5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Biomassa

2.1.1 Pengertian Biomassa

Biomassa adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintentis,

baik berupa produk maupun buangan. Biomassa juga digunakan sebagai sumber

energi (bahan bakar). Umumnya yang digunakan sebagai bahan bakar adalah

biomassa yang nilai ekonomisnya rendah atau merupakan limbah setelah diambil

produk primernya. Sumber energi yang dapat diperbarui sehingga dapat

menyediakan sumber energi secara berkesinambungan. Di Indonesia, biomassa

merupakan sumber daya alam yang sangat penting dengan berbagai produk primer

berupa bahan pangan, serat kayu dan lain lain yang selain digunakan untuk

memenuhi kebutuhan domestik juga di ekspor dan menjadi tulang punggung

penghasil devisa negara.

Potensi biomassa di Indonesia yang biasa digunakan sebagai sumber energi

jumlahnya sangat melimpah. Limbah yang berasal dari hewan maupun tumbuhan

semuanya potensial untuk dikembangkan. Tanaman pangan dan perkebunan

menghasilkan limbah yang cukup besar, yang dapat dipergunakan untuk keperluan

lain seperti bahan bakar nabati. Pemanfaatan limbah sebagai bahan bakar nabati

memberikan tiga keuntungan langsung. Pertama, peningkatan efesiensi energi, secara

keseluruhan karena kandungan energi yang terdapat pada limbah cukup besar dan

akan terbuang percuma jika tidak dimanfaatkan. Kedua, penghematan biaya, karena

seringkali membuang limbah biasa lebih mahal dari pada memanfaatkannya. Ketiga,

mengurangi keperluan akan tempat penimbunan sampah karena penyediaan tempat

penimbunan akan menjadi lebih sulit dan mahal, khususnya di daerah perkotaan.

Selain pemanfaatan limbah, biomassa sebagai produk utama untuk sumber energi

juga akhir-akhir ini dikembangkan secara pesat. Kelapa sawit, jarak, kedelai

merupakan beberapa jenis tanaman yang produk utamanya sebagai bahan baku

pembuatan biodiesel.

6

2.1.2 Biomassa Tempurung Kelapa

Kelapa (Cocos Nucifera L) merupakan komoditas strategis yang memiliki

peran sosial, budaya dan ekonomi dalam kehidupan masyarakat Indonesia. Tanaman

merupakan jenis tanaman tropic. Tanaman ini dapat tumbuh baik di wilayah dengan

iklim panas seperti Amerika, Asia dan sebagian Afrika. Asal tanaman ini tidak

diketahui karena penyebaran tanaman ini tumbuh melalui buah yang menyebar di

sekitar pantai dari suatu benua ke benua yang lain. Tinggi tanaman ini mencapai 20-

30 meter, batangnya bergaris tengah 20-35 cm, lurus dan tidak bercabang. Buah

kelapa terdiri dari kulit luar, serabut, tempurung, kulit daging, daging buah, air dan

lembaga. Buah kelapa yang sudah tua memiliki bobot serabut (35%), tempurung

(12%), endosperm (28%), dan air (25%) (Setyamidjaja, D., 1995).

Gambar 2.1 Tempurung Kelapa

Secara fisiologis, bagian tempurung kelapa merupakan bagian yang paling

keras dibandingkan bagian kelapa yang lain. Struktur yang keras disebabkan oleh

silikat (SiO2) yang cukup tinggi kadarnya pada tempurung kelapa. Berat dan tebal

tempurung kelapa sangat ditentukan oleh jenis tanaman kelapa itu sendiri. Berat

tempurung kelapa berkisar antara 15-19 % dari berat keseluruhan buah kelapa,

sedangkan tebalnya sekitar 3-5 mm.

Komposisi atau kandungan zat yang terdapat pada tempurung kelapa dapat

dilihat pada tabel berikut :

7

Tabel 2.1 Komposisi tempurung kelapa (Ibnusantosa, G., 2001)

Tempurung kelapa memiliki kadar air mencapai ± 8%, jika dihitung

berdasarkan berat keringnya atau setara dengan 12% dari berat kelapa. Sedangkan

abu merupakan komposisi terendah yang terdapat pada buah kelapa.

2.1.3 Produk Biomassa

Ada tiga tipe bahan bakar yang dihasilkan oleh biomassa dan dipergunakan

untuk berbagai macam kebutuhan, antara lain :

- Cairan berupa : ethanol, biodiesel dan methanol

- Gas berupa : biogas (CH4, CO2), producer gas (CO2, H2, CH4,

CO2), syngas (CO2, H2, CH4).

- Padat : arang

Penggunaan ethanol dan biodiesel sebagai bahan bakar kendaraan

transportasi dapat mengurangi emisi gas CO2. Oleh karena itu biomassa bukan hanya

energi terbarukan tapi juga bersih atau ramah lingkungan, dan dapat digunakan

sebagai sumber energi secara global.

Biomassa merupakan sumber energi tertua yang dikenal oleh manusia,

kontribusinya terhadap total pemanfaatan energi di Indonesia masih sangat kecil.

Pemahaman keterbatasan dari sumber energi fosil dan kepedulian terhadap

kelangsungan penyediaan sumber energi. Akan tetapi harga dan energi yang terus

No Komposisi Persentase

(%)

1 Lignin 29,40

2 Pentosan 27,70

3 Selulosa 26,60

4 Air 8,00

5 Solvent Ekstraktif 4,20

6 Uronat Anhidrat 3,50

7 Abu 0,60

8 Nitrogen 0,10

8

menerus menurun saat ini menyebabkan perkembangan teknologi tidak begitu pesat.

Maka pada tahun 1980an kepedulian terhadap emisi CO2 yang disebabkan oleh

penggunaan energi fosil mengakibatkan dikeluarkannya Kyoto protocol yang

membatasi emisi CO2 yang diperbolehkan dilepas ke udara bebas.

2.2 Konversi Thermokimia dan Pengertian Gasifikasi Biomassa

2.2.1 Konversi Thermokimia

Biomassa memiliki tiga metode konversi thermokimia yaitu pirolosis,

gasifikasi dan pembakaran (pengarangan). Perbedaan jenis konversi thermokimia

tersebut terletak pada banyaknya udara (oksigen) yang dikonsumsi saat proses

konversi berlangsung. Konsumsi oksigen yang diperlukan dalam pembakaran

setidaknya memiliki AFR 6,25 atau lebih. Pada proses gasifikasi, konsumsi oksigen

memiliki batasan AFR 1,5, sedangkan untuk pirolisis cenderung tidak memerlukan

oksigen dalam prosesnya.

Gambar 2.2 Grafik Batasan Konversi Thermokimia Biomassa ( Putri, 2005)

2.2.2 Gasifikasi Biomassa

Gasifikasi adalah suatu proses konversi thermokimiawi dari bahan bakar yang

mengandung karbon menjadi gas yang disebut syngas (synthetic gas) atau gas

sintesis dimana gas tersebut memiliki nilai bakar dengan cara oksidasi parsial pada

temperatur tinggi, tetapi sejauh ini teknologi ini umumnya masih terbatas pada skala

penelitian karena konsumsi energi yang dibutuhkannya sangat besar. Namun ada

9

juga beberapa negara yang telah menerapkan teknologi ini pada bidang pembangkit

listrik, dimana gas yang dihasilkan oleh reaktor gasifikasi dipakai untuk

menggerakkan generator. Terdapat berbagai jenis gasifier dan beberapa dapat

dibedakan berdasarkan :

- Mode Fluidisasi

- Arah Aliran

- Gas yang diperlukan untuk proses gasifikasi

Berdasarkan mode fluidisasinya, jenis gasifier dapat dibedakan menjadi

gasifikasi unggun tetap (fixed bed gasification), gasifikasi unggun bergerak (moving

bed gasification), gasifikasi unggun terfluidisasi (fluidizied bed gasification) dan

entrained bed.

Berdasarkan arah aliran, gasifier dapat dibedakan menjadi gasifikasi aliran

searah (downdraft gasification), gasifikasi aliran berlawanan (updraft gasification)

dan gasifikasi aliran menyilang (crossdraft gasification). Pada gasifikasi downdraft,

arah aliran gas dan arah aliran padatan adalah sama-sama ke bawah. Pada gasifikasi

updraft, arah aliran padatan sedangkan arah aliran gas mengalir ke atas. Sedangkan

gasifikasi crossdraft, arah aliran gas dijaga mengalir mendatar dengan aliran padatan

ke bawah. Jenis-jenis gasifier ini juga termasuk tipe moving bed gasifier.

Gambar 2.3 Skema Gasifier Updraft, Downdraft dan Crossdraft

Berdasarkan gasifiying yang diperlukan untuk proses gasifikasi, terdapat

gasifikasi udara dan gasifikasi oksigen/uap. Gasifikasi udara adalah metode dimana

gas yang digunakan untuk proses gasifikasi adalah udara. Sedangkan untuk gasifikasi

uap, gas yang digunakan pada proses yang terjadi adalah uap. Penelitian

menggunakan downdraft gasifier, dengan gasifying agent udara, karena kemampuan

10

dan kelebihannya meskipun memiliki beberapa kekurangan. Berikut ini adalah

kelebihan dan kekurangan ketiga jenis reaktor tersebut antara lain :

Tabel 2.2 Kelebihan dan Kekurangan Jenis Gasifier

Jenis Gasifier Kelebihan Kelemahan

Updraft Gasifier - Menghasilkan pembakaran

yang sangat bersih.

- Lebih mudah dioperasikan

- Arang yang dihasilkan

lebih sedikit

- Menghasilkan sedikit

metan

- Tidak dapat

beroperasi secara

kontinyu

- Gas yang dihasilkan

tidak kontinyu

Downdraft Gasifier - Dapat beroperasi secara

kontinyu

- Suhu gas tinggi

- Tar yang dihasilkan

lebih banyak

- Produksi asap terlalu

banyak selama

operasi

- Menghasilkan arang

lebih banyak

Crossdraft Gasifier - Suhu gas tinggi

- Reduksi CO2 rendah

- Kecepatan gas tinggi

- Tempat penyimpanan,

pembakaran dan zona

reduksi terpisah

- Kemampuan

pengoperasiannya sangat

bagus

- Waktu mulai lebih cepat

- Komposisi gas yang

dihasilkan kurang

bagus

- Gas CO yang

dihasilkan tinggi, gas

H rendah

- Gas metan yang

dihasilkan juga

rendah

11

2.2.3 Jenis-jenis Gasifier

Dari penjelasan pada sub bab sebelumnya, berdasarkan arah aliran gasnya,

gasifier dapat dibedakan menjadi gasifikasi aliran searah (downdraft gasification),

gasifikasi aliran berlawanan (downdraft gasification) dan gasifikasi aliran menyilang

(crossdraft gasification).

1. Updraft Gasifier. Pada bagian ini pembakaran berlangsung di bagian bawah

dari tumpuan bahan bakar dalam silinder, gas hasil pembakaran akan

mengalir ke atas melewati tumpuan bahan bakar sekaligus mengeringkannya.

Bahan bakar dimasukkan ke dalam ruang bakar dari lubang pemasukan atas.

Gambar 2.4 Updraft Gasifier

2. Crossdraft Gasifier. Udara disemprotkan ke dalam bahan bakar dari lubang

arah samping yang saling berhadapan dengan lubang pengambilan gas

sehingga pembakaran dapat terkonsentrasi pada satu bagian saja dan

berlangsung secara lebih banyak dalan suatu satuan waktu tertentu.

12

Gambar 2.5 Crossdraft Gasifier

3. Downdraft Gasifier. Gas hasil pembakaran dilewatkan pada bagian oksidasi

dari pembakaran dengan cara ditarik mengalir ke bawah sehingga gas yang

dihasilkan akan lebih bersih karena tar dan minyak akan terbakar sewaktu

melewati bagian tadi.

Gambar 2.6 Downdraft Gasifier

13

2.2.4 Tingkatan Pembagian Daerah Pembakaran Gasfikasi

1. Zona Pengeringan

Bahan bakar padat dimasukkan ke dalam reaktor. Hal ini tidak perlu

menggunakan peralatan pengumpanan bahan bakar yang kompleks, karena

sejumlah kecil kebocoran udara dapat toleransi di tempat ini. Sebagai akibat

dari perpindahan panas dari bagian bawah gasifier, pengeringan bahan bakar

biomassa terjadi di bagian bungker. Uap air akan mengalir ke bawah dan

menambah uap air yang terbentuk di daerah oksidasi. Bagian dari itu dapat

direduksi menjadi hidrogen dan sisanya akan berakhir sebagai kelembaban

dalam gas.

2. Zona pirolisis

Tidak seperti pembakaran, pirolisis terjadi pada tempat yang tidak terdapat

oksigen, kecuali dalam kasus dimana oksidasi parsial diperbolehkan untuk

menyediakan energi thermal yang dibutuhkan untuk proses gasifikasi.

Terdapat tiga variasi antara lain :

a. Mild Pyrolysis

b. Slow Pyrolysis

c. Fast Pyrolysis

Pada pyrolysis molekul besar hidrocarbon dipecah menjadi partikel kecil

hydrocarbon. Fast pyrolysis hasil utamanya adalah bahan bakar cair, slow

pyrolsis menghasilkan gas dan arang. Mild pyrolysis yang saat ini sedang

dipertimbangkan untuk memanfaatkan biomassa yang efektif. Pada proses ini

biomassa dipanaskan 200-300 0C tanpa kontak dengan oksigen. Struktur

kimia dari biomassa diubah, dimana menghasilkan karbon dioksida, karbon

monoksida, air, asam asetat, dan methanol. Mild pyrolisis meningkatkan

densitas energi dari biomassa.

Pada suhu di atas 250 0C, bahan bakar biomassa dimulai pyrolysing. Rincian

pirolisis ini reaksi yang tidak dikenal, tetapi orang biasa menduga bahwa

molekul-molekul besar (seperti selulosa, hemi-selulosa dan lignin) terurai

menjadi molekul berukuran sedang dan karbon selama pemanasan bahan

baku. Produk pirolisis mengalir ke bawah zona pemanasan pada gasifier.

Beberapa akan terbakar di daerah oksidasi, dan sisanya akan memecah

14

molekul yang lebih kecil dari hidrogen, metan, karbon monoksida, etana,

etilena, dll. Jika tetap berada di zona panas cukup lama. Jika waktu tinggal di

zona panas terlalu pendek atau suhu terlalu rendah, maka molekul yang

berukuran menengah akan berpindah dan mengembun sebagai tar dan

minyak, dalam suhu rendah bagian dari system. Secara umum reaksi yang

terjadi pada pirolysis beserta produknya adalah :

Biomassa char + tar + gases (CO2, CO, H2O, H2CH4, CxHy)……... (2.1)

3. Zona Oksidasi

Dibentuk pada tingkat dimana oksigen (udara) dimasukkan. Reaksi dengan

oksigen sangat eksostermik dan mengakibatkan kenaikan tajam suhu sampai

1200° C. Sebagaimana yang dibutuhkan di atas fungsi penting zona oksidasi,

selain penghasil panas adalah untuk mengkonversi dan mengoksidasi hampir

semua produk terkondensasi dari zona pirolisis. Untuk menghindari titik-titik

dingin di zona oksidasi, kecepatan udara masuk dan geometri reaktor harus

dipilih dengan baik. Umumnya dua metode yang digunakan untuk

mendapatkan suhu yang terdistribusi :

- Mengurangi luas penampang pada ketinggian tertentu dari reaktor.

- Penyebaran nozel inlet udara di atas lingkaran mengurangi cross-

sectional area, atau alternatif menggunakan inlet udara sentral dengan

perangkat penyemprotan.

4. Zona Reduksi

Produk reaksi dari zona oksidasi (gas panas dan bara arang) bergerak turun ke

zona reduksi. Di zona ini panas masuk secara sensible dari gas dan arang

yang dikonversi sebanyak mungkin menjadi energi kimia dari gas produser.

Produk akhir dari reaksi kimia yang terjadi di zona reduksi adalah gas mudah

terbakar yang dapat digunakan sebagai bahan bakar gas pada pembakaran

motor dalam dan sedikit abu.

Abu yang dihasilkan dari gasifikasi biomassa kadang-kadang harus dibuang

dari reaktor. Biasanya akan timbul perapiaan di dasar peralatan dan dengan

demikian membantu untuk mencegah penyumbatan yang dapat menyebabkan

obstruksi aliran gas. Berikut adalah reaksi kimia yang terjadi pada zona

tersebut :

15

Bourdouar reaction :

C + CO2 2 CO – 172 (MJ/Kmol)…………………………..(2.2)

Steam - Carbon Reaction :

C + H2O CO + H2 - 131 (MJ/Kmol)………………………..(2.3)

Water-gas shift reaction :

C + H2O HO2 + H2 + 41 (MJ/Kmol)………………………..(2.4)

CO methanation :

C + 3H2 206 (MJ/Kmol) CH4 + H2O……………………....(2.5)

2.2.5 Faktor yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi

Proses gasifikasi memiliki beberapa faktor yang dapat mempengaruhi proses

dan kandungan syngas yang dihasilkannya. Faktor-faktor tersebut adalah

1. Properties Biomassa

Tidak semua biomassa dapat dikonversikan dengan proses gasifikasi karena

ada beberapa klarifikasi dalam mendefinisikan bahan baku yang dipakai pada sistem

gasifikasi berdasarkan kandungan dan sifat yang dimilikinya. Pendefinisian bahan

baku gasifikasi ini dimaksudkan untuk membedakan antara bahan baku yang baik

dan yang kurang baik. Adapun beberapa parameter yang dipakai untuk

mengklarifikasikannya yaitu :

a. Kandungan Energi

Semakin tinggi kandungan energi yang dimiliki biomassa maka

syngas hasil gasifikasi biomassa tersebut semakin tinggi karena energi

yang dikonversi juga semakin tinggi.

b. Moistur

Bahan baku yang digunakan untuk proses gasifikasi umumnya ber-

moistur rendah. Karena kandungan moistur yang tinggi menyebabkan

heat loss yang tinggi. Selain itu kandungan moistur yang tinggi juga

dapat menyebabkan beban pendinginan semakin tinggi karena

pressure drop yang terjadi meningkat. Idealnya kandungan moistur

yang sesuai untuk bahan baku gasifikasi kurang dari 20%.

16

c. Debu

Semua bahan baku gasifikasi menghasilkan dust (debu). Adanya dust

ini sangat mengganggu karena berpotensi menyumbat saluran

sehingga membutuhkan perawatan lebih. Desain gasifier yang baik

setidaknya menghasilkan kandungan dust yang tidak lebih dari 2-6

g/m³.

d. Tar

Tar merupakan salah satu kandungan yang paling merugikan dan

harus dihindari karena sifatnya yang korosif. Sesungguhnya tar adalah

cairan hitam kental yang terbentuk dari destilasi destruktif pada

material organik. Selain itu, tar memiliki bau yang tajam dan dapat

mengganggu pernapasan. Pada reaktor gasifikasi, terbentuknya tar

yang memiliki bentuk opproximate atomic CH1.2 O0.5, terjadi pada

temperatur pirolisis yang kemudian terevaporasi dalam bentuk asap,

namun pada beberapa kejadian tar dapat berupa zat cair pada

temperatur yang rendah. Apabila hasil gas yang mengandung tar

relatif tinggi dipakai pada kendaraan bermotor, dapat menimbulkan

deposit pada karburator dan intake valve sehingga menyebabkan

gangguan. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan tar

tidak lebih dari 1g/m³.

e. Abu dan Slugging

Abu adalah kandungan mineral yang terdapat pada bahan baku yang

tetap berupa oksida setelah proses pembakaran. Sedangkan slug

adalah kumpulan ash yang lebih tebal. Pengaruh adanya abu dan slug

pada gasifier adalah

- Menimbulkan penyumbatan pada gasifier.

- Pada titik tertentu, mengurangi respon pereaksi bahan baku.

2. Desain Reaktor

Terdapat berbagai macam bentuk gasifier yang pernah dibuat untuk proses

gasifikasi. Untuk gasifier bertipe imbert yang memiliki neck di dalam reaktornya,

ukuran dan dimensi neck sangat mempengaruhi proses pirolisis, percampuran,

heatloss dan nantinya akan mempengaruhi kandungan gas uang dihasilkan.

17

3. Jenis Gasifying Agent

Jenis gasifying agent yang digunakan dalam gasifikasi umumnya adalah

udara dan kombinasi oksigen dan uap. Penggunaan jenis gasifying agent

mempengaruhi kandungan gas yang dimiliki oleh syngas. Berdasarkan penelitian,

perbedaan kandungan syngas terlihat pada kandungan nitrogen pada syngas dan

mempengaruhi nilai kalor yang dikandungnya. Penggunaan udara bebas

menghasilkan senyawa nitrogen yang pekat di dalam syngas, berlawanan dengan

penggunaan oksigen/uap yang memiliki kandungan nitrogen yang relatif sedikit.

Sehingga penggunaan gasifying agent oksigen/uap memiliki nilai kalor syngas yang

lebih baik dibandingkan gasifying agent udara.

4. Rasio Bahan Bakar dan Udara (AFR)

Perbandingan bahan bakar dan udara dalam proses gasifikasi mempengaruhi

reaksi yang terjadi dan tentu saja pada kandungan syngas yang dihasilkan.

Kebutuhan udara pada proses gasifikasi berada diantara batas konversi energi

pirolisis dan pembakaran. Karena itu dibutuhkan rasio yang tepat jika menginginkan

hasil syngas yang maksimal. Pada gasifikasi biomassa AFR yang tepat untuk proses

gasifikasi berkisar pada angka 1,25 – 1,5.

2.3 Parameter-Parameter Penting dalam Proses Gasifikasi

Parameter-parameter penting yang harus dipertimbangkan dalam proses

gasifikasi, yaitu

1. Temperatur Gasifikasi

Temperatur gasifikasi harus tinggi karena dalam tahap pertama gasifikasi

adalah pengeringan untuk menguapkan kandungan air agar menghasilkan gas yang

bersih. Temperatur yang tinggi juga dapat berpengaruh dalam menghasilkan gas

yang mudah terbakar. Untuk mempertahankan temperatur, maka tangki reaktor

diisolasi dengan bata tahan api agar tidak ada panas yang keluar ke lingkungan

sehingga efisiensi reaktor menjadi baik.

2. Spesific Gasification Rate (SGR)

SGR mengindikasikan banyaknya biomassa rata-rata yang dapat tergasifikasi

dalam gasifier. Jika SGR semakin besar maka proses gasifikasi tidak dapat berjalan

18

secara sempurna., sebaliknya jika SGR semakin kecil maka proses gasifikasi berjalan

lambat. SGR dapat dihitung dengan cara :

SGR = waktuxluas

arangberatbiomassaberat (kg/m

2.dt)………………………………...(2.6)

3. Fuel Consumtion Rate (FCR)

Biomassa yang dibutuhkan pada proses gasifikasi dapat dihitung

menggunakan rumus :

FCRa = operasiwaktu

asitergasifikbiomassaberat

FCRa = operasiwaktu

arangberatbiomassaberat (kg/jam)………………………………….(2.7)

4. Gas Fuel Ratio (GFR)

GFR (Gas Fuel Ratio) dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut :

GFR = FCR

producergasaliranlaju (m

3/kg)………………………………………..(2.8)

5. Persentase Char

Persentase Char adalah perbandingan banyaknya arang yang dihasilkan

dengan banyaknya biomassa yang dibutuhkan. Persentase char dapat dihitung

menggunakan rumus :

% char = biomassaberat

arangberat x 100%.........................................................................(2.9)

6. Waktu Konsumsi Bahan Bakar

Hal ini mengacu pada total waktu yang dibutuhkan untuk benar-benar

mengubah menjadi gas dari bahan bakar padat di dalam reaktor. Ini termasuk waktu

untuk menyalakan bahan bakar padat dan waktu untuk menghasilkan gas, ditambah

waktu untuk benar-benar membakar semua bahan bakar dalam reaktor. Kepadatan

dari bahan bakar padat ( ), volume reaktor (Vr), dan tingkat konsumsi bahan bakar

(FCR) adalah faktor yang digunakan dalam menentukan total waktu untuk

19

mengkonsumsi bahan bakar padat dalam reaktor. Seperti ditunjukkan di bawah ini,

dapat dihitung menggunakan rumus :

t = FCR

Vrx (jam)…………………………………………………………………(2.10)

Dimana :

FCR = Fuel Consumtion Rate (kg/jam)

t = Waktu konsumsi bahan baku (jam)

= Massa jenis bahan baku (kg/m3)

Vr = Volume reaktor (m3)

7. Air Fuel Rate (AFR)

AFR adalah tingkat aliran udara primer yang masuk ke reaktor. Hal ini

mengacu pada laju aliran udara yang diperlukan untuk mengubah bahan bakar padat

menjadi gas. Hal ini sangat penting dalam menentukan ukuran blower yang

dibutuhkan untuk reaktor. Ini dapat ditentukan dengan menggunakan tingkat

konsumsi bahan bakar (FCR), Kebutuhan Udara Gasifikasi (SA) dan rasio

equivalensi ( ) untuk gasifying 0,3 sampai 0,4. Seperti ditunjukkan menggunakan

rumus :

AFRa = a

SAxFCRx

(m

3/jam)…………………………………………………(2.11)

Dimana

AFRa = Air Fuel Rate (tingkat aliran udara) (m3/jam)

FCRa = Fuel Consumtion Rate (kg/jam)

a = Massa jenis udara (1,25 kg/m3)

= Rasio equivalensi (0,3-0,4)

SA = Kebutuhan Udara Gasifikasi

8. Kebutuhan Bahan Bakar

Energi input ini mengacu pada jumlah energi yang diperlukan dalam hal

bahan bakar yang akan dimasukkan ke dalam gasifier. Hal ini dapat ditentukan

dengan mengguanakan rumus :

Energi Input = Σ nilai kalor bahan bakar………………………………………(2.12)

20

9. Nilai Kalor Bahan Bakar

Analisis ini bertujuan untuk mengetahui nilai kalor yang mampu

dibangkitkan dari setiap sampel bahan bakar yang diuji menggunakan bom kalori

meter.

Nilai kalor dapat dihitung dengan persamaan :

C = =…… ………………………………………..(2.13)

Dengan sampel bahan uji :

Qc = ……( ………………………………………..(2.14)

2.4 Pembakaran Bahan Bakar

2.4.1 Prinsip Pembakaran Bahan Bakar

Prinsip pembakaran bahan bakar sejatinya adalah reaksi kimia bahan bakar

dengan oksigen (O). Kebanyakan bahan bakar mengandung unsur karbon (C),

hidrogen (H) dan belerang (S). Akan tetapi yang memiliki kontribusi yang penting

terhadap energi yang dilepaskan adalah C dan H. Masing-masing bahan bakar

mempunyai kandungan unsur C dan H yang berbeda-beda.

Proses pembakaran terdiri dari dua jenis yaitu pembakaran sempurna dan

pembakaran tidak sempurna. Pembakaran sempurna terjadi apabila seluruh unsur C

yang bereaksi dengan oksigen hanya akan menghasilkan CO2, seluruh unsur H

menghasilkan H2O dan seluruh unsur S menghasilkan SO2. Sedangkan pembakaran

tidak sempurna terjadi apabila seluruh unsur C yang dikandung dalam bahan bakar

bereaksi dengan oksigen dan gas yang dihasilkan tidak seluruhnya CO2. Keberadaan

CO pada hasil pembakaran menunjukkan bahwa pembakaran berlangsung secara

tidak sempurna.

Jumlah energi yang dilepaskan pada proses pembakaran dinyatakan sebagai

entalpi pembakaran yang merupakan beda entalpi antara produk dan reaktan dari

proses pembakaran sempurna. Entalpi pembakaran ini dapat dinyatakan sebagai

Higher Heating Value (HHV) atau Lower Heating Value (LHV). HHV diperoleh

ketika seluruh air hasil pembakaran dalam wujud cair sedangkan LHV diperoleh

ketika seluruh hasil pembakaran dalam bentuk uap.

21

Pada umumnya pembakaran tidak menggunakan oksigen murni melainkan

memanfaatkan oksigen yang ada di udara. Jumlah udara minimum yang diperlukan

untuk menghasilkan pembakaran sempurna disebut sebagai jumlah udara teoritis atau

stokiometri. Akan tetapi pada kenyataannya untuk pembakaran sempurna, udara

yang dibutuhkan melebihi jumlah udara teorotis. Kelebihan udara dari jumlah udara

teorotis disebut sebagai excess air yang umumnya dinyatakan dalam persen.

Parameter yang sering digunakan untuk mengkuantifikasi jumlah udara dan bahan

bakar pada proses pembakaran tertentu adalah rasio udara-bahan bakar. Apabila

pembakaran sempurna terjadi, ketika jumlah udara sama dengan jumlah udara teoritis

maka pembakaran tersebut sebagai pembakaran sempurna. Umumnya excess air

diambil 30% dari kebutuhan udara stokiometri.

2.4.2 Nilai Pembakaran

Bila dalam 1 kg bahan bakar yang terdiri C kg karbon, H kg hidrogen, O kg

oksigen, S kg belerang, N kg nitrogen, A kg abu, W kg air, maka dapat dihitung nilai

pembakaran atau heating value dari bahan bakar tersebut yaitu jumlah panas yang

dihasilkan dari pembakaran sempurna dari 1 kg bahan bakar yang dimaksud

berdasarkan rumus-rumus berikut :

Qhigh = 33915 C + 144033 (H - 8

O) + 10648 S (kJ/kg)………………………(2.15)

Qlow = 33915 C + 121423 (H - 8

O) + 10648 S – 2512 (W + 9 x

8

O) (kJ/kg)..(2.16)

Qhigh adalah nilai pembakaran tertinggi atau highest heating value yang dalam

hal ini uap air yang terbentuk dari hasil pembakaran dicairkan terlebih dahulu,

sehingga panas pengembunannya turut dihitung serta dinilai sebagai panas

pembakaran yang terbentuk.

Qlow adalah nilai pembakaran terendah atau lowest heating value yang dalam

hal ini uap air yang terbentuk dari hasil pembakaran tidak perlu dicairkan terlebih

dahulu, sehingga panas pengembunannya tidak turut dihitung serta tidak dinilai

sebagai panas pembakaran yang terbentuk.

22

2.4.3 Jumlah Udara Pembakaran

Jika susunan bahan bakar diketahui, maka dapat dihitung jumlah kebutuhan

udara pembakaran untuk pembakaran sempurna. Sebelum menghitung kebutuhan

udara pembakaran, terlebih dahulu menghitung oksigen yang diperlukan untuk setiap

kandungan C, H, S yang mengikat oksigen dalam pembakaran. Berikut persamaan-

persamaannya :

Karbon (C) terbakar sempurna menjadi CO2 menurut persamaan :

C + O2 = CO2

12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2

1 kg C + 12

32 kg O2 =

12

44kg CO2………………………………………..(2.17)

Hidrogen (H) terbakar menjadi H2O menurut persamaan :

4 H + O2 = 2H2O

4 kg H + 32 kg O2 = 36 kg H2O

1 kg H + 8 kg O2 = 9 kg H2O……………………………………………(2.18)

Belerang (S) terbakar menjadi SO2 menurut persamaan :

S + O2 = SO2

32 kg S + 32 kg O2 = 64 kg SO2

1 kg S + 1 kg O2 = 2 kg SO2……………………………………………..(2.19)

Dari perhitungan di atas kemudian di jumlahkan kebutuhan oksigen dengan

persamaan :

Kebutuhan oksigen = kebutuhan oksigen H + kebutuhan oksigen C + kebutuhan

oksigen S – kebutuhan oksigen O………………………(2.20)

Kemudian kebutuhan udara pembakaran dapat dihitung. Dalam udara,

umumnya kadar oksigen yang terkandung antara 21 - 23% maka dari itu,

perbandingan udara dan bahan bakar didapat kebutuhan udara sebesar :

Kebutuhan udara pembakaran = udaradiO

udara

2%

%x kebutuhan oksigen

total…………………………………(2.21)

23

2.5 Efisiensi Proses Gasifikasi

Parameter-parameter yang mempengaruhi efisiensi gasifier adalah kandungan

gas mampu bakar (syngas) yang dihasilkan, berupa gas CO, CH4, H2 dan kandungan

ultimat dari bahan bakar itu sendiri. Jika kandungan gas CO, CH4, dan H2 semakin

tinggi maka semakin tinggi pula efisensi yang dihasilkan selama proses gasifikasi.

Efisien gasifikasi dapat dihitung dengan persamaan :

η = x 100%…………………………………………………(2.22)

Jika yang dihitung adalah efisiensi bahan bakar yang habis tergasifikasi,

maka yang menjadi dasar perhitungan adalah massa bahan bakar gasifikasi. Sehingga

persamaan yang digunakan adalah :

Mencari N2 yang di suplai dari udara yang mana mengandung sekitar 78% N2

dengan persamaan berikut :

Supply N2 udara = 0,769 x SA……………………………………………(2.23)

Mencari total nitrogen yang diproduksi udara dan bahan bakar menggunakan

persamaan berikut :

Total N =

=

= ……(2.24)

Mencari jumlah gas nitrogen yang diproduksi menggunakan persamaan

berikut :

Produksi N = ………………………(2.25)

Mencari energi syngas dari CO yang mana memiliki HHV = 282,99

(MJ/kgmol) dengan menggunakan persamaan berikut :

Energi syngas CO = Produksi N x CO pada gas gasifikasi x HHV CO...(2.26)

Mencari energi syngas dari H2 yang mana memiliki HHV = 285,84

(MJ/kgmol) dengan menggunakan persamaan berikut :

24

Energi syngas H2 = Produksi N x H2 pada gas gasifikasi x HHV H2…..(2.27)

Mencari energi syngas dari CH4 yang mana memiliki HHV = 890,36

(MJ/kgmol) dengan menggunakan persamaan berikut :

Energi syngas CH4 = Produksi N x CH4 pada gas gasifikasi

x HHV CH4………………………………………(2.28)

Mencari total energi dari gas mampu bakar (syngas) dengan persamaan

berikut :

Energi syngas = Energi syngas CO + Energi syngas H2

+ Energi syngas CH4………………………………….(2.29)

Mencari total energi input dari bahan bakar dengan persamaan berikut :

Energi Input = Σ nilai kalor bahan bakar

= Σ nilai kalor bahan bakar variasi komposisi bahan bakar

= % batubara x nilai kalor batubara + % biomassa x nilai kalor

biomassa……………………………………………….(2.30)

2.6 Massa Jenis Biomassa

Massa jenis biomassa adalah spesifik massa suatu biomassa per volumenya.

Massa jenis dapat dihitung dengan persamaan :

v

m (

3m

kg)……………………………………………………………………..(2.31)

Dimana :

= massa jenis (3m

kg)

m = massa bahan (kg)

v = volume bahan (m3)

2.7 Saringan (Filter)

2.7.1 Saringan Udara

Fungsi utama dari saringan udara adalah mencegah udara kotor atau

menyaring udara yang akan masuk ke dalam ruang bakar (mesin). Bahan utama dari

25

saringan udara ada bermacam macam yaitu serat kertas, busa atau kapas sangat

umum digunakan sebagai lapisan penyaring udara kotor (Alamsyah, 2011).

2.7.2 Saringan Basah

Nama lain dari saringan basah adalah scrubbers atau wet collectors. Prinsip

kerja saringan basah adalah membersihkan udara yang kotor dengan cara

menyemprotkan air dari bagian atas alat. Pada saat udara yang berdebu kontak

dengan air, maka debu akan ikut dengan arah aliran semprotan air. Pengendap

saringan basah dapat digambarkan seperti gambar dibawah.

Gambar 2.7 Saringan Basah

2.7.3 Saringan Sistem Gravitasi

Alat ini digunakan untuk membersihkan udara kotor yang ukuran partikelnya

relatif cukup besar, sekitar 50 atau lebih. Cara kerja alat ini yaitu dengan

mengalirkan udara yang kotor ke dalam alat yang dibuat sedemikian rupa sehingga

pada waktu terjadi perubahan kecepatan secara tiba-tiba (speed drop), maka partikel

padat akan jatuh dan terkumpul di bawah akibat gaya gravitasi.

26

Gambar 2.8 Saringan Sistem Gravitasi

2.7.4 Cyclone Separator

Cyclone separator adalah alat yang menggunakan prinsip gaya sentrifugal

dan tekanan rendah karena adanya perputaran untuk memisahkan materi berdasarkan

perbedaan massa jenis dan ukuran. Cyclone merupakan mekanis yang sederhana

mempunyai bentuk yang khas, mudah dikenal, dan dapat ditemukan di beberapa

industri. Cara kerjanya seperti terlihat pada gambar di bawah, gerakan pusaran

(cyclonic) dari aliran udara akan menyebabkan terjadinya gaya sentrifugal pada

partikel debu, akibat partikel debu akan terkumpul pada dinding cyclone dan

selanjutnya jatuh melalui lubang bawah, sedangkan udara bersih akan keluar melalui

cerobong.

27

Gambar 2.9 Cyclone Separator

2.7.5 Prinsip Kerja Cyclone

Adapun prinsip kerja dari cyclone sebagai berikut :

- Gas atau aliran fluida diinjeksikan melalui pipa input

- Bentuk kerucut cyclone menginduksikan aliran gas atau fluida untuk

berputar menciptakan vortex.

- Partikel dengan ukuran atau kerapatan yang lebih besar didorong ke

arah luar vortex

- Gaya gravitasi menyebabkan partikel-partikel tersebut jatuh ke sisi

kerucut menuju tempat pengeluaran.

28

- Partikel dengan ukuran atau kerapatan yang lebih kecil, keluar melalui

bagian atas dari cyclone melalui pusat yang bertekanan rendah.

- Cyclone membuat suatu gaya sentrifugal yang berfungsi untuk

memisahkan partikular dari udara kotor.

- Gaya sentrifugal timbul saat partikular di dalam udara masuk ke

puncak kolektor silindris pada suatu sudut dan berputar dengan cepat

mengarah ke bawah seperti pusaran air. Aliran udara mengalir secara

melingkar dan partikular yang lebih berat mengarah ke bawah setelah

menabrak kea rah dinding cyclone dan meluncur ke bawah.

2.8 Aliran Udara

Gambar 2.10 Pengukuran Kecepatan Aliran Udara Dengan Pitot Tube

Kecepatan aliran udara dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

Bernoulli (Pitot Tube), berdasarkan perbedaan antara tekanan stagnasi P0 dan tekanan

statik P, sebagai berikut :

0

2

00

2

.2..2.Z

g

V

g

PZ

g

V

g

P

………………………………………………….(2.32)

Pada kondisi pengukuran tekanan diatas dimana titik berimpitan dengan

titik A, dimana titik adalah titik stagnasi Z – Z0 = 0, sehingga persamaan di atas

menjadi :

29

g

V

g

P

g

V

g

P

.2..2.

2

00

2

………………………………………………................(2.33)

Dalam keadaan stagnasi V0 = 0, maka persamaan 2.20 menjadi :

g

P

g

V

g

P

..2.

0

2

………………………………………………………...............(2.34)

V =

g

PPg

..2

0

dimana

g

PPh

.

0

…………………………………….(2.35)

Sehingga

V = hg ..2 …………………………………………………………………….(2.36)

2.8.1 Kecepatan Udara

Untuk menghitung kecepatan udara, maka digunakan persamaan sebagai

berikut :

vAm ...

………………………………………………………………………...(2.37)

A

gasmv

udara

udara.

.

(m/s) ………………………………………………………..(2.38)

Dimana :

Vudara = kecepatan udara

s

m

gasmudara ..

= laju aliran massa gasifikasi

s

kg

= massa jenis

3m

kg

A = luas penampang (m2)

2.8.2 Manometer

Untuk pengukuran kecepatan aliran udara dengan menggunakan manometer,

parameter yang dibutuhkan adalah pertambahan panjang fluida ukur (air) yang dapat

diamati dengan mistar. h dapat ditentukan dengan melihat gambar di bawah ini

30

Gambar 2.11 Manometer

Hubungan tekanan antara air dengan udara adalah tampak sebagaimana

persamaan berikut ini :

ududairair hghg .. .. …………………………………………………………(2.39)

Dari persamaan 2.26 di atas maka diperoleh :

air

udud

air

hh

. (m)…………………………………………………………….(2.40)

Dimana : udP Tekanan udara di dalam manometer

2m

N

= hg ..

= massa jenis air

3

1000

m

kg

g = gravitasi (9.8 2s

m)

airh = ketinggian air di manometer (m)