yang merupakan bagian dari biomassa, melalui fase allothermal atau autothermal. Dalam proses autotermal, gasifier dipanaskan secara internal melalui pembakaran parsial, sementara dalam proses allotermal energi yang dibutuhkan untuk gasifikasi disuplai secara eksternal. Mengingat sistem autotermal, gasifikasi dapat dilihat sebagai urutan dari beberapa tahapan. Langkah-langkah utama dari proses gasifikasi adalah: (1) Oksidasi (tahap eksotermis). (2) Pengeringan (tahap endotermik). (3) Pirolisis (tahap endotermik). (4) Reduksi (tahap endotermik).

30 17 Langkah tambahan, yang terdiri dari dekomposisi tar, dapat juga termasuk dalam rangka untuk menjelaskan pembentukan hidrokarbon ringan karena dekomposisi molekul tar besar. Pada gambar 2.3 diperlihatkan sebuah representasi skematis dari proses gasifikasi: Gambar 2.3 Tahapan dalam Proses Gasifikasi a. Oksidasi Oksidasi dilakukan dalam kondisi kekurangan oksigen sehubungan dengan rasio stoikiometri untuk mengoksidasi hanya sebagian dari bahan bakar. Meskipun oksidasi parsial melibatkan semua spesies karbon (termasuk tar), adalah mungkin untuk menyederhanakan sistem dengan mempertimbangkan bahwa hanya char dan hidrogen yang terkandung dalam syngas yang berpartisipasi dalam reaksi oksidasi parsial. Reaksi utama yang berlangsung selama fase oksidasi adalah sebagai berikut: C + O 2 CO 2 ΔH = kj/mol Char combustion (1) C + 0,5 O 2 CO ΔH = - 111kJ/mol Partial oxidation (2)

31 18 H 2+ 0,5O 2 H 2O ΔH= - 242kJ/mol Hydrogen combustion (3) Produk utama berupa energi panas yang sngat diperlukan untuk seluruh proses, sedangkan produk pembakaran merupakan campuran gas CO, CO 2, dan H 2O. Dalam campuran ini nitrogen dapat hadir jika oksidasi biomassa dilakukan dengan udara. a. Drying / Pengeringan Pengeringan terdiri atas penguapan uap air yang terkandung dalam bahan baku. Jumlah panas yang dibutuhkan dalam tahap ini sebanding dengan kadar kelembabannya. Pengeringan dapat dianggap lengkap ketika temperatur biomassa 150 C dicapai. Proses pengeringan ini sangat penting dilakukan agar pengapian pada burner dapat terjadi lebih cepat dan lebih stabil. Pada reaksi ini, bahan bakar yang mengandung air akan dihilangkan dengan cara diuapkan dan dibutuhkan energi sekitar 2260 kj untuk melakukan proses tersebut sehingga cukup menyita waktu operasi. b. Pirolisis Fase ini terdiri dari dekomposisi termokimia dari bahan matriks karbon khususnya, cracking ikatan kimia berlangsung dengan pembentukan molekul dengan berat molekul rendah. Dengan pirolisis dimungkinkan untuk mendapatkan hasil yang berbeda yaitu: padat, cair / kental dan sebagian kecil gas. Fraksi padat, yang bisa berkisar dari 5 10% berat untuk gasifikasi fluidized bed untuk 20 25% berat untuk gasifikasi fixed bed memiliki kandungan karbon tinggi dan ditandai dengan nilai pemanasan tinggi. Fraksi ini termasuk bahan lembam yang terkandung dalam biomassa dalam bentuk abu dan sebagian kecil kandungan karbon yang tinggi, yang disebut char. Fraksi cairan, biasanya disebut tar, bervariasi sesuai dengan jenis gasifier. Untuk gasifikasi downdraft beratnya lebih rendah dari 1%, dan berat 1 5 % untuk fixed bed gasifier, serta berat % untuk gasifikasi updraft dan didasari oleh zat organik kompleks, suhu terkondensasi relatif rendah. Berat fraksi gas biasanya 70 90% dari bahan masukan dan merupakan campuran dari gas yang tidak dapat digunakan pada suhu kamar. Fraksi gas tersebut disebut gas pirolisis dan sebagian besar terdiri

32 19 dari hidrogen, karbon monoksida, karbon dioksida dan hidrokarbon ringan seperti metana dan C 2 lainnya, hidrokarbon C 3. Reaksi pirolisis berlangsung dengan suhu di kisaran C termasuk dalam kondisi endotermik, seperti pada langkah pengeringan, panas yang dibutuhkan berasal dari tahap proses oksidasi. Skematik proses pirolisis dapat dilihat pada keseluruhan reaksi berikut: Biomassa H 2+ CO + CO 2+ CH 4+ H 2O (g)+ Tar + Char (endotermik) (4) Beberapa fenomena yang kompleks terlibat dalam proses pirolisis. Perpindahan panas, difusi produk dari pori pori biomassa menuju fase gas dan reaksi dalam reaktor. Pada suhu rendah dari reaksi langkah dibatasi. Sementara pada suhu yang lebih tinggi langkah yang membatasi mungkin menjadi perpindahan panas atau difusi produk. Untuk selulosa, reaksi pirolisis terjadi antara 600 C dan 700 C. c. Reduksi Langkah reduksi melibatkan semua produk dari tahap sebelumnya dari pirolisis dan oksidasi, campuran gas dan arang bereaksi satu sama lain sehingga pembentukan akhir berupa syngas. Reaksi utama yang terjadi pada langkah reduksi adalah: C + CO 2 2CO ΔH= 172kJ/mol Boudouard reaction (5) C + H 2O CO + H 2 ΔH= 131kJ/mol Reforming of the char (6) CO + H 2O CO 2+ H 2 ΔH= - 41kJ/mol Water gas shift reaction (7) C + 2H 2 CH 4 ΔH= - 75kJ/mol Methanation (8) Reaksi (5 dan 6) adalah endotermik, sementara reaksi (7 dan 8) adalah eksotermik; Namun, kontribusi kedua Boudouard Reaction (5) dan reformasi arang (6) membuat langkah reduksi endotermik global, dan kemudian seluruh langkah membutuhkan energi dari reaksi oksidasi. Reaksi (5 8 ) adalah reaksi kesetimbangan kimia dan karena itu produk dan reaktan dapat berdampingan dan mempertahankan konsentrasi rasio seperti yang didefinisikan oleh hukum kesetimbangan termodinamika. Secara umum, dapat dinyatakan bahwa reaksi endotermik (5 dan 6) lebih diunggulkan

33 20 (kondisi keseimbangan bergeser ke arah pembentukan produk) saat suhu meningkat, sementara reaksi (7 dan 8) diunggulkan pada suhu rendah. Suhu dimana langkah reduksi dilakukan memiliki peranan penting dalam menentukan komposisi syngas, dan karena itu karakteristiknya (heating value yang lebih rendah). Suhu tinggi meningkatkan oksidasi char (mengurangi residu padat pada prosesnya) dan mengurangi pembentukan tar. Di sisi lain hal tersebut meningkatkan risiko abu yang melekat dan mengurangi kandungan energi dari syngas. Suhu reduksi adalah parameter kunci dari proses keseluruhan, menentukan karakteristik residu padat dan dari syngas itu. Efek ini dirangkum dalam Gambar. 2.4 Gambar 2.4 Pengaruh Proses Suhu Pada Syngas Pengaruh suhu pada proses gasifikasi seluruhnya telah menyebabkan pengembangan beberapa solusi teknologi, masingmasing ditandai dengan komposisi syngas yang berbeda dan jumlah residu padat yang berbeda. Kisaran suhu khusus untuk proses gasifikasi telah dikembangkan pada skala penuh adalah C, sedangkan pada proses gasifikasi yang menggunakan oksigen, suhu proses berada di kisaran C

34 Produk Gasifikasi Biomasa Produksi akhir gasifikasi biomassa untuk fase padat dan gas/uap akan sangat berbeda. Fase padat berupa abu yang terdiri dari bahan lembam yang muncul dalam bahan baku dan tidak bereaksi dengan arang. Arang yang terdapat di abu memiliki persentase yang sangat rendah dari total jumlah abu. Secara umum beratnya lebih rendah dari 1% perubahan matrik pada karbon didalam gas menjadi objek pada keseluruhan proses. a. Gas Mampu Bakar (Syngas) Gas mampu bakar atau yang lebih dikenal gas sintetik (syngas) merupakan campuran hidrogen dan karbon monoksida. Kata sintetik gas diartikan sebagai pengganti gas alam yang dalam hal ini terbuat dari gas metana. Syngas merupakan bahan baku yang penting untuk industri kimia dan industri pembangkit daya. Nilai LHV bahan bakar dan LHV syngas dapat ditentukan dari komposisi yang terkandung dalam satuan unit massa bahan bakar dan satuan unit volume syngas. Syngas (produk gas) yang dibagi lagi menjadi fase gas dan fase kondensasi. Fase gas adalah campuran gas yang berisi gas yang tidak terkondensasi pada suhu ruangan, CO, H 2, CO 2, hidrokarbon ringan, CH 4 dan beberapa C 2 - C 3..Jika udara digunakan dalam proses oksidasi pada gasifikasi, maka kandungan nitrogen (N 2) akan muncul pada fase gas tersebut. Komponen kecil seperti NH 3 dan gas asam anorganik (H 2S dan HCl) dan beberapa senyawa kecil gas juga muncul pada fase gas. Jumlah komponen minor tergantung pada komposisi biomassa. Jumlah syngas dapat berkisar di 1 3 Nm 3 / kg dalam kondisi kering, dengan LHV lebih dari 4 15 MJ/Nm 3. Nilai ini sangat dipengaruhi oleh teknologi gasifikasi yang dipilih serta variabel operasi gasifikasi. Pertimbangan tertentu diperlukan untuk fase terkondensasi, tar, karena terbuat dari beberapa senyawa organik yang sangat kental, dapat dianggap sebagai minyak bituminous. Standarisasi European board mendefenisikan tar sebagai senyawa organik yang hadir dalam syngas kecuali gas hidrokarbon dari C 1 sampai C 6 dan telah ditetapkan prosedur utama untuk analisis.

35 2.4 Komponen gasifikasi Reaktor Reaktor yang digunakan pada skala industri untuk mengubah biomassa menjadi gas biasanya disebut Gasifier, pada dasarnya gafier berbeda fungsi salah satunya untuk: (1) Cara menghubungkan antara suplai bahan baku dan agen gasifikasi (2) Cara dan laju perpindahan panas (3) Waktu yang dibutuhkan untuk memasukkan bahan ke dalam zona reaksi Solusi teknologi yang berbeda dapat diimplementasikan untuk mendapatkan konfigurasi pembangkit yang berbeda, khususnya modus kontak biomassa dengan agen gasifikasi mungkin berlawanan arah, atau searah, atau berlawanan aliran. Panas dapat ditransfer dari luar atau langsung dari dalam reaktor menggunakan agen pembakaran, waktu yang dibutuhkan dalam jam (gasifier diam, rotary kiln) atau dalam menit (gasifier fluidized bed). Reaktor yang digunakan dalam proses gasifikasi biomassa adalah: Fixed Bed Reactor Solusi teknologi utama berdasarkan reaktor fixed bed adalah reaktor updraft dan reaktor downdraft (Gambar 2.8 a dan b). Pada reaktor updraft biomassa padat bergerak ke bawah sehubungan dengan agen gasifikasi dan kemudian syngas yang dihasilkan bergerak ke atas (berlawanan). Reaktor tipe downdraft hampir sama dengan tipe updraft hanya saja letak zona oksidasi dan zona reduksi yang berbeda. Bahan bakar dalam reaktor dimasukkan dari atas dan udara dari blower dihembuskan dari samping menuju ke zona oksidasi sedangkan produk berupa syngas hasil pembakaran, keluar melalui burner yang terletak dibawah ruangan bahan bakar sehingga saat volume gas makin meningkat maka syngas mencari jalan keluar melaui daerah dengan tekanan yang lebih rendah. Sistem tersebut memiliki maksud agar syngas yang terbentuk akan tersaring kembali oleh bahan 22

36 23 bakar dan melalui zona pirolisis sehingga kandungan tar dapat dikurangi. Produk pirolisis yang dihasilkan melewati zona oksidasi pada suhu tinggi. Untuk mengurangi penyumbatan gas di dalam reaktor, maka digunakan pompa hisap untuk menarik syngas dan mengalirkan ke arah burner. Kelebihan reaktor ini mengandung sedikit tar dibandingkan tipe updraft. Kekurangannya yaitu tidak bisa digunakan untuk limbah biomassa dengan densitas rendah (Gumanti Humala, A, 2012). Gambar 2.5 Reaktor Fixed Bed: (a) Updraft, (b) Downdraft Reaktor Downdraft Pada gasifikasi downdraft, arah aliran udara dan bahan baku sama sama ke bawah. Gasifikasi jenis ini menghasilkan tar yang lebih rendah dibandingkan jenis updraft. Hal ini karena tar hasil pirolisis terbawa bersama gas dan kemudian masuk ke daerah gasifikasi dan pembakaran yang temperaturnya tinggi. Pada daerah gasifikasi dan pembakaran inilah, tar kemudian akan terurai. Hasil gas gas dari gasifikasi sistem downdraft ini setelah disaring dan

37 24 didinginkan dapat langsung dimasukkan ke dalam mesin pembakaran dalam. Gambar 2.6 Reaktor Downdraft Gasifikasi jenis ini mempunyai beberapa kelebihan, yaitu : 1. Cocok untuk kapasitas sampai 15 MWth. 2. Umumnya spesifik untuk kualitas bahan bakar biomassa tertentu,memerlukan kadar air yang rendah, dan kadar abu yang rendah pula. Gas yang dihasilkan lebih panas dibandingkan pada sistem updraft dan hanya membutuhkan teknik pembersihan gas yang lebih sederhana. 3. Sangat cocok untuk diaplikasikan pada engine karena gas yang dihasilkan rendah kandungan tar. 4. Proses sederhana dan lebih murah. 5. Kandungan tar yang dihasilkan cukup rendah karena hingga 99,9% dari tar yang terbentuk dikonsumsi, hanya membutuhkan pembersihan tar yang minimum. Sedangkan kekurangan dari gasifikasi downdraft adalah: 1. Membutuhkan masukan bahan baku dengan kandungan moisture content yang sangat rendah.

38 25 2. Syngas hasil gasifikasi keluar reaktor pada temperatur yang sangat tinggi, sehingga membutuhkan sistem secondary heat recovery 4 7% karbon yang tersisa tidak bisa diproses atau diubah kebentuk lain. 2.5 Faktor Yang Mempengaruhi Hasil Proses Gasifikasi atau Syngas Kualitas dari proses gasifikasi ditentukan oleh kondisi dari biomass yang digunakan sebagai bahan baku serta bagaimana desain reaktor yang dilakukan. Proses gasifikasi bukanlah semata mata proses pengkonversian biomassa cair atau padat menjadi combustible gas, banyak variabel di dalamnya yang menjadi parameter penentu kinerja reaktor, tahapan proses dan temperatur dalam reaktor atau bahkan kondisi dan komposisi gas yang dihasilkan. Beberapa parameter tersebut akan dibahas berikut ini antara lain propertis biomassa, dan rasio bahan bakar dengan udara yang digunakan Properties biomasa Sesuai dengan penelitian Rajvanshi (2006)[13], sifat-sifat yang dimiliki biomassa baik secara fisik maupun kimia mampu mepengaruhi baik dari segi energi yang dihasilkan maupun heat loss-nya. Sifat tersebut antara lain : 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 %. Kandungan Tar Tar merupakan salah satu kandungan yang paling merugikan dan harus dihindari. Tar adalah cairan hitam

39 26 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. 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. Ash dan Slagging 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 syngas juga semakin banyak sehingga dibutuhkan pembersihan gas yang lebih baik lagi. Dust Semua bahan baku gasifikasi menghasilkan dust (debu). Adanya dust ini sangat mengganggu karena berpotensi menyumbat saluran sehingga membutuhkan maintenance lebih. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan kandungan dust yang tidak lebih dari 2 6 g/m³. Energi Semakin tinggi kandungan energi yang dimiliki biomass maka syngas hasil gasifikasi biomass tersebut semakin tinggi karena energi yang dapat dikonversi juga semakin tinggi Udara Pembakaran Reaksi kimia terjadi ketika ikatan ikatan molekul dari reaktan berpisah, kemudian atom atom dan elektron menyusun

40 27 kembali membentuk unsur unsur pokok yang berlainan yang disebut hasil (produk). Oksidasi yang terjadi secara kontinyu pada bahan bakar menghasilkan pelepasan energi sebagai hasil dari pembakaran. Pembakaran dapat dikatakan sempurna (stoichiometric) apabila semua karbon (C) yang terkandung dalam bahan bakar diubah menjadi karbondioksida (CO2) dan semua hidrogen diubah menjadi air (H 2O) (IrvanNurtian, 2007). Jika salah satu tidak terpenuhi, maka pembakaran tidak sempurna. Syarat terjadinya pembakaran adalah adanya oksigen (O 2). Dalam aplikasi pembakaran yang banyak terjadi, udara menyediakan oksigen yang dibutuhkan. Dua parameter yang sering digunakan untuk menentukan jumlah dari bahan bakar dan udara pada proses pembakaran adalah perbandingan udara bahan bakar. Perbandingan udara bahan bakar dapat diartikan sebagai jumlah udara dalam suatu reaksi jumlah bahan bakar. Perbandingan udara bahan bakar dari suatu pembakaran berpengaruh menentukan bagaimana komposisi produk dan juga terhadap jumlah panas yang dilepaskan selama reaksi berlangsung dan dapat ditulis dalam basis mol (molar basis) atau basis massa (mass basis) Suhu Reaktor Gasifikasi Dalam setiap langkah proses gasifikasi yang terjadi dalam reaktor gasifikasi selalu berhubungan erat dengan temperatur untuk masing masing proses, sehingga dalam satu reaktor gasifikasi terdapat profil sebaran suhu yang dapat merepresentasikan masing masing zona dari proses gasifikasi. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, bahwa suhu ini juga terkait dengan nilai equivalence ratio. Selain itu suhu atau profil suhu pada reaktor gasifikasi juga dipengaruhi oleh faktor parameter yang lain, seperti : properti biomassa, suhu media gasifikasi, insulator, dan yang lainnya. Pada sisi lain suhu reaktor gasifikasi menjadi penentu dari beberapa parameter unjuk kerja dari reaktor gasifikasi, seperti : tingkat keadaan abu, komposisi

41 Kandungan Tar Tar adalah campuran kompleks pada hidrokarbon terkondensasi yang mana komposisinya tergantung pada bahan baku biomassa, teknologi gasifikasi digunakan, dan parameter operasi yang dipilih. Berbagai kelompok penelitian memberikan definisi yang berbeda dari tar tapi ada konsensus umum yang dibagi ke dalam lima kelas, seperti yang dilaporkan dalam Tabel 2.1, sesuai dengan berat molekulnya. Dalam proses gasifikasi, tar dibentuk dalam serangkaian reaksi yang komplek, sangat tergantung pada kondisi reaksi. Pembentukan tar terjadi di zona pirolisis dan sebagai subjek mekanisme sederhana kemungkinanpembentukan tar ditunjukkan pada gambar 2.7, tar dianggap sebagai produk akhir dari tiga macro-phenomena utama dan klasifikasi tar primer, sekunder, dan tersier.rekombinasi dan dekomposisi. Tabel 2.3 Klasifikasi Jenis Tar Jenis Karakteristik Nama Uraian Tar 1 GCterdeteksi 2 heterosiklik aromatik 3 light aromatik (1 cincin) tar sangat berat, tidak dapat dideteksi oleh GC Tar mengandung atom hetero, senyawa tinggi larut dalam air Biasanya hidrokarbon ringan dengan cincin tunggal; tidak menimbulkan masalah pada senyawa Ditentukan dengan mengurangi fraksi tar GCterdeteksi dari jumlah gravimetri tar Pyridine, fenol, kresol, quinoline, isoquinoline, dibenzophenol Toluene, etilbenzena, xilena, styrene

42 29 4 senyawa PAH Cahaya (2 3 cincin) 5 senyawa PAH berat (4-7 cincin) condensability dan solubility 2 dan 3 cincin senyawa; mengembun pada suhu rendah bahkan pada konsentrasi yang sangat rendah yang lebih besar dari 3-ring, komponen ini mengembun disuhu tinggi pada konsentrasi rendah indena, naftalena, Methylnaphthal ene, bifenil, acenaphthalene, fluoren, fenantrena, antrasena fluoranthen, pyrene, Chrysene, perylene, coronene Gambar 2.7 Mekanisme Sederhana Pembentukan Tar

43 Penelitian Terdahulu Pengaruh Laju Alir Massa Udara Terhadap Tar Menurut Yamazaki [10] melakukan penelitian menggunakan Municipal Solid Waste (MSW)menunjukkan bahwa pengaruh pasokan udara yang masuk gasifier terhadap hasil dari tar. Menggunakan gravimetri menunjukkan kandungan tar terendah 0,7% dan tertinggi 3,0% diperoleh masing masing pada debit udara sebesar 4.0 dan 6.7 m 3 /h. Air Flow rate (m 3 /h) Gambar 2.8 Efek Laju Aliran Udara Terhadap Kandungan Tar Pengaruh Laju Alir Massa Udara Terhadap Carbon Conversion Rate Menurut Wei Hsin Chen [11] berdasarkan penelitiannya bahwa distribusi dari Carbon Cenversion (CC) untuk tiga macam bahan bakar yang digunakan yaitu raw bamboo, torrified bamboo, coal dengan variasi equivalent ratio (ER). Pada gambar 2.9 menunjukkan dengan bertambahnya ER akibatnya carbon conversion juga mengalami kenaikan. Seiring bertambahnya ER maka oksigen yang masuk juga semakin bertambah sehingga mempercepat reaksi pembakaran dalam gasifier dan kecenderungan bereaksi dengan carbon (C). Jika ER dinaikan

44 31 setelah nilai ER 0,85 maka nilai carbon conversion rate mendekati nilai konstan (kondisi asymptote) untuk raw bamboo. Secara keseluruhan baik bahan bakar yang berupa raw biomass, torrified biomassa, atau coal yang digunakan pada gasifikasi nilai carbon conversion rate bisa lebih dari 97 %. Gambar 2.9 Grafik ER Dengan Carbon Conversion Rate

45 Halaman ini sengaja dikosongkan 32

46 BAB III METODOLOGI 3.1 Metode Penelitian Pengujian dilakukan dengan metode eksperimental untuk mengetahui gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi (syngas) dengan metode gasifikasi downdraft berbahan baku pelet sampah. Pengujian dilakukan dengan menggunakan sistem kontinyu, artinya pengamatan dilakukan dengan pemasukan biomassa secara terus menerus. Dalam pengujian ini, dilakukan variasi dimmer di blower centrifugal pada udara media gasifikasi yang masuk melalui pipa throat reaktor, kemudian didapat nilai ṁ udara. Pengaturan putaran blower udara dilakukan dengan pengaturan arus listrik dari motor penggerak blower. Eksperimen akan dilakukan dengan metode kontinyu, yaitu dilakukan dengan beberapa pengisian pelet MSW dalam reaktor dan seluruh data diambil hingga ketinggian pelet MSW mencapai batas bawah yang telah ditentukan sebelumnya. Pada penelitian ini laju alir massa udara divariasikan sebesar 0,0069; 0,0075; 0,0081; 0,0085 kg/s untuk mengetahui kandungan tar yang terendah dan memperbesar carbon conversion rate Mengukur Kandungan Tar Untuk mengetahui kandungan tar dalam dalam syngas dapat diukur dengan alat ukur kondensator tar. Alat ukur kondensator tar diletakkan setelah induced fan atau bagian akhir dari reaktor gasifiksi. Peralatan pengambilan sampel tar terdiri dari kondenser tar, wadah tar, dan gas flow meter (gambar 3.1). Menurut Basu, 2010 tar dapat terkondensasi mulai temperatur 20 o C. Berat tar yang terkumpul dapat diukur setelah cairan dalam gelas benar benar kering dalam waktu tertentu. Kandungan tar kemudian dihitung mengunakan persamaan (Jaojaruek, K 2011): m tar Kandungan tar = (3.1) Vsampling gas 33

47 34 dimana m tar adalah massa tar dalam gas, V sampling gas adalah volume yang sesuai dari gas sampel selama tar dikumpulkan dalam wadah tar. Gambar 3.1 Sistem Pengambilan Sampel Tar Dalam Syngas Proses pengambilan tar pada syngas sesuai dengan penelitian yang telah dilakukan (Brandt, P. 2000) menggunakan alat ukur berupa kondensator tar seperti gambar 3.1. Hasil gasifikasi berupa syngas dialirkan ke kondensator tar sebelum kondensator tar dipasang gas flow meter untuk mengukur debit syngas. Kemudian syngas masuk kondensator dari atas ke bawah, dimana di bagian bawahnya terdapat wadah tar yang berfungsi sebagai tempat penampungan tar yang telah terkondensasi. Saat syngas masuk kondensator, bersamaan pula air dialirkan ke kondensator dari bawah menuju atas. Tar dalam syngas terkondensasi pada temperatur 15 0 C (Brandt, P. 2000), sehingga ditetapkan syngas yang keluar dari kondensator temperaturnya dipertahankan sebesar 15 0 C agar tar dapat terkondensasi. Prosedur pengambilan kandungan tar dalam syngas menggunakan alat ukur berupa kondensator tar sebagai berikut : 1. Persiapkan peralatan seperti pompa air, tabung kondensator, tempat air, es, selang, dan wadah tar. Kemudian susun peralatan alat ukur kondensator tar seperti gambar Periksa apakah pompa air dapat berjalan normal sehingga air dapat sirkulasi dalam tabung kondensator dengan baik.

48 35 3. Tunggu syngas sampai flammable, jika sudah flammable maka syngas dialirkan ke dalam tabung kondensator. 4. Nyalakan pompa air agar air dapat bersirkulasi supaya terjadi kondensasi antara air dengan syngas sehingga dipatkan tar yang terkondensasi. 5. Cek temperatur syngas yang keluar dari tabung kondensator, apabila suhu lebih besar dari 15 0 C maka temperatur air harus lebih dingin dengan menambah es sebagai media pendingin. Sedangkan jika temperaturnya kurang dari 15 0 C media pendinginannya yang berupa es dikurangi agar temperaturnya tetap 15 0 C. 6. Jika temperatur keluaran syngasnya sudah stabil di 15 0 C, maka pengambilan tar yang terkondensasi dapat dilakukan. 7. Timbang tar yang telah terkondensasi pada wadah tar Menghitung Carbon Conversion Rate Carbon Conversion Rate (CCR) merupakan salah satu indikator yang penting untuk mengevaluasi dari performa gasifikasi. CCR adalah perbandingan antara kandungan carbon (C) pada biomassa dengan kandungan carbon (C) hasil gasifikasi yang dikonversikan menjadi syngas. Kandungan syngas berupa H 2 + CO + CO 2+ CH 4 + H 2O tetapi yang dilihat hanya yang terdapat kandungan C (carbon). Carbon Conversion Rate (CCR) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Wei-Hsin Chen, 2013): Y CO Y CH ) CCR = (1 ṁ syngas(y CO 2 ) x 100 % (3.2) ṁ biomass. Y C dimana : ṁ syngas : laju alir massa syngas ṁ biomass : Laju alir massa biomassa Y CO : fraksi massa CO2 2 Y CO : fraksi massa CO Y CH : fraksi massa CH4 4 : fraksi massa C Y C

49 36 Dari persaman 3.2 dapat diketahui bahwa angka 1 merupakan ṁ biomassa.y c / ṁ biomassa.y c yang mana pada biomassa terdapat nilai kalor atas (HHV) melului uji bomb calori meter, pada hhv tersebut didaptkan harga LHV melalui persamaan : LHV = HHV hg ( 9H M 100 ) dimana : LHV : Nilai Kalor Bawah (kj/kg) HHV : Nilai Kalor Bawah (kj/kg) H : presentase Hidrogen (%) M : presentase Moisture Content (%) hg : Panas Laten (kj/kg) harga LHV ini terdapat komposisi CO 2, CO, dan CH 4 (biomassa), maka CCR adalah prosentase selisih nilai dari kandungan karbon pada biomassa (CO 2, CO, dan CH 4) dikurangi kandungan karbon pada syngas, jika haga CCR didapatkan 80% dapat diartikan bahwa kandungan karbon yang dikonversikan menjadi Co,CH4 dan CO2 dari biomassa menjadi syngas adalah sebesar 80 % dan sisa sebesar 20 % merupakan konversi karbon dari biomassa ke dalam bentuk yang lain seperti ash, char dan tar. Pada penelitian ini terdapat parameter input dan parameter output yang merupakan variabel variabel yang akan diteliti dalam rancangan penelitian ini. Parameter output terdiri dari variabel tetap dan variabel berubah, dan parameter output terdiri dari variabel yang diukur saat eksperimen dilakukan dan variabel yang dihitung setelah eksperimen dilakukan. Data hasil eksperimen akan ditabelkan dan diolah menjadi grafik dan dianalisa untuk pengambilan kesimpulan.

50 37 Tabel 3.1 Tabel Variabel Variabel Dalam Penelitian Parameter Input Parameter Output Variabel Tetap Variabel Berubah Variabel Terukur Variabel Terhitung Laju pelet MSW Laju alir massa udara Laju alir massa udara Suhu pada reaktor (4 titik) Suhu Inlet media gasifikasi Waktu Operasional Reaktor Jumlah carbon dalam syngas Jumlah kandungan tar dalam gas. Kadar (mg/m 3 ) Carbon Conversion Rate tar 3.2 Bahan Uji Pelet MSW Bahan biomassa yang akan digunakan pada penelitian ini adalah Pelet MSW yang memiliki komposisi 30 % sampah organik tumbuhan, 20% serbuk kayu, 40 % sampah plastik Polypropylene(PP) dan10 % materi pengikat berupa starch (kanji) ( Indarto, 2015 ). Pelet yang digunakan memiliki ukuran diameter

51 38 6 mm dan rata rata panjang 5 15 mm (Rollinson, 2017) [14] berasal dari sampah perkotaan. Bahan organik dalam pelet MSW ini adalah sampah dapur (sayur mayur dan sisa makanan), bermacam jenis kertas, dan potongan tumbuh-tumbuhan (kayu, ranting, dan dedaunan). ( Indarto, 2015 ) Bahan anorganik dalam pelet MSW ini sebagian besar adalah plastik, terutama plastik yang tidak terambil oleh pemulung. Berikut Pengujian properties biomassa pelet MSW : 1. Analisa Proximate Pada pengujian ini dianalisa mengenai kadar kandungan moisture content, volatil matter, fixed carbon, dan abu yang dimilikinya. 2. Analisa Nilai Kalor Pada pengujian ini dianalisa mengenai nilai kandungan kalor (Low Heating Value) yang di uji pada alat bomb kalorimeter dimana, nilai yang keluar dari alat tersebut yaitu dalam bentuk High Heating Value. Untuk analisa ultimate diambil pendekatan dari penelitian (Zhou,dkk 2014)[15] untuk mendapatkan nilai pengujian analisa ultimate yang lebih spesifik, sebagai referensi dalam pengujian. Berhubungan dengan jenis pelet MSW yang digunakan sama. Sedangkan analisa proxymate dan analisa nilai kalor serta kandungan karbon pada syngas dilakukan pengujian di LPPM ITS.

52 3.3 Alat Uji Skema peralatan eksperimen dapat dilihat pada Gambar Gambar 3.2 Skema Instalasi Proses Gasifikasi Keterangan : 1. Hopper 11. Pompa air 2. Downdraft Gasifier 12. Dry Filter 3. Termokopel 13. Pompa Hisap 4. Dimer 14. Flare Point 5. Blower 15. Kondensator Tar 6. Pitot Tube 7. Flare Point 8. Gas Sampling 9. Cyclone 10. Water Scruber Alat uji yang akan digunakan dalam penelitian ini antara lain sebagai berikut: 1. Reaktor Gasifikasi Reaktor gasifikasi yang digunakan bertipe downdraft yang

53 40 telah dilengkapi dengan sistem peralatan pembersih syngas yang berupa cyclone dan water scrubber. selain itu reaktor tersebut memiliki satu blower untuk memasok udara dan satu induced fan untuk menghisap syngas. Gambar 3.3 Dimensi Reaktor Gasifikasi Downdraft 2. Blower dan Induced Fan Blower dan suction pump berupa centrifugal pump yang digerakkan oleh motor listrik arus AC dengan tegangan 220 v. Blower berfungsi untuk memberikan pasokan udara pada zona partial combustion, sedangkan suction pump berfungsi untuk menghisap syngas. (a) (b) Gambar 3.4 (a). Blower (b).induced Fan

54 41 3. Pengatur Putaran Blower Pada eksperimen akan dilakukan variasi pada laju alir massa udara yang memasuki reaktor gasifikasi maka dipergunakan alat pengatur putaran blower agar laju alir massa udara keluaran dari blower udara dapat bervariasi. Cara kerja pengatur putaran tersebut secara garis besar adalah dengan mengatur dari frekuensi arus listrik pada motor arus AC penggerak blower, yang pada akhirnya akan mengubah putaran blower sehingga laju alir massa udara (ṁ) berubah. Pada penelitian ini laju alir massa udara (ṁ) divariasikan sebesar sebesar 0,0069; 0,0075; 0,0081; 0,0085kg/s. 4. Cyclone dan Water Scruber Cyclone dan Water scrubber berfungsi sebagai perlengkapan untuk membersihkan syngas dan juga menurunkan suhu syngas. Cyclone berfungsi hanya untuk membersihkan kandungan debu dan partikel, sedangkan water scrubber memiliki fungsi utama untuk mengurangi kandungan tar dalam syngas, dengan cara menyemprotan air ke dalam syngas menggunakan pompa air. Gambar 3.5 Cyclone dan Pompa Air

55 42 5. Dimmer Dimmer berupa resistor yang digunakan untuk memvariasikan kecepatan suplai udara dari blower dengan cara membatasi arus listrik yang mengalir, untuk mendapakan nilai laju alir massa udara yang diinginkan. Adapun dimmer yang digunakan dalam pengambilan data mampu mengubah tingkat kecepatan sesuai dengan yang diinginkan. Gambar 3.6 Blower dan Dimmer 3.4 Alat Ukur Untuk mendapatkan data yang dibutuhkan dalam penelitian, reaktor gasifikasi yang telah dilengkapi dengan alat pengukur suhu dan alat pengukur laju alir massa media gasifikasi serta syngas. 1. Alat Ukur Suhu Alat ukur suhu pada reaktor gasifikasi yang akan digunakan menggunakan sensor berupa thermocouple tipe K dengan posisi pemasangan tersebar pada 6 titik, dengan pengaturan sebagai berikut : a. T 1 hingga T 5 pengukuran pada unit utama reaktor gasifikasi difungsikan untuk mengukur profil suhu pada zona zona gasifikasi.

56 43 b. T 6 titik pengukuran terakhir berada pada pipa keluaran suction pump untuk mengukur suhu syngas setelah melewati peralatan pembersih syngas. Gambar 3.7 Thermocouple Type K 2. Alat Ukur Laju Alir Massa Alat ukur laju alir massa media gasifikasi dan syngas yang digunakan memakai pitot static tube untuk menghasilkan perbedaan tekanan (δp) yang akan digunakan sebagai masukan pada perangkat data akuisisi yang telah terisi program untuk penghitungan laju alir massa. Pengukuran laju aliran massa akan dilakukan pada 2 titik, yaitu : 1. Titik pertama pengukuran pada pipa inlet reaktor gasifikasi, berfungsi untuk pengukuran laju aliran massa udara sebagai media gasifikasi. 2. Titik kedua ditempatkan pada pipa outlet water scrubber untuk mengukur laju alir massa syngas. Gambar 3.8 Pitot Tube dan Manometer Digital

57 44 Manometer digital dengan spesifikasi : Merk : Benetech Tipe : GM150 Dimensi : 172 x 75 x 38 mm Tekanan maksimum : 50 kpa Akurasi : ± 0,3 % Waktu respon : 0,5 detik Temperatur operasi : o C Power supply : 3 V ( baterai AAA) Cara mendapatkan nilai laju alir massa udara dengan menyusun blower dihubungkan ke dimmer dan pipa. Pada pipa terdapat pitot tube yang diletakkan di tengah tengah pipa dengan jarak dari blower sebesar 10 kali diameter pipa. Kemudian pitot tube dihubungkan dengan manometer V seperti gambar 3.9. Setelah blower dinyalakan dan dimmer diatur kemudian pada manometer V dilihat perbedaan ketinggiannya. Gambar 3.9 Susunan Pengatur Laju Alir Massa Udara

58 45 Pitot tube diletakkan di tengah tengah dari diameter pipa yang digunakan (gambar 3.8) karena pada posisi tersebut menghasilkan nilai kecepatan maksimum. Kemudian dihubungkan dengan inclined manometer untuk mengetahui besarnya perbedaan ketinggian cairan pada manometer yang nantinya digunakan persamaan Bernoulli sebagai berikut : P 0 + V 2 0 ρ + V 2 1 ρ + gz 2 0 = P 1 + gz 2 1 (3.3) dimana : P 0 = Tekanan stagnasi (pada titik 0) (Pa) P 1 = Tekanan statis (pada titik 1) (Pa) = Massa jenis fluida yang mengalir (kg/m 3 ) V 1 = Kecepatan di titik 1 (m/s) V 0= Kecepatan di titik 0, kecepatan pada titik stagnasi = 0 m/s dengan mengasumsikan z = 0 maka persamaan menjadi : V 1 2 = P 0 P 1 2 ρ (3.4) Untuk mencari kecepatan udara yang masuk kedalam ruang bakar dari persamaan diatas menjadi: V 1 = 2(P 0 P 1 ) (3.5) ρ udara dengan : P 0 P 1 = red oil. g. h (3.6) red oil= (ρ H2 O. SG red oil ) (3.7) Sehingga pada inclined manometer diperoleh persamaan, P 0 P 1 = (ρ H2 O. SG red oil ). g. h. sin θ (3.8) h adalah perbedaan ketinggian cairan pada inclined 0 manometer dengan 15, maka persamaan menjadi : V 1 = 2(ρ H2O. SG red oil. g. h. sin θ) ρ udara (3.9) dengan : SG red oil : Spesific gravity red oil (0.827) H 2O : Massa jenis air (999 kg/m 3 )

59 46 udara : Massa jenis udara ( kg/m 3 ) h : Total perbedaan ketinggian cairan pada incline manometer (m) θ : Sudut yang digunakan pada inclined manometer (degree) Namun V 1 merupakan kecepatan maksimal, terlihat dari profil kecepatan aliran pada internal flow. Hal ini dikarenakan posisi pitot berada pada centerline pipa. Sehingga perlu dirubah menjadi average velocity (V ) yang dapat dirumuskan sebagai berikut : V V max = 2n 2 (n+1)(2n+1) (3.10) dimana: V : Kecepatan rata rata (m/s) V max : Kecepatan maksimal dari profil kecepatan aliran. n : variation of power law exponent. Yang di rumuskan sebagai berikut: n = 1,7 + 1,8 log Re Vmax (3.11) untuk Re Vmax > 2 x 10 4 (aliran turbulen). Sedangkan untuk aliran laminar dapat diperoleh melalui persamaan berikut: V max = 2V (3.12) 3. Gas Cromathography Gas cromatografi berfungsi untuk mengukur persentase volumetrik suatu senyawa, seperti CO, H 2, dan CH 4. Pengukuran dengan menggunakan alat ini akan dilakukan Laboraturium Lembaga Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat (LPPM). Jenis gas cromatografi yang digunakann pada penelitian adalah seperti pada gambar 3.10

60 47 Gambar 3.10 Gas Cromathography 4. Stopwatch Digunakan untuk mengetahui waktu operasi pada proses gasifikasi Gambar 3.11 Stopwatch 3.5 Prosedur Pengujian Prosedur pengambilan data dilakukan untuk mendapatkan parameter parameter yang dibutuhkan untuk performa proses gasifikasi sistem continous. Dalam eksperimen ini akan diambil data berupa laju alir massa udara, dan syngas. a. Tahap Persiapan Sebelum pelaksanaan proses pengujian terdapat beberapa

61 48 persiapan yang harus dilakukan agar pengambilan data dapat dilakukan dengan baik. 1. Pengecekan reaktor gasifikasi dan memastikan semua peralatan penunjang yang lain seperti blower, dan komponen komponen lainnya telah terpasang dengan baik. 2. Persiapan alat ukur yang digunakan seperti, termoselector, pitot tube, dan stopwatch serta pastikan alat ukur dapat digunakan dengan baik 3. Mempersiapkan pelet MSW sebagai bahan bakar biomassa. b. Tahap Pengambilan Data 1. Untuk tahap awal, dimasukkan pelet MSW ke dalam reaktor hingga batas bawah (permulaan zona pirolisis) dengan hoper. 2. Pelet MSW disulut sebagai pemanasan awal. 3. Setelah menjadi bara, masukan pelet hingga batas atas dari gasifikasi. 4. Secara bersamaan, blower dinyalakan dan dimmer diatur sesuai tahap pengambilan data sampai kondisi steady (saat hasil syngas sudah flameable) 5. Tunggu waktu 10 menit kemudian isi lagi reaktor dengan pelet sampai batas atas kemudian naikan putaran blower melalui dimmer dengan 4 kali variasi. Sampai kondisi steady. 6. Data mass flowrate udara diambil dengan pitot tube untuk mengetahui besarnya kecepatan udara yang masuk ke dalam gasifier melalui lubang (throat) udara. 7. Pada saluran pipa keluaran juga dipasang pitot tube untuk mengukur laju alir massa syngas. 8. Catat hasil perbedaan ketinggian pada manometer V yang terhubung dengan pitot tube syngas yang keluar dan udara yang masuk. Ambil sampling syngas untuk diukur kandungan karbon.

62 49 9. Lakukan semua pengukuran di atas tiap 10 menit. 10. Pengambilan data dari laju alir massa udara, diulangi dengan memberi variasi kecepatan udara masukan dengan putaran blower melalui dimmer. Perubahan variasi ini dilakukan untuk mendapatkan nilai laju alir massa udara yang optimal. c. Tahap Akhir Pengujian 1. Matikan blower perlahan. 2. Matikan dimmer 3. Biarkan reaktor sampai api benar benar padam dan temperaturnya turun.

63 Flowchart Penelitian MULAI STUDI LITERATUR - BUKU - JURNAL / PAPER BAHAN BAKAR : 1. PEMBUATAN PELET MSW 2. ANALISA PROXIMATE PELET MSW MODIFIKASI REAKTOR : 1. PEMASANGAN HOPPER 2, PENAMBAHAN PENGADUK 3. PENAMBAHAN PENYAPU ABU PERSIAPAN REAKTOR DAN ALAT UKUR UJI COBA REAKTOR GASIFIKASI PENGECEKAN : 1. ALAT UKUR 2. REAKTOR 3. BLOWER 4. TERMOCOUPLE 5. INDUCED FAN 6. POMPA AIR APAKAH PENGECEKAN SUDAH BENAR? TIDAK YA RUNNING DENGAN VARIASI ṁ : ṁ1 : 0,0069 kg/s ṁ2 : 0,0075 kg/s ṁ3 : 0,0081 kg/s ṁ4 : 0,0085 kg/s PENGAMBILAN DATA : 1. LAJU ALIR MASSA SYNGAS 2. TEMPERATUR 3. MASSA TAR PENGOLAHAN DATA ANALISA DAN PEMBAHASAN DATA SELESAI Gambar 3.12 Flowchart Penelitian

64 Flowchart Pengambilan Data Kandungan Tar MULAI PROSES PENYALAAN API PELET MSW PADA REAKTOR GASIFIKASI PERSIAPAN DAN PENGECEKAN : 1. KONDENSATOR TAR 2. POMPA AIR APAKAH PENGECEKAN SUDAH BENAR? TIDAK YA RUNNING DENGAN VARIASI ṁ : ṁ 1 : 0,0069 kg/s ṁ 2 : 0,0075 kg/s ṁ 3 : 0,0081 kg/s ṁ 4 : 0,0085 kg/s PENGAMBILAN DATA SETIAP 5 MENIT : 1. LAJU ALIR MASSA SYNGAS 3. MASSA TAR PENGOLAHAN DATA ANALISA DAN PEMBAHASAN DATA SELESAI Gambar 3.13 Flowchart Pengambilan Data Kandungan Tar

65 52 Halaman ini sengaja dikosongkan

66 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Pada bab ini akan dibahas mengenai perhitungan perhitungan yang diperlukan dalam penelitian. Untuk menentukan performa dari suatu gasifier dalam menghasilkan gas yang flammable dapat ditinjau dari beberapa parameter yaitu distribusi temperatur di dalam reaktor, kandungan tar dalam syngas, dan nilai carbon convertion rate yang dihasilkan oleh gasifier tersebut. Parameter inilah, yang nantinya akan memiliki nilai yang berbeda untuk tiap variasi laju massa alir udara yang masuk ke gasifier dengan mengubah putaran blower, sehingga kita dapat menentukan laju alir massa udara 4.1 Karakteristik Pelet MSW Pada penelitian ini akan digunakan biomassa berupa sampah padatan kota atau yang disebut sebagai Municipal Solid Waste (MSW) dalam bentuk pelet yang selanjutnya akan dilakukan proses gasifikasi. Pelet MSW yang digunakan pada penelitian ini merupakan hasil riset dan pengembangan yang dilakukan oleh Lab. Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar Teknik Mesin ITS, Pellet tersebut memiliki komposisi sebagai berikut : 30% sampah organik tumbuhan (kompos) 20% serbuk kayu 40% sampah plastik yang sebagian besar berupa plastik Polypropylene (PP) 10% materi pengikat/binder berupa starch (kanji). MSW tersebut dilakukan poses peletisasi dengan ukuran rata rata diameter 6 mm serta panjang 5 15 mm. Contoh Pelet MSW dapat dilihat pada gambar

67 54 Gambar 4.1 Pelet MSW yang digunakan dalam penelitian Setelah dilakukan proses peletisasi biomassa dari MSW, selanjutnya pelet MSW dikerinngkan secara alami dengan sinar matahari hingga kandungan air mencapai %. Setelah pelet dikeringkan, lalu dilakukan proses penumbukan sampai hancur dan rata mendekati bentuk bubuk sebnyak ± 200 gram sebagai sampel yang akan dilakukan uji proximate (Moisture content / kandungan air, ash content / kadar abu, Volatile matter, kadar fixed carbon dan Gross calorific value / Nilai Kalor Atas HHV) di Laboratorium Energi LPPM-ITS untuk diuji nilai kalornya dengan metode uji bomb calorimeter.dari pengujian proximate tersebut didappatkan nilai kalor rata-rata hasil pengujian pelet MSW adalah sebesar kj/kg. Tabel 4.1 Hasil Pengujian Pelet MSW Jenis Uji Parameter Satuan Hasil C % wt 39,83 H % wt 6,7 Uji Komponen O % wt 38,11 Ultimate N % wt 0,35 S % wt 0,14 Uji Proximate Moisture In Sampel % wt 9,82 Ash Content % wt 14,71 Volatile Matter % wt 65,78 Fixed Carbon % wt 9,69 HHV kj/kg 13843

68 Data dan Analisa Hasil Gasifikasi Analisa Perhitungan Laju Air Masa Udara Tabel 4.2 Laju Alir Massa Udara Laju alir massa udara Pressure (Pa) v max (m/s) Re v max n v ratarata (m/s) ṁ (kg/s) ṁ ṁ ṁ ṁ Mengamati beda ketinggian yang terbaca pada manometer V Dari hasil pengamatan dengan ṁ 1 didapatkan perbedaan tekanan yang terbaca pada alat ukur Pressure Transducer sebesar 12.3 Pa Mencarai harga kecepatan Maksimum (V max) V 1 = 2(P 0 P 1 ) ρ udara = 2 (ρ H2O.SG red oil ).g.h.sin θ ρ udara dengan : H 2O : Massa jenis air (999 kg/m 3 ) udara : Massa jenis udara ( kg/m 3 ) h θ : Total perbedaan ketinggian cairan pada incline manometer (m) : Sudut yang digunakan pada incline manometer (15º) SG red oil : Spesific gravity red oil (0.827) didapatkan : V 1 = 2(P 0 P 1 ) = ρ udara 2 x ,1614 = m/s

69 56 Mencari Harga Re vmax. Vmax. D Re vmax = µ x x = 184,6 x 10 7 diperoleh : 14709,248 (µ = 184,6 x 10-7 ) Mencarai harga n (variation of power law exponent) n = 1,7 + 1,8 log Re Vmax n = 5,801 Mencari harga V avg diperoleh dengan persamaan: V 2n = 2 V max (n+1)(2n+1) Laju alir masa udara (ṁ udara) ṁ udara ;Vmax = m/s =. V avg. A = kg/m m/s. π/ m 2 = kg/s Analisa Perhitungan Laju Air Masa Bahan Bakar Mencari Bulk Density pelet MSW Berat gelas ukur kosong = 132,02 gr Berat pelet MSW pada volume 200 ml pada gelas ukur = 209,5 gr Bulk density pelet : berat pelet pada gelas ukur berat gelas ukur kosong volume pelet pada gelas ukur = (209,5 132,02) gr 200 ml = 0,3674 g ml x kg 1000 g = 0,3674 g/ml x 1000 ml L = 387,4 kg/m 3 Volume yang terisi V = L alas x t (10 cm = 0,1m) = π/4.d 2 x t = π/4.(0.5 m) 2 x 0,1 m = 0,01963 m 3 x 1000 L m 3

70 57 Masa bahan bakar pada volume tersebut = m / v m = x v = 387,4 kg/m 3 x 0,01963 m 3 = kg Dengan waktu operasi 10 menit laju alir masa bahan bakar adalah 7,603 kg x menit 10 menit 60 s Laju alir masa bahan bakar = = 0,0126 kg/s Analisa Perhitungan Laju Air Masa Syngas Mengamati beda ketinggian yang terbaca pada manometer V Dari hasil pengamatan dengan ṁ 1 didapatkan perbedaan tekanan yang terbaca pada alat ukur Pressure Transducer sebesar 6.4 Pa Mencarai harga kecepatan Maksimum (V max) V 1 = 2(P 0 P 1 ) ρ udara = 2 (ρ H2O.SG red oil ).g.h.sin θ ρ udara dengan : H 2O : Massa jenis air (999 kg/m 3 ) udara : Massa jenis udara ( kg/m 3 ) h θ : Total perbedaan ketinggian cairan pada incline manometer (m) : Sudut yang digunakan pada incline manometer (15º) SG red oil : Spesific gravity red oil (0.827) didapatkan : V 1 = 2(P 0 P 1 ) = ρ udara 2 x 6.4 1,1614 = 3,319 m/s Mencari Harga Re vmax. Vmax. D Re vmax = µ = x x ,6 x 10 7

71 58 Diperoleh : 10610,3 (µ = 184,6 x 10-7 ) Mencarai harga n (variation of power law exponent) n = 1,7 + 1,8 log Re Vmax n = 5,546 Mencari harga V avg diperoleh dengan persamaan: V 2n = 2 V max (n+1)(2n+1) ;Vmax = 3,319 m/s Laju alir masa udara (ṁ syngas) ṁ syngas =. V avg. A = 1,1614 kg/m m/s. π/4. 0, m 2 = 0,0061 kg/s 4.3 Analisa Distribusi Temperatur Pada Zona Gasifikasi Dalam proses gasifikasi terdapat empat tahapan proses dalam menghasilkan syngas, yaitu tahap drying, pirolisis, oksidasi parsial dan reduksi. Masing-masing tahapan tersebut memiliki interval temperatur yang berbeda sebagai indikatornya. Pada subbab berikut akan ditampilkan dalam bentuk grafik distribusi temperatur fungsi variasi laju alir massa udara. Berikut sketsa gambar zona-zona gasifikasi: Gambar 4.2 Distribusi Temperatur Zona Gasifikasi

72 Ketinggian Reaktor (cm) Distribusi Temperatur Reaktor pada ṁ 1 = 0,0069 kg/s Berikut gambar distribusi temperatur fungsi laju alir massa udara dengan ṁ 1=0,0069 kg/s di bawah ini : T1 87 T2 127 T T4 337 T5 422 T7 402 T Temperatur ( o C) Gambar 4.3 Distribusi Temperatur = f(ketinggian reaktor) pada ṁ 1=0,0069 kg/s Pada Gambar 4.3 diatas, termokopel 1 (T 1) diletakan pada ketinggian 100 cm dari bawah reaktor memiliki temperatur antara 87ºC, yang menunjukan bahwa termokopel 1 (T 1) merupakan permulaan zona drying, dimana pelet MSW mengalami penguapan untuk menghilangkan kandungan moisture-nya. Berikutnya untuk termokopel 2 (T 2) terletak pada ketinggian 90 cm dari bagian bawah reaktor dengan temperature 127 ºC, (T 3) dengan ketinggian 80 cm dengan temperatur 135 ºC, (T 4) dengan ketinggian 63 cm dengan temperatur 337 ºC. serta (T 5) dengan ketinggian 49 cm dengan temperatur 422ºC, yang mana mengindikasikan bahwa T 2 smapai dengan T 5 akan masuk zona pirolisis. Seperti pada dasar teori bab 2 yang menyatakan bahwa zona pirolisis berada temperatur 150ºC - 700ºC, dimana biomassa kering yang bebas dari moisture, mengalami pemanasan terus menerus sehingga diharapkan mampu menghilangkan kandungan volatile biomassa.

73 60 Biomassa yang mengalami pemanasan pada temperatur tinggi akan menyebabkan biomassa terpecah menjadi arang (C), tar, minyak, gas dan produk pirolisa lain. Produk pirolisis umumnya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas ringan (H 2, CO, CO 2, H 2O, dan CH 4), tar, dan arang. Secara umum reaksi yang terjadi pada pirolisis beserta produknya adalah: Dry Feedstock + Heat Char + Volatiles Fuel (biomassa) H 2+ CO + CO 2+ CH 4+ H 2O+ Tar + Char (arang karbon) Kemudian pada termokopel 6 (T 6) yang terpasang pada ketinggian 38 cm memiliki temperatur paling tinggi diantara yang lainnya, karena pada (T 6) sudah masuk zona oksidasi parsial. Temperatur pada termokopel 6 (T 6) ini adalah sebesar 803ºC. Hal ini sesuai dengan dasar teori pada bab 2 bahwa, zona oksidasi parsial akan memasuki temperatur ± 900ºC. Proses tersebut dipengaruhi distribusi oksigen karena adanya oksigen inilah, terjadi reaksi eksoterm yang menghasilkan panas, yang dibutuhkan dalam keseluruhan proses gasifikasi ini. Sedangkan pada termokopel 7 (T 7) pada ketinggian 27 cm, temperatur konstan kisaran sampai 402ºC, mengindikasikan bahwa T 7 masuk zona reduksi yang berada pada kisaran temperatur 400ºC-800ºC, dimana proses ini menyerap atau membutuhkan panas(reaksi endoterm). Pada proses ini terbentuknya, senyawa-senyawa yang berguna untuk menghasilkan flammable gas, seperti H 2 dan CO. Sisa 80% dari arang turun ke bawah membentuk lapisan pada daerah reduksi, dimana di bagian ini hampir seluruh karbon akan digunakan dan abu yang terbentuk akan menuju tempat penampungan abu.

74 Ketinggian Reaktor (cm) Distribusi Temperatur Reaktor Fungsi ṁ 2 = 0,0075 kg/s Berikut gambar distribusi temperatur fungsi laju alir massa udara dengan ṁ 2 =0,0075 kg/s di bawah ini : T1 93 T2 128 T3 135 T4 336 T5 445 T7 412 T Temperatur ( o C) Gambar 4.4 Distribusi Temperatur = f (ketinggian reaktor) pada ṁ 2 = 0,0075 kg/s Pada gambar 4.4 diatas yaitu termokopel 1 (T 1) memiliki rentang temperatur yang hampir sama dengan variasi ṁ sebelumnya. Untuk temperatur termokopel 1 (T 1) berada pada kisaran 93ºC, mengindikasikan bahwa termokopel 1 merupakan permulaan zona drying, dimana kandungan moisture yang dimiliki pelet MSW dihilangkan melalui proses penguapan atau evaporasi. Untuk termokopel 2 (T 2) sampai termokopel 5 (T 5) berturut turut adalah 128ºC, 135ºC, 336ºC, 445ºC hal ini mengindikasikan bahwa, T 2 samai T 5 ini akan masuk zona pirolisis sesuai dengan dasar teori pada bab 2 bahwa, zona pirolisis memasuki temperatur 150ºC-700ºC, Sedangkan termokopel 6 (T 6), distribusi temperatur yang terjadi memiliki temperatur tertinggi dibandingkan dengan yang lainnya yaitu 893 ºC yang merupakan zona partial oxidation. Begitu juga dengan temperature 7 (T 7) yang memiliki temperatur pada kisaran yang lebih tinggi,sebesar 412 ºC yaitu zona reduksi.

75 Ketinggian Reaktor (cm) Distribusi Temperatur Reaktor fungsi ṁ 3 = 0,0081 kg/s Berikut gambar distribusi temperatur fungsi laju alir massa udara dengan ṁ 3=0,0081 kg/s di bawah ini : T1 101 T2 133 T3 140 T4 365 T5484 T7 429 T Temperatur ( o C) Gambar 4.5 Distribusi Temperatur = f(ketinggian reaktor) pada ṁ 3 = 0,0081 kg/s Pada gambar 4.5 diatas yaitu termokopel 1 (T 1) memiliki rentang temperatur yang lebih tinggi dari variasi ṁ sebelumnya yakni ṁ 0,0069 kg/s dan 0,0075 kg/s yang mana berada pada kisaran temperatur 101ºC, karena pada termokopel 1(T 1) menunjukan permulaan zona drying, dimana kandungan moisture yang dimiliki biomassa pelet MSW dihilangkan melalui proses penguapan atau evaporasi. Untuk Termokopel 2 (T 2) sampai termokopel 5 (T 5) berturut turut adalah 133ºC, 140ºC, 365ºC, 484ºC hal ini mengindikasikan bahwa, T 2 samai T 5 ini akan masuk zona pirolisis teori pada bab 2 bahwa, zona pirolisis memasuki temperatur 150ºC-700ºC. Sedangkan termokopel 6 (T 6), distribusi temperatur yang terjadi memiliki temperatur tertinggi dibandingkan dengan yang lainnya yaitu 931 ºC yang merupakan zona partial oxidation. Begitu juga dengan temperatur 7 (T 7) yang memiliki temperatur pada kisaran yang lebih tinggi, sebesar 429 ºC yaitu zona reduksi.

76 Ketinggian Reaktor (cm) Distribusi Temperatur Reaktor fungsi ṁ 4 = 0,0085 kg/s Berikut gambar distribusi temperatur fungsi laju alir massa udara dengan ṁ 4 = 0,0085 kg/s di bawah ini : T1 107 T2 151 T T4 397 T5 502 T7 496 T Temperatur ( o C) Gambar 4.6 Distribusi Temperatur = f(ketinggian reaktor) pada ṁ 4 = 0,0085 Pada gambar 4.6 diatas yaitu termokopel 1 (T 1) memiliki temperatur lebih tinggi sampai dengan temperatur 104ºC, dibandingkan ṁ sebelumnya. Pada ṁ 3 (T 1) hanya mampu mencapai temperature pada kisaran 101ºC, begitu juga dengan ṁ sebelumnya yang lebih kecil yaitu pada ṁ 2 dan ṁ 1 nilai pada termokopel 1 (T 1) lebih kecil. Lalu pada Termokopel 2 (T 2) sampai termokopel 5 (T 5) berturut turut adalah 151ºC, 169ºC, 397ºC, 502ºC hal ini mengindikasikan bahwa, T 2 samai T 5 ini akan masuk zona pirolisis, daerah pirolisis pada ṁ 4 = 0,0085 kg/s ini memiliki distribusi yang lebih tenggi dari ṁ dibawahnya, hal ini terjadi dikarenakan semakin tinggi pasokan udara akan menyebabkan reaksi semakin meningkat dan pada daerah oksidasi partial temperaturnya akan semakin tinggi sehingga berdampak juga pada temperatur reaktor yang akan meningkat Sedangkan termokopel 6 (T 6), distribusi temperatur yang terjadi memiliki temperatur tertinggi dibandingkan dengan yang

77 Ketinggian Reaktor (cm) 64 lainnya yaitu 963 ºC yang merupakan zona partial oxidation yang mengakibatkan distribusi temperature pada reaktor ikut meningkat, Begitu juga dengan temperature 7 (T 7) yang memiliki temperatur pada kisaran yang lebih tinggi, sebesar 496 ºC yaitu zona reduksi. Perbedaan suhu pada zona yang sama yang terjadi pada masing-masing poses gasifikasi yang ditunjukkan oleh gambar gambar diatas sesuai dengan dasar teori yang tersebut pada bab 2, yang menyebutkan bahwa suhu kerja reaktor gasifikasi terutama dipengaruhi oleh besarnya pasokan udara (laju alir massa udara) untuk proses gasifikasi. Pada gambar 4.7 perubahan distribusi suhu pada reaktor gasifikasi karena perubahan laju aliran udara dapat tergambar dengan jelas Temperatur ( 0 C) Gambar 4.7 Distribusi Temperatur = f(ketinggian reaktor)

78 Kandungan Tar (mg/m 3 ) Analisa Kandungan Tar Tabel 4.3 Perhitungan Kandungan Tar Tiap Variasi Laju Alir Massa Udara Laju Alir Massa Udara (kg/s) m tar (mg) Volume Syngas Selama 5 Menit Tar (mg/nm 3 ) Kandungan tar tiap tiap variasi dapat dihitung menggunakan persamaan 3.1 sebagai berikut : Untuk variasi laju alir massa udara sebesar kg/s Kandungan tar = m tar Kandungan tar = Vsampling gas 269 mg 1,789 m 3 Kandungan tar = mg/nm Hasil Penelitian Laju alir massa udara (kg/s) Gambar 4.8 Laju alir massa udara terhadap tar Kandungan Tar yang diijinkan

79 66 Dari gambar 4.8 diatas, menunjukkan bahwa dengan ṁ = kg/s menghasilkan kandungan tar sebesar 150,33 mg. Sedangkan untuk ṁ = kg/s; 0,0081 kg/s; 0,0085 kg/s berturut turut sebesar 148,34 mg/m 3 ; 129,82 mg/m 3 ; 82,53 mg/m 3. Seiring dengan naiknya laju alir massa udara maka kandungan tar yang dihasilkan proses gasifikasi pada syngas semakin berkurang. Dari teori yang ada di bab 2 menyebutkan bahwa hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya laju alir massa udara, pasokan udara ke gasifier semakin banyak akibatnya temperatur pada gasifier naik. Sehingga mempercepat reaksi pembakaran yang terjadi akibatnya kandungan tar yang dihasilkan berkurang. Semakin besar kandungan tar pada syngas menunjukkan bahwa syngas tersebut kualitasnya jelek. Laju alir massa udara 0,0069 kg/s; 0,0075 kg/s; dan 0,0081 kg/s kandungan tarnya melebihi batas minimal yang diijinkan untuk mesin dual fuel sehingga kualitas syngas-nya tidak bagus. Variasi laju alir massa udara yang terbaik sebesar 0,0085 kg/s, dengan kandungan tar dalam syngas sebesar 82,53 mg/m 3 maka hasil syngas tersebut dapat digunakan sebagai bahan bakar mesin diesel dual fuel, karena batas maksimalnya yang diijinkan sebesar 100 mg/m Analisa Carbon Conversion Rate Tabel 4.4 Komposisi Syngas Berikut contoh perhitungan pada ṁ = 0,0069 kg/s dengan temperatur syngas sebesar 50 o C, massa jenis masing masing

80 67 senyawa diperoleh dari Tabel A.4 Thermophysical properties of gases at atmospheric pressure. CO dengan ρ = 1,0521 kg/m 3 CH 4 dengan ρ = 0,5109 kg/m 3 CO 2 dengan ρ = 1,6601 kg/m 3 Perhitungan massa dari CO, CH 4, CO 2 sebesar : Massa = massa jenis x volume Massa CO = 1,0521 kg/m 3 x m3 = kg Massa CH 4 = 0,5109 kg/m 3 x m3 = kg Massa CO 2 = 1,6601 kg/m 3 x m3 = kg Maka nilai carbon conversion rate dapat dihitung menggunakan persamaan 3.2 sebagai berikut : Y CO Y CH ) CCR = (1 ṁ syngas(y CO 2 ) x 100 % ṁ biomass. Y C CCR = ( kg s CCR = 84,21 % 12 ( ) kg s ) x 100 %

81 Carbom conversion rate (%) Laju alir massa udara (kg/s) Gambar 4.9 Laju alir massa udara terhadap carbon conversion rate Pada gambar 4.9 menunjukkan pengaruh dari laju alir massa udara yang masuk gasifier terhadap carbon conversion rate. Ketika ṁ = 0,0069 kg/s karbon yang terdapat dalam pelet MSW menjadi syngas sebesar 75,6 %, sedangkan untuk ṁ = kg/s; 0,0081 kg/s; 0,0085 kg/s berturut turut sebesar 80,8%; 82,6 %; 84,2 %. Dengan naiknya laju alir massa udara maka karbon dari pelet MSW yang dapat dikonversikan menjadi syngas semakin besar juga. Dari teori yang ada di bab 2 menyebutkan bahwa hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya laju alir massa udara, pasokan udara ke gasifier semakin banyak, temperatur pada gasifier naik sehingga mempercepat reaksi pembakaran yang terjadi akibatnya carbon conversion rate semakin naik. Semakin besar nilai carbon conversion maka syngas yang dihasilkan kualitasnya belum tentu bagus karena kandungannya gas yang unflammable (CO 2, H 2, N 2) semakin meningkat.

82 Kandungan Tar (mg/m 3 ) Perbandingan Dengan Penelitian Sebelumnya Perbandingan Kandungan Tar Data Penelitian Data Yamazaki 20 0 Penelitian Gambar 4.10 Perbandingan Kandungan Tar Dari gambar 4.10 dapat dilihat bahwa kandungan tar terendah pada penelitian ini sebesar 82,53 mg/m 3 sedangkan pada penelitian yang dilakukan Yamazaki (2005) kandungan tarnya sebesar 100 mg/m 3. Batas minimal kandungan tar yang diijinkan untuk digunakan pada mesin diesel sebesar 1 gram/m 3, maka kandungan tar pada penelitian ini dapat digunakan. Perbedaan kandungan tar disebabkan oleh biomassa yang digunakan, pada penelitian ini menggunakan pelet MSW sedangkan pada penelitian Yamazaki (2005) menggunakan serbuk kayu. Dari penelitian yang dilakukan Nyakuma (2016) menunjukkan bahwa dengan menggunakan pelet memiliki keunggulan yaitu nilai kalor atas tinggi, moisture content rendah, lebih padat dan lebih padat akibatnya mempercepat reaksi pembakaran. Selain jenis biomassa yang digunakan juga perbedaan laju alir massa udara yang masuk

83 Carbon Conversion Rate (%) 70 gasifier, pada penelitian ini sebesar 0,0085 kg/s sedangkan penelitian Yamazaki (2005) sebesar 0,5 m 3 /h. Udara yang masuk mempengaruhi temperatur reaktor akibatnya proses reaksi pembakaran berubah dan kandungan tar yang dihasilkan Perbandingan Carbon Conversion Rate Penelitian Data Penelitian Data Wei Hsin (Raw bamboo) Data Wei Hsin (Torrefied bamboo) Data Wei Hsin (coal) Gambar 4.11 Perbandingan Carbon Conversion Rate Dari gambar 4.11 dapat diketahui bahwa karbon pada biomassa yang dapat dikonversikan ke dalam syngas, pada penelitian ini nilai carbon conversion sebesar 96,29 % untuk biomassa yang digunakan pelet. Pada penelitian yang dilakukan Wei Hsin-Chen (2013) menggunakan 3 jenis biomassa, yaitu raw bamboo, torrefied bamboo,dan coal. Carbon conversion rate masing masing sebesar 94 %, 95%, 97%. Perbedaan ini disebabkan karena kandungan C pada setiap biomassa berbeda beda dan udara yang masuk gasifer juga berbeda sehingga mempengaruhi reaksi pembakaran di dalam gasifer. Akibatnya

84 mempengaruhi nilai karbon pada biomassa yang dapat dikonversikan ke dalam syngas. 71

85 72 Halaman ini sengaja dikosongkan

86 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil yang didapatkan dari penelitian yang dilakukan, dapat ditarik beberapa kesmpulan sebagai berikut : 1. Peningkatan pasokan udara yang masuk gasifier dari 0,0069 kg/s sampai 0,0085 kg/s meningkatkan temperatur zona drying (T1, T2, dan T3) dari 87 o C, 127 o C, dan 135 o C menjadi 107 o C, 151 o C, dan 169 o C,, temperatur pirolisis (T4 dan T5) dari 337 dan 422 o C menjadi 397 dan 502 o C, temperatur zona oksidasi (T6) dari 803 o C menjadi 963 o C, dan temperatur zona reduksi (T7) dari 402 o C menjadi 496 o C. 2. Pada laju alir massa udara sebesar 0,0069 kg/s, nilai kandungan tar dalam syngas sebesar 150,33 mg/m 3. Pada laju alir massa udara sebesar 0,0075 kg/s, nilai kandungan tar dalam syngas sebesar 148,34 mg/m 3. Pada laju alir massa udara sebesar 0,0081 kg/s, nilai kandungan tar dalam syngas sebesar 129,82 mg/m 3. Pada laju alir massa udara sebesar 0,0085 kg/s, nilai kandungan tar dalam syngas sebesar 82,53 mg/m 3. Semakin banyak kandungan tar dalam syngas maka kualitasnya jelek. 3. Nilai karbon pelet yang dapat dikonversikan ke dalam syngas pada laju alir massa udara 0,0069 kg/s sebesar 84,21 %. Nilai karbon pelet yang dapat dikonversikan ke dalam syngas pada laju alir massa udara 0,0075 kg/s sebesar 87,24 %. Nilai karbon pelet yang dapat dikonversikan ke dalam syngas pada laju alir massa udara 0,0075 kg/s sebesar 90,5 %. Nilai karbon pelet yang dapat dikonversikan ke dalam syngas pada laju alir massa udara 0,0085 kg/s sebesar 96,29 %. 73

87 Saran Penelitian tentang gasifikasi masih perlu dianalisa lebih lanjut. Dari penelitian yang sudah dilakukan terdapat beberapa saran untuk proses penelitian selanjutnya sebagai berikut: 1. Dibutuhkan penelitian lebih lanjut untuk sistem pengaduk dalam reaktor, dimana hal tersebut dapat mempengaruhi temperatur pada setiap zona dalam reaktor. 2. Perlu dilakukan modifikasi pada hopper tempat masuknya biomassa yang masih memilki celah, sehingga gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi ada yang keluar melalui celah tersebut.

88 Halaman ini sengaja dikosongkan 75

89 DAFTAR PUSTAKA [1] Badan Pusat Statistik, Jumlah dan Distribusi Penduduk, < [2] Sattwika Duhita, Membayangkan Wujud 130 ribu Ton Sampah per Hari di Indonesia, < 130-ribu-ton-sampah-per-hari-di-indonesia> [3] Nyakuma Gasification Of Oil Palm Empty Fruit Bunches (Opefb) Briquettes For Bio-Syngas Production. Centre of Hydrogen Energy, Institute of Future Energy, Universiti Teknologi Malaysia, UTM Johor Bahru, Johor, Malaysia Department of Chemical Engineering, Faculty of Chemical and Energy Engineering, Universiti Teknologi Malaysia, UTM Johor Bahru, Johor, Malaysia [4] Basu, Prabir Biomass Gasification and Pyrolysis Practical Design and Theory, Burlington, MA 01803, USA Elsevier, The Boulevard, Langford Lane Kidlington, Oxford, OX5 1GB, UK [5] Sudarmanta, Bambang Variasi Rasio Gasifying Agent Biomassa Terhadap Karakterisasi Gasifikasi Tongkol Jagung Pada Reaktor Downdraft. Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. [6] Reed. B, Das. A Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems. Golden, Colorado [7] Molino.Antonio., Chianese Simeone Biomass gasification technology: The state of the art overview. Journal of Energy Chemistry 25 (2016) 10 2 [8] Suyitno, Techn Teknologi Gasifikasi Biomasa untuk Penyediaan Listrik dan Panas Skala Kecil Menengah ; Dalam Kumpulan Potret Hasil Karya IPTEK. UNS Press. Surakarta. 76

90 77 [9] Kahardiansyah, Falah Studi Eksperimen Rancangan Burner Type Partially Premixed dengan Bahan Bakar Syngas Biomassa Serbuk kayu dengan Variasi Diameter Outlet Bahan Bakar. Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. [10] Yamazaki T, Kozu H, Yamagata S, Murao N, Ohta S, Shiya S. Effect Of Superficial Velocity On Tar From Downdraft Gasification Of Biomass. Energy and Fuels [11] Sugiono A., Anindhita, Boedoyo, M. S., Adiarso Pengembangan Energi dalam Mendukung Program Substitusi BBM. Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi. Jakarta, Indonesia [12] Husein, M. Z. M.. (2005). Semangat Berhemat Energi: Belajar dari Negara Maju. Google Search Engine, Indonesia. [13] Rajvanshi, A., Biomass Gasification - chapter 4 in book Alternative Energy in Algriculture. Y. Goswani., India. [14] Guo F., Effect Of Design and Operating Parameters on the Gasification Process of Biomass in a Downdraft Fixed Bed: An Experimental Study. China University of Mining and Technology, Xuzhou. [15] Sudarmanta, Bambang Dual Fuel Engine Performance Using Biodiesel and Syn - Gas from Rice Husk Downdraft Gasification for Power Generation. International Seminar Mechanical Engineering Department, Faculty of Technology Industry, Sepuluh Nopember Institut of Technology. Surabaya, Indonesia. [16] Rollingson AN, Williams O Expweriments on torrefied wood pellet. [17] Chen, Wei-Hsin. Chih-Jung A Comparison Of Gasification Phenomena Among Raw Biomass, Torrefied Biomass And Coal In An Entrained-Flow

91 78 Reactor. Department of Aeronautics and Astronautics, National Cheng Kung University. Taiwan [18] Raman, P, Ram N.K A Dual Fired Downdraft Gasifier System To Produce Cleaner Gas For Power Generation: Design, Development And Performance Analysis. The Energy and Resources Institute (TERI). New Delhi, India. [19] Jaojaruek, P Experimental Study Of Wood Downdraft Gasification For An Improved Producer Gas Quality Through An Innovative Two-Stage Air And Premixed Air /Gas Supply Approach. Kasetsart University, Khamphengsaen, Nakornpathom, Thailand [20] Brandt, P., Larsen, E., Henriksen, U., High Tar Reduction In A Two-Stage Gasifier. Energy and Fuels 14,

92 LAMPIRAN Tabel Massa jenis syngas Temperatur ( o C) ṁ Massa Jenis kg/m 3 CO CH4 CO2 50 (323 o K) (331 o K) (343 o K) (355 o K) Massa (kg) ṁ CO CH4 CO

93 Laju alir massa syngas ṁ Pressure (Pa) v max (m/s) Re vmax n v ratarata (m/s) ṁ (kg/s) Laju alir massa pelet Laju alir massa pelet ṁ udara ṁ pelet massa (kg) waktu(min) (kg/s) (kg/s)

94 BIODATA PENULIS Penulis dilahirkan dari keluarga sederhana di Kediri, 2 September 1993, merupakan anak kedua dari dua bersaudara pasangan Bapak Sukarno dengan Ibu Supadmi, yang beralamat di Dusun Bulurejo, Desa Papar, Kecamatan Papar, Kabupaten Kediri. Pendidikan formal pertama adalah SDN Maduretno 2, SMPN 1 Papar, dan SMAN 2 Pare. Kemudian penulis lulus dan diterima di Jurusan D-3 Teknik Mesin Produksi Kerjasama ITS-DISNAKERTRANSDUK Prov. Jawa Timur melalui seleksi ujian masuk D-3 pada tahun 2012 dan terdaftar dengan Nomor Registrasi Pokok (NRP) Pada Tahun 2015 penulis lulus D-3 Teknik Mesin ITS kemudian melanjutkan kuliah lintas jalur dan diterima di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dengan nomor pokok mahasiswa Penulis mengambil tugas akhir di bidang Konversi Energi dan mempelajari tentang biodiesel dan gasifikasi.