4

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Batubara

Batubara merupakan sisa tumbuhan dari jaman prasejarah yang berubah bentuk yang

awalnya berakumulasi di rawa dan tanah gambut.Pembentukan batubara dimulai sejak

Carboniferous Period (Periode Pembentukan Karbon atau Batu Bara) dikenal sebagai zaman

batu bara pertama yang berlangsung antara 360 juta sampai 290 juta tahun yang lalu. Mutu dari

setiap batubara ditentukan oleh suhu dan tekanan serta lamanya waktu pembentukan yang

disebut sebagai maturitas organik (World Coal Institute, 2009). Ada dua metode untuk

menganalisa batubara, yaitu dengan cara analisa ultimate dan analisa proximate. Analisa ultimate

adalah menganalisis seluruh elemen komponen batubara, padat atau gas. Sedangkan analisa

proximate adalahmeganalisa hanya fixed carbon, bahan yang mudah menguap, kadar air dan

persen abu.

Gambar 2.1 Batubara

2.1.1 Analisis proksimat

Analisis proksimatmenunjukan persen berat dari fixed carbon, bahan mudah menguap, abu,

dan kadar air dalam batubara. Jumlah fixed carbon dan bahan yang mudah menguap secara

langsung turut andil terhadap nilai panas batubara. Fixed carbon bertindak sebagai pembangkit

utama panas selama pembakaran.Kandungan bahan yang mudah menguap tinggi menunjukan

mudahnya penyalaan bahan bakar. Kadar abu merupakan hal penting dalam perancangan grate

tungku, volum pembakaran, peralatan kendali polusi dan sistim handling abu pada tungku.

Analisis proksimatuntuk berbagai jenis batubara diberikan dalam Tabel 2.1

5

Tabel 2.1 Analisaproksimat batu bara

Parameter Batubara

India

Batubara

Indonesia

Batubara Afrika

Selatan

Kadar air (%) 5,98 9,43 8,5

Abu (%) 38,63 13,99 17

volatile matter (%) 20,70 29,79 23,28

Fixed Carbon (%) 34,69 46,79 51,22

Sumber: Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia, 2013

Parameter-parameter tersebut digambarkan dibawah.

a. Fixed carbon

Fixed carbon adalah bahan bakar padat yang tertinggal dalam tungku setelah bahan yang

mudah menguap didestilasi.Kandungan utamanya adalah karbon. Selain mengandung

karbon, fixed carbon juga mengandung hidrogen, oksigen, sulfur dan nitrogen yang tidak

terbawa gas. Fixed carbon memberikan perkiraan kasar terhadap nilai panas batubara.

b. Bahan yang mudah menguap (volatile matter)

Bahan yang mudah menguap dalam batubara adalah metan, hidrokarbon, hydrogen,

karbon monoksida, dan gas-gas yang tidak mudah terbakar, seperti karbon dioksida dan

nitrogen.Bahan yang mudah menguap merupakan indeks dari kandungan bahan bakar bentuk

gas didalam batubara.Kandungan bahan yang mudah menguap berkisar antara 20% hingga

35%.

c. Kadar abu dan akibatnya

Abu merupakan kotoran yang tidak akan terbakar. Kandungan abunya berkisar antara 5%

hingga 40%:

Mengurangi kapasitas handling dan pembakaran.

Meningkatkan biaya handling.

Mempengaruhi efisiensi pembakaran dan efisiensi boiler.

Menyebabkan penggumpalan dan penyumbatan.

6

d. Kadar air dan akibatnya

Kandungan air dalam batubara harus diangkut, dihandling dan disimpan bersama-sama

batubara. Kadar air akan menurunkan kandungan panas per kg batubara, dan kandungannya

berkisar antara 0,5% hingga 10%. Kadar air:

Meningkatkan kehilangan panas, karena penguapan dan pemanasan berlebih dari uap.

Membantu pengikatan partikel halus pada tingkatan tertentu.

Membantu radiasi transfer panas

e. Kadar Sulfur dan akibatnya

Umumnya kadar sulfur berkisar pada 0,5 % hingga 0,8%. Sulfur:

Mempengaruhi kecenderungan terjadinya penggumpalan dan penyumbatan

Mengakibatkan korosi pada cerobong asap,peralatan lain seperti preheater/pemanas udara

awal dan sekitar economizers

Membatasi suhu gas buang yang keluar dengan jalan memanfaatkan sisa gas buangnya

2.1.2 Analisa ultimat

Analisa ultimatmenentukan berbagai macam kandungan kimia unsur- unsur seperti

karbon, hidrogen, oksigen, sulfur, dll.Analisis ini berguna dalam penentuan jumlah udara

yang diperlukan untuk pembakaran dan volume serta komposisi gas pembakaran.Informasi

ini diperlukan untuk perhitungan suhu nyala dan perancangan saluran gas buang dll.Analisis

ultimatuntuk berbagai jenis batubara diberikan dalam tabel 2.2.

Tabel 2.2 Analisa Ultimat Batu Bara

Parameter Batubara India, % Batubara Indonesia, %

Kadar Air 5,98 9,43

Bahan Mineral (1,1 x Abu) 38,63 13,99

Karbon 41,11 58,96

Hidrogen 2,76 4,16

Nitrogen 1,22 1,02

Sulfur 0,41 0,56

Oksigen 9,89 11,88 Sumber: Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia, 2013

7

2.2 Biomassa

2.2.1 Pengertian Biomassa

Biomassa adalah suatu limbah benda padat yang dapat dimanfaatkan lagi sebagai sumber

bahan bakar. Biomassa dapat berasal dari tumbuh-tumbuhan, hewan, bahkan sampah juga dapat

dikatakan sebagai biomassa. Biomassa merupakan salah satu energi baru terbarukan karena

keberadaannya yang akan selalu ada atau dapat dipperbaharui. Biomassa mampu memberikan

sejumlah besar energi yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan.

Saat tidak dikonsumsi oleh hewan, tumbuhan akan dipecah atau di metabolisme oleh

mikroorganisme yang untuk kemudian melepaskan karbon dioksida dan metana kembali ke

atmosfer. Konversi biomassa sangat bagus untuk menjadikan energi yang berguna meniru proses

alam dengan laju yang lebih cepat.

2.2.2 Tanaman Kelapa

Kelapa (Cocos nucifera)merupakan anggota tunggal dalam marga cocos dari suku aren-

arenan atau Arecaceae. Kelapa juga merupakan sebutan dari buah yang dihasilkan tumbuhan ini.

Pohon dengan batang tunggal atau kadang-kadang bercabang, beruas-ruas dengan akar serabut

dan daunnya merupakan daun tunggal dengan pertulangan menyirip, berbuah besar (berwarna

kuning, hijau, atau coklat) berdiameter 10 cm sampai 20 cm bahkan lebih.

Gambar 2.2 Buah Kelapa

8

Sesuai dengan julukannya pohon serba guna yang hampir semua bagiannya dapat

dimanfaatkaan oleh manusia,, seperti :

a) Batang dimaanfaatkan sebagai kayu atau papan untuk bahan pembuatan rumah.

b) Buah kelapa adalah bagian yang paling bernilai ekonomi, dapat diolah menjadi santan

dan kopra yang merupakan bahan baku pembuatan minyak kelapa serta airnya dapat

dimanfaatkan untuk membuat bahan semacam jeli yang disebut nata de coco.

c) Sabut kelapa dimanfaatkan untuk bahan bakar, keset, anyaman tali dan media tanam

untuk anggrek.

d) Batok kelapa dimanfaatkan untuk bahan bakar dan bahan baku pembuatan kerajinan

tangan.

e) Daun dipakai atap rumah setelah dikeringkan. Daun muda kelapa (janur) , sebagai

bahan anyaman pembuatan ketupat atau berbagai bentuk hiasan yang sangat menarik

terutama oleh masyarakat jawa dan bali dala berbagai upacara.

Perkebunan di Indonesia sangat berlimpah jumlahnya, khususnya untuk Provinsi Bali,

peningkatan produksi buah kelapa selamalima tahun terakhir mencapai angka 68.676 ton pada

tahun 2012.

Tabel 2.3 Wilayah Potensi Pengembangan Komoditi Kelapa di Bali

No Nama Daerah Luas Lahan

1 Kabupaten Badung Lahan yang sudah Digunakan (Ha): 2.739

2 Kabupaten Bangli Lahan yang sudah Digunakan (Ha): 2.929

3 Kabupaten Buleleng Lahan yang sudah Digunakan (Ha): 8.899

4 Kabupaten Gianyar Lahan yang sudah Digunakan (Ha): 4.721

5 Kabupaten Jembrana Lahan yang sudah Digunakan (Ha): 17.311

6 Kabupaten Karangasem Lahan yang sudah Digunakan (Ha): 17.920

7 Kabupaten Klungkung Lahan yang sudah Digunakan (Ha): 3.244

8 Kabupaten Tabanan Lahan yang sudah Digunakan (Ha): 15.742

9 Kota Denpasar Lahan yang sudah Digunakan (Ha): 163

Sumber : Badan Pusat Statistik Provinsi Bali, 2013

9

Tabel 2.4 Produksi Kelapa Provinsi Bali 2008 – 2012

Tahun Produksi

2012 68.676 ton

2011 66.747 ton

2010 66.665 ton

2009 67.793 ton

2008 67.877 ton Sumber : Badan Pusat Statistik Provinsi Bali, 2013

Sabut kelapa merupakan bagian terbesar dari buah, yaitu sekitar 35 persen dari buah

kelapa. Dengan demikian , apabila produksi kelapa 68.676 ton pada tahun 2012 , maka akan

menghasilkan sabut kelapa sebanyak 24.036 ton.

2.3 Analisa Komposisi Bahan Bakar

Setiap jenis bahan bakar, baik itu bahan bakar yang berasal dari fosil, maupun yang

berasal dari biomassa dan limbah, terlebih dahulu harus diketahui kandungan ( komposisi )

dasarnya sebelum digunakan sebagai sumber energi pada proses pembakaran. Metode yang

digunakan ada tiga jenis, yaitu :

1. Analisa proksimat

2. Analisa ultimat

3. Analisa nilai kalor

2.3.1 Analisa Proksimat

Analisa proksimat, merupakan analisa untuk mengetahui struktur fisika dari bahan

bakar. Struktur fisika itu antara lain:

Kandungan kadar air ( moisture )

Cara pengujian ini adalah dengan cara memanaskan sampel bahan bakar pada

temperatur 105 – 110oC selama 1 jam, agar mendapatkan nilai kandungan air. Dengan

menggunakan persamaan :

%𝑀𝑜𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑒 = berat awal − berat akhir

berat awal𝑋100%. ..................……..…………...................…(2.1)

10

Kandungan Abu ( Ash )

Sample bahan bakar dari pengujian moisture kemudian dipanaskan kembali pada

temperatur 700-750o C selama 1,5 jam untuk mendapatkan nilai kandungan abu/ ash.

Jumlahkandungan abu dapat dihitungdengan rumus:

%𝐴𝑠𝑕 =berat akhir

berat akhir pengujian moisturex 100%............................................................... (2.2)

Kandungan zat terbang ( volatile matter )

Untuk menentukan kandungan zat terbang dari bahan bakar, dilakukan dengan

pemanasan sampel bahan bakar pada temperatur 950oC ± 20

oC selama 12 menit. Jamlah

kandungan volatile matter dapat menggunakan rumus :

%𝑉𝑜𝑙𝑎𝑡𝑖𝑙𝑒 =berat awal −berat akhir

berat awal− %moisture …………………..............……....(2.3)

Kandungan karbon tetap ( fixed carbon )

Untuk dapat menentukan kandungan fixed carbon, dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan :

%Fixed carbon= 100%-(% moisture + % ash + % volatile )………............................(2.4)

2.3.2 Analisa Ultimat

Analisa ultima adalah analisa yang dilakukan berdasarkan struktur kimia bahan bakar

yang bertujuan untuk mengetahui kadar C ( carbon ), Oksigen, Nitrogen, Hidrogen dan Sulfur.

Analisa ini berguna dalam penentuan jumlah udara yang diperlukan untuk pembakaran dan

volume serta komposisi gas pembakaran.

11

Tabel 2.5 Analisa UltimatUntuk Batubara

Parameter Batubara

India

Batubara

Indonesia

Batubara Afrika

Selatan

Kadar air 5,98 9,43 8,5

Abu 38,63 13,99 17

Bahan mudah menguap

(volatile matter) 20,70 29,79 23,28

Fixed Carbon 34,69 46,79 51,22

Sumber : Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia, 2013

Tabel 2.6 Analisa Ultimat Berbagai Biomassa

Sumber : Raveendran et al, 1995

2.3.3 Analisa Nilai Kalor

Nilai kalor sangat menentukan tingkatan atau golongan suatu bahan bakar, nilai kalor

dapat diukur menggunakan alat bom kalorimeter.Bom kalorimeter adalah suatu alat yang

digunakan untuk menentukan panas yang disebabkan oleh bahan bakar dan oksigen pada volume

S.N Biomassa Ultimate Analysis ( %) HHVa

(MJ/kg)

Density

(kg/m3)

X Y Z % conversion

of carbon C H N O

1 Ampas tebu 43.8 5.8 0.4 47.1 16.29 111 3.65 5.8 2.94 81

2 Sabut kelapa 47.6 5.7 0.2 45.6 14.67 151 3.97 5.7 2.85 72

3 Batok kelapa 50.2 5.7 0.0 43.4 20.50 661 4.18 5.7 2.71 65

4 sabutempulur 44.0 4.7 0.7 43.4 18.07 94 3.67 4.7 2.71 74

5 Bonggol jagung 47.6 5.0 0.0 44.6 15.65 188 3.97 5.0 2.79 70

6 tangkai jagung 41.9 5.3 0.0 46.0 16.54 129 3.49 5.3 2.88 82.3

7 Limbah kapas 42.7 6.0 0.1 49.5 17.48 109 3.56 6.0 3.10 87

8 Kulit kacang 48.3 5.7 0.8 39.4 18.65 299 4.03 5.7 2.46 61.2

9 Jerami padi 42.7 6.0 0.1 33.0 17.48 201 3.56 6.0 2.063 58

10 Sekam padi 38.9 5.1 0.6 32.0 15.29 617 3.24 5.1 2.0 62

11 Tangkai padi 36.9 5.0 0.4 37.9 16.78 259 3.08 5.0 2.37 82.4

12 Serbuk kayu 48.2 5.9 0.0 45.1 19.78 259 4.02 5.9 2.82 70.2

13 Jerami gandum 47.5 5.4 0.1 35.8 17.99 222 3.96 5.4 2.24 56.5

Average 44.6 5.5 0.3 41.8 17.32 253.84 3.72 5.49 2.61 70.89

12

tetap.Hasil pengukuran diperoleh dari selisihpengukuran T1 dan T2 antara asam benzoat (benzoid

acid) seperti persamaan (2.10) :

C=𝐵𝑒𝑛𝑧𝑜𝑖𝑑 𝑎𝑐𝑖𝑑 𝑐𝑎𝑙 𝑔𝑟

𝑚1 𝑔𝑟 𝑥∆𝑇1( 𝐶𝑜 )= 𝑐𝑎𝑙 𝐶𝑜 ....…………………...........................….(2.5)

Dengan sample bahan uji seperti persamaan (2.5)

QC=

𝐶 𝑐𝑎𝑙

𝐶0 ∆𝑇2 𝐶𝑜

𝑚2 𝑔𝑟 = 𝑐𝑎𝑙 𝑔𝑟 ……………………..................................……(2.6)

Gambar 2.3 Bom Kalorimeter

2.4 Pasir Silika

Pasir kuarsa atau Pasir Silika mempunyai komposisi gabungan dari SiO2, Fe2O3, Al2O3,

TiO2, CaO, MgO, dan K2O, berwarna putih bening atau warna lain bergantung pada senyawa

pengotornya, kekerasan 7 (skala Mohs), berat jenis 2,65, titik lebur 17150 oC, bentuk kristal

hexagonal, panas sfesifik 0,185, dan konduktivitas panas 12 – 1000 oC.

Material hamparan (bed material) yang digunakan pada gasifikasi sirkulasi fluidized bed

sangat berpengaruh terhadap berhasil tidaknya proses fluidisasi yang dihasilkan. Pada sistem ini,

13

material hamparan akan difluidisasi dengan menggunakan dorongan agen gasifikasi seperti

udara, oksigen, uap atau campurannya.

Dalam studi ini akan digunakan pasir silika sebagai material. Pasir silika merupakan

material yang sangat baik dalam menyimpan kalor. Pasir silika memiliki titik lebur yang tinggi

sampai mencapai 18000oC, sehingga sangat cocok digunakan untuk aplikasi gasifikasi sirkulasi

fluidized bed. Disamping untuk material hamparan pada sistem ini, pasir silika banyak digunakan

dalam industri semen, gelas, pengecoran besi baja, keramik dan lain-lain.

Gambar 2.4 Pasir Silika

2.5 Gasifikasi

Gasifikasi adalah proses yang merubah bahan bakar padat menjadi gas yang dapat

dibakar(syngas). Secara umum, proses gasifikasi melibatkan empat tahapan proses berupa

pengeringan (drying), pyrolisis, oksidasi parsial dan reduksi.

Gambar 2.5 Tahapan-Tahapan Proses Gasifikasi

(Sumber : Brian Fisher et.al, 2010)

14

Pada gasifier jenis fluidized bed, kontak yang terjadi saat pencampuran antara gas dan

padatan sangat kuat sehingga perbedaan zona pengeringan, pirolisis, oksidasi dan reduksi tidak

dapat dibedakan. Proses pengeringan, pirolisis dan reduksi bersifat menyerap panas

(endotermik), sedangkan proses oksidasi bersifat melepas panas (eksotermik). Dalam proses

pembakaran pada gasifikasi baik dengan sistem updraft, downdraft, maupun crossdraft terdapat

tingkatan-tingkatan pembagian daerah pembakaran, yang secara berurutan adalah :

a. Pengeringan/Drying

Bahan bakar akan mengalami pengeringan akibat panas reaksi dari tahap oksidasi,

pada tahap ini kandungan air dalam wujud cair pada bahan bakar berubah menjadi uap air

yang berwujud gas akibat pemanasan

b. Pirolisis/Devolatisasi

Pirolisis adalah dekomposisi termal suatu bahan bakar padat. Produk pirolisis

umumnya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas ringan, tar dan arang. Komponen utama

campuran gas-gas tersebut adalah H2, CO, CO2, H2O, CH4 dan hidrokarbon lainnya.

Fraksi tar termasuk senyawa organik berat yang mana adalah gas ketika dilepaskan

selama pirolisis atau sebagai tetes cair (liquid drops), arang (char) disusun terutama

terdiri dari karbon dan adanya materi mineral pada bahan bakar padat (Badeau dan Levi,

2009). Proses pirolisis terjadi pada suhu 1500 sampai dengan 800

0C. Untuk gasifikasi

biomassa, pirolisis dapat di reprentasikan sebagai:

Bahan bakar panas

= Char + Volatil

c. Oksidasi/Pembakaran

Oksidasi atau pembakaran arang merupakan reaksi terpenting yang terjadi di dalam

gasifier, terjadi pada suhu 8000C sampai dengan 1000

0C (Prabir Basu, 2010). Proses ini

menyediakan seluruh energi panas yang dibutuhkan pada reaksi endotermik.

d. Reduksi/Gasifikasi

Reduksi atau gasifikasi melibatkan suatu rangkaian reaksi endotermik yang disokong

oleh panas yang diproduksi dari reaksi pembakaran, terjadi pada suhu 6000C sampai

dengan 10000C (Prabir Basu, 2010). Produk yang dihasilkan pada proses ini adalah gas

mampu bakar seperti, karbonmonoksida (CO), karbondioksida (CO2), hidrogen (H2),

metan (CH4), sedikit hidrokarbon berantai lebih tinggi (etana), air, nitrogen (apabila

menggunakan udara sebagai oksidan), dan berbagai kontaminan seperti partikel arang,

15

debu, tar, hidrokarbon rantai tinggi, alkali, amoniak, asam, dan senyawa-senyawa

sejenisnya.

2.6 Co-Gasifikasi

Co-gasifikasi adalah suatu proses konversi bahan bakar padat menjadi gas menggunakan

dua material yang berbeda, dimana udara yang diperlukan lebih rendah dari udara yang

digunakan untuk proses pembakaran. Selama proses gasifikasi reaksi kimia utama yang terjadi

adalah endotermis (diperlukan panas luar selama proses berlangsung). Produk yang dihasilkan

dapat dikategorikan menjadi tiga bagian utama, yaitu padatan, cairan (termasuk gas yang dapat

dikondensasikan) dan gas permanen.Beberapa keunggulan dari teknologi co-gasifikasi yaitu :

1. Mampu memproses dua bahan bakar sekaligus

2. Mampu menghasilkan produk gas yang konsisten yang dapat digunakan sebagai gas

bahan bakar untuk pembangkit listrik dan sebagainya.

3. Mampu mengubah sampah yang bernilai rendah menjadi produk yang bernilai tinggi

4. Mampu mengurangi jumlah sampah padat.

5. Gas yang dihasilkan tidak mengandung furan dan dioxin yang berbahaya.

Untuk melangsungkan gasifikasi diperlukan suatu reaktor. Reaktor tersebut dikenal

dengan nama gasifier. Ketika gasifikasi dilangsungkan, terjadi kontak antara bahan bakar dengan

agen penggasifikasi di dalam gasifier. Kontak antara bahan bakar dengan medium tersebut

menentukan jenis gasifier yang digunakan.

2.7 Fluidisasi

Fluidisasi merupakan salah satu teknik pengontakan fluida baik gas maupun cairan

dengan butiran padat. Pada fluidisasi, kontak antara fluida dengan partikel padat dapat terjadi

dengan baik karena permukaan kontak yang luas.Bila cairan atau gas dilewatkan pada unggun

partikel padat dengan kecepatan yang rendah, maka unggun tidak akan bergerak, apabila

kecepatan fluida yang melewati unggun dinaikan maka perbedaan tekanan disepanjang unggun

akan meningkat pula. Pada saat perbedaan tekanan sama dengan berat unggun dibagi luas

penampang, unggun mulai bergerak dan melayang-layang keatas. Partikel-partikel padat ini akan

bergerak-gerak dan mempunyai perilaku seperti fluida. Keadaan seperti ini dikenal dengan

hamparan terfluidisasikan (fluidized bed).

16

2.7.1 Jenis-Jenis Fluidisasi

Fluidisasi Partikulat (Particulate Fluidization)

Fluidisasi partikulat adalah jenis fluidisasi yang menggunakan zat cair sebagai fluidanya.

Dalam fluidisasi air dan pasir, partikel-partikel itu bergerak menjauh satu sama lain dan

gerakannya bertambah hebat dengan bertambahnya kecepatan, tetapi densitas hamparan rata-rata

pada suatu kecepatan tertentu sama disegala arah hamparan. Proses ini bercirikan ekspansi

hamparan yang cukup besar tetapi seragam pada kecepatan yang tinggi.

Fluidisasi Gelembung (Bubbling Fluidization)

Fluidisasi gelembung adalah jenis gasifikasi yang menggunakan udara sebagai fluidanya.

Fluidisasi ini terjadi jika kecepatan superficial gas diatas kecepatan fluidisasi minimum. Bila

kecepatan superficial gas diatas kecepatan jauh lebih besar dari Umf kebanyakan gas itu mengalir

melalui hamparan dalam bentuk gelembung, dan hanya sebagian kecil gas itu mengalir dalam

saluran-saluran yang terbentuk diantara partikel. Partikel itu bergerak tanpa aturan dan didukung

oleh fluida tetapi diruang-ruang antara gelembung fraksi kosong kira-kira sama dengan kondisi

awal fluidisasi . Gelembung yang terbentuk berperilaku hampir seperti gelembung udara dalam

air, atau gelembung uap dalam zat cair yang mendidih (hamparan didih).

2.7.2 Rumus – Rumus Umum Fluidisasi

Volume dan Luas Permukaan Padatan

Volume padatan:

Vs = 𝑚𝑎𝑠𝑠

𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦(m

3) ….……………………..................................……..(2.7)

Luas permukaan padatan:

As= 6 𝑉𝑠

𝜑𝑑𝑚 (m

2) …..………………….................................……….....(2.8)

dimana:

As = luas permukaan padatan (m2)

Vs = volume padatan (m3)

φ = sphericity (faktor kebolaan)

dm = diameter rata-rata (m)

17

Fraksi Ruang Kosong (voidage)

𝑣𝑜𝑖𝑑𝑎𝑔𝑒 𝜀 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑏𝑒𝑑 − 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑏𝑒𝑑

= 1 −𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑏𝑒𝑑

𝜀 = 1 −𝑉𝑠

𝑉𝑏

= 1 −𝑚𝑠/𝜌𝑠

𝑚𝑏/𝜌𝑏

(ms~mb)

𝑣𝑜𝑖𝑑𝑎𝑔𝑒 𝜀 = 1 −𝜌𝑏

𝜌𝑠......................................................................(2.9)

Kecepatan Minimum Fluidisasi (Umf)

Langkah pertama adalah menentukan fraksi ruang kosong (εmf) yang terjadi di dalam bed

(hamparan) dengan mengunakan persamaan sebagai berikut:

𝜀𝑚𝑓 = 0,071

𝜑

1

3……………………………….................................….(2.10)

dimana: φ = faktor kebolaan pasir silika

Selanjutnya adalah menentukan bilangan Archimedes (Ar) dengan menggunakan

persamaan sebagai berikut:

Ar = gx dp

3xρg x (ρp−ρg )

(μ)2……………….......................................…….(2.11)

dimana: Ar = bilangan Archimedes

g = percepatan gravitasi bumi (m/detik)

dp = diameter partikel pasir silika (m)

ρg = densitas udara (kg/m3)

ρp = densitas pasir silika (kg/m3)

μ = viskositas udara (kg/m.detik)

Bilangan Archimedes (Ar) ini akan digunakan untuk menentukan bilangan Reynolds

(Remf) dengan menggunakan Ergun equation sebagai berikut:

𝐴𝑟 = 150 (1−𝜀𝑚𝑓 )

𝜑2 𝜀𝑚𝑓3𝑅𝑒𝑚𝑓 +

1,75

𝜑𝜀𝑚𝑓3𝑅𝑒2

𝑚𝑓………….....................................……...(2.12)

18

Setelah bilangan Reynolds dapat dihitung dengan rumus di atas, maka kecepatan

minimum fluidisasi (Umf) dapat ditentukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

Umf = 𝑅𝑒𝑚𝑓 𝑥𝜇

𝜌𝑔𝑥𝑑𝑔 (m/s) …...……..…………..................................…............(2.13)

Jumlah Udara Pembakaran

Jika susunan bahan bakar diketahui, berdasarkan ketel uap (Djokostyardjo,1999) maka

dapat dihitung jumlah kebutuhan udara pembakaran untuk pembakaran sempurna.

Karbon (C) terbakar sempurna menjadi CO2 menurut persamaan:

C + O2 CO2

12 kg C + 32 kg O2 44 kg CO2

1 kg C + 32/12 kg O2 44/12 kg CO2 ……………………....................................(2.14)

Hidrogen (H) terbakar menjadi H2O menurut persamaan :

2 H2 + O2 2H2O

4 kg H2 + 32 O2 36 kg H2O

1 kg H2 + 8 kg O2 9 kg H2O …………………………………......................….(2.15)

Belerang (S) terbakar berdasarkan persamaan :

S + O2 SO2

32 kg S + 32 kg O2 64 kg SO2

1kg S + 1 kg O2 2kg SO2 ………………………………........................………..(2.16)

Dari perhitungan diatas kemudian dijumlahkan kebutuhan oksigennya maka kebutuhan

udara stoikiometri (SA) dari bahan bakar padat dapat dihitung dengan persamaan:

Kebutuhan oksigen Stoikiometri (SA) = kebutuhan oksigen H + kebutuhan oksigen C +

kebutuhan oksigen S – kandungan O

Kemudian kebutuhan udara pembakaran dapat dihitung. Dalam udara, umumnya kadar

oksigen yang terkandung antara 21 – 23 % maka dari perbandingan udara dan bahan bakar

didapat kebutuhan udara sebesar :

Kebutuhan udara pembakaran =% 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎

% 𝑂2𝑑𝑖 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎x kebutuhan oksigen total…...............................(2.17)

19

Untuk proses gasifikasi kebutuhan oksigen yang digunakan adalah kebutuhan oksigen

stokiometri (SA)

Ekspansi Ketinggian Hamparan Fluidisasi (ΔHa)

Kecepatan bubble (Ub) :

𝑈𝑏 = 𝑘 𝑈 − 𝑈𝑚𝑓 + 0,71 𝑔𝑑𝐵…………….................................…….(2.18)

dimana: Ub = kecepatan bubble (m/detik)

U = kecepatan fluidisasi

k = konstanta (1)

Umf = kecepatan minimum fluidisasi (m/detik)

g = percepatan gravitasi bumi (9,81 m/s2)

dB = diameter bubble (meter)

Ekspansi ketinggian hamparan fluidisasi (ΔHa) :

𝑡𝑏𝑢𝑏𝑏𝑙𝑒 = 𝐻𝑎

𝑈𝑏𝑢𝑏𝑏𝑙𝑒

ΔHa = Ha – Hmf = (U – Umf) tbubble …….………...................................….(2.19)

2.8 Co-Gasifikasi Fluidized Bed

Gasifikasi fluidized bed merupakan konversi bahan bakar padat menjadi gas dengan

menggunakan agen gasifikasi sebagai pencampur bahan bakar dan biomassa sehingga kedua

bahan tersebut berperilaku seperti fluida.Pada gasifier jenis ini, udara dan bahan bakar tercampur

pada unggun yang terdiri dari padatan inert berupa pasir. Keberadaan padatan inert tersebut

sangat penting karena berfungsi sebagai medium penyimpan panas.

Gasifikasi fluidized bed dioperasikan dengan suhu rendah, yaitu 800-1000oC. Suhu

operasi tersebut berada di bawah suhu leleh abu, sehingga penghilangan abu yang dihasilkan

pada gasifikasi jenis ini lebih mudah. Hal inilah yang menyebabkan gasifikasi fluidized bed dapat

digunakan pada pengolahan bahan bakar dengan abu tinggi sehingga rentang penerapan

gasifikasi fluidized bed lebih luas daripada gasifikasi jenis lainnya.

20

2.9 Resirkulasi/ Cyclonic

Cyclonic merupakan unit utama yang digunakan untuk meningkatkan efisiensi gasifikasi

dengan jalan membakar kembali melalui proses sirkulasi. Gas panas dan tar,debu bercampur

kembali ke reaktor. Siklon ini menggunakan gaya sentrifugal untuk memisahkan padatan dari

gas dengan mengarahkan aliran gas menuju jalur melingkar. Karena pengaruh gaya inersia,

partikel tidak akan mampu mengikuti jalur tersebut sehingga akan terpisahkan dari aliran gas.

Meskipun secara fisik pemisahan partikel cukup kompleks, filter cyclon dengan kinerja yang

sudah diprediksikan sebelumnya dapat dirancang menggunakan teknologi teoritis dan empiris

yang sudah dikembangkan selama ini.

Siklon seringkali dirancang dalam bentuk beberapa unit yang dipasang seri (multi-

clones), dapat memisahkan >90% partikel berdiameter 5 µm dengan penurunan tekanan

minimum 0,01 atm. Pemisahan partikel dengan diameter 1-5 µm secara parsial juga masih

memungkinkan, namun Siklon menjadi tidak efektif untuk memisahkan partikel sub-micron.

Karena siklon dapat dioperasikan pada temperatur tinggi, panas sensible dalam produk gas dapat

dipertahankan.

Pada sistem gasifikasi circulating fluidized bed , siklon berfungsi agar bahan bakar yang

belum terbakar sempurna akan bersirkulasi dan kembali ke dalam gasifier untuk selanjutnya

mengalami proses pembakaran kembali.

Gambar 2.6 Cyclonic

(Anonimus, 2007)

21

2.10 Faktor yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi

Proses gasifikasi memiliki beberapa faktor yang dapat mempengaruhi proses dan

kandungan syngas yang dihasilkan. Faktor-faktor tersebut adalah:

a. Bahan bakar

Beberapa klasifikasi dalam mendefinisikan bahan baku yang dipakai pada sistem gasifikasi

berdasarkan kandungan dan sifat yang dimilikinya yaitu :

Kandungan energi

Semakin tinggi kandungan energi yang dimiliki bahan bakar maka syngas hasil

gasifikasi tersebut semakin tinggi karena energi yang dikonversi juga semakin tinggi.

Moisture

Bahan baku yang digunakan untuk proses gasifikasi umumnya memiliki kandungan

moisture yang rendah. Karena kandungan moisture tinggi menyebabkan heat loss yang

tinggi dan beban pendinginan semakin tinggi karena pressure drop yang terjadi meningkat.

Idealnya kandungan moisture yang sesuai untuk bahan baku gasifikasi kurang dari 20%.

Debu

Debu (dust) ini sangat menggangu karena berpotensi menyumbat saluran sehingga

membutuhkan perawatan lebih. Desain gasifier yang baik setidaknya mengasilkan

kandungan debu yang tidak lebih dari 2-6 g/m3.

Tar

Tar merupakan salah satu kandungan yang paling merugikan dan harus dihindari karena

sifatnya yang korosif. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan tar tidak lebih

dari 1 g/m3

Ash dan slagging

Ash adalah kandungan mineral yang terdapat pada bahan baku yang tetap berupa oksida

setelah proses pembakaran. Sedangkan slag adalah kumpulan ash yang tebal. Pengaruh

adanya ash dan slag pada gasifier adalah:

o Menimbulkan penyumbatan pada gasifier.

o Pada titik tertentu mengurangi respon pereaksi bahan baku.

b. Jenis Media Gasifikasi

22

Jenis media gasifikasi yang digunakan pada umumnya adalah udara, kombinasi oksigen dan

uap. Penggunaan jenis media gasifikasi mempengaruhi kandungan gas yang dimiliki oleh

syngas.Perbedaan kandungan syngas terlihat pada kandungan nitrogen dan mempengaruhi besar

nilai kalor yang dikandungnya. Penggunaan udara bebas menghasilkan senyawa nitrogen yang

pekat di dalam syngas, berlawanan dengan penggunaan oksigen/uap yang memiliki nilai kalor

syngas yang lebih baik dibandingkan menggunakan udara.

c. 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. Pada gasifikasi AFR yang tepat

untuk proses gasifikasi berkisar pada angka 1,25 - 1,5

2.11 Parameter-parameter Penting dalam Proses Gasifikasi

Menurut Bolenio (2005), parameter-parameter penting yang harus dipertimbangkan

dalam proses gasifikasi, yaitu:

Temperatur Gasifikasi

Temperatur gasifikasi harus tinggi karena dalam tahap pertama gasifikasi adalah

pengeringan untuk menguapkan kandungan air dalam bahan bakar agar menghasilkan gas

yang bersih. Untuk mempertahankan temperatur, maka tangki reaktor diisolasi dengan bata

tahan api agar tidak ada panas yang keluar lingkungan sehingga efisiensi reaktor menjadi

baik.

Spesifik Gasification Rate (SGR)

SGR mengindikasikan banyaknya bahan bakar rata-rata yang dapat tergasifikasi dalam

gasifier. Jika SGR semakin besar maka proses gasifikasi tidak berjalan sempurna,

sebaliknya jika SGR semakin kecil maka proses gasifikasi berjalan lambat. SGR dapat

dihitung dengan cara:

SGR = berat bahan bakar − berat arang

luas x waktu

kgm . dt2 …………..................…(2.20)

Fuel Cunsumtion Rate (FCR)

23

Bahan bakar yang dibutuhkan pada proses gasifikasi dapat dihitung menggunakan rumus:

FCR =berat bahan bakar tergasifikasi

waktu operasional……………………...….................…(2.21)

=berat bahan bakar −berat arang

waktu operasional

kgdt ……….....................…(2.22)

Gas Fuel Ratio (GFR)

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

GFR=𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑎𝑙𝑖𝑟𝑎𝑛 𝑔𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑠𝑒𝑟

𝐹𝐶𝑅 m

dt …………….................……….(2.23)

% Char

% Char adalah perbandingan banyaknya arang yang dihasilkan dengan banyaknya

biomassa yang dibutuhkan. % chardapat dihitung menggunakan rumus:

% char=arang

berat bahan bakar x 100%.................................................................(2.24)

2.12 Pembakaran Bahan Bakar

2.12.1 Kebutuhan Bahan Bakar

Energi input ini mengacu pada jumlah energi yang diperlukan dalam hal bahan bakar

yang akan dimasukan ke dalam gasifier. Hal ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

Menentukan fuel cumsumtion rate (FCR) :

FCR = Vbb x Fg.................................................................................................(2.25)

Dimana : Vbb = laju masuk bahan bakar (kg/jam)

Fg = Faktor gasifikasi (asumsi waktu proses gasifikasi terhadap waktu

pemasukan bahan bakar dan variasi bahan bakar yang digunakan)

2.12.2 Waktu Konsumsi Bahan Bakar

24

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

gas dari bahan bakar padat di dalam reaktor. Waktu konsumsi bahan bakar, dapat dihitung

menggunakan rumus:

t =𝜌 𝑥 𝑉𝑟

𝐹𝐶𝑅…………………………...........….........................................(2.26)

Dimana :

FCR : Fuel Comsumption Rate (kg/hr)

t : Waktu konsumsi bahan baku (jam)

P : massa jenis bahan baku (kg/m3)

Vr : Volume reaktor (m3)

2.12.3 Jumlah Udara Dibutuhkan untuk Gasifikasi

Hal ini sangat penting dalam menentukan ukuran blower yang dibutuhkan untuk reaktor

gasifikasi. Jumlah udara yang dibutuhkan dapat ditentukan dengan rumus :

AFR = 𝜀𝑥𝐹𝐶𝑅𝑥𝑆𝐴

𝜌𝑎………………………….........................................(2.27)

Dimana:

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

FCR = Fuel Comsumption Rate (kg/hr)

ρa = Massa jenis udara (1,25 kg/m3)

ε = Rasio ekuivalensi (0,3-0,4)

SA = Udara stokiometri dari bahan bakar padat

2.12.4 Kecepatan Udara

Kecepatan udara dalam gasifier akan menyebabkan pembentukan saluran yang sangat

mungkin mempengaruhi gasifikasi. Kecepatan udara dapat dihitung dengan menggunakan

rumus:

VS = 4x AFR

D2 ………………………………….....................................................(2.28)

Dimana :

VS = Kecepatan supersic gas (m/jam)

AFR = Tingkat aliran udara (m3/jam)

25

D = Diameter reaktor (m)

2.12.5 Nilai Pembakaran

Bila di dalam 1 kg bahan bakar yang terdiri dari 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 tersebut, yaitu jumlah panas yang dihasilkan dari

pembakaran yang sempurna dari 1 kg bahan bakar yang dimaksud. Berdasarkan buku ketel uap

(Djokosetyardjo,1989) tentang pembakaran bahan bakar,rumus untuk menentukan heating valve

adalah sebagai berikut:

Qhigh = 33915 C + 144033(H-0/8) + 10648 (kj.kg)……………………………......................(2.29)

Qlow = 33915 C + 121423 (H – 0/8) + 10648 S- 2512 (W+9x0/8) (kj/kg)………...................(2.30)

Qhigh = nilai pembakaran tertinggi atau highest heating value, yang dalam hal ini uap air

yang berbentuk dari hasil pembakaran dicairkan terlebih dahulu, sehingga panas

pengembunannya turut dihitung serta dinilai sebagai panas pembakaran yang terbentuk.

Qlow = 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 terbentuk.

2.13 Efisiensi Proses Gasifikasi

Parameter-parameter yang mempengaruhi efisiensi gasifier antara lain, kandungan

moisture, temperatur udara masuk, dan heat loss. Nilai tertinggi dari kandungan moisture dari

bahan bakar tidak boleh lebih dari 33%. Pengaruh temperatur dan besarnya nilai dari equivalen

ratio gasifikasi juga mempengaruhi efisiensi gasifikasi. Untuk memastikan semua karbon

bereaksi, temperatur harus tinggi > 927oC dan equivalen ratio 0,4. Tetapi, pada kondisi tersebut

persentase tar yang dihasilkan sangat tinggi. Untuk mengatasi hal tersebut, ada dua cara yaitu

memanaskan udara masuk gasifier dan memperlama waktu tinggal (residence time) produk gas.

Efisiensi gas hasil gasifikasi dapat dihitung dengan cara sebagai berikut :

Udara mengandung sekitar 76,9 % nitrogen

N2 udara = 0,769 x SA.............................................................................................. (2.31)

Total nitrogen yang diproduksi udara dan bahan bakar

26

𝑁2 =𝑁2 𝑏𝑎𝑡𝑢𝑏𝑎𝑟𝑎 +𝑁2 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 +𝑁2 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎

𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑚𝑒𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙 𝑁2.............................................. (2.32)

Jumlah gas nitrogen yang diproduksi

Produksi N2 =𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑛𝑖𝑡 𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛

𝑘𝑎𝑛𝑑𝑢𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛 𝑔𝑎𝑠 𝑕𝑎𝑠𝑖𝑙 𝑔𝑎𝑠𝑖𝑓𝑖𝑘𝑎𝑠𝑖......................... (2.33)

Energi output dari gas mampu bakar (CO, H2 dan CH4)

Energi output = energi output CO + energi output H2 + energi output CH4......... (2.34)

Total energi input bahan bakar

Nergi input = Ʃ nilai kalor bahan bakar................................................................ (2.35)

Efisiensi gas hasil gasifikasi

ɳ =𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡

𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡𝑥 100%................................................................................. (2.36)

Tabel 2.7 Nilai HHV dan LHV Gas Mampu Bakar

Gas Higher Heating Value (MJ/kg mol) Lower Heating Value (MJ/kg mol)

CO 282,99 282,99

H2 285,84 241,83

CH4 890,36 802,34

Sumber : Basu, 2006

2.14 Jenis-Jenis Reaktor Co-Gasifikasi

Fixed Bed Gasifier

Beberapa jenis Fixed bed gasifier dengan keuntungan dan kekurangannya antara lain :

Tabel 2.7 Keunggulan dan Kekurangan Jenis – Jenis Fixed Bed Gasifier

Jenis gasifier Keunggulan Kekurangan

27

Updraft

Gasifier

a. menghasilkan pembakaran yang

sangat bersih

b. lebih mudah dioperasikan

c. arang yang dihasilkan lebih sedikit

a. menghasilkan sedikit

metan

b. tidak dapat beroperasi

secara kontinyu

c. gas yang dihasilkan tidak

kontinyu

Dwondraft Gasifier a. dapat beroperasi secara kontinyu

b. suhu gas tinggi

a. tar yang dihasilkan lebih

banyak

b. produksi asap terlalu

banyak selama operasi

c. menghasilkan arang lebih

banyak

Crossdraft Gasifier a. suhu gas yang keluar tinggi

b. reduksi CO2 rendah

c. kecepatan gas tinggi

d. tempat penyimpanan,

pembakaran dan zona reduksi

terpisah

e. kemampuan pengoperasiannya

sangat bagus

f. waktu mulai lebih cepat

a. komposisi gas yang

dihasilkan kurang bagus

b. gas CO yang dihasilkan

tinggi, gas H rendah

c. gas metan yang

dihasilkan juga rendah

Sumber : Gasifier Powered Go-Kart,Brian Fisheret.al, 2010

Fluidized bed gasifier

Terdapat 2 (dua) jenis pengoperasian reaktor unggun terfluidakan yaitu bubbling fluidized

bed (BFB) dan circulating fluidized bed (CFB).Di dalam reaktor BFB, aliran gas mengalir ke

atas melalui unggun yang terdiri atas material granuler yang bebas bergerak (misalnya

pasir).Kecepatan aliran gas harus cukup tinggi untuk menjaga agar pasir tetap berada pada

kondisi terfluidisasi. Gas yang digunakan umumnya adalah udara, oksigen, ataupun kukus.

Sedangkan material pasir yang umum digunakan adalah dolomite, calcite, pasir silica atau

alumina.Debu yang terbawa oleh gas dipisahkan menggunakan siklon.

28

Keunggulan penggunaan gasifier BFB adalah:

a) Perolehan gas produk lebih seragam.

b) Profil temperatur di sepanjang reaktor lebih seragam.

c) Rentang ukuran partikel yang dapat dioperasikan dalam gasifier ini lebih lebar, termasuk

partikel halus.

d) Laju perpindahan panas antara material inert, bahan bakar, dan gas lebih cepat.

e) Konversi tinggi sedangkan produk tar dan karbon yang tak terkonversi rendah.

Kekurangan utama penggunaan gasifier BFB adalah kemungkinan terbentuknya ukuran

gelembung yang besar di sepanjang unggun.

Gambar 2.7 Skema Reaktor Bubbling Fulidized Bed

(Sumber: Grabowski P, 2004)

Apabila kecepatan aliran gas melewati 9 m/s, hampir seluruh padatan material pasir

terbawa oleh aliran sehingga pengoperasian reaktor menjadi CFB. Material pasir dipisahkan dari

aliran gas di dalam siklon sedangkan debu-debu halus dipisahkan dari gas menggunakan dusting

equipment. Keunggulan reaktor CFB adalah:

a) Cocok untuk reaksi yang berjalan dengan cepat.

b) Laju perpindahan panas cepat akibat pengaruh dari kapasitas panas material unggun yang

tinggi.

c) Diperoleh konversi tinggi, produksi tar rendah, dan karbon tak terkonversi rendah.

Kelemahan reaktor ini adalah:

a) Terbentuknya gradient temperatur di arah aliran padatan.

29

b) Ukuran partikel sangat menentukan laju transport minimum, kecepatan yang terlalu tinggi

dapat menyebabkan erosi peralatan.

c) Perpindahan panas tidak seefisien BFB.

Gambar 2.8 Skema Reaktor Circulating Fulidized Bed

(Sumber: Grabowski P, 2004)

Entrained flow gasifier

Reaktor entrained flow dapat dibagi menjadi 2 (dua) jenis yaitu slagging dan non

slagging. Secara umum, laju alir massa slag sekurang-kurangnya 6% dari laju alir bahan bakar

untuk memastikan proses berjalan dengan baik. Di dalam gasifier non slagging, dinding reaktor

tetap bersih dari slag. Jenis gasifier ini cocok untuk umpan yang kandungan partikel debu nya

tidak terlalu tinggi. Skema reaktor entrained flow diberikan pada Gambar 2.9.

30

Gambar 2.9 Skema Reaktor Entrained Flow

(Sumber: Grabowski P, 2004)