II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Gasifikasi Biomassa

Secara harfiah biomassa adalah material biologis yang berasal dari

tumbuhan, hewan, termasuk manusia yang dapat dijadikan sumber energi. Jenis

material yang dapat dikatakan sebagai biomassa sangat bervariatif mulai dari

residu agrikultur, residu hewan, serpih kayu, kayu hasil residu perkotaan yang

kering serta terkontaminasi material lain, hingga material organik dari sampah

padat di perkotaan [6,7,8]. Biomassa dapat dimanfaatkan untuk memproduksi

energi salah satunya melalui proses termokimia contohnya pirolisis, gasifikasi,

dan pembakaran. Perbedaan jenis konversi energi tersebut terletak pada

banyaknya suplay oksigen saat konversi berlangsung. Konsumsi oksigen yang

diperlukan saat pembakaran setidaknya memiliki AFR 6,25. Pada proses

gasifikasi memiliki batasan AFR 1,5. Sedangkan pirolisis cenderung tidak

membutuhkan oksigen pada prosesnya [9].

Gasifikasi secara bahasa dapat diartikan sebagai pembuatan gas. Secara

definisi yang sebenarnya, gasifikasi adalah proses konversi energi dari bahan

bakar yang mengandung karbon (padat ataupun cair) menjadi gas yang disebut

producer gas dimana gas tersebut memiliki nilai bakar dengan cara oksidasi

parsial pada temperatur tinggi. Produk luaran gasifikasi yang telah dimurnikan

adalah komponen yang mudah terbakar yang terdiri dari campuran karbon

8

monoksida (CO), hydrogen (H2) dan metan (CH4) yang disebut syngas dan

pengotor inorganik seperti NH3, HCN, H2S, debu halus, serta pengotor organik

yaitu tar [10,11]. Komposisi gas ini sangat tergantung pada komposisi unsur

dalam biomassa, bentuk dan partikel biomassa, serta kondisi-kondisi proses

gasifikasi. Sebagai ilustrasi, komposisi gas hasil gasifikasi sekam padi bentuk

jarum ukuran 1 cm adalah CO 20,1%, H2 11,3%, CH4 1,8%, CO2 % , N2 55,4%

dan panas pembakaran 4350 kJ/kg [1].

Proses gasifikasi mempunyai 2 stage reaksi yaitu proses oksidasi dan

reduksi. Sub-stoikiometerik oksidasi menggiring gas mudah menguap dari

biomassa dan proses ini adalah eksotermis (melepaskan energi). Proses ini

berlangsung pada temperatur 1100 – 1200 oC dan terjadi pembangkitan produk

gas seperti karbon monoksida, hidrogen dan karbon dioksida (CO2) serta uap air

yang mana pada gilirannya di-reduksi ke karbon monoksida dan hidrogen dengan

bed charcoal panas yang dibangkitkan selama proses gasifikasi. Sedangkan

reaksi reduksi adalah sebuah reaksi endotermis (membutuhkan panas) untuk

membangkitkan produk yang mudah terbakar seperti hidrogen, karbon monoksida

dan metan [8].

2.2. Gasifier

Gasifier adalah reaktor berlangsungnya proses gasifikasi, di dalam reaktor

tersebut terjadi empat proses yang berbeda yang berlangsung dalam sebuah

gasifier seperti yang terlihat pada Gambar 2.1. Masing-masing diasumsikan

menempati area yang berbeda dimana secara fundamental berlangsung reaksi

termal dan kimia yang berbeda [13].

9

Gambar 2.1 Empat zona proses gasifikasi

2.2.1. Zona Proses Di Dalam Gasifier

Pengeringan: Prosesnya yaitu kandungan air yang ada dalam biomassa diekstrak

dalam bentuk uap tanpa adanya dekomposisi kimia dari biomasa.

Biomasa + Panas = Biomasa kering + Uap

Pirolisis: Setelah pengeringan dilakukan, bahan bakar akan turun dan menerima

panas sebesar 250-500oC dalam kondisi tanpa udara. Pirolisis dimulai dari

dekomposisi hemiselulosa pada 200-250, dekomposisi selulosa sampai 350oC, dan

pirolisis berakhir pada 500oC. Selanjutnya pengarangan berlangsung pada 500-

900oC, yang terjadi pada batas zona pirolisis dan oksidasi. Produk dari proses ini

terbagi menjadi produk cair (Tar dan PAH), produk gas (H2, CO, CO2, H2O,

CH4), tar dan arang. Reaksi kimia pirolisis dapat dituliskan sebagai berikut [9,12].

Biomasa kering + panas = arang + tar + gas (H2, CO, CO2, H2O, CH4, CxHy)

Pembakaran : adalah proses untuk menghasilkan panas yang memanaskan

lapisan karbon dibawah. Arang yang terbentuk dari ujung zona pirolisis masuk ke

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Lampung Tugas Akhir 2012

10

oksidasi, selanjutnya dibakar pada temperatur operasi yang cukup tinggi 900-

1400oC. Pada gasifier downdraft temperatur setinggi ini, akan menghancurkan

substansi tar sehingga kandungan tar menjadi lebih rendah. Distribusi oksigen

yang merata akan menyempurnakan proses oksidasi sehingga dihasilkan tempe-

ratur maksimal dalam keseluruhan proses gasifikasi. Sekitar 20% arang beserta

volatil teroksidasi dengan memanfaatkan O2 yang terbatas, sisa 80% arang turun

kebawah menuju bagian reduksi yang hampir semuanya akan dipakai, menyisakan

abu yang jatuh ke tempat pembuangan [9,12].

2C + O2 = 2CO + Energi termal

2CO + O2 = 2 CO2 + Energi termal

Tar minyak metana, dll = CO, CO2, H2O, CH4 + Energi termal

Reduksi : Proses ini bersifat mengambil panas yang berlangsung pada suhu 400-

900oC. Pada proses ini terjadi beberapa reaksi kimia yang merupakan proses

penting terbentuknya beberapa senyawa yang berguna untuk menghasilkan

combustible gas seperti H2, CO, CH4 atau yang dikenal dengan producer gas.

Berikut reaksi kimia di zona reduksi [9.12]:

Bourdouar reaction CO2 + C = 2CO – Energi termal

Steam-carbon reaction C + H2O = CO + H2 – Energi termal

Water-gas shift reaction CO + H2O = CO2+ H2 + Energi Termal

CO methanation CO + 3H2 = CH4 + H2O

2.2.2 Jenis Gasifier

Sejarah gasifikasi mengungkapkan beberapa rancangan gasifier yang

diklasifikasikan oleh arah aliran gas melalui reaktor (arah naik, turun, atau

mendatar), dimana jenis reaktor antara lain sebagai berikut :

11

\

Gambar 2.2. Beberapa tipe gasifier

2.2.2.a. Gasifier Tipe Updraft

Pada tipe ini umpan dimasukan pada bagian atas reaktor dan bergerak

kebawah melewati zona pengeringan, pirolisis, reduksi, dan oksidasi. Sedangkan

udara masuk pada bagian bawah dan gas keluar pada bagian atas. Keunggulan tipe

ini yaitu kesederhanaanya, tingkat pembakaran arang yang tinggi, pertukaran

panas internal sehingga suhu gas keluar rendah, dan efisiensi gasifikasi yang

tinggi. Selain itu bahan baku yang diumpankan dapat berada pada kondisi kadar

air yang cukup tinggi (50% wb). Kekurangannya, producer gas yang keluar dari

reaktor berada pada kondisi temperatur rendah (<500oC), membawa tar yang

terkon-densasi serta minyak yang berasal dari proses pirolisis [13,14,15]. Gasifier

ini sesuai untuk pemanfataan panas langsung.

2.2.2.b Gasifier Tipe Downdraft

Gasifier downdraft dirancang untuk mengurangi tar yang terkondensasi

serta minyak yang diproduksi dari counterflow gasifier (updraft). Dalam Meka-

nismenya, aliran biomassa dan udara gasifikasi bergerak ke bawah dalam arah

yang sama (co-flow) menuju bed bahan bakar. Ketika bahan bakar di dalam

Bc

AA

b. Downdraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)

a. Updraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)

c. Crossdraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung

Tugas Akhir 2012

12

reaktor bergerak ke bawah, uap akan terpirolisis dan char langsung masuk ke

bagian pengecilan pada bagian bawah reaktor. Pada saat itu udara akan diinjek-

sikan ke bagian tersebut melalui di dinding reaktor. Kondisi temperatur yang

tinggi pada bagian pengecilan akan membakar tar dan minyak pada producer gas.

Kemudian producer gas akan keluar dari bagian bawah reaktor dengan dihisap

melalui anulus pada dinding reaktor. Dikarenakan rendahnya kandungan tar dan

minyak, gasifier tipe downdraft banyak diaplikasikan untuk mesin pembakaran

internal [13,14,15.16].

2.2.2.c Gasifier Tipe crossdraft

Gasifier tipe crossdraft didesain untuk pemakaian arang, dimana mekanis-

menya aliran udara mengalir tegak lurus terhadap zona pembakaran. Gasifikasi

arang menghasilkan suhu yang sangat tinggi (>1500oC) di daerah oksidasi, yang

dapat mengakibatkan masalah pada material reaktor. Selain itu kinerja pemecahan

tar termasuk rendah, sehingga diperlukan arang berkualitas tinggi. Keunggulan

tipe ini adalah, dapat dioperasikan pada skala sangat kecil dan kontruksi bagian

pemurnian producer gas (siklon dan baghouse filter) relatif sederhana [13,17].

Parameter teknis dan operasional beberapa tipe diatas tersaji pada tabel 2.1 dan

tabel 2.2.

Tabel 2.1. Parameter teknis beberapa jenis gasifier [18,19]

Uraian Jenis Gasifier

Downdraft Updraft Open core Crossdraft

Kapasitas komersial

maksimum (kWe) 350 4.000 200 150

Waktu penyetelan (min) 10-20 15-60 15-60 10-20

Sensititas fluktuasi beban Sensitif Tidak

sensitif

Tidak

sensitif Sensitif

Sensitifitas bahan bakar Sensitif Tidak sensitif Sangat sensitif Sensitif

13

Tabel 2.1. Parameter teknis beberapa jenis gasifier (Lanjutan) [18,19]

Uraian Jenis Gasifier

Downdraft Updraft Open core Crossdraft

Ukuran dan volume

bagian pembersih gas Kecil Besar Besar Kecil

HG full load (%) 1

85-90 90-95 70-80

CG full load (%) 2 65-75 40-60 35-50

LHV syngas (kJ/Nm3) 4,5-5,0 5,0-6,0 5,5-6,0

1 HG (Efisiensi gas panas), jika diaplikasikan untuk aplikasi pembangkit panas

2 CG (Efisiensi gas dingin), jika gas diaplikasikan setelah didinginkan sampai temperatur lingkungan untuk

aplikasi pembangkit daya

Tabel 2.2. Parameter operasional gasifier [18,19]

Pengoperasian gasifier

Meningkatkan temperatur Menurunkan

kandungan char dan tar Menurunkan metan

dalam producer gas Meningkatkan konversi

karbon Meningkatkan nilai

kalor syngas

Menurunkan efisiensi

energi Meningkatkan

problema ash

Meningkatkan tekanan Menurunkan

kandungan char dan tar Tidak memerlukan

pengompresian

producer gas untuk

penggunaan

downstream

Terbatasnya

pengalaman desain dan

operasional

Biaya mahal

Meningkatkan ekivalensi

rasio

Menurunkan

kandungan char dan tar Menurunkan nilai kalor

producer gas

Berkualitas atau tidaknya producer gas dipengaruhi dari beberapa faktor

seperti jenis biomassa, gasifiying agent, reaktor, dan AFR gasifikasi [6,9]. Hal

yang perlu ditekankan bahwa, AFR memegang peranan penting dalam proses

gasifikasi ini. Sedikit keluar dari standar yang ditetapkan yaitu 1,5, proses akan

mengarah ke pembakaran sempurna dimana CO2 akan semakin mendominasi

kandungan producer gas.

14

Akan tetapi, Perlu digaris-bawahi bahwa nilai tersebut bukanlah batas

mutlak untuk melangsungkan proses gasifikasi secara maksimum. Sebab disam-

ping AFR, terdapat faktor lain yaitu jenis biomassa. Berdasarkan riset terdahulu,

gasifikasi dengan bahan serpihan kayu memiliki AFR terbaik berada di titik 0,96,

dimana komposisi gas mampu bakar relatif lebih besar hingga kualitas penyalaan

api producer gas berwarna biru dengan LHV sekitar 4800 kJ/m3[20]. AFR

tersebut berbeda dengan AFR gasifikasi sekam padi yang memiliki titik terbaik

berada pada 1,25, yang menghasilkan komposisi CH4, H2, CO, dan LHV yang

terbesar senilai 3289,38 kJ/kg [21]. Disamping itu walau berasal dari bahan dasar

yang sama, briket sekam padi ternyata juga memiliki AFR gasifikasi maksimum

tersendiri yaitu 0,8, dengan LHV producer gas sebesar 9159 kJ/Nm3 [22].

Pemilihan jenis reaktor akan sangat berpengaruh terhadap karakteristik

producer gas yang diproduksi termasuk didalamnya temperatur, jumlah

kandungan tar, serta keberadaan partikulat. Maka dari itu perlu dicermati secara

seksama pemilihan jenis reaktor terhadap karakteristik penggunaan producer gas

tersebut. Representasi tingkatan tar dan partikulat untuk beberapa jenis gasifier

secara umum tersaji dalam tabel 2.3.

Tabel 2.3. Perbandingan tingkatan tar dan partikulat dari beberapa tipe gasifier

[23,24]

Tipe Gasifier

Muatan Partikulat

(g/Nm3)

Muatan Tar

(g/Nm3)

Low High Representative

Range Min. Max

Representative

Range

Fixed Bed

Downdraft 0,01 10 0,1-0,2 0,04 6,0 0,1-1,2

Updraft 0,1 3 0,1-1,0 1 150 20-100

Moving Bed

Fluidized Bed 1 100 2-20 <0,1 23 1-15

Circulating FB 8 100 10-35 <1 30 1-15

15

2.3. Bahan Baku Gasifikasi

Faktanya tidak semua biomassa dapat dikonversikan dengan proses

gasifikasi, karena ada beberapa klarifikasi dalam mendefinisikan bahan baku yang

dipakai pada sistem gasifikasi. Pendefinisian bahan baku gasifikasi tersebut,

dimaksudkan untuk memilah antara bahan baku yang baik dan yang kurang baik.

Beberapa parameter yang dipakai untuk mengklarifikasikannya yaitu :

Kandungan Energi

Bahan baku dengan kandungan energi yang tinggi akan memberikan

pembakaran gas yang lebih baik.

Kandungan Moisture

Bahan baku yang digunakan untuk proses gasifikasi umumnya diharapkan

ber-moisture rendah, sebab bahan baku tersebut menghasilkan gas

berkualitas baik, bernilai kalor tinggi, serta mampu mencapai efisiensi

optimal [20]. Kandungan moisture yang tinggi menyebabkan heat loss

yang berlebihan, dan juga membuat beban pendinginan semakin tinggi

dikarenakan pressure drop yang terjadi meningkat. Idealnya kandungan

moisture yang sesuai untuk bahan gasifikasi < 20% [25].

Kandungan Abu

Abu merupakan bahan inorganik atau kandungan mineral yang tertampung

didalam reaktor setelah bahan baku terbakar sempurna. Jumlah abu dari

berbagai jenis umpan bervariasi dari 0,1% untuk kayu hingga 15% untuk

beberapa produk pertanian, sehingga hal tersebut mempengaruhi desain

reaktor terutama dalam sistem pembuangan abu. Komposisi kimia abu

juga mempengaruhi perilaku pelelehan abu, dimana dapat menyebabkan

16

slagging dan penyumbatan di dalam reaktor [26]. Desain gasifier yang

baik setidaknya menghasilkan kandungan abu kurang dari 2-6 g/m3

[27].

Tar

Tar adalah cairan hitam kental yang terbentuk dari destilasi destruktif pada

material organik. Tar merupakan salah satu kandungan yang paling

merugikan dan harus dihindari karena sifatnya yang korosif dan

membahayakan lingkungan. Pada reaktor gasifikasi terbentuknya tar,

terjadi pada temperatur pirolisis yang kemudian terkondensasi pada suhu

200-600oC dalam bentuk asap. Namun pada beberapa kejadian tar dapat

berupa zat cair pada temperatur yang lebih rendah [28]. Producer gas yang

mengandung tar relatif tinggi jika diumpankan pada IC engine, dapat

menimbulkan deposit pada karburator dan intake valve sehingga menu-

runkan lifetime mesin [28,29]. Desain gasifier yang baik setidaknya

menghasilkan tar tidak lebih dari 1g/m3

[30].

Nilai panas bersih (LHV), kandungan moisture, kandungan abu dari

beberapa biomassa tersaji dalam tabel 2.4.

Tabel 2.4. Tipikal biomasa umpan reaktor untuk pembangkitan energi [18,19]

Jenis LHV (kJ/kg) Kandungan

moisture (%) Kandungan abu (%)

Ampas tebu 7.700-8.000 40-60 1,7-3,8

Kulit ari coklat 13.000-16.000 7-9 7-14

Kulit kelapa 18.000 8 4

Kulit ari kopi 16.000 10 0,6

Residu kapas

- Tangkai 16.000 10 0,1

- Sampah biji 14.000 9 12

Gambut 14.000 9 19

Sekam padi 12.000 10 4,4

Arang 25.000-32.000 1-10 0,5-6

17

Penyiapan umpan biomassa perlu diperhatikan karena hampir semua jenis

umpan memiliki variasi karakteristik fisik, kimia, dan morfologi yang berbeda.

Pengolahan awal bahan baku juga dipengaruhi pada karakteristik gasifier, seperti

kapasitas dan jenis reaktor. Sebagai contoh, gasifier tipe downdraft lebih meng-

haruskan keseragaman biomassa dibanding tipe updraft. Persyaratan bahan baku

untuk setiap gasifier tersaji dalam tabel 2.5.

Tabel 2.5. Persyaratan bahan bakar untuk setiap tipe gasifier [18]

Keterangan

Jenis Gasifier

Downdraft Updraft Open core Crossdraft

Ukuran (mm) 20-100 5-100 1-3 1-3

Kadar moisture (%) < 15-20 <50 <12 <7

Kadar abu (%) <5 <15 <12 <7

Morfologi Seragam Hampir seragam Seragam Seragam

Densitas bulk (kg/m3) > 500 >400 >100 >400

Titik leleh abu >1.250 >1.250 >1.000 >1.250

2.4. Gasifikasi Untuk Pembangkit Energi Listrik

Producer gas dari gasifikasi biomassa hasil dari proses pemurnian

(syngas) dapat dijadikan sebagai bahan bakar mesin pembakaran internal

penggerak (diesel maupun bensin) generator listrik. Pada mesin bensin, campuran

udara dan bahan bakar dinyalakan dengan menggunakan busi sebagai pemantik.

Dengan demikian mesin bensin dapat dioperasikan menggunakan injeksi syngas

tanpa bensin. Sedangkan pada mesin diesel, syngas tidak dapat dipakai 100%,

karena suhu dan tekanan di dalam silnder tidak dapat menyalakan campuran udara

dan syngas [1,31]. Selama injeksi campuran udara dan syngas diperlukan injeksi

solar sebagai pemantik. Pemakaian syngas pada mesin diesel mampu mensubtitusi

kebutuhan solar hampir 70% [1,31,32].

18

Gambar 2.3. a. Pembangkit listrik sekam padi thailand; b. Pembangkit listrik

gasifikasi ITB [1,32,33]

Pada kawasan Asean sebagai contoh di Thailand tepatnya di provinsi

Pathum Thani, terdapat suatu unit pembangkit listrik biomassa berkapasitas 80

kW dari three stage gasifier downdraft berbahan bakar sekam padi. Producer gas

disalurkan menuju siklon untuk memisahkan partikel solid, lalu disalurkan ke heat

exchanger pada temperatur 400-700oC kemudian diturunkan menjadi 150

oC untuk

meningkatkan densitas energinya. Selanjutnya syngas dialirkan menuju scrubber

untuk menghilangkan tar dan menurunkan temperatur syngas menjadi <40oC

sebelum diumpankan ke mesin genset [32]. Selain di Asean, di India terdapat unit

gasifikasi dengan kapasitas 500 kW yang terdiri atas lima gasifier downdraft

berbahan bakar limbah gergaji lokal, dilengkapi dengan water-sprayed gas

cooling, two stage gas cleaning system, blower, untuk setiap unitnya dan mesin

diesel 165 HP [34]. Selain di kawasan Asean, di eropa seperti Austria, Denmark,

Finlandia, Swedia juga telah mengaplikasikan teknologi seperti ini untuk

pembangkitan panas ataupun energi listrik [25,36,37,38].

a b

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Lampung Tugas Akhir 2012

19

2.5. Parameter Kualitas Producer Gas Untuk Mesin Pembakaran Dalam

Biomassa sudah terbukti menjadi pengganti bahan bakar fosil yang

potensial dalam aplikasi pembangkitan panas maupun listrik. Akan tetapi

keberadaan beberapa pengotor didalam producer gas mengharuskannya untuk

dimurnikan sebelum diumpankan kedalam mesin.

Tabel 2.6. Parameter kualitas producer gas untuk pembangkit daya [16,39]

Komponen Satuan IC engine Gas turbine Methanol synthesis

Partikel mg/Nm3 < 50 < 30 <0,02

Ukuran partikel µm < 10 < 5

Tar mg/Nm3 < 100 < 0,1

Alkali mg/Nm3 0,24

NH3 mg/Nm3 < 0,1

H2S dan CO mg/Nm3 < 1

Cl mg/Nm3 < 0,1

CO2 Vol.% Tidak ada

batas

Tidak ada

batas

< 12

LHV gas kJ/Nm3 >2.500

Producer gas yang belum dimurnikan, didalamnya terdapat kandungan tar

diatas 50-100 mg/Nm3. Tar yang terkondensasi dapat menyumbat sistem perpi-

paan pada heat exchanger dan bisa menjadi masalah jika producer gas tersebut

dialirkan ke intake valve mesin Kemudian keberadaan partikulat seperti char dan

abu juga memiliki potensi merusak komponen yang bergerak [40]. Untuk

diaplikasikan pada mesin pembakaran internal parameter kualitas syngas tersaji

pada tabel 2.6 [16].

2.6. Pengkondisian dan Pemurnian Producer Gas

Pembersihan producer gas dari partikulat dilakukan dengan teknologi dry

gas collectors seperti siklon separator, barrier filters, dan electorstatic precipi-

tator [41]. Siklon beroperasi pada 100-900oC dan didesain untuk menangkap

20

partikel solid dengan ukuran diatas 5 μm dengan kemampuan penyaringan

mencapai 90%. Dikarenakan 60-65% komposisi gas producer merupakan partikel

dengan ukuran diatas 60 μm, maka siklon merupakan perangkat yang sangat baik

untuk sistem pembersihan partikulat [42].

Gambar 2.4. Berbagai wet scrubber untuk pembersihan tar [44,45]

Saat ini teknologi pembersihan tar dilakukan melalui proses kondensasi

gas menggunakan teknologi seperti heat exchanger dan pendinginan kontak

langsung yaitu scrubber. Pada operasi untuk pembangkit daya, producer gas yang

keluar dari gasifier downdraft pada temperatur 400-700oC, didinginkan hingga

150oC untuk meningkatkan densitas energinya menggunakan heat exchanger.

Kemudian producer gas dilewatkan kedalam scrubber untuk membersihan kan-

dungan tar dan mengkondisikan syngas pada temperatur operasi mesin berkisar

30-40oC [33,43].

Beberapa jenis wet scrubber menggunakan fluida kerja seperti air atau

minyak banyak dipakai untuk teknik kondensasi tar dan pembersihan partikulat

[41]. Beberapa diantaranya: Spray tower, centrifugal spray tower, dan venturi

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung

Tugas Akhir 2012

21

scrubber. Spray tower memiliki konstruksi paling sederhana, dan sangat baik

untuk menghilangkan partikulat besar dengan efisiensi 60-98%, serta efisiensi

reduksi tar berkisar 10-25%. Centrifugal spray tower sangat efisien untuk meng-

hilangkan partikulat berukuran 1µm dengan efisiensi 85-90%, sedangkan kemam-

puan reduksi tar mencapai 30-70%. Venturi scrubber memiliki efisiensi pem-

bersihan tar paling besar mencapai 50-90% [44,45,46].

2.7. Perancangan PLTB

Sedikit berbeda dari kebanyakan pembangkit listrik energi biomassa

yang sudah diterapkan di berbagai belahan dunia maupun di Indonesia. PLTB

dalam penelitian ini memiliki perangkat sebagai berikut: gasifier downdraft,

ditambahkan integrated gas clean-up system yang mana terdiri atas siklon dan

venturi scrubber, serta rotary separator dalam satu paket.

2.7.1. Perancangan gasifier tipe downdraft

Perancangan gasifier tipe downdraft didekati dengan metode untuk meng-

konstruksi gasifier downdraft imbert yang dikembangkan oleh pakar Swedia.

Gasifier ini dirancang berdasarkan atas laju gasifikasi spesifik yang dinamakan

juga dengan hearth load (Bh), yaitu jumlah producer gas yang diproduksi per

satuan luas throat, yang mana adalah area paling kecil dalam penampang

melintang reaktor. Hearth load diekspresikan dalam satuan Nm3/ cm

2 jam

,

dimana N mengindikasikan volume gas dihitung pada kondisi temperatur dan

tekanan normal. Dalam gasifier downdraft imbert, nilai Bh max mencapai nilai 0,9

untuk kondisi operasi kontinyu dan Bh min berada pada range 0,3 sampai 0,35.

Relasi yang diperoleh dari definisi hearth load yaitu :

22

g

h

t

VB

A

Keterangan :

Bh = Hearth load (Nm3/ cm

2 jam)

Vg = laju pemasukan campuran bahan bakar (m3/jam)

At = Luas area throat (m2)

Gambar 2.5 Parameter desain gasifier downdraft [42,47]

Pada kondisi stoikiometri dengan perbandingan udara dan producer gas

adalah 1,1 : 1, kebutuhan udara per m3 adalah 1,1. Apabila Vg adalah laju

pemasukan campuran bahan bakar, pemasukan udara + pemasukan producer gas

akan 2,1 Vg, sehingga

2

= . dan 2,1

1= . . . . .

2 4

sg

s

VV f

V rpm N D S

. . . (2)

. . . (3)

Imbert Downdraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Lampung

dt

dr1

df

dm

h

Lr

45 - 60o

Tugas Akhir 2012

. . . (1)

Lp

23

Keterangan :

Vs = Volume hisap mesin (m3/jam)

f = Efisiensi volumetrik (%)

N = Jumlah silinder

D = Diameter torak (m)

S = langkah torak (m)

Gambar 2.6. Grafik desain gasifier downdraft

a. Grafik luasan nosel sebagai fungsi variasi ukuran diameter gasifier throat

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung

At

100Am

7

6

5

4100 150 200 250 300 mm

Um

m/s

35

30

25

21

dt

Um

At

100Am

Tugas Akhir 2012

h

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

dt

100 150 200 250 300 mm

dth

4

3,5

3

2,5

2

dt

100 150 200 250 300 mm

dt

1,5

70

df

dt

dr

dt

b

a

c

24

b. Grafik ketinggian penempatan nosel diatas throat terhadap variasi ukuran

diameter throat gasifier.

c. Grafik ukuran diameter ring nosel sebagai fungsi ukuran diameter throat

gasifier [42]

Sementara itu, hubungan total luasan nosel dan diameter throat dituangkan

dalam gambar 2.6.a Lalu seperti yang terlihat pada gambar 2.6.b, penempatan

nosel ditentukan berdasarkan grafik empiris yang menunjukan ketinggian bidang

posisi nosel diatas permukaan throat. Lain halnya dengan gambar 2.6.c grafik

tersebut ditujukan untuk menentukan ukuran diameter firebox (df) beserta

diameter ring nosel yang memiliki hubungan terhadap diameter throat [42].

Berdasarkan eksperimen tinggi zona pirolisis (Lp) disarankan berkisar 45-

55 cm terhitung dari permukaan atas throat, atau 10-15 cm dari dari bidang

penempatan saluran udara. Hal ini untuk mengupayakan pembakaran tar lebih

maksimal sehingga kualitas producer gas menjadi naik [47]. Ukuran zona reduksi

(Lr) tidak boleh terlalu tinggi, sebab jika terlalu tinggi heat loss akan semakin

besar yang mana akan menurunkan temperatur arang dan membuat sebagian arang

menjadi abu. Akibatnya, reaksi pembentukan gas mampu bakar seperti yang

dijelaskan pada subbab 2.2.1 tidak berjalan. Maka dari itu tinggi zona reduksi

yang terhitung dari permukaan atas throat, ditentukan menggunakan rasio tinggi

zona reduksi terhadap diameter throat sebesar 2,5/1,25 untuk gasifier downdraft

imbert [47].

2.7.2. Perancangan Siklon Separator

Siklon separator secara umum terdiri atas komponen silindris dibagian

atas yang dikenal dengan barrel, dan komponen conical atau disebut kerucut.

Dalam memisahkan partikel dari aliran udara, udara masuk melalui bagian atas

25

barrel secara tangensial lalu bergerak turun menuju kerucut membentuk lintasan

outer vortex. Meningkatnya kecepatan udara pada outer vortex menghasilkan gaya

sentrifugal dipartikel yang memisahkannya dari aliran udara. Ketika udara men-

capai bawah kerucut, inner vortex membentuk arah terbalik dan keluar menuju

atas sebagai udara bersih, sedangkan partikulat jatuh kedalam kotak abu dibagian

bawah siklon [48].

Langkah awal perancangan siklon adalah menentukan distribusi ukuran

padatan yang diproses. Dengan mendapat data awal distribusi padatan, penentuan

efisiensi siklon dapat dilakukan.

Gambar 2.7. Grafik desain siklon [49]

a. Grafik hubungan efisiensi siklon dengan ukuran partikel

b. Grafik hubungan Ns dengan kecepatan masuk

Penentuan efisiensi yang diinginkan, menggunakan korelasi perban-

dingan pada gambar 2.7.a. Selanjutnya jumlah siklon harus ditentukan untuk

mengejar hasil akhir yang diinginkan. Semakin banyak jumlah siklon yang

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

Partikel size mm

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Gra

de E

ffici

ency

(%

)

1.1 m dia. Troughput cy clone

0.5 m dia. Troughput cy clone

1.1 m dia. medium efficiency cy clone

0.4 m dia. high efficiency cy clone

Self induced spray w et collector

Particel density of dust

= 2600 kg/m3

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Lampung Tugas Akhir 2012

b a

0 10 20 30 40 50 600

1

2

3

4

5

6

V, Maximum Velocity m/s

Ns

26

digunakan untuk menyaring producer gas, hasilnya akan semakin baik. Kecepatan

distribusi padatan (Ns) yang memasuki siklon harus diketahui. Karena kecepatan

distribusi padatan digunakan untuk menentukan jumlah putaran distribusi padatan

didalam siklon. Jumlah putaran tersebut ditentukan menggunakan korelasi pada

gambar 2.7.b.

Dalam menentukan dimensi siklon, step pertama adalah menentukan

diameter siklon. Diameter siklon bisa ditetapkan dengan perbandingan V standar

(15 m/s) = Dc standar (203 mm). Diameter partikel minimum teoritis yang dapat

terendapkan (Dp,th) bisa dihitung apabila Dc sudah ditentukan. Disamping itu,

karakteristik partikel perlu diketahui guna mencari diameter partikel minimum

yang mampu terendapkan (Dp,th), meliputi densitas padatan (ρp), densitas gas (ρf),

dan viskositas gas (μ). Persamaan yang dipakai adalah untuk menghitung Dp,th

adalah [49]:

,

9. .

. . . ( )

cp th

s in p f

BD

N V

Keterangan :

Dp,th = Diameter partikel minimum teoritas yang terendapkan (m)

Vin = Kecepatan gas masuk (m/s) (range : 8-30 m/s, diambil 15 m/s)

Ns = Jumlah putaran gas dalam siklon

Bc = Lebar inlet (m)

μ = Viskositas gas (kg/ms)

ρp = Densitas padatan (kg/m3)

ρf = Densitas gas (kg/m3)

. . . (4)

27

Dalam memudahkan proses desain, sifat fisis abu yang terkandung pada

producer gas gasifikasi biomassa (sekam padi) harus ditentukan terlebih dahulu

seperti pada tabel 2.7

Tabel 2.7. Sifat fisis abu sekam padi [50]

Properties Nilai Satuan

Mean particle size 856 Μm

Apparent density 389 kg/m3

Porosity 0,81 -

Sphericity 0,44 -

Untuk membandingkan apakah penentuan Dc sudah memenuhi efisiensi

yang diharapkan, diperlukanlah perhitungan efisiensi teoritis menggunakan

persamaan seperti dibawah ini [49] :

,

pi

th

p th

D

D

Keterangan :

Dpi = diameter partikel inlet,

Dp,th = diameter partikel minimum teoritis yang dapat terendapkan.

Gambar 2.8. Single particle collection efficiency curve [49]

. . . (5)

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung

Tugas Akhir 2012

0 10 30 50 70 90 99 99,90,1

0,2

0,4

0,8

1

2

4

0,6

6

8

10

Eo, Single particle collection Efficiency , %

dp

i /

D p

,th

Scroll

or volu

te in

let

Tangen

sial

inle

t

28

Setelah nilai efisiensi diatas didapatkan, cocokkan nilai tersebut pada

grafik yang terdapat pada gambar 2.8, untuk menguji keabsahan rancangan.

Apabila efisiensi teoritis masih lebih kecil dari efisiensi rancangan, kemungkinan

penentuan Dc terlalu besar. Supaya pembuatan siklon sesuai yang diinginkan,

maka harus kembali menentukan Dc kembali. Jika Dc sudah diketahui, bagian lain

dari siklon dapat ditentukan melalui ketetapan geometri seperti pada gambar 2.9.

Gambar 2.9. Ukuran proporsional siklon efisiensi tinggi [49]

2.7.3. Perancangan Venturi Scrubber

Venturi yang dirancang berjenis rectangular throat atau venturi persegi,

karena tipe tersebut mampu mengatasi laju aliran gas yang relatif lebih tinggi

dibandingkan venturi round throat atau venturi lingkaran. Data awal yang harus

diketahui dalam merancang venturi scrubber adalah mengetahui karakteristik

producer gas yang akan dibersihkan. Selain itu data yang harus ditentukan untuk

perancangan yaitu [51] :

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Lampung Tugas Akhir 2012

Bc = Dc/4 Jc = Dc/4

De = Dc/2 Sc = Dc/8

Hc = Dc/2 Lc = 1 x Dc

Zc = 2 x Dc

Bc

AA

Lc

Zc

Dc

Hc

De

Jc

Dust Out

Section A-A

Gas

In

Gas out

29

3

2

.

Dimana

gas masuk (ft /min)

Kecepatan gas masuk (ft/s)

= Luas penampang saluran (ft )

Q V A

Q Flow rate

V

A

Volume flowrate (Q ) :

Flowrate dihitung dengan menentukan kecepatan producer gas masuk ke

dalam venturi dimana :

Pada bagian inlet venturi properties producer gas antara lain :

Volume flowrate (Q ) :

Flowrate pada temperatur standar dihitung dengan menggunakan hukum

gas ideal seperti yang ditunjukan dalam persamaan yaitu :

2 22 1 2 1

1 1

3

o

2

atau

Dimana :

(ft /min)

Temperatur ( F)

Kondisi luaran pada temperatur standar

T TV V Q Q

T T

Q Flow rate

T

Mass flow udara kering dan uap air

Dengan menggunakan persamaan 8, besarnya mass flow kedua data diatas

adalah :

2

2

( ) ( ) H O( )

( ) ( ) H O( )

.

. (1- )

wvwv in m in in

mole

aa in m in in

mole

MWm Q

V

MWm Q

V

Dimana

MWwv = Berat molekul uap air = 18

MWa = Berat molekul udara kering = 29

. . . (6)

. . . (7)

. . . (8)

30

Vmole = Volume lb-mol udara = 385 ft3

2H O( )in = Kandungan kelembapan (%)

Humidity ratio

Humidity ratio pada temperatur standar dihitung dengan persamaan 9

wv

a

m

m

Pada bagian outlet venturi gas sudah berada dalam keadaan jenuh (RH

100%) ,dengan bantuan psychometric chart dapat ditentukan nilai humidity ratio

untuk mengetahui besarnya air yang menguap saat berkontak dengan gas panas.

Dengan mengetahui banyaknya air yang menguap, kebutuhan makeup water dapat

disediakan guna menutupi kekurangan air (scrubbing liquid) pada venturi [51].

Mass flow uap air sisi luaran

( ) ( )

( )

( )

.

Laju aliran massa uap air (lb/min)

lb wv lb air

Laju aliran massa udara kering (lb/min)

wv out out a

wv out

out

a

m w m

m

w Humidity ratio

m

Mass flow uap air yang terevaporasi

( ) ( ) ( )

( ) Laju aliran massa uap air yang terevaporasi (lb/min)

wv evap wv out wv in

wv evap

m m m

m

Banyaknya makeup water

2

2

( )

( )

( )

3

Debit (gpm)

Densitas air (lb/ft )

wv evap

wv evap

H O

wv evap

H O

mQ

Q makeup water

Langkah berikut adalah merancang ukuran venturi, dimana metode yang

diguna-kan adalah Calvert Cut Diameter. Dengan konstanta B=2,0 untuk venturi.

. . . (9)

. . . (10)

. . . (11)

. . . (12)

31

Parameter awal yang mesti dicari yaitu ukuran partikel berikut standar deviasinya.

Ukuran rata-rata partikel dapat dilihat dari persentil diameter aerodinamis partikel

ke-50 (Disebut pula diameter partikel massa median). Standar deviasi dari

distribusi tersebut adalah rasio kumulatif fraksi massa partikel ke-84 dan ke-50

yang dihitung menggunakan persamaan 13 dimana [51]:

84

50

d

d

Keterangan :

σ = Deviasi standar

d50 = Fraksi massa dari ukuran partikel ke-50

d84 = Fraksi massa dari ukuran partikel ke-84

Nilai tersebut diketahui dengan membaca grafik pada Gambar 2.10.a.

Langkah selanjutnya menentukan dcut melalui bantuan Gambar 2.10.b, dan

efisiensi koleksi ηd untuk setiap ukuran partikel tercantum pada Tabel 2.8.

Tabel 2.8. Kebutuhan koleksi efisiensi [51]

Range ukuran

partikel (µm) Fraksi Massa

Koleksi efisiensi

yang dibutuhkan

Koleksi efisiensi

fraksional

0-1 0,005 0,900 0,0045

1-2,5 0,195 0,950 0,185

2,5-4,5 0,400 0,980 0,392

4,5-7 0,300 0,990 0,297

7-12 0,080 1,000 0,080

>12 0,020 1,000 0,020

Koleksi efisiensi keseluruhan 0,979

Nilai dcut kemudian dicocokkan terhadap garis gas atomized spray pada

grafik di Gambar 2.10. c dan 2.10.d , guna mengetahui scrubber power, pressure

. . . (13)

32

drop, dan asumsi penggunaan air atau L/G ratio. Selanjutnya menentukan luas

permukaan throat melalui persamaan [51] :

Dimana ΔP = Pressure drop venturi (in H2O),

v = Kecepatan aliran di throat (ft/s),

ρg = Densitas gas (lb/ft3), and = 1/w

L/G = Liquid to gas ratio (gal/1000 ft3)

Gambar 2.10 Grafik desain venturi scrubber [51]

a. Grafik distribusi ukuran partikel untuk gas hasil reaksi kimia

b. Grafik diameter cut terhadap standar deviasi

dcut / d50

6 5 4 3 2 = 1

OVE

RA

LL P

ENET

RA

TIO

N, P

t

0,0001

0,01

0,1

1,0

0,001 0,01 0,1 1,0

10,133

0,782

1270 .

. . g

PA

LvG

. . . (14)

a b

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung

Tugas Akhir 2012

33

Gambar 2.10 Grafik desain venturi scrubber [51]

c. Grafik scrubber power dan presure drop sebagai fungsi dia.cut

d. Hubungan presure drop, kecepatan troath, dan L/G

2.7.4 Perancangan Rotary Separator

Perangkat ini difungsikan untuk memisahkan partikel air dan partikel abu

sekam padi yang tersisa dari proses scrubbing. Prinsip kerjanya serupa dengan

siklon. Gas dengan kecepatan V, diumpankan secara tangensial kedalam vessel.

Ketika memasuki vessel, gas akan berotasi dan partikel berdiameter Dp yang

terkandung dalam gas akan menabrak dinding akibat gaya sentrifugal yang

bekerja. Fenomena gaya sentrifugal cenderung melempar partikel kearah luar

dinding, lalu partikel bergerak turun terpisah dari arus gas dan terkumpul dalam

vessel. Fenomena tersebut dituangkan dalam persamaan stokes dibawah ini [49].

0 10 20 30 40 50 600

1

2

3

4

5

6

V, Maximum Velocity m/s

NsNs

L/G = 10 gal/1000 acf

L/G = 20 gal/1000 acf

L/G = 30 gal/1000 acf

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0 100 200 300 400 500 600

Pre

ss

ure

Dro

p (

in. w

.c.)

Throat Velocity (ft/sec)

52

1a

1b

3a

3b

3c

4

Gas Phase Pressure Drop, in. H2O

0,4 0,5 1,0 2 3 4 5 10 20 30

1,0 2 3 4 5 10 20 30 40 50 100

Cu

t D

iam

ete

r, m

icro

me

ter

5

4

3

2

1,0

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

c d

1.Sieve plate column with foam density of 0,4g/cm3 and 0,2 in

hole dia

1b. Same as 1.a except 0,125 in hole dia.

2. Packed column with 1in ring or saddle

3a. Fibrous packed bed with 0,012 in dia. fiber

3b. Same as 3.a except 0,0004 in dia. fiber

3c. Same as 3.a except 0,0002 in dia. fiber

4. Gas atomized spray

5. Mobile bed 1-3 stages of fluidised hollow plastic

FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung

Tugas Akhir 2012

34

12

18. .

( - )

tp

f p

Vd

g

Dimana :

dp = Diameter partikel (m)

µ = Viskositas dinamik fluida (N/sm2)

do = Diameter inlet (m)

ρp = Massa jenis padatan (kg/m3)

Vt = Kecepatan settling setrifugal (m/s)

2.8. Keseimbangan massa dan energi di dalam gasifier

` Dalam ilmu termodinamika disebutkan bahwa seluruh massa yang

memasuki control volume memiliki nilai yang sama dengan massa yang keluar.

Apabila diterapkan kedalam sistem gasifier, keseimbangan massa di dalam

gasifier seperti diilustrasikan pada gambar 2.11 dapat dituliskan sebagai berikut.

Gambar 2.11 control volume gasifier

Biomassa + arang

Daya

listrik+Udara

Producer

gas

Char dan ash

. . . (16)

biomassa + udara + arang = + +

mass input mass output

m m m m producer gas m char m ash

. . . (15)

35

persamaan keseimbangan energi berdasarkan control volume diatas adalah

.

. . . .   Daya listrik .

bio udara arang electric prod gas char ash

bio udara Arang gas

energi input energi output

Q Q Q P Q Q Q heat loss

m LHV m Cp T m LHV m

.

.  

char

ash

LHV m LHV

m LHV heat loss

Variabel heat loss dalam instalasi merupakan rugi energi yang diakibatkan

perpindahan panas secara konveksi alamiah dari dinding gasifier menuju udara

sekitar, karena adanya perbedaan temperatur. Besarnya heat loss dihitung dengan

persamaan laju perpindahan panas secara konveksi sebagai berikut[52].

. .( )sQ h A T T

Dimana Q = Laju perpindahan panas konveksi (W)

h = Koefisien konveksi alamiah untuk silinder tegak (W/m2. K)

A = Luas permukaan dinding gasifier (m2)

Ts = Temperatur permukaan gasifier (oC)

T∞ = Temperatur lingkungan (oC)

Pada kasus konveksi alamiah, untuk mencari besarnya nilai h dimulai dengan

menghitung bilangan Grasholf dibawah ini [52].

3

2

( )sL

g T T LGr

v

Konveksi alamiah pada reaktor gasifikasi dapat dihitung sebagai sistem silinder

tegak. Akan tetapi apabila tebal lapis batas lebih kecil dari diameter silinder atau

memenuhi persamaan 20, sistem dapat didekati dengan konveksi alamiah pada

pelat vertikal [52].

14

35

L

D

L Gr

. . . (18)

. . . (19)

. . . (20)

. . . (17)

36

Dengan demikian bilangan Nusselt untuk sistem aliran pelat vertikal pada seluruh

range bilangan Rayleigh adalah [52]:

21

4

9 16 4 9

3

0,3870,825

[1 (0,492 / Pr) ]

( )dengan ,

L

sL

RaNu

g T T LRa

v

koefisien konveksi alamiah dihitung dengan persamaan 22, seperti berikut [52]:

LNu kh

L

Keterangan :

k = Konduktifitas termal udara pada Tf ; (W/ m.K)

D = Diameter gasifier ; (m)

L = Tinggi gasifier ; (m)

β = 1/Tf , dengan Tf = (Tdinding + Tudara) / 2 ; (oK

-1)

v = viskositas kinematik pada Tf ; (m2/s)

α = viskositas dinamik pada Tf ; (m2/s)

g = Percepatan gravitasi ; (m/s2)

. . . (21)

. . . (22)