Evaluasi Kinerja Kompor Gasifikasi Force Draft

Proposal Penelitian Teknik Kimia UPN Veteran Yogyakarta

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Salah satu sumber energi alternatif yang besar peluangnya untuk

dikembangkan pemanfaatannya di Indonesia ialah energi biomassa, karena

keberadaanya melimpah. Indonesia merupakan negara agraris, memiliki potensi

biomassa yang sangat berlimpah yang dapat dijadikan bahan bakar baru baik dari

limbah pertanian dan pekebunan. Ketersediaan biomassa akan terus meningkat

jumlahnya seiring dengan program pemerintah dalam peningkatan produksi bahan

pangan dan pakan. Sebagai sumber energi, biomassa memiliki beberapa

keunggulan terutama dari sifat terbarukan. Selain itu dari segi lingkungan

penggunaan biomassa sebagai sumber energi memiliki dua pengaruh positif yaitu

bersifat mendaur ulang CO2 sehingga emisi CO2 ke atmosfer secara netto

berjumlah nol, dan sebagai sarana pemanfaatan limbah. Proses konversi biomassa

menjadi energi dapat ditempuh dengan beberapa cara yaitu pirolisis, gasifikasi dan

pembakaran. Gasifikasi sebagai salah satu proses termal konversi biomassa

menadi energy menawarkan efesiensi tinggi di banding proses pembakaran,

sedangkan pirolisis dan likuifaksi saat ini masih dalam proses pengembangan

lanjut(Bridgwater,2002). Gasifikasi biomassa merupakan suatu proses

dekomposisi termal dari bahanbahan organik melalui pemberian sejumlah panas

dengan suplai oksigen terbatas untuk menghasilkan sintesis gas yang terdiri dari

CO, H2, CH4 sebagai produk utama dan sejumlah kecil arang karbon dan abu.

Kompor gasifikasi adalah teknologi pemanfaatan biomassa. Kompor

gasifikasi mengkonversi biomassa menjadi gas mudah bakar CO, H2 dan CH4

yang selanjutnya menghasilkan nyala api. Pengoperasian kompor gasifikasi

membutuhkan pasokan udara dari lingkungan yang digunakan untuk gasifikasi

dan pembakaran gas menjadi nyala api. Kebutuhan udara untuk proses gasifikasi

disebut dengan udara primer. Proses gasifikasi terjadi dengan pasokan oksigen

Evaluasi Kinerja Kompor Gasifikasi Force Draft 1


kurang dari kebutuhan stokiometri pembakaran sempurna biomassa. Gas hasil

gasifikasi akan bereaksi dengan oksigen dan terbakar menghasilkan nyala api.

Kebutuhan udara untuk pembakaran gas disebut udara sekunder. Sistem pasokan

udara kompor gasifikasi dibedakan menjadi dua tipe, yaitu natural draft dan force

draft. Kompor gasifikasi tipe force draft menggunakan fan atau blower untuk

meningkatkan laju alir udara sehingga membutuhkan daya untuk

mengoperasikannya, sedangkan natural draft tidak membutuhkan daya tambahan

untuk mengoperasikannya.

1.2 Tujuan Penelitian

1. Untuk mengetahui kinerja dari kompor gasifikasi forced draft dengan

menggunakan berbagai macam bahan bakar biomassa.



BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Teknologi Gasifikasi

Setidaknya ada 3 tingkatan pengertian istilah gasifikasi. Pada pengertiannya

yang paling luas, gasifikasi adalah istilah yang diberikan untuk proses perlakuan

terhadap bahan bakar yang memberikan hasil akhir berupa gas yang masih bisa

digunakan sebagai bahan bakar (Higman dan Burgt, 2008). Pada pengertian ini

tercakup juga proses fermentasi anaerob dari biomas menghasilkan gas metana.

Pada pengertian yang lebih sempit, gasifikasi adalah proses pengubahan bahan

bakar menjadi bentuk gas dengan cara pemanasan (secara termokimia). Proses ini

masih mencakup gasifikasi dan pirolisa. Proses gasifikasi adalah salah satu varian

dari proses pirolisa yaitu pemecahan molekul bahan bakar padat menjadi senyawa

yang lebih sederhana karena pemanasan. Pada perkembangannya istilah pirolisa

lebih dikhususkan untuk pengubahan bahan bakar padat menjadi senyawa yang

lebih sederhana tanpa adanya reaksi dengan oksigen, sedang gasifikasi adalah

proses pengubahan bahan bakar padat menjadi gas dengan cara oksidasi parsial.

Istilah gasifikasi saat ini digunakan untuk menamai proses pembakaran bahan

bakar padat (secara umum juga meliputi bahan bakar cair) dengan oksigen

terbatas pada ruang tertutup sehingga menghasilkan gas yang masih dapat

dioksidasi lanjut (bersifat bahan bakar). Pada proses gasifikasi, bahan bakar padat

seperti batu bara atau biomas dipanaskan dan direaksikan dengan oksigen atau uap

air menghasilkan campuran gas yang komponen utamanya CO2, CO, H2, H2O,

CH4. Komponen utama gas bakar dalam campuran tersebut adalah CO dan H2.

Jika oksidatornya menggunakan udara maka akan terdapat juga fraksi N2 yang

cukup besar pada campuran gas tersebut yang berasal dari udara

Proses pirolisa dan gasifikasi sebenarnya selalu terjadi pada setiap

pembakaran bahan bakar padat. Pada lokasi terjadinya nyala api, suhu cukup



tinggi sehingga bahan bakar mengalami proses pirolisa dan gasifikasi

menghasilkan campuran uap dan gas yang mudah terbakar. Sebenarnya pada

pembakaran bahan bakar padat, yang terbakar adalah campuran gas dan uap

tersebut bukannya bahan bakar yang masih berbentuk padat, itulah sebabnya jika

diperhatikan maka terjadinya nyala api pada pembakaran bahan bakar padat tidak

langsung menempel pada bahan bakar tersebut melainkan timbul pada jarak

tertentu dari bahan bakar.

2.2. Gasifikasi Biomas

Gasifikasi biomas merupakan proses konversi secara termo-kimia bahan

biomas padat menjadi bahan gas. Rajvanshi (1986) mendefinisikan gasifikasi

biomas sebagai pembakaran biomas tidak selesai yang menghasilkan gas bakar

yang terdiri dari karbon monoxida (CO), Hidrogen (H2)and sedikit metana (CH4).

Proses gasifikasi pada dasarnya merupakan proses pirolisa pada suhu sekitar 150

– 900°C, diikuti oleh proses oksidasi gas hasil pirolisa pada suhu 900 – 1400°C,

serta proses reduksi pada suhu 600 – 900°C (Abdullah, et al 1998). Baik proses

pirolisa maupun reduksi yang berlangsung dalam reaktor gasifikasi terjadi dengan

menggunakan panas yang diperoleh dari proses oksidasi. Gasifikasi berlangsung

dalam keadaan kekurangan oksigen. Dengan kata lain, gasifikasi biomas boleh

dipahami sebagai reaksi oksidasi parsial biomas menghasilkan campuran gas yang

masih dapat dioksidasi lebih lanjut (bersifat bahan bakar).

Pada proses gasifikasi terjadi banyak reaksi yang terjadi secara bertingkat.

Jika disederhanakan, secara netto reaksi gasifikasi dengan oksidator udara atau

oksigen dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut.

C6H12O5 + O2 –> CxHz + CnHmOk + CO + H2 + kalor…(Simpson, 2001)

Hasil yang diperoleh dari gasifikasi biomas merupakan campuran beberapa

macam gas. Komponen utama bahan bakar dalam gas biomas adalah H2 dan CO.

Kandungan CO dalam gas biomas 15 – 30%, sedang H2antara 10 – 20% (Turare,



1997). Komponen CnHmOk pada persamaan di atas berupa fraksi uap campuran

dari berbagai macam senyawa organik yang disebut dengan nama umum tar. Gas

hasil proses gasifikasi biomas dinamakan producer gas atau gas biomas untuk

membedakan dengan istilah biogas, yaitu gas hasil fermentasi anaerob (anaerobic

digestion) biomas. Sedang alat atau ruang yang digunakan untuk menggasifikasi

biomas dinamakan gasifier atau gas producer atau reaktor gasifikasi atau

generator gas.

Secara umum reaksi yang terjadi pada gasifikasi adalah:

2.2.1 Tahap Proses Pengeringan

Pada tahap ini biomassa dikeringkan, hal ini bertujuan agar kandungan

air yang ada didalam biomassa dapat teruapkan ke udara.

2.2.2 Tahap Proses Pirolisa

Biomassa yang sudah kering diubah menjadi produk-produk,

hidrokarbon ringan, arang, tar, air, CO2, CO, CH4.

2.2.3 Tahap Proses Oksidasi

Pada tahap ini terjadi reaksi oksidasi produk pirolisis terutama arang,

dengan skema reaksi sebagai berikut:

C + O2 CO2 ΔH = -94, 05 kcal/g-mol (2.1)

C + ½ O2 CO ΔH = -26, 42 kcal/g-mol (2.2)

CO + ½ O2 CO2 ΔH = -67, 63 kcal/g-mol (2.3)

Selain itu terjadi juga reaksi antara hidrogen dengan oksigen.

H2 + ½ O2 H2 ΔH = -57, 7979 kcal/g-mol (2.4)

Pada tahap ini dihasilkan panas, karena reaksi endotermik dan panas

tersebut akan dimanfaatkan untuk tahap proses reduksi.



2.2.4 Tahap Proses Reduksi

Tahap reduksi merupakan tahap yang sangat penting karena pada tahap

ini dihasilkan gas bakar H2, CO, CH4. Reaksi pada tahap ini sebagai

berikut:

C + CO2 2CO ΔH = +41,2 kcal/g-mol (2.5)

C + H2O CO + H2 ΔH = +31,4 kcal/g-mol (2.6)

CO + H2O CO2+ H2 ΔH = -9, 8 kcal/g-mol (2.7)

C + 2H2 CH4 ΔH = -17,9 kcal/g-mol (2.8)

Reaksi (2.5) dan (2.6) merupakan reaksi utama dalam proses gasifikasi

biomassa, oleh karena itu diharapkan suhu yang tinggi sebelum proses

reduksi ini berlangsung agar didapatkan hasil yang optimal.

2.3 Hasil Proses Gasifikasi

Pembakaran biomassa akan menghasilkan produk dan hasil samping,

antara lain:

2.3.1 Abu

Abu merupakan bahan anorganik sisa pembakaran biomassa dan

terbentuk dari perubahan bahan mineral (mineral matter) karena proses

pembakaran. Pada pembakaran batubara dalam pembangkit tenaga listrik

terbentuk dua jenis abu yakni abu terbang (fly ash) dan abu dasar (bottom

ash). Partikel abu yang terbawa gas buang disebut abu terbang, sedangkan

abu yang tertinggal dan dikeluarkan dari bawah tungku disebut abu dasar.

Sebagian abu dasar berupa lelehan abu disebut terak (slag).

2.3.2 Karbon Monoksida

Gas karbon monoksida (CO) terbentuk pada pembakaran tidak

sempurna. Gas ini dihasilkan dari proses oksidasi bahan bakar yang tidak

sempurna. Gas ini bersifat tidak berwarna, tidak berbau, tidak



menyebabkan iritasi. Selain menghasilkan energi lebih rendah, gas CO

merupakan polutan yang dapat mencemari lingkungan terutama untuk para

pekerja di lingkungan tertutup.

2.3.3 Asap dan Gas Hidrokarbon

Asap dan gas hidrokarbon terbentuk pada pembakaran yang sangat

tidak sempurna. Asap terutama terdiri dari partikel-partikel karbon yang

tidak terbakar. Sedangkan gas-gas hidrokarbon adalah senyawa-senyawa

karbon dan hidrogen hasil pemecahan bahan organik biomassa yang belum

mengalami oksida oksigen lebih lanjut. Seperti karbon monoksida,

pembentukan asap dan gas-gas hidrokarbon menyebabkan rendahnya

efisiensi pembakaran bahkan jauh lebih rendah dari yang diakibatkan oleh

pembentukan karbon monoksida.

2.3.4 Karbon Dioksida

Dalam pembakaran bahan bakar fosil seperti batubara, tujuan

utamanya dalah semaksimal mungkin mengkonversikan unsur utama

dalam batubara yakni C (karbon) menjadi CO2 sehingga dihasilkan energi

yang tinggi. Dikarenakan batubara mengandung kadar karbon paling

tinggi dibanding bahan bakar fosil lainnya seperti minyak dan gas, maka

pembakaran batubara dianggap merupakan sumber emisi CO2 terbesar.

2.4 Rancangan Reaktor Gasifikasi

Ada beberapa tipe reaktor gasifikasi, yang secara garis besar terbagi

menjadi fixed-bed dan fluidized bed. Reaktor tipe fluidized bed biasanya

berukuran besar dan menghasilkan daya dalam besaran MW. Sedang tipe fixed-

bed digunakan untuk memperoleh daya kecil dengan kisaran kW sampai beberapa

MW. Pada kebanyakan tipe reaktor fixed-bed (unggun tetap) sebenarnya terjadi

aliran secara lambat biomas dalam reaktor secara gravitasi. Itulah sebabnya tipe



ini juga disebut sebagai moving-bed (unggun merambat). Beberapa macam reaktor

gasifikasi yang paling banyak digunakan saat ini diberikan pada Tabel 1 berikut.

Tabel 1. Tipe reaktor gasifikasi

Moving beds Fluid beds Entrained

bedsCo-current Counter current Dense Circulating

Suhu °C 700-1200 700-900 < 900 < 900 ± 1500

Tar Rendah Tinggi Sedang Sedang Tidak ada

Kontrol Mudah Paling Mudah Sedang Sedang Kompleks

Skala < 5 MW < 20 MW 10-100MW > 20 MW > 100 MW

(diolah dari Knoef, 2005)

Pada tipe moving-bed, biomas akan mengalir ke bawah secara lambat dalam

reaktor berbentuk tabung, seiring dengan laju pembakaran yang terjadi pada

bagian bawah tumpukan tersebut. Pada tipe tersebut selama proses gasifikasi,

front nyala api terjadi di bagian bawah reaktor, sehingga nama lengkap untuk tipe

ini adalah moving-bed fixed-flame. Reaktor moving bed cocok untuk biomas yang

mudah bergerak ke bawah oleh gaya gravitasi misalnya serpih / cebis kayu (wood

chips), kayu potong kecil, tongkol jagung, tempurung kelapa, dan sebagainya.

Tipe reaktor moving bed yang saat ini beroperasi terdiri dari 2 macam yaitu down-

draft (alir bawah) atau co-current danup-draft (alir atas) atau counter-current.

Penamaan alir bawah atau atas tersebut adalah berdasar aliran masuknya udara

dan keluarnya gas di dalam reaktor. Karena kandungan tarnya tinggi, reaktor

tipe up-draft hanya cocok untuk memasok gas untuk tungku dan tidak cocok

untuk memasok bahan bakar untuk motor bakar dalam. Untuk memperoleh bahan

bakar bagi motor bakar dalam, reaktor yang cocok adalah tipe down-draft, karena

kandungan tarnya rendah sehingga lebih mudah dan murah untuk

membersihkannya. Pada Gambar 1 ditunjukkan skema reaktor gasifikasi up-



draft dan down-draft.

Up-draft Down-draft

Gambar 1. Dua sub-tipe reaktor gasifikasi moving bed (Turare, 1997).

Tipe reaktor downdraft ada 2 macam yaitu tipe yang menggunakan leher, disebut

juga dengan tipe “imbert”, serta tipe tanpa leher. Tipe tanpa leher ini antara lain

dikembangkan oleh University of California Davis (Baozhao dan Yicheng, 1994).

Tipe ini cocok untuk biomas yang sulit mengalir jika terhalang bentuk leher.

Salah satu umpan yang sangat cocok dengan tipe ini adalah sekam.

Selain itu, ditinjau dari aliran bahan dalam reaktor, di samping tipe unggun

merambat juga terdapat tipe reaktor yang biomas di dalamnya tidak mengalir.

Pada tipe ini selama proses, nyala api bergerak sepanjang tabung reaktor. Untuk

tipe alir bawah, nyala api merambat dari bagian bawah reaktor menuju bagian atas

(penyulutan di bawah), sedang untuk alir atas, nyala api bergerak dari atas ke

bawah (disulutnya dari permukaan atas). Dalam bahasa Inggris, nama yang

lengkap untuk tipe ini adalah fixed-bed moving-flame. Karena tidak bisa dilakukan

penambahan bahan bakar selama proses, tipe ini disebut sebagai tipe batch. Tipe

ini cukup sederhana sehingga banyak digunakan untuk gasifikasi skala mikro

untuk kebutuhan energi rumah tangga. Tipe reaktor yang digunakan pada

sistem batch tersebut adalah reaktor tanpa leher (throatless gasifier).



BAB III

PELAKSANAAN PENELITIAN

3.1 Bahan

1. Limbah kayu (potongan kayu)2. Sekam3. Grajen kayu

3.2 Alat Percobaan

Gambar 3.1 Kompor Gasifikasi Forced Draft



3.3 Diagram alir percobaan

3.3.1 Cara memperoleh tailing batubara

Limbah batubara

Air ( pompa sumber air)

Pompa sirkulasi

Batubara bersih 12 mesh < 60 mesh

s/d 60 mesh

Batubara Halus Pengotor / Lempung

Gambar 3.2 Diagram alir pencucian limbah batubara

3.3.2 Proses gasifikasi tailing batubara

Udara

Injeksi Steam

Analisis Gas

Gambar 3.3 Diagram Alir Proses Gasifikasi Tailing Batubara


Tailing batubara

Pemanasan/pembakaran

Gasifikasi

Belt Conveyor

Ayakan Getar

Tangki Klarifikasi


3.4 Cara Kerja

3.4.1 Pemisahan limbah batubara ( tailing ) dari pengotor

Dalam proses pencucian limbah batubara dasar proses pemisahan antara batubara terhadap mineral pengotor ataupun lempung dipengaruhi oleh sudut kemiringan (“angle of repose”), amplitudo getaran ayakan getar dan tekanan air sehingga dihasilkan suatu kondisi dimana proses pemisahan antara batubara terhadap mineral pengotor atau lempung dapat berjalan optimal. Pada pemisahan serbuk batubara skala laboratorium tidak digunakan ayakan getar akan tetapi digunakan ayakan manual biasa dengan dipasang secara bertahap dari yang paling kasar ( 12 mesh ) turun ke yang paling halus ( 140 mesh/150 mesh). Di sini prinsip mekanisme pemisahan unsur pengotor dari batubara seperti yang dilakukan pada percobaan pilot plant berbeda dengan yang dilakukan pada skala laboratorium, maka perlu dilakukan uji coba adapun faktor kecendrungan yang masih dapat digunakan sebagai acuan dasar dalam proses pemisahan limbah batubara dari skala laboratorium menuju skala pilot plant anatara lain: Gravitasi batubara, gravitasi pasir pengotor, gaya lempar batubara, gaya lempar pasir pengotor, gaya geser batubara, gaya geser pasir.

Sebelum percobaan dilakukan bahan limbah batubara dari PT Indominco Mandiri dikumpulkan terlebih dahulu pada suatu tempat atau stock pile. Alat – alat yang digunakan antara lain :

1. Ayakan getar ( 12 mesh dan 60 mesh). Alat ini digunakan untuk memisahkan antara partikel batubara kasar +12 mes sampai dengan 60 mesh dari partikel batubara halus yang berukuran < 60 mesh yang banyak bercampur dengan lempung yang ada di lapangan. Ayakan dilengkapi semprotan air pencuci. Semprotan ini berfungsi untuk mencuci serbuk batubara dari kotoran lempung dan mempercepat pemisahan anatara batubara yang halus dengan yang kasar.

2. Tangki Klarifikasi. Tangki klarifikasi digunakan untuk menampung serbuk batubara halus (<60 mesh) dan lempung pengotor. Terdapat tangki pengendap yang dihubungkan kembali dengan pompa sirkulasi agar air yang telah bebas endapan digunakan lagi untuk mencuci limbah batubara yang kotor di dalam ayakan getar.

3. Pompa air untuk sirkulasi. Pompa ini dihubungkan ke tangki pengendap akhir pada tangki klarifikasi dengan alat penyemprot air



yang digunakan untuk menyemprot limbah batubara yang kotor di ayakan getar.

4. Belt conveyor. Alat ini digunakan untuk memindahkan limbah batubara dari tempat stock pile ke tempat pencucian.

5. Pompa penambah air. Pompa ini dioperasikan bila air yang digunakan untuk pencucian limbah batubara mengalami kekurangan.

6. Alat Penunjang. Alat ini terdiri dari pembangkit listrik, jaringan listrik dan pengadaan air bersih.

3.4.2 Proses gasifikasi tailing batubara

Percobaan gasifikasi tailing batubara dilakukan dengan menggunakan reaktor gasifikasi unggun terfluidisasi pada tekanan atmosferik dengan medium gasifikasi oksigen dan kukus. Oksigen diambil dari udara bebas dan diumpankan secara terbatas ke dalam reaktor dengan menggunakan blower. Kukus dibangkitkan dari boiler dalam kondisi atmosferik dan diinjeksikan dengan kecepatan alir tertentu ke dalam reaktor pada beberapa posisi di bagian bawah reaktor. Tailing batubara diumpankan ke dalam reaktor lewat sisi samping reaktor bagian bawah di atas distributor udara menggunakan screw feeder, diamana laju putaran screw feeder diatur menggunakan gearbox sehingga putaran screw menjadi lebih lambat dan diperoleh laju umpan sesuai kapasitas reaktor. Tailing batubara sebagai bahan baku gasifikasi terlebih dahulu digiling dan diayak sehingga diperoleh ukuran partikel tertentu sesuai dengan rancangan percobaan. Ukuran partikel dirancang sedemikian rupa sehingga proses fluidisasi dapat berlangsung sempurna. Hal ini sangat berpengaruh pada kecepatan minimum udara untuk mencapai kondisi fluidisasi minimum dan kecepatan terminal udara sehingga partikel batubara terbawa keluar bersama gas sintesis yang dihasilkan. Ukuran partikel yang semakin besar akan membutuhkan laju alir minimum fluidisasi yang semakin besar dan sebaliknya.

Proses gasifikasi tailing batubara diawali dengan pemanasan reaktor mempergunakan burner gas LPG. Selama proses pemanasan, blower (exhaust fan) dihidupkan untuk mensuplai oksigen. Setelah temperatur kolom reaktor tercapai sesuai yang diinginkan berkisar 7000C-8000C, batubara halus dengan laju tertentu diumpankan kedalam reaktor. Pada awal proses suhu reaktor mengalami penurunan dan kemudian naik secara cepat akibat proses pembakaran tailing



batubara dan bersamaan dengan itu burner gas LPG dimatikan. Reaksi pembakaran dibiarkan berlangsung lebih lama sampai diperoleh temperatur reaktor dicapai sesuai yang dirancang. Pada temperatur reaktor tertentu, kecepatan udara masuk reaktor diturunkan (minimal) supaya hanya terjadi pembakaran parsial saja (untuk menjaga suhu reaktor) dan secara bersamaan kukus lewat jenuh mulai diinjeksikan kedalam reaktor dengan kecepatan tertentu. Pada kesempatan ini temperatur akan turun kembali sampai mencapai kondisi reaksi gasifikasi berkisar antara 5500C sampai 6000C dengan cara mengatur meminimalkan kecepatan udara dan mengoptimalkan kecepatan kukus masuk reaktor.

Gas hasil gasifikasi yang meninggalkan reaktor masih bercampur dengan sedikit debu atau partikulat kecil batubara dan tar yang terbawa bersama aliran. Partikel-partikel ini perlu dipisahkan dari gas hasil agar tidak menyumbat sistem perpipaan alat pendingin. Untuk tujuan ini digunakan siklon, gas hasil yang telah dibersihkan dalam siklon, selanjutnya dilakukan analisis terhadap kadar CO, H2

dan CH4 dengan alat gas kromatografi (GC) dan selebihnya dibakar (flare)


Evaluasi Kinerja Kompor Gasifikasi Force Draft

Documents

Transcript of Evaluasi Kinerja Kompor Gasifikasi Force Draft