Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Bakar 2009Serpong, 13 Oktober 2009

ISSN 1693-4687

Perhitungan Efisiensi Termal Tungku KarbonizerBahan Bakar Bio- Briket Menggunakan Metoda

Tidak LangsungM. Sumarsono

B2TE-BPPT, Puspiptek, Cisauk, Tangerang, BantenEmail: msumarsono@yahoo.com

ABSTRAK - PERHITUNGAN EFISIENSI TERMALTUNGKU KARBONIZER BAHAN BAKAR BIO-BRIKETMENGGUNAKAN METODA TIDAK LANGSUNG.

Ekstraksi biji jarak pagar untuk menghasilkan minyak jarakmemiliki konsekuensi tersedianya ampas biji jarak sebanyak 60­70 %, yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar altematif,salah satunya sebagai bio-briket terkarbonisasi untukmengurangi atau sebagai subsitusi bahan bakar minyak untukkeperluan rumah tangga maupun industri keci!. Pada kegiatanini telah dilakukan pembuatan arang terkarbonisasimenggunakan tungku karbonizer dengan volume 0,2 m3 denganbahan baku ampas jarak pagar dan serbuk gergaji. Pembuatanarang dilakukan secara batch, dan selama pembuatanberlangsung, dilakukan pengukuran parameter yang diperlukanuntuk perhitungan efisiensi termal karbonizer seperti:temperatur dan tekanan gas buang dalam saluran cerobong,temperatur dan kelembaban nisbi udara lingkungan, temperaturdinding luar, temperatur ruang karbonizer, emisi kandunganunsur dalam gas buang, kandungan unsur dalam bahan bakar,kandungan karbon tak terbakar dalam abu dan daya listrikblower. Di samping itu, diukur jumlah bahan baku sebelum dansesudah proses, konsumsi bahan bakar dan jumlah abu sisapembakaran bahan bakar. Perhitungan efisiensi termaldilakukan dengan Metoda Tidak Langsung dan hasilperhitungan memberikan efisiensi termal karbonizer padaproses karbonisasi ampas jarak 20,21 % dan serbuk gergaji13,80%.

Kata kunci: Karbonizer, Metoda tidak langsung,Efisiensi termal, Bio-briket

ABSTRACT - THERMAL EFFICIENCY CALCULATION OF

CARBONIZER USING INDIRECT METHOD. Jatropha curcasseed extraction to produce Jatropha oil has a consequence ofavailability of seed cakes as much as 60-70%, which can be

used as alternative filels, one of these is carbonized bio­briquettes to reduce or substitute kerosene for households andsmall industries. In this activity, carbonized char had beenmade by using a carbonizer of 0.2 m3 volume with the rawmaterial were Jatropha curcas cakes and sawdust. Charprocessing batch was done, and during the process, theparameters which were needed to calculate the thermal

efficiency of carbonizer were measured such as, temperatureand pressure of flue gas in the chimney duct, temperature andrelative humidity of ambien air, the outside wall temperature,carbonizer chamber temperature, emission content of flue gas,the chemical element content of fUel, unburnt carbon content inash and the power of blower. In addition, the amount of rawmaterials before and after process, fuel consumption and the

amount of ash remaining filel burning were measured. Thermalefficiency calculation was conducted by Indirect Method and

C-33

the result of calculation gave the thermal efficiency ofcarbonizer on carbonization process of Jatropha cakes of20.21% and sawdust of 13.80%

Keywords: Carbonizer, Indirect method, Thermal efficiency,Bio-briquettes

I. PENDAHULUAN

Teknologi konversi termal biomassa meliputi'pembakaran langsung, gasifikasi, dan pirolisis'. Dalamhal pirolisis dilakukan pembakaran biomassa padakondisi tanpa oksigen dengan tujuan untuk melepaskanzat terbang (volatile matter) yang terkandung dalambiomassa. Secara umum kandungan zat terbang dalambiomassa cukup tinggi. Produk proses pirolisis iniberbentuk cair, gas, dan padat. Produk padat dari prosesini berupa arang (char) yang kemudian disebut proseskarbonisasi.

Karbonisasi biomassa atau yang lebih dikenal denganpengarangan adalah suatu proses untuk menaikkan nilaikalor biomassa sehingga mudah dibakar dan dihasilkanpembakaran yang bersih dengan sedikit asap (Karve et ai,2004). Hasil karbonisasi adalah berupa arang yangtersusun atas karbon dan berwama hitam. Sedikit

banyaknya arang yang dihasilkan bergantung padakomposisi awal biomassa. Semakin ban yak kandunganzat terbang maka semakin sedikit arang yang dihasilkankarena banyak bagian yang terlepas ke udara. Temperaturkarbonisasi akan sang at berpengaruh terhadap arang yangdihasilkan sehingga penentuan temperatur yang tepatakan menentukan kualitas arang. Menurut Fachrizal et al(2007), temperatur akhir proses karbonisasi mencapaihingga 500°C agar tar, yang terkandung sekitar 30%dalam arang, dapat terlepaf-!<an. U ntuk mencapaitemperatur tersebut dibutuhkan energi termal yang relatiftinggi.

Ekstraksi biji jarak pagar untuk menghasilkan minyakjarak memiliki konsekuensi tersedianya ampas biji jaraksebanyak 60-70%, yang dapat dimanfaatkan sebagaibahan bakar alternatif, salah satunya sebagai bio-briketterkarbonisasi untuk mengurangi atau sebagai subsitusibahan bakar minyak. Bio-briket terkarbonisasi ini dapatdiaplikasikan untuk kompor rumah tangga maupun untukindustri kecil. Untuk itu telah dilakukan pembuatan arangterkarbonisasi dengan bahan baku ampas (bungkil) jarakpagar dan serbuk gergaji menggunakan tungku

dengan mgb (kg/s) adalah laju alir massa gas buang dan

Cp.bg = 1 kJ/kg.K koefisien kalor jenis gas buang. Rugi­

rugi kalor karena air dalam bahan bakar, Q/oss.mf (kW),

dirumuskan sebagai berikut:

Q/oss.mf = mmoisture (hvap - huq) (8)

dengan mmoisture (kg/s) adalah massa moisture per­

satuan waktu dalam bahan bakar, hvap (kJ/kg) entalpi

uap panas lanjut dan hUq (kJ/kg) entalpi air jenuh. Rugi­

rugi kalor karena pembakaran hidrogen dalam bahan

bakar menjadi uap-air, Q/oss.h (kW), diberikan sebagaiberikut:

Q/oss.h = 8,936 m H (huap - hUq) (9)

dengan V (V) adalah tegangan listrik, I (A) arus listrik,

dan P f faktor daya.

Kerugianlkehilangan energi yang dinyatakan dengan

Q/oss (kW) merupakan jumlah dari rugi-rugi kalor yang

terbawa oleh gas buang (flue gas) dan rugi-rugi kalorpada pembakaran bahan bakar serta rugi-rugi kalormelalui dinding.

B. Rugi-rugi Kalor Terhawa Gas Buang dan PadaPemhakaran Bahan Bakar

Rugi-rugi kalor yang terbawa oleh gas

buang, Q/oss.g (kW), dihitung dengan persamaan berikut:

Q/oss.g = mgb C p.bg (Tgb - Ta) (7)

Prosiding Seminar Nasiona/ Daur Bahan Bakar 2009Serpong, /3 Oktoher 2009

karbonizer dengan volume drum bahan baku biomassa0,2 m3. Selanjutnya data yang terkumpul pada percobaankarbonisasi dipakai untuk menghitung efisiensi termaltungku karbonizer menggunakan 'Metoda TidakLangsung' yang dikenal juga dengan 'MetodaKehilangan Panas' (Anonim, 2009).

II. TEORI DASAR

A. Efisiensi Termal

Kesetimbangan energi di dalam proses karbonisasidiperlihatkan seperti Gambar 1.

Rugi-rugi kalor yang terbawa oleh gas buang

Rugi-rugi kaJor karena air dalam bahan bakar

Rugi-rugi kalor karena pembakaran hidrogen dalam bahan bakar

Rugi-rugi kalor karena uap air dalam udara pembakaran

Rugi-rugi kalor karena karbon tidak terbakar dalam abu

Rugi-rugi kalor karena pembakaran tidak sempuma

Rugi-rugi kalor kOR\'eksi melalui dinding

Rugi-rugi kalor radiasi melalui dinding

Gambar I. Kesetimbangan energi proses karbonisasi

Kesetimbangan energi dalam suatu proses termalsecara umum dinyatakan dengan persamaan berikut ini :

2:Qin = 2:Quse + 2:Q/oss (1)

Dari persamaan (1) didefinisikan dua efisiensi termal

(1] ) alat, yaitu :

(2)

yang dikenal sebagai efisiensi termal 'Metoda Langsung'dan

Qin.listrik = (V I P f )/1000

ISSN 1693-4687

(6)

(3)

Energi pembakaran bahan bakar, Qin.BB (kW),

dihitung menurut rumus:

yang dikenal sebagai efisiensi termal 'Metoda TidakLangsung' .

Energi masuk, Qin (kW), yang disuplai ke alat

karbonizer terdiri dari energi pembakaran bahan bakar,

Qin.BB (kW), dan energi listrik, Qin.Ustrik (kW), untuk

mengoperasikan blower:

dengan mBB (kg/s) adalah laju massa bahan bakar dan

HVBB (kJ/kg) nilai kalor bahan bakar. Energi

listrik, Qin./istrik (kW), dihitung sebagai berikut:

Q. = Q DB + Q. r 'kIn m. m.lstrz

Qin.BB = m BB HVBB

(4)

(5)

dengan mH (kg/s) adalah massa hidrogen per-satuan

waktu yang terkandung dalam bahan bakar. Rugi-rugi

kalor karena uap-air dalam udara pembakaran, Q/oss.a

(kW), dihitung dengan rumus:

Q/oss.a =0) ma Cp.I'aP (Tgb-Ta) (10)

dengan 0) adalah rasio kelembaban, ma (kg/s) massa

udara kering per-satuan waktu, dan C p.vap = 1,97

kJ/kg.K koefisien kalor jenis uap-air. Rugi-rugi kalor

karena karbon tidak terbakar dalam abu, Q/oss.abll (kW),

dihitung dengan rumus:

Q/oss.abu = me HVe (11)

dengan me (kg/s) adalah massa karbon per-satuan waktu

dalam abu dan HVe (kJ/kg) nilai kalor karbon. Rugi­

rugi kalor karena pembakaran tidak sempuma, Q/oss.co

(kW), dihitung dengan rumus:

Q/oss.co = mea HVea (12)

C-34

Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Bakar 2009Serpong, J 3 Oktober 2009

ISSN 1693-4687

dengan mea (kg/s) adalah massa karbon-monoksida

per-satuan waktu dalam gas buang dan HVea (kJ/kg)nilai kalor karbon-monoksida.

C. Rugi-rugi Ka/or me/a/ui Dinding

Rugi-rugi kalor konveksi, Q'oss.e (kW), diberikan

sebagai berikut:

Q'oss.e = he A (Tw - TJ (13)

Keterangan:

I. Thtupatas2. Tungku pembabran bahan bakar

J. Pintu lontrol dan pemuatan bahan bakar

4. Handle pemutar drum karbonisasi5. Cerobong dan steam·scrubber6. Lubang blower

berikut:

Rugi-rugi kalor radiasi, Q'oss.r (kW), diberikan sebagai

dengan kf (kW/m.°C) adalah konduktivitas termal

fluida, L (m) panjang karakteristik, dan Ra adalahbilangan sebagai fungsi parameter berikut ini:

Ra = f(fJ, v,L,T) (16)

dengan A (m2) adalah luas permukaan pindah kalor, Tw

eC) temperatur dinding luar, Ta eC) temperatur ambien

(Iingkungan), dan he (kW/m2•0C) koefisien perpindahan

kalor konveksi yang dihitung sebagai berikut (Haberman& John, 1984):Untuk dinding vertikal,

kh = 0135 Rao,333-L (14)

e' L

Gambar 2. Tungku karbonizer

B. Metoda

Selama percobaan berlangsung, dilakukan pengukuranparameter yang diperlukan untuk perhitungan efisiensitermal karbonizer, seperti: temperatur dan tekanan gasbuang dalam saluran cerobong, temperatur dankelembaban nisbi udara lingkungan (ambien), temperaturdinding luar, temperatur ruang karbonizer, emisikandungan unsur dalam gas buang, kandungan unsurdalam bahan bakar, kandungan karbon tak terbakar dalamabu dan daya listrik blower. Alat ukur yang digunakanadalah termokopel untuk mengukur temperatur dan gasanalyzer untuk mengukur emisi gas buang. Sedangkandungan unsur dalam bahan bakar dan abu dilakukanoleh laboratorium analitik kimia.

(15)

Untuk dinding horisontal,k

h = 0176 Rao,333-Le' L

(17)T ABEL I.

DATAPERCOBAAN

dengan (J' (kW/m2.K4) adalah konstanta Stefan­

Boltzmann dan E: w emisivitas permukaan dinding.

III. BAHAN DAN METODA

A. Deskripsi Karbonizer dan Bahan Baku

Tungku karbonizer berbentuk kotak dengan bagian­bagian dan dimensi utama diberikan pada Gambar 2. Didalamnya terdapat drum karbonisasi dengan volume 0,2m3. Bahan bakar tungku menggunakan limbah biomassa.Pada percobaan ini, drum karbonisasi diisi bahan bakuampas jarak pagar (percobaan-l) dan serbuk gergaji(percobaan-2). Bahan bakar yang dipakai adalah kayubakar dengan kandungan unsur-unsumya yang diperolehdari hasil analisa laboratorium adalah sebagai berikut:

Karbon (c)w = 48,99%Hidrogen (H2)w = 6,20%Oksigen (02)w = 44,25%Sulfur (S)w = 0%Nitrogen (N2)w = 0,06%Abu = 0,50%Moisture (H20)w = 30%Nilai kalor, HVBB = 8352,67 kJ/kg

No.Deskripsi

AmpasSerbukJarak

GeroaiiI.

Massa bahan baku, ko 56342.

Massa aran!! terkabonisasi, kg 17,510,53.

Massa kavu bakar, k!! 1161964.

Lama nroses karbonisasi, iam 4,706,155.

Massa abu sisa Dembakaran, k!! 86Kandun!!an C dalam abu (% w)

46,046,06.

Tekanan!!as buan!!, N/m' 3,4323,4327.

Kandun!!an un sur dalam !!as buan!! (% vol) :

CO217,2617,56

CO0,6340,645

022,152.33

N279,95679,472

Di samping itu, menggunakan timbangan diukurjumlah bahan baku sebelum dan sesudah proses,konsumsi bahan bakar dan jumlah abu sisa pembakaranbahan bakar. Pengukuran temperatur dicatat setiap 15menit sekali. U ntuk meratakan hasil arang terkarbonisasi,drum karbonisasi diputar setiap 60 menit sekali. Datapercobaan dan hasil pengukuran temperatur diberikanpada Tabell, Gambar 3 dan Gambar 4.

C-35

Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Bakar 2009Serpong, 13Oktober 2009

700

[ -0- Truangkartorisasi600500

u -0- T.dird ing luar:;

400

ro.••... T<1mb;en

Qj300a. EOJ

I- 200

1000

IODo

11.0012Do13Do14Do15Do16.00

Waktu

Gambar 3. Temperatur pada karbonisasi ampas jarak pagar

700

ISSN 1693-4687

T ABEL 2.HASIL PERHITUNGAN EFlSIENSI TERMAL

No. Deskripsi Ampas JarakSerbuk GerIJaiikWh

%kWh%OinBB

5382,82999,6111368,90799,70( in listrik

21,2240,3934,7160,301.

LOin 5404,053100,0011403,623100,00loss,l1

104140519272381.59120,88loss.mf

552 08910,22 .1185.32110,39loss.h

1019583188721890201920loss.a

60 006III120397106loss.aoo

33 50606225 130022loss.co

159,5932,95269,6572,362.

loss Pas buan~+BB2866,18453,036171,11654,11loss.c

517,0119,571271,34311,15loss.r

928 88717192387 38420943.

)Ioss.dindina 1445,89826,763658,72732,094.

LO",,, 4312,08279,799829,84286,205.

Efisiensi telma1 20,2113,80

to.oO 11 DO 12.00 13Do t4.00 15DO t6.oo

Waktu

Gambar 4. Temperatur pada karbonisasi serbuk gergaji

-0- T.ruang kartorisasit600

500

U D.: 400i !300

200tOO

-.- T.gas buang dalam cerobong

V. KESIMPULAN

Proses pembuatan arang terkarbonisasi denganbahan baku ampas jarak pagar 56 kg dan serbukgergaji 34 kg, yang telah dilakukan denganmenggunakan tungku karbonizer yang memilikivolume silindris 0,2 m\ memberikan efisiensi termaltungku masing-masing sebesar 20,21 % dan 13,80%,Energi yang diperlukan untuk proses karbonisasidengan tungku tersebut di atas dalam hal ampasjarak sebesar 308,803 kWh/kg-arang dan serbukgergaji sebesar 1086,059 kWh/kg-arang. Terbilangboros, oleh karena itu diperlukan perbaikan lebihlanjut pada desain tungku karbonizer untukmeningkatkan kinerjanya.

IV. HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

Rekapitulasi hasil perhitungan yang dilakukanmenggunakan persamaan (3) sampai dengan persamaan(17) diberikan seperti pada Tabel 2, tersaji bahwaefisiensi termal karbonizer pada proses karbonisasi ampasjarak 20,21 % dan serbuk gergaji 13,80%. Dari jenis rugi­rugi kalor yang ada, tampak bahwa Qloss.g, Qloss.h danQloss.r mengambil prosentasi tertinggi, disusul oJeh Qloss.mf

dan Qloss.c, dan di urutan terendah adalah Qloss.co danQloss.abu.

Qloss.g tinggi ini lebih disebabkan oleh perbedaan yangcukup besar antara temperatur gas buang dan temperaturambien selama proses berjalan. Qloss.h tiliggi menandakanbahwa reaksi pembakaran hidrogen yang terkandung didalam bahan bakar menjadi uap-air melepaskan energiyang tinggi. Sedang Qloss.r tinggi karena temperaturdinding luar tungku terukur jauh Jebih tinggi daripadatemperatur ambien. Untuk memperkecil Qloss.r ini danjuga Qloss.c perlu dilakukan perbaikan pada sistem isolatortermal dinding-dalam tungku. Qloss.co dan Qloss.abu yangrendah mengindikasikan bahwa tingkat pembakaran tidaksempuma bahan bakar dan jumlah karbon yang tidakterbakar rendah.

C-36

UCAP AN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih yang sebesar-besamyadisampaikan kepada Noor Fachrizal, Bambang Heruhadi,Rivai Mustafa, Titik Nurmawati, Sutopo, Mastur Pramujidan Pranoto yang telah bekerja bersama dalampengumpulan data di lapangan dalam rangka pelaksanaanriset pembuatan bio-briket ampas jarak untuk substitusiBBM.

DAFT AR PUST AKA

[1] ANONIM, "Measuring Boiler Efficiency ASME PTC-4-1Power Test Code Steam Generating Units Methode",http://www.energysolutionscenter.org.Boiler-Bumer/,diakses: 1-1-2009.

[2] FACHRIZAL, N. et al,. "Pembuatan Bio Briket AmpasJarak untuk Substitusi BBM": Laporan Akhir ProgramRiset Terapan, Program Insentif Riset KNRT, B2TE­BPPT,2007.

[3] HABERMAN, WILLIAM L., & JAMES E.A.JOHN"Engineering Thermodynamics with Heat Transfer",2nd Edition, Allyn & Bacon, Boston, 1989.

[4] KARVE, P., H.Y. MAHAJAN, & A.D. KARVE, "SistemPembuatan Arang untuk Pedesaan",http://www.tungku.or.id/ina/artikel/?kategori=biomassa.diakses:14-9-2009

[5] KHURMI, R.S. & J.K. GUPTA "A Textbook of ThermalEngineering", 14th Edition, S. Chand & Co. Ltd., NewDelhi, 1997.