TUGAS AKHIR TM

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR TM STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUHU PROSES GASIFIKASI PELLET MUNICIPAL SOLID WASTE (MSW) TERHADAP UNJUK KERJA REAKTOR GASIFIKASI TIPE DOWNDRAFT BERPENGENDALI SUHU PADA ZONA PARTIAL COMBUSTION SISTEM KONTINYU MUHAMMAD AJI TRIANTO 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 TEMPERATURE ON THE GASIFICATION PROCESS OF PELLETS MUNICIPAL SOLID WASTE (MSW) THROUGH OF THE PERFORMANCE REACTOR GASIFICATION DOWNDRAFT TYPE WITH TEMPERATURE CONTROL IN PARTIAL COMBUSTION ZONE CONTINOUS SYSTEM MUHAMMAD AJI TRIANTO NRP Advisor Dr. BAMBANG SUDARMANTA, ST.,MT DEPARTEMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY SEPULUH NOPEMBER INSTITUTE OF TECHNOLOGY SURABAYA 2017 ii

3 iii

4 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUHU PROSES GASIFIKASI PELLET MUNICIPAL SOLID WASTE (MSW) TERHADAP UNJUK KERJA REAKTOR GASIFIKASI TIPE DOWNDRAFT BERPENGENDALI SUHU PADA ZONA PARTIAL COMBUSTION SISTEM KONTINYU Nama Mahasiswa : Muhammad Aji Trianto NRP : Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS Dosen Pembimbing : Dr.BambangSudarmanta, ST., MT ABSTRAK Sampah merupakan permasalahan yang terjadi di masyarakat. Salah satu teknologi yang memungkinkan untuk mengubah sampah menjadi energi terbarukan (renewable energy) adalah dengan menggunakan proses termokimia atau gasifikasi yang mampu mengubah sampah menjadi syngas yang dapat dimanfaatkan untuk bahan bakar pada diesel engine dan pembangkit listrik. Jenis reaktor yang tepat digunakan adalah tipe downdraft yang mampu mengurangi kadar tar yang tinggi. MSW dibentuk menjadi pellet MSW untuk menghasilkan kandungan LHV yang lebih tinggi tinggi. Salah satu faktor yang berpengaruh terhadap proses gasifikasi adalah suhu sehingga perlu diawasi dan dikendalikan. Untuk meningkatkan unjuk kerja gasifikasi pada reaktor tipe downdraft salah satunya dengan menggunakan pengendali suhu pada zona partial combustion dengan mengatur pasokan udara sesuai setpoint suhu yang telah ditentukan sehingga kualitas dan kuantitas syngas dapat dikendalikan. Pembacaan suhu pada reaktor gasifikasi iv

5 v menggunakan thermocouple tipe K. Dari thermocouple tipe K tersebut diubah menjadi sinyal listrik yang akan diolah oleh pengendali suhu. Setelah itu, pengendali suhu akan memberikan sinyal pada actuator yang berupa pulse width modulator (PWM) untuk mengatur duty cycle arus listrik pada motor yang digunakan untuk menggerakkkan blower sehingga laju alir massa udara yang akan masuk ke dalam reaktor gasifikasi dapat berubah sesuai setpoint suhu pada zona partial combustion. Penelitian ini bersifat eksperimental karena diperlukan proses pengujian untuk mengetahui pengaruh suhu proses gasifiksi pellet MSW terhadap unjuk kerja gasifikasi.penguian dilakukan dengan cara diberikan variasi setpoint suhu pada zona partial combustion yaitu C, C, C,dan C Setiap variasi suhu tersebut akan diukur variabel-variabel utama proses gasifikasi, yaitu suhu zona-zona proses gasifikasi yang diukur menggunakan termokopel, komposisi flammmable syngas yang diukur menggunakan Gas Cromathography. Hasil dari penelitian ini didapatkan nilai setpoint optimum pada C. Komposisi syn-gas (CO,H2, dan CH4) pada nilai setpoint C C meningkat dari 20,02 % menjadi 24,8 %, 7,84 % menjadi 9,92 % dan 2,38 % menjadi 2,44 %. Kemudian meningkatkan LHV syngas dari 4228,53 kj/m 3 menjadi 5078,2 kj/m 3. Cold gas efficiency meningkat dari 38,84 % menjadi 54,23 % Kata kunci : Gasifikasi, Dowmdraft, Partial Combustion

6 EXPERIMENTAL STUDY OF EFFECT TEMPERATURE ON THE GASIFICATION PROCESS OF PELLETS MUNICIPAL SOLID WASTE (MSW) THROUGH OF THE PERFORMANCE REACTOR GASIFICATION DOWNDRAFT TYPE WITH TEMPERATURE CONTROL IN PARTIAL COMBUSTION ZONE CONTINOUS SYSTEM Student Name : Muhammad Aji Trianto NRP : Departement : Mechanical Engineering FTI-ITS Advisor : Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT ABSTRACT Garbage is a problem that occurs in the community. One technology that allows to turn waste into renewable energy (renewable energy) is using thermochemical or gasification processes capable of converting waste into syngas that can be used for fuel in diesel engines and power plants. The right type of reactor used is a type downdraft that is capable of reducing the high levels of tar. MSW formed into pellets to produce a higher content of higher LHV. One of the factors that influence the gasification process is the temperature that needs to be monitored and controlled. To improve performance downdraft gasification reactor one using a temperature controller on the partial combustion zone by regulating the supply air according to a predetermined setpoint temperature so that the quality and quantity of syngas can be controlled. The temperature reading on the gasification reactor using a thermocouple type K. From the K- type thermocouple is converted into electrical signals to be processed by a temperature controller. After that, the temperature controller will give a signal to the actuator in the form of a pulse width modulator (PWM) to regulate the duty cycle of electric current to the motor that is used to move blower so that the mass vi

7 vii flow rate of air going into the gasification reactor can be changed according to the setpoint temperature in partial combustion zone. This study is experimental because the testing process is required to determine the effect of process temperature on the performance pellet MSW gasification.experiment work done by given setpoint temperature variations in the partial combustion zone is C, C, C and C each of these temperature variations will be measured main variables gasification process, the temperature of the gasification process zones are measured using thermocouples, flammmable syngas composition measured using Gas Cromathography. The results of this study, the optimum setpoint value at C. The composition of syn-gas (CO, H 2, and CH 4)at the setpoint value C C increased from 20.02% to 24.8%, 7, 84% to 9.92% and 2.38% to 2.44%. Then increase the LHV syngas from kj / m 3 to kj / m 3. Cold gas efficiency increased from 38.84% to 54.23% Keywords:, Gasification, Dowmdraft, Partial Combustion

8 KATA PENGANTAR Segala Puji dan Syukur penuis curahkan sepenuhnya kepada Allah SWT, karena atas berkah dan izin-nya tugas akhir ini dapat terselesaikan. Penulis menyadari bahwa keberhasilan dalam penulisan tugas akhir ini tak lepas dari dukungan dan bantuan berbagai pihak. Melalui kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah banyak membantu dan mendukung baik secara moril maupun materil dalam proses penyelesaian tugas akhir ini, antara lain: 1. Bapak Dr. Bambang Sudarmanta, ST.,MT, selaku dosen pembimbing tugas akhir yang selalu memberikan saran, motivasi, dan ilmu ilmu yang sangat bermanfaat bagi penulis. 2. Bapak Ir. Bambang Pramudjati, M.Sc. Eng. Ph.D selaku Kepala Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan motivasi dan dukungan kepada penulis untuk segera menyelesaikan studinya. 3. Kedua orang tua yang senantiasa memberi dukungan kepada penulis untuk segera menyelesaikan studinya 4. Bapak Prof. Dr. Ir Djatmiko Ichsani, M.Eng, Bapak Dr. Ir. Budi Utomo Kukuh Widodo, ME, Bapak Ary Bachtiar K.P, ST., MT., Ph.D selaku dosen penguji tugas akhir penulis, terima kasih atas saran yang diberikan 5. Bapak Dr. Wawan Aris Widodo selaku dosen wali penulis, yang telah sabar menghadapi penulis selama ini. 6. Rekan satu tim tugas akhir penulis, yang selalu memberikan dukungan, semangat kerja selama menyelesaikan tugas akhir. 7. Teman teman Teknik Mesin LJ 2015 yang telah berjuang bersama-sama, memberikan dukungan dan semangat kepada penulis. viii

9 ix 8. Teman-teman lab TPBB yang selalu mendukung dan memberi semangat kepada penulis. 9. Seluruh Dosen dan Karyawan jurusan Teknik Mesin ITS 10. Seluruh civitas akademik Teknik Mesin ITS 11. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan penulis Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan tugas akhir ini, oleh karena itu saran dan masukan dari semua pihak sangat penulis harapkan. Penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat dan sumbangsih bagi perkembangan ilmu pengetahuan Surabaya, 29 Juli 2017 Penulis

10 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i LEMBAR PENGESAHAN... iii ABSTRAK...iv KATA PENGANTAR... viii DAFTAR ISI... x DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR TABEL... xv BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Biomassa Karakteristik Biomassa Analisa Ultimate dan Proximate Nilai Kalor Pellet MSW (Municipal Solid Waste) Gasifikasi Reaktor Gasifikasi Media Gasifikasi Proses Gasifikasi Faktor Yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi Parameter Unjuk Kerja Reaktor Gasifikasi Pengendali Suhu x

11 xi 2.8 Penelitian sebelumnya BAB III METODOLOGI 3.1 Rancangan Penelitian Bahan Uji Skema Penilitian Skema Pengukuran Umpan Pellet MSW Pengendali Suhu Komponen Alat Pengendali Suhu Mekanisme Kerja Pengendali Suhu Mekanisme Putaran Blower Mekanisme Pengambilan Data Peralatan Penelitian Alat Ukur Prosedur Pengujian Parameter Rancangan Penelitian Diagram Alir Pengujian...45 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Analisis Properties Pellet Municipal Solid Waste Analisis Penggunaan Pengendali Suhu Analisis Distribusi Suhu Pada Reaktor Gasifikasi Distribusi Suhu Reaktor Gasifikasi Pada Setpoint C Distribusi Suhu Reaktor Gasifikasi Pada Setpoint C Distribusi Suhu Reaktor Gasifikasi Pada Setpoint C Distribusi Suhu Reaktor Gasifikasi Pada Setpoint C

12 xii 4.4 Air Fuel Ratio Analisis Komposisi Kandungan Syngas Analisis Nilai Kalor Yang Ditinjau Dari Syngas Analisis Cold Gas Efficiency Proses Gasifikasi Analisis kesetimbangan massa (mass balance ) BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

13 xiii DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Konversi biomassa Gambar 2.2 Reaktor downdraft Gambar 2.3 Proses gasifikasi Gambar 2.4 Efek perubahan ER terhadap (a) temperatur (b) mole friction (c) energi (d) low Heating Value..17 Gambar 2.5 Profil suhu dan zona pada reaktor downdraft Gambar 2.6 Blok diagram dasar dari proses gasifikasi Gambar 2.7 Diagram blok sistem pengendalian proses dalam reaktor gasifikasi...22 Gambar 2.8 PID sistem pengendalian proses dalam reaktor gasifikasi Gambar 2.9 Grafik suhu vs waktu 23 Gambar 2.10 Grafik perbandingan efisiensi energi, LHV syngas, laju alir massa, dan suhu rata-rata zona partial combustion terhadap laju alir masa udara Gambar 2.11 Grafik perbandingan komposisi gas pada proses gasifikasi tanpa pengendali suhu dan dengan pengendali suhu (Sivakumar) Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian Gambar 3.2 Skema penelitian Gambar 3.3 Skema umpan pellet MSW Gambar 3.4 Alat pengendali suhu Gambar 3.5 Arduino Mega Gambar 3.6 Keypad 4x Gambar 3.7 LCD 2x Gambar 3.8 Max Gambar 3.9 Termocouple tipe K Gambar 3.10 Mekanisme pengendali suhu... 36

14 xiv Gambar 3.11 Mekanisme putaran blower Gambar 3.12 Grafik waktu terhadap suhu andi,2012) Gambar 3.15 Reaktor downdraft Gambar 3.16 (a)blower (b) Induced fan Gambar 3.17 (a)cyclone (b) Water Scrubber Gambar 3.18 Pitot tube Gambar 4.1 Grafik Pengendali suhu pada setpoint C Gambar 4.2 Grafik Pengendali suhu pada setpoint C Gambar 4.3 Grafik Pengendali suhu pada setpoint C Gambar 4.4 Grafik Pengendali suhu pada setpoint C Gambar 4.5 Distribusi suhu pada setpoint C Gambar 4.6 Distribusi suhu pada setpoint C...55 Gambar 4.7 Distribusi suhu pada setpoint C Gambar 4.8 Distribusi suhu pada setpoint C Gambar 4.9 Distribusi suhu pada setpoint C,850 0 C,900 0 C,dan C 58 Gambar 4.10 Grafik hubugan antara AFR dan laju alir massa.. 60 Gambar 4.11 Grafik hubungan antara nilai setpoint dan komposisi syngas Gambar 4.12 Grafik hubungan nilai setpoint dan LHV syngas. 65 Gambar 4.13 Grafik hubungan nilai setpoint dan cold gas efficiency Gambar 4.14 Skema analisis kesetimbangan massa Gambar 4.15 mass balance reakror... 70

15 xv DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Analisis proximate dan ultimate komponen MSW... 9 Tabel 3.1 Parameter rancangan penelitian Tabel 4.1 Data hasil pengujian pellet MSW Tabel 4.2 Air fuel ratio gasifikasi pellet MSW Tabel 4.3 Hasil uji komposisi syngas Tabel 4.4 LHV flammable gas Tabel 4.5 LHV syngas pada setiap variasi setpoint Tabel 4.7 Nilai cold gas efficency pada variasi setpoint Tabel 4.8 Mass balance... 70

16 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ` Pertumbuhan penduduk di Indonesia semakin meningkat sehingga pemakaian energi fosil dalam jumlah yang besar dan secara terus menerus akan menyebabkan cadangan bahan bakar fosil kian menipis. Oleh karena itu, perlu adanya solusi untuk mengurangi atau menggantikan pemakaian energi fosil yang selama ini menjadi sumber energi utama sehingga perlu dilakukan pengembangan energi alternatif untuk mengatasi hal tersebut. Pada saat ini perkembangan dari teknologi memungkinkan untuk menjadikan sampah sebagai sumber energi terbarukan dengan menggunakan proses termokimia. Sampah yang dapat dikonversikan menjadi energi adalah sampah hasil masyarakat atau yang lebih dikenal dengan Minicipal Solid Waste (MSW). MSW dapat digunakan sebagai sumber biomassa setelah melalui proses pemilihan, pengeringan, dan pencacahan saja atau dapat juga dibuat dalam bentuk briket atau pellet. Kelebihan utama dari pellet dengan MSW adalah Nilai kalori dari hasil 4000 kkl/kg lebih besar daripada MSW baku yaitu 1000 kkl/kg sehingga kualitas pembakaran lebih bagus daripada MSW baku. Selain itu, pellet dapat menurunkan jumlah kandungan SO X, NOx, dan CO 2 (Rollingson,2017). Sedangkan kelebihan briket dibanding dengan pellet adalah briket mempunyai ukuran lebih besar dari pellet sehingga menimbulkan celah antara briket tersebut sehingga proses gasifikasi yang terjadi sangat minimum (Moni dan Sulaiman, 2014), Selain itu, pellet dapat meningkatkan HHV (Higer Heating Value) dan kadar air (moisture content) pada bahan baku (Nyakuma, 2016). Hal ini membuktikan bahwa pellet dapat menghasilkan nilai kalor yang tinggi. Gasifikasi adalah proses termokimia dimana zat karbon (biomassa, batubara, dan plastik) diubah menjadi gas dengan adanya media gasifikasi (udara, uap air, oksigen, CO 2, atau campuran, gas yang dihasilkan sering disebut syngas yang terdiri 1

17 2 dari H 2, CO, CO 2, N 2, partikel-partikel kecil dari char (padat residu karbon), abu,tar, dan minyak (Ruiz,2013). Gas yang dihasilkan oleh proses gasifikasi disebut sebagai syngas (synthetic gas). Syngas yang dihasilkan oleh proses gasifikasi dapat digunakan secara langsung dengan cara dibakar, dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk motor pembakaran dalam, ataupun digunakan sebagai bahan baku untuk proses kimia lebih lanjut. Gasifikasi sangat tepat bila digunakan pada proses pengolahan MSW menjadi energi. Hal utama yang menjadikannya sangat menarik adalah karena gasifikasi dapat meng-konversikan MSW ataupun bahan bakar bernilai rendah, menjadi bahan kimia bernilai tinggi, (Basu, 2010). Proses gasifikasi dengan menggunakan reaktor gasifikasi memiliki beberapa parameter operasional. Suhu adalah salah satu parameter operasional yang penting pada proses gasifikasi karena jumlah dan komposisi dari gas yang diproduksi sangat dipengaruhi oleh suhu demikian juga kandungan tar di dalam syngas. Sumber energi panas yang dibutuhkan pada proses gasifikasi berasal dari partial combustion. Partial combustion ini terjadi karena jumlah oksigen yang digunakan kurang dari jumlah mol 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. Pengaturan jumlah udara yang masuk dalam reaktor gasifikasi untuk mengendalikan suhu proses gasifikasi menjadi salah satu kunci dari pengendalian komposisi dan jumlah syngas (Red dan Das,1988) 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, suhu 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.

18 Dari beberapa reaktor gasifikasi, tipe fixebed, tipe downdraft dapat menghasilkan kandungan tar terendah yaitu pada kisaran 0,015-3,0g/Nm 3 (Basu,2010).Hal ini dikarenakan biomassa bergerak dari atas ke bawah sedangkan udara diinjeksikan dari satu sisi pada zona combustion partial (oksidasi) sehingga udara bercampur dengan produk dari pirolisis (tar, arang, dan abu) akan turun dan dapat dibakar di daerah combustion partial (Ruiz, 2013). Kelebihan dari reaktor gasifikasi tipe downdrft adalah kandungan tar yang dihasilkan kurang dari dari 100 mg/nm 3 sehingga sangat cocok digunakan sebagai bahan bakar motor pembakaran dalam (Arena,2012). Sudarmanta (2015) 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 tersebut maka sangat beralasan untuk memanfaatkan syngas sebagai bahan bakar motor pembakaran dalam yang dapat menghemat penggunaan bahan bakar fosil. Yuwono (2016) telah melakukan penelitian berkaitan dengan penggunaan pengendali suhu otomatis pada reaktor downdraft dengan menggunakan AFR optimum dari eksperimen sebelumnya,dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa penggunaan alat pengendali suhu meningkatkan efisiensi sebesar 16 % pada proses gasifikasi menggunakan briket dibanding dengan tanpa menggunakan pengendali suhu. Penggunaan sistem pengendali suhu dimaksudkan untuk mengendalikan suhu proses gasifikasi yang terjadi pada zona partial combustion. Penggunaan sistem tersebut diharapkan dapat menambah nilai ekonomis dari pengendali suhu dan dapat mengurangi tenaga kerja yang ada. Gandhi(2012) telah melakukan penelitian pengendali suhu untuk proses gasifikasi dengan menggunakan variable termanipulasi berupa air flow rate dan frequency grate sedangkan temperature dan rasio CO/CO 2 sebagai variabel proses dan variabel disturbance berupa kadar air. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa 3

19 4 penggunaan pengendali otomatis memberikan kinerja yang lebih baik pada proses gasifikasi biomassa. Proses pengendalian suhu dilakukan pada reaktor gasifikasi secara otomatis pada zona partial combustion (oksidasi) dengan cara mengatur banyaknya jumlah media gasifikasi ke dalam reaktor gasifikasi. Proses ini diatur sesuai dengan biomassa yang digunakan dan memiliki karakteristik tertentu dan akan menghasilkan syngas dengan karakteristik tertentu juga. Penelitian ini menggunakan biomassa pellet MSW dengan reaktor gasifikasi tipe downdraft yang dilengkapi dengan pengendali suhu pada zona partial cumbastion (oksidasi) sehingga dapat diketahui pengaruh penggunaan pengendali suhu secara otomatis pada proses gasifikasi terhadap unjuk kerja dari reaktor gasifikasi. 1.2 Perumusan Masalah Dalam penilitian ini, permasalahan dirumuskan sebagai berikut: 1. Bagaimana pengaruh perubahan suhu pada zona partial combustion terhadap distribusi suhu pada reaktor gasifikasi dan komposisi flammable gas 2. Bagaimana pengaruh perubahan suhu pada zona partial combustion tehadap unjuk kerja reaktor gasifikasi.(cold gas efficiency) 1.3 Batasan Masalah Pada penelitian ini dibatasi oleh beberapa hal : 1. Penelitian ini akan dilakukan secara eksperimental dengan menggunakan reaktor gasifikasi tipe downdraft yang ada pada laboratorium Jurusan Teknik Mesin ITS Surabaya. 2. Bahan baku yang digunakan dalam proses gasifikasi adalah pellet MSW dengan komposisi 60 % bahan organik dan 40 % bahan anorganik 3. Media gasifikasi menggunakan udara pada kondisi suhu normal.

20 5 4. Penelitian ini tidak membahas mengenai kesetimbangan energi pada proses gasifikasi 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Untuk mengetahui pengaruh perubahan suhu pada zona partial combustion terhadap distribusi suhu pada reaktor gasifikasi dan komposisi flammable gas 2. Untuk mengetahui pengaruh perubahan suhu pada zona partial combustion tehadap unjuk kerja reaktor gasifikasi.(cold gas efficiency) 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Dapat memberikan informasi dan wacana tentang penggunaan pengendali suhu secara pada proses gasifikasi, khususnya gasifikasi pada pelet MSW. 2. Dapat digunakan sebagai pijakan untu penelitian lebih lanjut yang terkait dengan pengendalian proses pada reaktor gasifikasi secara otomatis. 3. Dapat memberikan kontribusi dalam upaya pemanfaatan sampah sebagai sumber energi terbarukan.

21 6 Halaman ini sengaja dikosongkan

22 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Biomassa 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). Pada umumnya biomassa yang digunakan dalam proses gasifikasi terdiri dari unsur karbon(c),hidrogen(h), oksigen(o), nitrogen(n), dan abu(ash). Sumber-sumber umum dari biomassa (Basu, 2010) adalah sebagai berikut : a. Pertanian dan peternakan :biji-bijian, ampas tebu, tongkol jagung, jerami, kulit buah atau biji, kotoran ternak. b. Hutan :batang kayu,serbuk kayu,dan sisa penggerajian 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 2 kelompok yaitu : a. Biomassa murni, seperti contohnya : kayu, tanaman, daun, hasil, pertanian, dan sayuran. b. Biomassa sampah, baik dalam bentuk padat ataupun cair, seperti: sampah rumah tangga, lumpur selokan, kotoran hewan atau manusia, gas dari TPA, dan sampah pertanian. Untuk memanfaatkan potensi dari energi biomaasa ini maka diperlukan pemahaman mengenai karakteristik pada biomassa yang nantinya akan menentukan karakteristik dari proses gasifikasi itu sendiri dan hasil akhirnya. Karakteristik dari biomassa ini dapat diketahui dengan melakukan beberapa analisis diantaranya adalah analisis ultimate, proximate, dan analisis nilai kalor 7

23 8 2.2 Karakteristik Biomassa Analisis Ultimate dan Proximate Pada analisa ini komposisi hidrokarbon dari bahan biomassa akan diketahui, kecuali kandungan air dan abu yang dinyatakan dalam bentuk persentase berat dari masing-masing elemen unsurnya sehingga bila dijumlahkan total persentase berat unsur hidrokarbon, persentase kandungan air, dan presentase abu adalah 100%. Analisis ultimate menyatakan hidrogen dan oksigen yang terdapat pada biomassa. Analisis proximate menyatakan komposisi biomassa secara global, dalam hal ini adalah komposisi dari kandungan air, volatile matter, abu, dan karbon tetap. Volatile matter dari biomassa adalah gas terkondensasi atau tidak terkondensasi yang dilepaskan oleh biomassa saat dipanaskan. Jumlahnya tergantung oleh laju pemanasan dan suhu saat biomassa tersebut dipanaskan. Karbon tetap (fixed carbon) menyatakan jumlah karbon padat yang tetap berada pada arang dari biomassa saat proses pirolisis setelah terjadinya proses devolatilisasi. Karbon tetap ini juga merupakan parameter penting dalam proses gasifikasi karena sebagian besar proses konversi dari karbon tetap ini menjadi gas menentukan laju dan hasil gasifikasi. Abu (Ash) merupakan sisa padatan inorganik yang terjadi setelah biomassa terbakar seluruhnya. Kandungan utama dalam abu adalah silika, aluminum, besi, kalsium, jumlah kecil kandungan magnesium, titanium, sodium, dan potasium Nilai Kalor 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 : 1. High Heating Value (HHV) Nilai kalor yang diperoleh dari pembakaran 1 kg bahan bakar dengan memperhitungkan panas

24 9 kondensasi uap (air yang dihasilkan dari pembakaran berada dalam wujud cair) 2. 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. 2.3 Pellet 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, dll) dan anorganik (sampah plastik yang sebagian besar berupa plastik Polypropylene). Setiap jenis sampah memiliki kandungan yang berbeda-beda seperti pada tabel berikut : Tabel 2.1 Analisis proximate dan ultimate komponen MSW Dari Tabel 2.1 di atas dapat diamati persentase kandungan unsur-unsur yang terdapat dalam biomassa secara fisik maupun kimiawi. Kandungan karbon dan oksigen merupakan komponen

25 10 utama dalam reaksi pembentukan syngas. Kandungan C dan H yang cukup tinggi mampu menghasilkan nilai kalor gas yang cukup potensial untuk dimanfaatkan. Kandungan air (moisture) pellet MSW yang relatif rendah tidak membutuhkan energi yang terlalu besar untuk menghilangkannya. Kandungan air yang dikandung akan dikeluarkan dari biomassa dengan pemanasan. Apabila kandungan air terlalu tinggi maka dibutuhkan energi aktivasi pengeringan yang tinggi. Kandungan air yang teruapkan mampu memperbesar produksi H 2 (flammable component), namun untuk menjaga proses produksi H 2 dibutuhkan energi yang cukup besar dari proses eksoterm. Energi hasil proses eksoterm yang terambil pada produksi H 2 dari proses penguapan kandungan air 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 pellet MSW cukup tinggi membuat proses gasifikasi mampu tercapai dengan mudah. 2.4 Gasifikasi Gasifikasi adalah suatu proses konversi biomassa yang mengubah karbon (baik padat maupun cair) menjadi gas yang memiliki nilai bakar dengan cara oksidasi parsial 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.nm3 (Husein,2005). Selain gasifikasi proses konversi biomassa dapat dilakukan dengan pembakaran dan pirolisis yang membedakannya adalah perbandingan antara jumlah bahan bakar (biomassa) dengan udara yang digunakan (AFR), seperti pada gambar 2.1

26 11 Gambar 2.1 Konversi biomassa Reaktor Gasifikasi Biomassa pada reaktor downdraft dimasukkan ke dalam reaktor dari bagian atas reaktor dan bergerak ke bawah menuju grate, demikian juga gas-gas yang dihasilkan akan bergerak ke bawah melewati grate dan keluar dari bawah bagian reaktor. Salah satu karakter fisik dari reaktor ini adalah throat, yaitu pengecilan cross section area pada zona oksidasi. Pengecilan cross section area ini dimaksudkan untuk memaksa seluruh hasil pirolisis melewati bagian yang menyempit dan panas sehingga dihasilkan distribusi yang lebih seragam dan mendorong sebagian besar terurai menjadi gas mampu bakar dan mengurangi kandungan tar. Pada reaktor downdraft terdapat fenomena yang disebut dengan flamming phyrolisis, yaitu terbakarnya sebagian dari gas hasil pirolisis sebelum memasuki zona oksidasi sehingga energi panas yang dibutuhkan untuk pengeringan, pirolisis dan reduksi disediakan oleh peristiwa tersebut. Flamming phyrolisis menghasilkan sebagian besar gas yang mudah terbakar yang terjadi secara bersamaan selama proses gasifikasi sehingga kandungan tar dapat mengurangi kandungan tar sebesar 99%

27 12 Gambar 2.2 Reaktor downdraft 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 oksigen,udara dan uap air. 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 flue gas. 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

28 13 hidrogen dalam gas yang dihasilkan akan meningkat sehingga perbandingan antara hidrogen dan karbon (H/C) dalam gas akan meningkat Proses Gasifikasi Proses gasifikasi pada umumnya mengikuti urutan langkah sebagai berikut: 1. Pengeringan Pengeringan merupakan proses menguapnya uap air yang terkandung dalam bahan baku. Jumlah panas yang dibutuhkan dalam tahap ini sebanding dengan kadar kelembabannya. Pengeringan dapat dianggap lengkap ketika suhu 150 C (Hamelinck et all). Pada reaksi ini, biomass yang mengandung air akan dihilangkan dengan cara diuapkan dengan energi sebesar 2260 kj, hasilnya berupa biomassa kering dan uap. 2. Pirolisis Proses pirolisis merupakan proses pemanasan biomassa dengan suhu tertentu hingga molekul biomassa akan terpecah menjadi molekul dengan massa yang lebih ringan. Reaksi pirolisis merupakan reaksi endotermik yang berlangsung pada suhu 150 C-700 C. Bila proses pirolisis dilakukan secara lambat maka akan lebih banyak terbentuk karbon dalam bentuk padat sehingga jumlah arang akan lebih banyak (char). Bila pemanasan dilakukan secara cepat maka akan lebih banyak terbentuk gas dengan kandungan C-H dan Hidrokarbon dalam bentuk cair (tar), yang dapat mempengaruhi hasil dari syngas. Seperti pada pengeringan, energi panas yang dibutuhkan berasal dari tahap proses oksidasi. Skema proses pirolisis dapat dilihat pada keseluruhan reaksi berikut: Biomassa+Heat H 2+CO+CO 2+CH 4+H 2O (g)+tar + Char(1) 3. Oksidasi Parsial (Partial Combustion) Oksidasi merupakan bagian dari proses gasifikasi yang menghasilkan energi panas yang dibutuhkan untuk proses endotermik, proses oksidasi parsial terjadi pada suhu C C. Oksidasi parsial dilakukan dalam kondisi kekurangan

29 14 oksigen sehingga hanya mengoksidasi sebagian dari hasil proses pirolisis. Reaksi utama yang berlangsung selama fase oksidasi adalah sebagai berikut : C + O 2 CO 2 ΔH= -394kJ/mol Char combustion (2) C + 1/2O 2 CO ΔH= -111kJ/mol Partial oxidation (3) H 2+ 1/2O 2 H 2O ΔH= -242kJ/mol Hydrogen combustion (4) Produk utama berupa energi panas yang sangat diperlukan untuk seluruh proses, sedangkan produk yang dihasilkan merupakan campuran gas CO, CO 2, dan H 2O. Dalam campuran ini nitrogen dapat terbentuk jika proses oksidasi parsial dilakukan dengan media udara, sebaliknya nitrogen praktis tidak ada jika menggunakan oksigen. 4. Reduksi Langkah reduksi melibatkan semua produk dari tahap sebelumnya dari pirolisis dan oksidasi parsial (partial combustion) 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= -41 kj/mol Water gas shift reaction (7) C + 2H 2 CH 4 ΔH= -75 kj/mol Methanation (8) Reaksi (5 dan 6) adalah endotermik, sementara reaksi (7 dan 8) adalah eksotermik. Namun, kontribusi dari Boudouard Reaction (5) dan reformasi dari arang (6) membuat langkah reduksi endotermik global sehingga membutuhkan energi panas dari oksidasi parsial.

30 15 Gambar 2.3 Proses Gasifikasi 2.5 Faktor Yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi Proses gasifikasi memiliki beberapa faktor yang dapat mempengaruhi proses dan kandungan syngas yang dihasilkkannya, faktor-faktor tersebut diantaranya adalah kandungan biomassa, gasifying agent, equivalent ratio, dan suhu. 1. Properti Biomassa Sesuai dengan penelitian Rajvanshi (2006), sifat-sifat yang dimiliki biomassa baik secara fisik maupun kimia mampu mepengaruhi baik dari segi energi yang dihasilkan maupun heat loss-nya pada proses gasifikasi. Sifat tersebut antara lain : a. Kandungan energi Semakin tinggi kandungan energi yang dimiliki biomass maka syngas hasil gasifikasi biomass tersebut semakin tinggi karena energi yang dapat dikonversi juga semakin tinggi.

31 16 b. Moisture Bahan baku yang digunakan untuk proses gasifikasi umumnya diharapkan bermoistur rendah. Karena kandungan moisture yang tinggi menyebabkan heat loss yang berlebihan. Selain itu kandungan moisture yang tinggi juga menyebabkan beban pendinginan semakin tinggi karena pressure drop yang terjadi meningkat. Idealnya kandungan moisture yang sesuai untuk bahan baku gasifikasi kurang dari 20 %. c. Tar Tar merupakan salah satu kandungan yang paling merugikan dan harus dihindari karena sifatnya yang korosif. Pada reaktor gasifikasi terbentuknya tar terjadi pada temperatur pirolisis. d. 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 reaktor gasifikasi adalah mengurangi respon pereaksian bahan baku pada titik tertentu sehingga menimbulkan penyumbatan pada reaktor gasifikasi. Semakin tinggi kandungan ash yang dimiliki maka partikel pengotor dari syngas juga semakin banyak sehingga dibutuhkan pembersihan gas yang lebih baik lagi. 2. Gasifying Agent Jenis gasifying agent yang digunakan dalam gasifikasi umumnya adalah udara, kombinasi oksigen dan uap. Penggunaan jenis gasifying agent mempengaruhi kandungan gas yang dimiliki oleh syngas. Perbedaan kandungan syngas yang terdapat pada kandungan nitrogen pada syngas yang dapat mempengaruhi nilai kalor. Penggunaan udara bebas menghasilkan senyawa nitrogen di dalam syngas, berlawanan dengan penggunaan oksigen atau uap yang memiliki kandungan nitrogen yang relatif sedikit. Sehingga penggunaan

32 17 gasifying agent oksigen atau uap memiliki nilai kalor syngas yang lebih baik jika dibandingkan gasifying agent udara. 3. Equivalen Ratio Equivalen Ratio (ER) adalah parameter yang sangat penting pada pengoperasian reaktor gasifikasi. ER merupakan perbandingan antara air-fuel ratio (AFR) aktual pada pengoperasian reaktor gasifikasi dengan air-fuel ratio (AFR) stoikiometris. ER = AFR stoikiometris / AFR aktual AFR merupakan perbandingan antara jumlah udara dengan jumlah bahan bakar pada proses pembakaran. AFR stoikiometris adalah jumlah perbandingan massa udara dan massa bahan bakar yang menghasilkan pembakaran sempurna. AFR = Massa udara / Massa bahan bakar Kondisi stoikiometris teoritis biomassa diperoleh dengan mengetahui terlebih dahulu kandungan unsur kimia dari biomassa, kemudian dilakukan perhitungan persamaan reaksi yaitu reaksi oksidasi Gambar 2.4 Efek perubahan ER terhadap (a) temperatur (b) mole friction (c) energi (d) low Heating Value

33 18 4. Suhu Proses gasifikasi dalam reaktor berhubungan dengan suhu untuk masing-masing proses gasifikasi yang terjadi sehingga dalam satu reaktor gasifikasi terdapat profil sebaran suhu yang dapat mempresentasikan masing-masing zona dari proses gasifikasi. Suhu atau profil suhu pada reaktor juga dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti: equivalence ratio, residence time, komposisi unsur biomassa, dan kadar kelembaban. Suhu reaktor gasifikasi menentukan tingkat keberadaan abu, komposisi syngas, dan kandungan tar, yang mempengaruhi unjuk kerja dari reaktor gasifikasi tersebut. Gambar 2.5 Profil suhu dan zona pada reaktor gasifikasi downdraft (Basu,2013) 2.6 Parameter Unjuk Kerja Reaktor Gasifikasi Parameter-parameter yang berpengaruh terhadap unjuk kerja reaktor gasifikasi adalah sebagai berikut: 1. Komposisi gas ` Unsur yang ada dalam syngas umumnya adalah CO, CO 2, H 2, CH 4, hidrokarbon berat dan N 2. Kandungan gas tersebut ada yang bisa terbakar seperti CO, H 2, dan CH 4 serta gas yang tidak bisa terbakar seperti CO 2 dan N 2. Dari komposisi gas ini maka nantinya dapat diperhitungkan kandungan energi dalam gas ataupun untuk menganalisa pengoperasian dari reaktor

34 19 gasifikasi. Analisa rasio antara CO dan CO 2 (CO/CO 2) adalah salah satu cara untuk mengukur kualitas dari gas dan proses gasifikasi. 2. Nilai kalor gas Jumlah kandungan energi pada syngas dapat dihitung secara teoritis dari analisa komposisinya, yaitu dengan menggunakan persamaan untuk menghitung Nilai Kalor Bawah gas (NKB gas)sebagai berikut : Keterangan : n NKB GAS = i=1 (Y i. NKB i ) (9) Y i = kosentrasi gas yang terbakar (CO, CH 4, H 2 ) NKB i = Nilai kalor bawah gas terbakar (CO, CH 4, H 2 ) Seperti telah dijelaskan pada bagian-bagian sebelumnya nilai kalor syngas ini sangat terpengaruh oleh suhu reaktor gasifikasi, dan juga diketahui bahwa suhu reaktor gasifikasi juga tergantung dari parameter yang lain, yaitu : equivalence ratio, residence time, komposisi unsur biomassa, dan kadar kelembaban. 3. Cold gas efficiency Cold gas efficiency (η CG) merupakan perbandingan antara energi kimia yang dihasilkan oleh syngas (didapatkan dari perkalian antara laju alir massa dengan nilai kalor bawah gas) dengan energi kimia dari biomassa (didapatkan dari perkalian antara laju alir massa biomassa dengan Nilai Kalor Bawah biomassa. η CG = (m gas.nkb gas ) (m biomassa.nkb biomassa ) (10)

35 Pengendali Suhu Pengoperasian dari reaktor gasifikasi yang digunakan mempunyai beberapa parameter yang nantinya akan menentukan kualitas dan kuantitas dari syngas. Dari beberapa parameter tersebut mempunyai keterkaitan satu sama lain, pada saat terjadi perubahan pada satu parameter dapat mempengaruhi satu atau dua parameter yang lain, sebagai contoh perubahan air fuel ratio yang dalam perubahan laju massa alir dari media gasifikasi akan menyebabkan perubahan suhu dan juga perubahan kandungan energi dari syngas atau dapat juga dengan memperhatikan perubahan suhu yang terjadi dapat digunakan untuk mengindikasikan terjadinya perubahan pada parameter-parameter yang lain. Sistem pengendalian suhu proses gasifikasi pada reaktor gasifikasi dapat dilakukan dengan suhu sebagai parameter terukur. Bila suhu reaktor gasifikasi (T) adalah parameter yang diukur dan kemudian dikendalikan, maka Air fuel Ratio adalah parameter yang dapat digunakan sebagai pengendali tingkatan suhu dalam reaktor gasifikasi. Perubahan AFR dalam hal ini dapat direpresentasikan pada perubahan laju alir massa media gasifikasi. Selain itu, terdapat parameter-parameter lain yang tidak terukur dan tidak terkendali yang nantinya akan mengakibatkan perubahan suhu, parameter-parameter ini disebut sebagai parameter pengganggu atau disturbance (D), contohnya adalah : kadar kelembaban biomassa yang berubah-ubah, feed rate biomassa yang tidak konstan, ukuran fisik partikel biomassa yang tidak sera gam,densitas biomassa yang heterogen, dan yang lainnya. Dari beberapa faktor pengganggu yang telah disebutkan kadar kelembaban biomassa adalah faktor yang sangat mengganggu proses gasifikasi.

36 21 Gambar 2.6 Blok diagram dasar dari proses gasifikasi (disunting dari Gandhi, dkk 2012) Pada gambar 2.6 dapat dilihat blok diagram dasar dari proses gasifikasi, dari gambar dapat dilihat beberapa jenis variabel yang membangun proses gasifikasi, yaitu variabel proses (process variable) (PV) dalam hal ini dapat berupa parameter operasional ataupun parameter performance dari reaktor gasifikasi, contohnya adalah temperatur. Variabel dalam otomasi berikutnya adalah variabel termanipulasi/manipulated variabel (MV), yang biasanya merupakan parameter operasional dari reaktor gasifikasi. Dan yang terakhir adalah variabel pengganggu (D), yang merupakan parameter-parameter yang bisa mengakibatkan perubahanperubahan pada parameter proses dan unjuk kerja. Gambar 2.7 adalah gambar diagram blok sistem pengendalian proses gasifikasi dengan menggunakan suhu sebagai variabel proses, dan laju alir massa udara sebagai variabel termanipulasi.

37 22 Gambar 2.7 Diagram blok sistem pengendalian proses dalam reaktor gasifikasi Pada gambar 2.8 merupakan PID sistem pengendalian proses dalam reaktor gasifikasi sistem ini digunakan untk menentukan kepresisian suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tersebut (Feed back ) Sistem PID terdiri dari tiga buah cara pengaturan yaitu kontrol P (Proportional), D (Derivative) dan I (Integral). Sistem ini dilakukan untuk mengurangi error yang terjadi dengan mengatur parameter P,I,dan D agar tanggapan sinyal keluaran sistem terhadap masukan tertentu sebagaimana yang diinginkan. Gambar 2.8 PID sistem pengendalian proses dalam reaktor gasifikasi

38 Penelitian Sebelumnya Sudarmanta (2011) melakukan penelitian tentang variaso rasio gasifying agent biomassa terhadap karakterisasi biomassa tongkol jagung pada reaktor downdraft. Hasil penelitian tersebut adalah rasio gasifying agent terbaik adalah 1,05 dengan suhu C dengan menghasilkan syngas yang flammable, yaitu ditandai dengan nyala api stabil dengan mencapai suhu hingga C dan efisiensi mencapai hingga 30,44% pada rasio gasifying agent dan biomassa sebesar 1,05. (a) (b) Gambar 2.9 (a) Grafik zona gasifikasi terhadap waktu dan suhu (b) Grafik AFR terhadap waktu dan suhu Yuwono (2015) melakukan serangkaian penelitian tentang gasifikasi downdraft dengan kontrol suhu pada zona partial combustion agar dapat diketahui pengaruh penggunaannya terhadap produktifitas dan kualitas syngas yang dihasilkan serta korelasi penggunaan sistem pengendali suhu gasifikasi dengan kapasitas gasifikasi. Hasil dari penelitian menunjukkan bahwa suhu kerja gasifier dan mengubah parameter kinerja proses gasifikasi, terlihat dengan berbedanya nilai LHV, laju alir massa syngas, dan efisiensi gasifikasi. Efisiensi energi gasifikasi pada proses gasifikasi dengan pengendali suhu juga mengalami

39 24 peningkatan sebesar 16% pada perubahan nilai setpoint value suhu dari C menjadi C Gambar 2.10 Grafik perbandingan efisiensi energi, LHV syngas, laju alir massa, dan suhu rata-rata zona partial combustion terhadap laju alir masa udara Striugas,dkk (2014) dengan melakukan studi eksperimen untuk mengevaluasi kinerja produksi gas dari reaktor gasifikasi downdraft yang sudah menggunakan pengendalian otomatis dengan biomassa yang berbeda-beda. Pada reaktor gasifikasi untuk penelitian tersebut telah terpasang sistem pengendalian otomatis dengan basis PID untuk mengendalikan temperatur proses, ketinggian biomassa dalam reaktor, dan sistem pembuangan arang, dengan menggunakan variabel termanipulasi yaitu udara untuk gasifikasi, laju pasokan biomassa, gerakan grate dan conveyor.eksperimen dilakukan dengan beberapa jenis biomassa dengan menggunakan pengaturan proses pada sistem kendali yang tidak berubah. Tujuannya adalah untuk mengetahui perbedaan parameter proses yang terjadi dan untuk mengetahui apakah diperlukan pengaturan ulang untuk setiap penggantian biomassa agar kualitas dan kuantitas syngas tetap stabil.

40 25 Hasil dari penelitian tersebut adalah bahwa terjadi perbedaan yang signifikan pada temperatur proses, pressure drop, dan kandungan residu, selain itu jumlah gas yang dihasilkan dan energinya juga bervariasi sesuai dengan biomassa yang digunakan.walaupun terjadi perbedaan dalam prosesnya dan hasil akhir gas tetapi bermacam-macam biomassa yang digunakan terbukti dapat diproses dengan satu reaktor gasifikasi yang telah mengunakan pengendalian otomatis tanpa mengubah pengaturan proses. Sivakumar,dkk (2012) melakukan penelitian pada poses gasifikasi briket dengan serpihan kayu dengan binder kotoran sapi pada reaktor gasifikasi downdraft berkapasitas 10 KW yang telah menggunakan pengendali otomatis dengan tujuan untuk meneliti efektivitas dari proses gasifikasinya.penilian efektivitasnya dilakukan dengan membandingkan kinerja reaktor secara manual dan menggunakan pengendali suhu. Data hasil dari penelitian menunjukkan adanya peningkatan pada komposisi gas pada syngas dan efisiensi pada proses gasifikasi dengan menggunakan pengendali suhu, grafik penelitian dapat dilihat digambar 2.12

41 26 Gambar Grafik perbandingan komposisi gas pada proses gasifikasi tanpa pengendali suhu dan dengan pengendali suhu (Sivakumar, 2012)

42 Halaman ini sengaja dikosongkan 27

43 BAB III METODOLOGI 3.1 Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan pendekatan kuantitatif dalam pelaksanaan penelitian ini sebagian besar data belum ada (dalam arti perlu untuk sengaja ditimbulkan). Oleh karena itu, penelitian ini dilaksanakan dengan metode eksperimental. Mulai Studi Literatur Identifikasi dan perumusan 1. Parameter Operasional 2. Parameter unjuk kerja Karakterisasi bahan bakar (analisis ultimate dan proximate) Pengambilan data Uji validasi dan reabilitas data Validitas data Pengujian Pengolahan data Analisa data dan pembahasan Kesimpulan dan saran Selesai Gambar 3.1 Diagram alir penelitian 28

44 Bahan Uji Bahan baku dalam pengujian ini menggunakan pellet Municipal Solid Waste (MSW) yang dibuat di Laboratorium Teknik Pembakaran Dalam dan Bahan bakar ITS, karakteristik dari MSW yang digunakan yaitu: 1. Komposisi MSW Pellet yang digunakan memiliki ukuran diameter 6 mm dan rata-rata panjang 5-15 mm. Seluruh proses pembuatan pellet MSW dilakukan di Laboratorium Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar Jurusan Teknik Mesin ITS. Setelah dilakukan proses pemelletan, Pellet MSW dijemur untuk mengurangi kandungan air hingga 10% - 15% sebelum digunakan dalam penelitian. 2. Analisa Ultimate Pada pengujian ini dapat diketahui karakteristik kandungan komposisi dari karbon, hidrogen, nitrogen, belerang, dan oksigen yang dimiliki oleh pellet MSW. 3. Analisa Proximate Pada pengujian ini dianalisa untuk mengetahui kadar Moisture Content, Volatile Matter, Fixed Carbon, dan Ash yang dimiliki oleh pellet MSW. Analisa Proximate dilakukan di Laboratorium Pusat Studi Energi dan Rekayasa LPPM ITS. 4. Nilai Kalor Pada pengujian ini dilakukan untuk mengetahui nilai kalor pada pellet MSW yang di uji di Laboratorium Pusat Studi Energi dan Rekayasa LPPM ITS dengan alat Bomb Calorimeter. Nilai yang keluar dari alat tersebut dalam bentuk nilai High Heating Value.

45 Skema Penelitian Gambar 3.2 Skema penelitian Keterangan : 1. Hopper 8. Gas Sampling 2. Reaktor tipe downdraft 9. Cyclone 3. Termokouple 10. Water scrubber 4. Pengendali Suhu 11. Pompa air 5. Blower 12. Dry Filter 6. Pitot Tube 13. Pompa Hisap 7. Flare Point 14. Flare Point 15. Pitot Tube 3.4 Skema Pengukuran Umpan Pellet MSW Skema dari pengukuran pellet digunakan untuk mengetahui seberapa besar atau banyak konsumsi dari biomassa pellet MSW

46 31 Gambar 3.3 Skema umpan pellet MSW Untuk mengetahui laju alir massa dari pellet MSW, maka harus diketahui kapasitas volume dari reaktor gasifikasi V = πr 2 x t....(3.1) Dimana : V = Kapasitas volume reaktor gasifikasi r = Jari jari reaktor gasifikasi t = Tinggi Laju alir massa dicari dengan melakukan perkalian bulk density dari pellet MSW dengan Kapasitas volume dari reaktor gasifikasi ṁ = ρ x V waktu...(3.2) Pengujian dilakukan sebanyak 4 kali percobaan dengan setpoint suhu pada zona partial combustion C, C, C dan C dengan tujuan untuk mengetahui pengaruh suhu terhadap unjuk kerja reaktor gasifikasi yang digunakan pada penelitian

47 Pengendali Suhu Alat pengendali suhu digunakan untuk mengendalikan suhu agar selalu berada pada set point yang telah ditentukan dengan mengatur putaran motor pada blower sehingga laju alir massa udara yang masuk ke dalam reaktor gasifikasi dapat berubah dan suhu pada reaktor gasifikasi pun dapat dikendalikan sehingga berpengaruh terhadap unjuk kerja reaktor gasifikasi. Gambar 3.4 Alat pengendali suhu Komponen Alat Pengendali Suhu Komponen penyusun alat pengendali suhu diantaranya : 1. Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560 adalah Pengendali mikro singleboard yang bersifat open source yang dirancang untuk memudahkan penggunaan elektronik dalam berbagai bidang.

48 33 Gambar 3.5 Arduino Mega Keypad 4 x 4 Keypad adalah bagian penting dari suatu perangkat elektronika yang membutuhkan interaksi manusia. Digunakan untuk menginpukan nilai setpoint yang diinginkan Gambar 3.6 Keypad 4x4 3. LCD 2 x 16 Berfungsi untuk menampilkan karakter angka, huruf ataupun simbol dengan lebih baik dengan konsumsi arus rendah

49 34 Gambar 3.7 LCD 2x16 4. Max 6675 Digunakan sebagai komponen penghubung antara arduino dan termocouple type K. Gambar 3.8 Max Termocouple tipe K Alat ukur suhu yang digunakan pada reaktor gasifikasi adalah sensor berupa termocouple stick type K,untuk mengetahui suhu pada zona partial combustion. Range kemampuan thermocouple adalah 0 0 C C

50 35 Gambar 3.9 Termocouple tipe K Mekanisme Kerja Pengendali Suhu Cara kerja dari pengendali suhu ini adalah dengan mengendalikan suhu pada zona partial combustion agar tidak berubah dan tetap atau berada pada suhu yang telah ditentukan (setpoint value). Nilai dari setpoint tersebut dibaca oleh thermocouple tipe K dan diproses oleh alat pengendali suhu yang didalamnya terdapat max 6675 untuk menghubungkan termocouple type K dengan arduino Mega Pembacaan suhu dari thermocouple tipe K di ubah menjadi sinyal listrik dan diolah oleh Arduino Mega 2560 yang kemudian akan memberikan perintah kepada actuator berupa pulse wide modulator (PWM) yang akan mengatur duty cycle (voltase) yang digunakan oleh motor listrik sebagai penggerak dari blower Sehingga suhu pada zona partial combustion dapat dikendalikan.

51 36 Gambar 3.10 Mekanisme pengendali suhu Mekanisme Putaran Blower Putaran motor pada blower dikendalikan oleh pengendali suhu, ketika nilai suhu di bawah nilai set point maka blower diatur untuk berputar maksimal, ketika berada pada setpoint suhu maka blower akan berputar medium untuk mempertahankan kondisi steady apabila suhu turun maka blower akan berputar maksimum kembali untuk mencapai nilai setpoint.

52 37 RANGE ZONA PARTIAL COMBUSTION BLOWER BERPUTAR MAKSIMUM TIDAK APAKAH BERADA PADA SET POINT SUHU? YA BLOWER BERPUTAR RENDAH TIDAK APAKAH BERADA PADA DILUAR SET POINT SUHU? YA Gambar 3.11 Mekanisme putaran blower Mekanisme Pengambilan Data Pengambilan data dilakukan ketika grafik waktu terhadap suhu menunjukkan posisi steady dikarenakan pada titik tersebut suhu pada reaktor gasifikasi berada pada kondisi stabil dan tidak mengalami overshoot secara fluktuatif serta memiliki nilai error yang rendah sehingga suhu pada zona partial combustion sesuai dengan setpoint yang diinginkan. Akan tetapi,pada kenyataannya ketika setpoint digunakan akan memiliki nilai error sehingga untuk mengatasinya diberi toleransi overshoot pada setpoint suhu agar mendapatkan data yang valid.

53 38 Steady Gambar 3.12 Grafik waktu terhadap suhu (Gandi,2012) 3.6 Peralatan Penelitian 1. Reaktor Gasifikasi Unit reaktor gasifikasi yang digunakan adalah tipe downdraft. Pemilihan reaktor jenis downdraft didasarkan pada rendahnya kandungan tar yang dihasilkan. Gambar 3.13 Reaktor Downdraft

54 39 2. Blower dan Induced fan Blower yang digunakan berupa sentrifugal blower yang digerakkan motor listrik arus AC dengan voltase 220 Volt dan 1 A. Blower berfungsi untuk memberikan pasokan udara pada zona partial combustion. Induced fan digunakan sebagai penghisap syngas dari reaktor menuju saluran keluaran syngas. (a) (b) Gambar 3.14 (a)blower (b) Induced fan 3. Cyclone dan Water scrubber Cyclone yaitu alat yang berfungsi sebagai alat pemisah partikel dengan gas dengan menggunakan prinsip gaya sentrifugal dan tekanan rendah karena adanya putaran. Pada pengujian ini, cyclone digunakan sebagai alat pemisah gas hasil gasifikasi dengan kandungan lainnya seperti tar,char, dan ash. Water scrubber digunakan untuk menangkap polutan yang ada pada gas dan mendinginkannya sebelum dimanfaakan sebagai bahan bakar. Gambar 3.15 Cyclone dan Water scrubber

55 Alat Ukur Untuk mendapatkan data yang dibutuhkan dalam penelitian, maka dibutuhkan beberapa alat untuk mendukung penelitian ini diantaranya: 1. Alat ukur mass flow rate Alat ukur laju aliran massa media gasifikasi dan syngas yang digunakan adalah pitot tube untuk menghasilkan perbedaan tekanan yang akan digunakan sebagai perangkat masukan dari pengendali suhu otomatis. Pengukuran mass flow rate akan dilakukan pada 2 titik; 1. Titik pertama pengukuran pada pipa inlet reaktor gasifikasi berfungsi untuk pengukuran mass follow rate udara sebagai media gasifikasi. 2. Titik kedua ditempatkan pada pipa outlet water scrubber untuk mengetahui mass flow rate syngas Untuk mencari laju aliran massa udara maka perlu dilakukan perhitungan karena hasil dari pengukuran pitot tube adalah kecepatan dari suatu titik tertentu dalam aliran sehingga kecepatan pada pitot tube dapat dihitung dengan persamaan : Gambar 3.16 Pitot tube Pitot tube with static wall pressure tap 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 2 + gz 0 = P 1 + V 2 1 ρ 2 + gz (3.3)

56 41 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 V1 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 2n = 2 V max (n+1)(2n+1)....(3.6) 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... (3.7) untuk Re Vmax > 2 x 10 4 (aliran turbulen). Sedangkan untuk aliran laminar dapat diperoleh melalui persamaan berikut: V max = 2V... (3.8) 2. Gas Chromathography Gas Cromatography 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).

57 3.8 Prosedur Pengujian Berikut ini adalah prosedur pelaksanaan penelitian dan pengambilan data proses gasifikasi: 1.) Tahap Persiapan Sebelum pelaksanaan proses pengujian terdapat beberapa persiapan yang harus dilakukam agar pengambilan data dapat dilakukan dengan baik. 1. Pengecekan reaktor gasifikasi, blower, id fan dan komponen lainnya telah terpasang dengan baik. 2. Persiapkan alat ukur yang digunakan seperti pitot tube dan termokopel 3. Persiapkan pellet MSW sebagai bahan bakar 4. Pastikan alat pengendali suhu dapat digunakan 2.) Tahap Pengambilan data 1. Catat suhu ruangan sebagai data awal. 2. Lakukan proses penyalaan reaktor gasifikasi dengan langkah sebagai berikut: a) Masukkan pellet MSW ke dalam reaktor gasifikasi hingga batas bawah pirolisis melalui hopper. b) Sulut pellet MSW sebagai pemanasan awal. c) Nyalakan Blower, maka pengendali suhu akan mengatur laju alir massa udara yang telah ditentukan sesuai dengan setpoint suhu yang telah ditentukan. d) Tunggu bara api terbentuk hingga merata dan stabil e) Setelah menjadi bara, masukkan pellet hingga batas atas dari reaktor gasifikasi. 3. Lakukan pengambilan data setelah syngas hasil gasifikasi flammable, lakukan pembacaan pada alat pengendali suhu, laju alir syngas pada pitot dalam syngas, dan ambil sampel syngas 4. Ulangi Pengambilan data dengan setpoint suhu C, C, C,dan C 42

58 43 5. Ambil data pada setiap variasi dengan menambahkan pellet MSW hingga mencapai batas atas, besaran pellet MSW yang dimasukkan ke dalam reaktor sesuai dengan konsumsi pellet MSW pada variasi sebelumnya. 3.) Tahap Akhir Pengujian 1. Matikan blower dan alat pengendali suhu. 2. Biarkan reaktor gasifikasi sampai api benar-benar padam dan suhu turun. 3. Penelitian berikutnya dilakukan setelah suhu reaktor mencapai suhu ruangan. 3.9 Parameter Rancangan Penelitian Pada penelitian ini terdapat parameter input dan parameter output yang merupakan variabel-variabel yang akan diteliti dalam rancangan penelitian ini. Parameter input 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. Tabel 3.1 memperlihatkan parameter-parameter pada penelitian ini.

59 44 Parameter Operasional Reaktor Gasifikasi Tabel 3.1 Parameter penelitian Parameter Input Parameter Output Variabel Tetap Variabel Berubah Variabel Terukur Variabel Terhitung Dimensi Range Laju alir Air Fuel Reaktor Temperatur massa udara Ratio Gasifikasi zona partial Suhu pada (AFR) Suhu combustion reaktor (7 Udara ( 0 C ) titik) Kadar air Waktu MSW Operasional (10%- Reaktor 15%) Laju alir massa Pellet MSW Visualisasi Parameter unjuk kerja reaktor gasifikasi Laju alir massa Syngas Komposisi Syngas Nilai Kalor MSW (HHV Biomassa) Nilai kalor syngas Efisiensi gasifika si Nyala api Syngas

60 Diagram Alir Pengujian 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 7. PENGENDALI SUHU APAKAH PENGECEKAN SUDAH BENAR? TIDAK YA SETTING SUHU REAKTOR : C C C C PENGAMBILAN DATA : 1. LAJU ALIR MASSA UDARA 2. SUHU REAKTOR 4 TITIK 3. LAJU ALIR MASSA PELET 4. LAJU ALIR MASSA SYNGAS 5. NILAI KALOR SYNGAS PENGOLAHAN DATA ANALISA DAN PEMBAHASAN DATA SELESAI

61 46 MULAI LAKUKAN PROSES PENYALAAN API PELET MSW PADA REAKTOR GASIFIKASI NYALAKAN PENGENDALI SUHU INPUT SET POINT C, C, C, C PENGENDALI SUHU MEMBACA SINYAL LISTRIK PENGENDALI SUHU MENGATUR PWM (DUTY CYCLE) BLOWER BERPUTAR LAJU ALIR MASSA UDARA DIBACA SENSOR MAX 6675 APAKAH SUHU PADA REAKTOR SUDAH BERADA PADA KONDISI STEADY? TIDAK YA AMBIL DATA SELESAI

62 47 Halaman ini sengaja dikosongkan

63 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Pada bab ini akan dibahas mengenai unjuk kerja dari reaktor gasifikasi untuk menghasilkan gas mampu bakar (combustible). Untuk mengetahui unjuk kerja dari suatu reaktor digunakan pengendali suhu pada zona partial combustion yang digunakan untuk mengatur laju alir udara yang masuk ke dalam zona partial combustion pada reaktor sesuai dengan nilai setpoint yang divariasikan. Dari variasi nilai setpoint tersebut akan diketahui distribusi suhu pada tiap zona gasifikasi, komposisi hasil syngas, dan cold gas efficiency yang nantinya akan digunakan untuk mengetahui unjuk kerja reaktor gasifikasi yang digunakan pada penelitian ini. 4.1 Analisis Properties Pellet Municipal Solid Waste Bahan baku biomassa yang digunakan pada penelitian ini adalah pellet MSW yang memiliki diameter 6 mm dan rata rata panjang 5-15 mm. Komposisi yang digunakan yaitu 30 % sampah organik tumbuhan, 20 % sampah kayu, 40 % sampah plastik Polypropelene (PP) serta materi pengikat berupa starch (kanji). Dipilihnya pellet MSW karena selama ini pemanfaaannya masih belum maksimal. Selain itu, ketersediaan pellet MSW sangat berlimpah di lingkungan sekitar. Sebelum melakukan analisis proses gasifikasi pellet MSW diperlukan pengujian untuk mengetahui properties dari biomassa pellet MSW tersebut. Cara untuk mengetahui karakteristik tersebut dilakukan uji proxymate dan ultimate di Laboratorium Energi ITS. Hasil proxymate dan ultimate pellet MSW dapat dilihat pada tabel

64 49 Tabel 4.1 Data hasil pengujian kandungan Pellet MSW Jenis Uji Parameter Satuan Hasil Uji Ultimate Uji Proximate C % wt 39,83 H % wt 6,7 Komponen O % wt 38,11 N % wt 0,35 S % wt 0,14 Moisture In Sampel % wt 9,82 Ash Content % wt 14,71 Volatile Matter % wt 65,78 Fixed Carbon % wt 9,69 HHV kj/kg Analisis Penggunaan Pengendali Suhu Dalam penelitian ini digunakan pengendali suhu pada zona partial combustion dengan memberikan variasi nilai setpoint sehingga perlu dilakukan proses pemrograman pada sistem pengendali suhu agar dapat digunakan sesuai yang diinginkan. Pada penelitian ini, nilai setpoint yang digunakan adalah C, C, C, dan C dengan memberikan toleransi atau overshoot sebesar 10 0 C yang digunakan untuk menjaga agar pengendali suhu tidak memiliki error yang terlalu besar. Pada sub bab dijelaskan bahwa zona partial combustion berada pada suhu C C dengan menggunakan biomassa limbah kayu yang memiliki nilai LHV biomassa yang lebih tinggi dan kandungan moisture content yang lebih rendah dari pellet MSW sehingga dimungkinkan suhu pada zona partial combustion yang dihasilkan lebih tinggi dari pellet MSW pada proses gasifikasi. Begitu pula dengan Yuwono (2015) yang melakukan penelitian dengan biomassa briket MSW menggunakan pengendali suhu pada zona partial combustion dengan variasi nilai setpoint C dan C. Hal ini dikarenakan biomassa yang digunakan mimiliki nilai LHV yang lebih rendah dan kandungan

65 0:00:00 0:05:00 0:10:00 0:15:00 0:20:00 0:25:00 0:30:00 0:35:00 0:40:00 0:45:00 Suhu 0 C 50 moisture content yang lebih tinggi dari serbuk kayu. Akibatnya suhu pada zona partial combustion yang dihasilkan lebih rendah dari serbuk kayu. Pemilihan nilai setpoint maksimum pada suhu C didasarkan pada percobaan dengan menggunakan biomassa pellet MSW tanpa memberikan variasi dan perubahan pada parameter gasifikasi, dari percobaan tersebut diperoleh suhu pada zona partial combustion sebesar C. Nilai suhu pada zona partial combustion dengan menggunakan pellet MSW lebih rendah dibanding dengan limbah kayu dikarenakan pellet MSW menghasilkan nilai LHV biomassa yang lebih rendah dan kandungan moisture content yang ada pada biomassa lebih tinggi dari limbah kayu sehingga sangat berpengaruh terhadap terjadinya proses gasifikasi. Berikut merupakan hasil pengendalian dengan menggunakan pengendali suhu pada nilai setpoint C, C, C dan C dengan toleransi 10 0 C Setpoint Suhu Waktu Gambar 4.1 Grafik pengendali suhu pada set point C

66 0:00:00 0:05:00 0:10:00 0:15:00 0:20:00 0:25:00 0:30:00 0:35:00 0:40:00 0:45:00 0:50:00 0:55:00 Suhu 0 C 0:00:00 0:05:00 0:10:00 0:15:00 0:20:00 0:25:00 0:30:00 0:35:00 0:40:00 0:45:00 0:50:00 Suhu 0 C Setpoint Suhu Waktu Gambar 4.2 Grafik pengendali suhu pada set point C Setpoint Suhu Waktu Gambar 4.3 Grafik pengendali suhu pada set point C

67 0:00:00 0:05:00 0:10:00 0:15:00 0:20:00 0:25:00 0:30:00 0:35:00 0:40:00 0:45:00 0:50:00 0:55:00 Suhu 0 C Setpoint Suhu Waktu Gambar 4.4 Grafik pengendali suhu pada set point C Dapat dilihat bahwa pada gambar 4.1, 4.2, 4.3, dan 4.4 grafik pengendali suhu dimulai pada setpoint C dikarenakan sebelum dilakukan pengendalian suhu, reaktor dinyalakan dan dipanasi terlebih dahulu hingga suhu mencapai C dengan tujuan agar diperoleh distribusi suhu yang optimal pada tiap zona. Pada saat awal mula proses penggunaan pengendali suhu, suhu pada zona partial combustion terbaca oleh sensor sebesar C atau berada di bawah nilai setpoint maka blower akan berputar dengan duty cycle sebesar 30% atau maksimal, hingga mencapai batas atas tiap variasi nilai set point yaitu C, C, C, dan C. Setelah mencapai batas atas kemudian turun secara perlahan dengan menggunakan duty cycle sebesar 20 % untuk mencapai nilai setpoint serta untuk mempertahankan suhu pada zona partial combustion agar tetap berada pada nilai setpoint tersebut. Waktu tempuh untuk mencapai nilai set point adalah 20 menit, 25 menit, 30 menit, dan 30 menit. Hal ini dikarenakan semakin rendah nilai setpoint maka waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai tersebut semakin cepat sedangkan semakin tinggi nilai setpoint maka dibutuhkan waktu yang lebih lama untuk

68 Ketinggian (cm) 53 mencapai nilai tersebut. Pada setpoint C dan C waktu yang dibutuhkan untuk mencapai nilai setpoint hampir bersamaan dikarenakan semakin tinggi suhu maka kemungkinan reaksi yang terjadi di dalam reaktor semakin cepat sehingga mempengaruhi waktu yang ditempuh untuk mencapai nilai setpoint tersebut tersebut. 4.3 Analisis Distribusi Suhu Pada Reaktor Gasifikasi Selain pada zona partial combustion yang menggunakan pengendali suhu otomatis, Dalam proses gasifikasi terdapat empat zona yaitu zona drying, pirolisis, partial combustion, dan reduksi. Distribusi suhu ditampilkan untuk mengetahui pengaruh penggunaan pengendali suhu yang divariasikan ke dalam 4 variasi yaitu C, C, C, dan C Distribusi Suhu Reaktor Gasifikasi Pada Setpoint C Berikut adalah gambar distribusi suhu pada nilai setpoint C dengan toleransi sebesar ± 10 0 C T1 T2 T3 T4 T7 T5 T Suhu 0 C Gambar 4.5 Distribusi suhu pada setpoint C

69 54 Pada Gambar 4.5 termokopel 1 (T1) diletakkan pada ketinggian 100 cm dari bawah reaktor memiliki suhu sebesar 90 0 C. Termokopel 1 menunjukkan bahwa pada posisi tersebut merupakan zona drying karena suhu berada di bawah C, Dimana pada zona tersebut pellet MSW mengalami proses penguapan untuk menghilangkan kandungan moisture content Pada termokopel 2 (T2) diletakkan pada ketinggian 90 cm dari bagian bawah reaktor dari bagian bawah reaktor dengan suhu C, Termokopel 3 (T3) diletakkan pada ketinggian 80 cm dengan suhu C. Termokopel 4 (T4) terletak pada ketinggian 63 cm dengan suhu C serta termokopel 5 (T5) dengan ketinggian 49 cm dengan suhu C. Berdasarkan nilai termokopel 2 (T2) sampai dengan termokopel 5 (T5) dimasukkan dalam zona pirolisis karena berada pada range suhu C C. Dimana pada zona ini biomassa kering hasil dari zona drying akan menguapkan kandungan volatile metter pada biomassa pada suhu tinggi sehingga terbentuk gas ringan berupa (H 2, CO, CO 2, H 2O, dan CH 4), tar, dan arang. Pada termokopel 6 (T6) yang diletakkan pada ketinggian 38 cm memiliki suhu C merupakan zona partial combustion yang digunakan sebagai tempat masukan udara. Pada zona tersebut dilakukan proses pengendalian suhu dengan alat berupa pengendali suhu dengan nilai setpoint C yang bertujuan untuk mengendalikan jumlah laju alir massa udara pada zona partial combustion sehingga sesuai dengan nilai setpoint yang ditentukan. Pada zona partial combustion terjadi proses eksoterm yang menghasilkan panas yang dibutuhkan untuk semua proses gasifikasi. Reaksi yang terjadi diantaranya adalah char combustion, partial oxidation, dan hydrogen combustion. Sedangkan pada termokopel 7 (T7) pada ketinggian 27 cm mempunyai nilai suhu C. Nilai tersebut mengindikasikan bahwa T7 telah berada pada zona reduksi yang berada pada kisaran suhu C C dimana proses ini menyerap atau membutuhkan panas (reaksi endoterm). Pada proses ini terjadi beberapa reaksi kimia seperti (Water-Gas Reaction, Boudouard Reaction, Shift

70 Ketinggian (cm) 55 conversion, Methanation), dimana 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 Distribusi Suhu Reaktor Gasifikasi Pada Setpoint C Berikut adalah gambar distribusi pada nilai setpoint C dengan toleransi sebesar ± 10 0 C T1 T2 T3 T4 T7 T5 T Suhu 0 C Gambar 4.6 Distribusi suhu pada setpoint C Pada gambar 4.6 di atas memiliki rentang suhu yang hampir sama dengan nilai setpoint sebelumnya. Untuk suhu termokopel 1 (T 1) berada pada 93ºC, mengindikasikan bahwa termokopel 1 merupakan zona drying. Untuk termokopel 2 (T 2) sampai termokopel 5 (T 5) berturut turut adalah 135ºC, 140ºC, 345ºC, 450ºC hal ini mengindikasikan bahwa, T 2 samai T 5 ini masuk zona pirolisis sesuai dengan range suhu pirolisis 150ºC- 700ºC, Sedangkan termokopel 6 (T 6), mempunyai nilai 843 ºC

71 Ketinggian (cm) 56 dengan nilai setpoint 850 o C. Pada termokopel 7 (T 7) yang memiliki suhu 410 ºC yang berada pada zona reduksi Distribusi Suhu Reaktor Gasifikasi Pada Setpoint C Berikut adalah gambar distribusi pada nilai setpoint C dengan toleransi sebesar ± 10 0 C T1 T2 T3 T T7 T5 T Suhu 0 C Gambar 4.7 Distribusi suhu pada set point value C Pada gambar 4.7 yaitu pada termokopel 1 (T 1) memiliki rentang suhu yang lebih tinggi dari variasi nilai setpoint sebelumnya yaitu berada pada suhu 99 ºC, karena pada termokopel 1 (T 1) menunjukan zona drying. Untuk Termokopel 2 (T 2) sampai termokopel 5 (T 5) berturut turut adalah 136ºC, 145ºC, 366ºC, 480ºC hal ini mengindikasikan bahwa, T 2 sampai T 5 ini masuk ke dalam zona pirolisis sesuai dengan range pada zona pirolisis 150ºC-700ºC. Sedangkan termokopel 6 (T 6), memiliki nilai suhu 891 o C dengan nilai setpoint 900 ºC. Sedangkan pada termokopel 7 (T 7) memiliki suhu 427 ºC sesuai dengan range nilai zona reduksi.

72 Ketinggian (cm) Distribusi Suhu Reaktor Gasifikasi Pada Setpoint C Berikut adalah gambar distribusi pada nilai setpoint C dengan toleransi ± 10 0 C T1 T2 T3 T4 T5 T7 T Suhu 0 C Gambar 4.8 Distribusi suhu pada setpoint value C Pada gambar 4.8 yaitu pada termokopel 1 (T 1) memiliki rentang suhu yang lebih tinggi dari variasi nilai setpoint sebelumnya yang berada pada suhu 100 ºC, yang menunjukan zona drying. Untuk Termokopel 2 (T 2) sampai termokopel 5 (T 5) berturut turut adalah 140ºC, 168ºC, 388ºC, 501ºC hal ini mengindikasikan bahwa, T 2 sampai T 5 ini masuk ke dalam zona pirolisis sesuai dengan range pada zona pirolisis 150ºC-700ºC. Sedangkan termokopel 6 (T 6), suhu yang terjadi memiliki nilai suhu C sesuai dengan nilai setpoint yaitu 950 ºC. Sedangkan pada termokopel 7 (T 7) yang memiliki suhu 488 ºC sesuai dengan range nilai zona reduksi.

73 Ketinggian cm T1 T2T3 T4 T5 T6 T Setpoint C Setpoint 950 Setpoint 900 Setpoint 850 Setpoint 800 Gambar 4.9 Distribusi suhu pada setpoint C,850 0 C,900 0 C, dan C Berdasarkan gambar 4.9 peningkatan suhu di zona gasifikasi seiring dengan meningkatnya nilai setpoint dari 800 o C 950 o C. suhu pada T 1 atau zona drying mengalami peningkatan suhu sebesar 8 o C dari 92 o C menjadi 100 o C. Sedangkan pada suhu di zona pirolisis ( T 2, T 3, T 4, dan T 5 ) mengalami peningkatan suhu sebesar 10 0 C,28 0 C, 47 0 C, dan 66 0 C dari C, C, C, dan C Besar peningkatan T 2 sampai T 5 dikarenakan jarak dari T 2 yang lebih jauh dari T 6 (zona oksidasi) sehingga menyebabkan perpindahan panas lebih sedikit dibanding dengan T 5 yang lebih dekat dengan T 6, sehingga mengalami perpindahan panas yang lebih besar. Zona reduksi (T 7) suhunya meningkat sebesar 78 o C dari 410 o C menjadi 488 o C Peningkatan tersebut diakibatkan dari penggunaan nilai setpoint yang semakin besar yaitu dari 800 o C 950 o C. Perbedaan nilai suhu pada zona yang sama pada reaktor gasifikasi yang digunakan pada tiap variasi nilai setpoint dikarenakan semakin tinggi suhu pada zona partial combustion

74 59 menyebabkan reaksi semakin meningkat sehingga menghasilkan energi yang lebih besar dan didistribusikan kepada zona drying, pirolisis, dan reduksi sebagai endotermik sehingga dapat meningkatkan suhu pada masing-masing zona pada reaktor yang akan mengakibatkan proses dan mempengaruhi hasil syngas dari proses gasifikasi.selain itu, disebabkan oleh O 2 yang lebih reakif sehingga dapat menyebabkan peningkatan suhu. Dari keempat variasi set point value 950 ºC, memiliki distribusi suhu yang paling tinggi pada tiap zona pada reaktor gasifikasi tetapi belum mencapai titik puncak (peakpoint). Hal tersebut dikarenakan pengaruh nilai LHV dari biomassa serta kandungan moisture content yang terdapat dalam biomassa Sehingga suhu pada tiap zona khususnya zona pirolisis dan partial combustion belum didapatkan nilai yang optimal. 4.4 Air Fuel Ratio AFR (Air Fuel Ratio) pada penelitian ini adalah hasil perhitungan antara laju aliran massa udara dan laju aliran massa dari pellet MSW. Tabel 4.2 menyajikan data dan hasil dari penggunaan pengendali suhu. Tabel 4.2 Air fuel ratio gasifikasi pellet MSW Setpoint ( C ) Laju alir biomassa (kg/s) Laju alir massa udara (kg/s) AFR

75 Laju alir biomassa kg/s AFR Gambar 4.10 Grafik hubungan antara AFR dan laju alir biomassa Berdasarkan tabel 4.2 terlihat bahwa nilai setpont yang semakin tinggi menghasilkan nilai AFR semakin tinggi. Pada nilai setpoint 800 ºC, 850 ºC, 900 ºC dan 950 ºC memiliki nilai AFR 1,05, 1,06, 1,08 dan 1,09 Hal ini dikarenakan semakin tinggi nilai setpoint meningkatkan laju alir massa pellet MSW dan meningkatkan kecepatan reaksi di dalam reaksi gasifikasi. Kecepatan reaksi akan meningkatkan laju alir syngas yang dihasilkan serta meningkatkan kandungan flammable gas pada hasil syngas sehingga akan meningkatkan nilai LHV dan cold gas eficiency. Hasil nilai AFR pada tabel 4.2 berada pada daerah gasifikasi dengan laju aliran massa pellet MSW yang semakin besar pada setiap kenaikan nilai setpoint nya, serta nilai laju alir massa yang relatif konstan ketika diukur dengan menggunakan pitot tube. 4.5 Analisis Komposisi Kandungan Syngas Parameter output dari proses gasifikasi selain distribusi suhu pada reaktor gasifikasi adalah komposisi hasil dari syngas yang dihasilkan. Komposisi syngas secara keseluruhan terdiri dari

76 Komposisi % vol 61 CO, H 2, CH 4, CO 2, N 2, dan O 2. Flammable sygas terdiri dari CO, H 2, dan CH 4, sedangkan CO 2, N 2, dan O 2 merupakan non flammable gas karena tidak memiliki nilai kalor. Pada tabel 4.3 dan gambar 4.10 merupakan nilai presentase volumetrik senyawa hasil syngas pada setiap variasi setpoint pada pengendali suhu. Set Point (C) Tabel 4.3 Hasil uji komposisi syngas (%Vol) Komposisi Syngas CO H 2 CH 4 N 2 CO 2 O 2 (% vol) (% vol) (% vol) (% vol) (% vol) (% vol) Suhu 0 C CO H2 CH4 Gambar 4.11 Grafik hubungan antara nilai setpoint dan komposisi syngas

77 62.Pada tabel 4.2 dan gambar 4.11 dapat dilihat bahwa komposisi syngas untuk setiap variasi nilai set point pengendali suhu pada zona partial combustion. Pada nilai set point 800 ºC ke 850 ºC presentase volumetrik pada CO dan H 2 sebesar 0.16 % dan 0.10 %. Sedangkan pada nilai set point 850 ºC ke 900ºC dan 900 ºC ke 950 ºC presentase volumetrik CO dan H 2 meningkat sebesar 2,24 % dan 0.84 %, serta 2,38 % dan 1.14 ºC. Hal ini dikarenakan semakin tinggi nilai setpoint suhu maka komposisi gas CO dan H 2 semakin banyak. Sedangkan untuk CH 4 Pada nilai set point tidak mengalami peningkatan yang signifikan atau relatif konstan hanya berkisar ± 0.02 %., hal ini dikarenakan laju reaksi methanation sangat lambat. Sehingga variasi kenaikan nilai set point tidak begitu berpengaruh terhadap pembentukan senyawa CH 4. Kenaikan presentase volumetrik dari CO dapat dijelaskan dengan menggunakan persamaan koefisien partisi (Basu,2010) 6234 ( β = 2400 e T ) Keterangan : β : Koefisien partisi T : Suhu oksidasi Bertambahnya CO dan H 2 pada gambar 4.11 seiring dengan meningkatnya nilai septoint pada pengendali suhu, diikuti dengan menurunnya jumlah O 2 (non flammable sygas) pada komposisi syngas. O 2 berasal dari udara yang dihembuskan melalui blower pada zona partial combustion. Oleh karena itu semakin tinggi nilai set point menjadikan O 2 lebih reaktif sehingga jumlahnya semakin menurun. Hal ini terlihat pada setpoint 800 ºC,850 ºC, 900ºC, dan 950ºC presentase volumetrik O 2 menurun dari 10,34 % pada setpoint 800 ºC menjadi 7,5 % pada setpoint 950 ºC. Nilai presentase volumetrik N 2 pada syngas cenderung konstan sebesar 48.80% di berbagai variasi setpoint. N 2 yang terdapat pada syngas berasal dari udara inlet pada zona partial

78 63 combustion yang tidak bereaksi dengan senyawa lain sehingga presentase dari N 2 ralatif konstan. Penelitian terdahulu yang dilakukan Sivakumar (2012) dengan biomassa berupa briket serpihan kayu dengan menggunakan binder kotoran sapi sebagai perekat dengan alat pengendali suhu pada serpoint C, komposisi syngas yang didapat setelah penggunaan pengendali suhu adalah adalah 21,2 % CO, 3,6 % CH 4,20,2% H 2. Hal ini dikarenakan biomassa yang digunakan oleh Sivakumar mengandung kotoran sapi yang cenderung mengandung CH 4. Jadi tidak bisa dibandingkan presentase volumetrik komposisi pada syngas, karena analisis proximate dan ultimate berbeda setiap biomassa. Akan tetapi, penggunaan pengendali suhu dapat meningkatkan hasil kompoisi flammable gas pada syngas. 4.6 Analisis Nilai Kalor Yang Ditinjau Dari LHV (Low Heating Value) Syngas Dari presentase komposisi syngas dapat dilakukan perhitungan Low Heating Value (LHV) pada syngas. Setiap flammable syngas (CO, H 2, dan CH 4) memiliki nilai LHV (Low Heating Value) dengan persamaan sebagai berikut: Keterangan : LHV Syngas = Yi. LHVi n i=1 Y i = konsentrasi gas yang terbakar (CO, CH 4, H 2) LHV i = Nilai Kalor bawah (LHV) gas terbakar (CO, CH 4, H 2)

79 64 Tabel 4.4 LHV flammable gas Flammable gas LHV ( kj/m 3 ) CO CH H Sumber : (Waldheim, 2001) Berikut ini adalah contoh perhitungan untuk nilai LHV dengan menggunakan data dari komposisi syngas pada nilai setpoint 800 ºC Yi untuk gas CO = 20.02% = 0,2002 Yi untuk gas CH 4 = 2,38% = 0,0238 Yi untuk gas H 2 = 7.84% = 0,0784 n LHV Syngas = (0, ) + (0, ) i=1 + (0, ) LHV Syngas = 4228,53 kj m 3 Tabel 4.5 LHV syngas pada setiap variasi setpoint Setpoint ( 0 C) LHV Syngas (kj/m 3 )

80 LHV ( kj/m 3 ) Nilai setpoint 0 C Gambar 4.12 Grafik hubungan nilai setpoint dan LHV syngas Pada tabel 4.6 dan gambar 4.12 menunjukkan nilai LHV syngas pada nilai setpoint 800 ºC adalah 4228,53 kj/m 3 meningkat menjadi kj/m 3 pada setpoint 850 ºC, 4647,43 kj/m 3 pada setpoint 900ºC, dan kj/m 3 pada setpoint 950 ºC. Hal ini dikarenakan semakin tinggi setpoint suhu pada pengendali suhu akan mempengaruhi komposisi dari kandungan syngas dan LHV syngas yang dihasilkan. Pada presentase volumetrik komposisi dari syngas, variasi dari setpoint tidak terlihat begitu tinggi karena hanya mengalami peningkatan yang kecil. Akan tetapi setelah ditinjau nilai LHV syngas terlihat kenaikan yang signifikan yaitu sebesar 849 kj/m 3 dari nilai setpoint C C. Pada grafik 4.13 masih belum menunjukkan titik puncak (peak point). Dimana nilai LHV syngas mengalami penurunan pada setpoint tertentu. Hal tersebut menandakan bahwa LHV syngas masih bisa ditingkatkan dengan penambahan nilai setpoint yang lebih tinggi melebihi setpoint 950 ºC. Ketika titik puncak LHV syngas didapatkan, maka pada setpoint tersebut merupakan setpoint yang optimum.

81 Analisis Cold Gas Eficiency Proses Gasifikasi Parameter output dari proses gasifikasi selanjutnya adalah cold gas efficiency dari proses gasifikasi. Untuk menghitung efisiensi gasifikasi maka digunakan persamaan cold gas eficiency yaitu : Cold gas efficiency = m syngas. LHV syngas m biomassa. LHV biomassa Keterangan: m syngas m biomassa LHV syngas LHV biomassa = Laju alir massa syngas (kg/s) = Laju alir massa biomassa (kg/s) = Lower heating value syngas (kj/kg) = Lower heating value biomassa (kj/kg) LHV syngas pada sub bab 4.4 masih dalam satuan kj/m 3. Oleh karena itu, diperlukan nilai massa jenis (density) syngas sebagai pembagi LHV dengan satuan per satuan volume menjadi persatuan kg. Perhitungan massa jenis syngas adalah sebagai berikut: n ρ syngas = Y i. ρ i syngas i=1 Keterangan: ρ syngas = massa jenis syngas (kg/m 3 ) Y i = persentase volumetrik senyawa pada syngas ρ i syngas = massa jenis senyawa (CO,H 2,CH 4,dll) Contoh perhitungan pada temperatur udara C massa jenis diperoleh dari Tabel A.4 Thermophysical properties of gases at atmospheric pressure 20,02 % CO dengan ρ = 1,0601 kg/m 3 7,84 % H 2 dengan ρ = 0,07402 kg/m 3 2,38 % CH 4 dengan ρ = 0,53368 kg/m 3 10,7 % CO 2 dengan ρ = 1,6676 kg/m 3

82 67 48,72 % N 2 dengan ρ = 1,0334 kg/m 3 10,34 % CO 2 dengan ρ = 1.19 kg/m 3 n ρ syngas = (0, ,0599) + (0, ,07409) i=1 ρ syngas = 1,035 kg m 3 + (0, ,5227) + (0, ,6676) + (0, ,0339) Laju alir massa pada nilai setpoint C adalah 0,0041 kg/s, dan laju alir massa syngas sebesar kg/s sehingga perhitungan cold gas efficiency adalah Cold gas efficiency = 0,0048 kg s 0,0041 kg s Cold gas efficiency = 38,84 % kj 4228,53. m 3 1,035 kg m 3 kj kg x 100% Tabel 4.6 Nilai cold gas efficiency pada variasi nilai setpoint Setpoint (C) Laju alir massa biomassa (kg/s) laju alir massa syngas (kg/s) LHV syngas (kj/kg) LHV biomassa (kj/kg) Cold Gas Efficiency (%)

83 Cold gas efficiency % Setpoint 0 C Gambar 4.13 Grafik hubungan nilai setpoint dan cold gas efficiency Gambar 4.13 menunjukkan bahwa dengan nilai setpoint dari C, C, C, dan C memiliki nilai cold gas efficiency sebesar 38,84 %,42,99 %,48,44 %, dan 54,23 %, sehingga semakin meningkatnya nilai setpoint maka nilai cold gas efficiency semakin meningkat. Peningkatan nilai tersebut tidak hanya dipengaruhi oleh peningkatan nilai LHV pada syngas, tetapi juga dipengaruhi oleh laju alir massa dari biomassa (Pellet MSW) dan laju alir massa syngas. Pada tabel 4.7 dapat dilihat bahwa dengan peningkatan nilai setpoint, laju alir massa syngas akan meningkat tetapi laju alir massa cenderung konstan. Hal tersebut mengindikasikan bahwa dengan peningkatan setpoint dapat memaksimalkan reaksi antara biomassa dengan udara yang ditandai dengan peningkatan laju alir massa syngas. Pada grafik 4.14 nilai cold gas efficiency pada setpoint C, C, C, dan C tidak terjadi (peak) atau penurunan dari tren. Hal tersebut menandakan bahwa nilai cold gas efficiency pada setpoint C dimungkinkan masih bisa

84 69 meningkat sampai nilai setpoint tertentu, oleh karena itu, penelitian ini masih perlu ditambahkan nilai setpoint di atas C. Pada penelitian terdahulu (Sivakumar,2012) maka terdapat perbedaan hasil yang signifikan, diantaranya pada nilai cold gas efficiency. Pada penelitian tersebut dihasilkan nilai cold gas efficiency tertinggi yaitu 81 % ketika menggunakan pengendali otomatis pada setpoint C dengan menggunakan biomassa kotoran sapi.hal ini dikarenakan pada penelitian tersebut sistem pengendali yang digunakan tidak hanya menggunakan suhu melainkan juga mengatur feed rate proses gasifikasi dan tempat untuk menyaring abu serta pengaturan pasokan udara yang dibutuhkan pada zona partial combustion. 4.8 Analisa Kesetimbangan massa (mass balance) Analisa kesetimbangan massa pada sistem gasifikasi yang terbagi pada beberapa komponen seperti : Reaktor gasifikasi, cyclone, water scruber, Dry filter. Terlihat seperti skema di bawah ini: Gambar 4.14 Skema analisis kesetimbangan massa Untuk mengetahui mass balance maka dilakukan perhitungan dengan menggunakan persamaan dibawah ini :

85 70 massa masuk = massa masuk ṁ udara + ṁ biomassa = ṁ syngas + ṁ ash + ṁ char Gambar 4.15 mass balance pada reaktor Tabel 4.7 Mass balance Laju alir massa (masuk) g/s Laju alir massa (keluar) g/s Selisih efficiency Setpoint (C) Ash + Udara Biomassa Total Syngas Char Total Pada tabel 4.7 didapatkan pada nilai setpoint C C hasil ash dan char yang dihasilkan menurun dari 2.87 g/s menjadi 2.26 g/s, hal ini dikarenakan semakin tinggi nilai setpoint yang diberikan dimungkinkan reaksi yang terjadi di dalam reaktor

86 71 akan semakin reaktif Selisih yang terjadi pada nilai setpoint C C. meningkat dari 0.73 g/s menjadi 1.44 g/s Hal ini dikarenakan losses yang terjadi pada sistem instalasi pipa, cyclone, water scrubber, dry filter akan semakin besar seiring dengan penambahan nilai setpoint.

87 Halaman ini sengaja dikosongkan 72

88 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil yang didapatkan dari penelitian yang dilakukan, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Peningkatan nilai setpoint dari C C meningkatkan suhu zona drying (T1, T2, dan T3) dari 90 0 C, C, dan C menjadi C,140 0 C, dan C Suhu pirolisis ( T4 dan T5) dari C dan C menjadi C dan C.pada zona reduksi (T7) dari C menjadi C. Hasil suhu pada tiap zona khusunya pirolisis dan partial combustion belum mencapai titik puncak (peak point). 2. Proses gasifikasi pada pellet MSW dengan menggunakan pengendali suhu dapat meningkatkan presentase volumetrik pada flammable syngas pada setpoint C C. CO meningkat dari 20,02% menjadi 24,8%, H 2 meningkat dari 7,84 % menjadi 9,92% dan CH 4 meningkat dari 2,38% menjadi 2,44%. Serta meningkatkan nilai LHV syngas dari 4228,53 kg/m 3 menjadi 5078,20 kg/m 3. Kandungan flammable gas yang dihasilkan pada setpoint C C belum mencapai titik puncak (peak point). 3. Cold gas efficiency meningkat secara linier dengan variasi nilai setpoint yang semakin tinggi pada pengendali suhu tetapi belum mencapai titik puncak (peak point). Peningkatan setpoint C C menjadikan cold gas eficiency meningkat sebesar 16% ( dari 38,84% menjadi 54,84%) 73

89 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 suhu pada setiap zona dalam reaktor yang belum tereduksi dengan baik. 2. Dilakukan modifikasi pada hopper sebagai tempat masukan biomassa yang masih memiliki celah, sehingga gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi memasuki celah tersebut (bocor). 3. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai pemberian nilai setpoint pada pengendali suhu agar dihasilkan nilai optimum.

90 75 Halaman ini sengaja dikosongkan

91 DAFTAR PUSTAKA. Arena, U Process and Technological Aspects of Municipal Solid Waste Gasification-A Review. Waste Management 32 (2012) Basu, P. 2013, Biomass Gasification,Pyrolysis, and Torrefaction. India: Academic Press. Gandhi, S A., Kannadasan, T.,Suresh R , Biomass Downdraft Gasifier Controller Using Intelligent Techniques. Gasification for Practical Application, Institute for Advanced Engineering, Suwon, Republic of Korea Guo, F., Dong, Yuping., Dong, Lei., Gu, Chenlong.,2014. Effect of Design and Operating Parameters on The Gasification Process of Biomass in A Downdraft Fixed Bed - An Experimental Study,International Journal of Hydrogen Energy 39 (2014) 5625e5633 Molino, A., Chianese, S., Biomass Gasification Technology.The state of the art overview A. Molino et al Journal of Energy Chemistry 25 (2016) Nyakuma Gasification Of Oil Palm Empty Fruit Bunches (Opefb) Briquettes For Bio-Syngas Production Departement of Chemical Engineering, University Teknologi Malaysia, Malaysia. Rajvanshi, A Alternative Energy in Algriculture. India. Y. Goswani. 76

92 77 Reed, T B and Das, A Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine System, Solar Energy Research Institute, SERUSP , NTIS. Rollingson,A.N., William, O., Experiment on torrefied wood pellet R.oc.open.sci.3: Ruiz, J.A.,Juarez M.C., Morales, M.P., Munoz, P., Mendvil,M.A., Biomass gasification for electricity generation : Review of current technology barriers. Renewable and Sustainable Reviews Sudarmanta, B., Pengaruh Suhu Reaktor Gasifier dan Ukuran Partikel terhadap Karakterisasi Gasifikasi Biomassa Limbah Kayu Pada Reaktor Gasifier Type Downdraft. Seminar Teknologi Industri XV. Striūgas, N., Zakarauskas, K., Dziugys, A., Navakas, R., An Evaluation of Performance of Automatically Operated Multi-fuel Downdraft Gasifier for Energy Production. Applied Thermal Engineering 73 (2014) 1151e1159 Yokoyama, Shinya.,2008. Handbook Biomass Asia. The Japan Institute of Energy. Yuwono, Indarto., Studi Eksperimental Gasifikasi Briket Municipal Solid Waste Dengan Reaktor Gasifikasi Tipe Downdraft Berpengendali Suhu Otomatis Pada Zona Partial Combustion. Tugas Akhir Teknik Mesn ITS. Surabaya

93 LAMPIRAN Perhitungan dan Tabel Menentukan Laju aliran massa pellet MSW Contoh perhitungan pada nilai setpoint C m pelet MSW = ρ pelet MSW. π 4 (D)2. l 15 x 60 m pelet MSW = 317,4 kg m 3. π 4 (0,5 m)2. 0,059 m 15 x 60 s m pelet MSW = 0,00408 kg s Setpoint value (C) Ketinggian (m) Volume (m 3 ) Waktu Operasi (menit) Massa Pellet MSW (kg) Bulk density Laju alir massa pellet MSW (Kg/s) Menentukan lajur alir massa syngas Contoh perhitungan pada setpoint C

94 V = V max = 2(P 0 P 1 ) ρ syngas 2(4 N/m2) V max = kg/m3 V max = m/s n = 1,7 + 1,8 log n = n V 2 = (n + 1)(2n + 1) V max 2(5,363 2 ) m/s (5, )(2(5,363) + 1) V = m/s m syngas = ρ syngas. V π 4 D2 m syngas = kg/m m/s π (0,0508 m)2 4 m syngas = kg/s Setpoint Pressure (Pa) v max (m/s) Re n kecepatan rata-rata (m/s) Laju alir massa syngas (kg/s)

95 Laju alir massa udara Duty cycle Pressure (Pa) v max (m/s) M dot udara Re vmax n v ratarata (m/s) Laju alir massa udara (kg/s) 30% % % % %

96 RIWAYAT PENULIS Muhammad Aji Trianto merupakan nama lengkap dari penulis tugas akhir ini. Penulis terlahir di Grobogan pada 20 Maret Penulis memulai pendidikan formalnya pada tahun 2000 di SD Negeri 1 Saban, Grobogan. Setelah lulus tahun 2006 Penulis melanjutkan ke MTs N 1 Grobogan dan SMA Negeri 1 Gubug Grobogan pada tahun 2009 Setelah menyelesaikan studi menengah tingkat atas, penulis melanjutkan pendidikan Diploma di Teknik Mesin Sekolah Vokasi UGM ditahun yang sama. kemudian melanjutkan pendidikan tahap Sarjana di Teknik Mesin FTI ITS pada tahun Penulis mengambil bidang studi Konversi Energi khususnya di lab Teknik Perancangan Bahan Bakar.