MAKALAH BIOENERGI GASIFIKASI BIOMASSA SEKAM PADI
Oleh : Jatmiko Eko Witoyo
( 125100601111006)
Dosen Pengampu : Dr. Ir. Bambang Susilo, M.Sc.Agr
PROGRAM STUDI TEKNIK BIOPROSES JURUSAN KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG 2014
Kelas H
BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang Biomassa dianggap sebagai sumber alternatif energi terbarukan untuk bahan bakar fosil yang memungkinkan untuk mengurangi emisi gas rumah kaca . Biomassa dapat terbentuk secara berkelanjutan melalui proses siklus fiksasi dan pelepasan CO2 , sehingga mengurangi masalah pemanasan global. Energi dapat diperoleh dengan pembakaran biomassa secara langsung , dapat juga dengan pirolisis ( tanpa adanya oksigen ) atau gasifikasi (dengan oksigen terbatas ) untuk menghasilkan bahan bakar cair atau bahan bakar gas . Gasifikasi biomassa adalah salah satu teknologi yang paling menjanjikan karena kemampuannya untuk cepat mengkonversi jumlah besar dan berbagai jenis biomassa menjadi gas atau bahan bakar. Proses gasifikasi biomassa yaitu dengan mengkonversi ke dalam campuran gas seperti karbon monoksida , hidrogen dan hidrokarbon , bersama dengan karbon dioksida dan nitrogen . Sekam padi merupakan lapisan keras yang meliputi kariopsis yang terdiri dari dua belahan yang disebut lemma dan palea yang saling bertautan. Pada proses penggilingan beras sekam akan terpisah dari butir beras dan menjadi bahan sisa atau limbah penggilingan. Sekam dikategorikan sebagai biomassa yang dapat digunakan untuk berbagai kebutuhan seperti bahan baku industri, pakan ternak dan energi atau bahan bakar. Dari proses penggilingan padi biasanya diperoleh sekam sekitar 2030% dari bobot gabah. Penggunaan energi sekam bertujuan untuk menekan biaya pengeluaran untuk bahan bakar bagi rumah tangga petani. Penggunaan Bahan Bakar Minyak yang harganya terus meningkat akan berpengaruh terhadap biaya rumah tangga yang harus dikeluarkan setiap harinya. Dari proses penggilingan padi biasanya diperoleh sekam sekitar 20-30%, dedak antara 8- 12% dan beras giling antara 50-63,5% data bobot awal gabah. Sekam dengan persentase yang tinggi tersebut dapat menimbulkan problem lingkungan. 1.2. Rumusan Masalah 1.2.1. Apakah Pengertian Gasifikasi? 1.2.2. Bagaimana Tahapan Proses Gasifikasi ? 1.2.3. Bagaimana Mekanisme Gasifikasi ? 1.2.4. Apakah Faktor – faktor yang mempengaruhi gasifikasi ? 1.2.5. Jenis – Jenis reaktor apa yang digunakan dalam proses gasifikasi ? 1.2.6. Apakah keuntungan dan kekurangan Gasifikasi? 1.2.7. Apakah Pengertian Gasifikasi Sekam Padi ? 1.2.8. Apakah ada perbedaan penggunaan bahan bakar dengan menggunakan campuran gasifikasi pada PLTD ? 1.2.9. Bagaimana Pengaruh temperature terhadap hasil gasifikasi Sekam Padi ?
1
1.3. Tujuan Adapun tujuan penulisan makalah ini adalah sebagai berikut : 1.3.1. Untuk Mengetahui Pengertian Gasifikasi 1.3.2. Untuk Mengetahui Tahapan Proses Gasifikasi Untuk Mengetahui Mekanisme Gasifikasi Untuk Mengetahui Faktor – faktor yang mempengaruhi gasifikasi Untuk Mengetahui Jenis – Jenis reaktor apa yang digunakan dalam proses gasifikasi 1.3.3. Untuk Mengetahui keuntungan dan kekurangan GasifikasiUntuk Mengetahui Gasifikasi Sekam Padi 1.3.4. Untuk Mengetahui perbedaan penggunaan bahan bakar dengan menggunakan campuran gasifikasi pada PLTD 1.3.5. Untuk Mengetahui Pengaruh temperature terhadap hasil gasifikasi Sekam Padi
2
BAB II ISI 2.1. Pengertian Gasifikasi Gasifikasi merupakan proses pembakaran bahan-bakar padat dalam wadah gasifier untuk menghasilkan bahan-bakar gas (syngas). Pembakaran bahan bakar gas (syngas) lebih mudah dalam pengontrolan laju atau suhu pembakaran dibanding pembakaran bahan bakar padat. Disamping itu, hasil pembakaran bahan bakar gas lebih bersih. Namun, untuk menghasilkan syngas dari gasifikasi, teknologi gasifikasi masih harus dikembangkan karena efisiensi tertinggi proses gasifikasi masih disekitar 65%. Hal ini karena biomasa khususnya sekam padi memiliki karakteristik yang berbeda dengan jenis bahan bakar lain yaitu memiliki kadar air yang tinggi sekitar 11,7 % (Yin et al, 2002 dalam Anis,dkk, 2010). Banyak parameter yang mempengaruhi efisiensi gasifikasi dan sangat tergantung dari jenis bahan bakar dan tipe gasifier yang dipakai. Pemanasan awal udara gasifikasi merupakan parameter penting yang berpengaruh terhadap efisiensi gasifikasi. Pemanasan tersebut dapat membantu mengurangi kandungan moisture bahan bakar. Semakin kecil prosentase moisture dalam bahan bakar padat, nilai kalor syngas semakin besar. Namun, pemanasan awal udara gasifikasi harus dicari nilai optimumnya sehingga tidak menimbulkan permasalahan lagi yaitu terbentuknya tar (Anis,dkk, 2010). 2.2. Tahapan Proses Gasifikasi Proses gasifikasi pada gasifier terdiri beberapa tahapan. Menurut Mathieu dan Dubuisson (2002), proses gasifikasi berlangsung dengan empat tahapan dasar yaitu pyrolysis, combustion, boudouard reaction, dan gasification processes. Perbedaan gasifikasi dengan pembakaran langsung terletak pada jumlah oksigen yang dipakai untuk reaksi pembakaran. Gasifikasi dikondisikan kurang O2, besarnya sekitar 25% dari kebutuhan O2 untuk pembakaran sempurna. Apabila jumlah O2 melebihi dari 25% efisiensi gasifikasi turun. Pemanasan awal udara juga berpengaruh menaikan efisiensi gasifikasi. Pemanasan awal udara gasifikasi divariasikan pada temperature 250C sampai 3000 C.
Gambar 1. Skema Tahapan Proses Gasifikasi 3
Menurut Sadaka (2006), selama gasifikasi biomassa, bahan dipanaskan sampai suhu tinggi, yang menyebabkan serangkaian perubahan fisik dan kimia yang menghasilkan produk yang mudah menguap dan residu padat karbon. Jumlah volatil yang dihasilkan dan komposisi mereka tergantung pada suhu reaktor, jenis, dan karakteristik bahan bakar. Hal ini berlaku umum bahwa tahap gasifikasi char adalah tingkat membatasi dalam gasifikasi biomassa karena Tahap devolatilization sangat cepat. Komposisi gas produk akhir juga tergantung pada tingkat keseimbangan dicapai dengan berbagai reaksi fase gas, khususnya reaksi udara – gas. Dengan tidak adanya katalis, gasifikasi char dengan gas reaktif seperti O2 , H2O dan CO2 terjadi pada suhu tinggi (700 oC sampai 1000 oC) menurut reaksi berikut ini :
Ketika char gasifikasi di uapkan, gas yang dihasilkan adalah terdiri dari CO2 , CO, H2 dan CH4 . Uap dapat ditambahkan dari sumber eksternal atau dari reaksi dehidrasi sisa tanaman. Dalam reaktor yang beroperasi pada suhu rendah, tingkat pemanasan yang rendah dan sangat tekanan tinggi, reaksi sekunder sangat penting karena waktu tinggal yang lama (dari produk-produk volatil dalam zona reaksi). Di sisi lain, pada tekanan rendah, suhu tinggi, dan tingkat pemanasan yang tinggi, sebagian besar produk yang mudah menguap,sehingga mengurangi kemungkinan interaksi char gas - padat. Tujuan dari gasifikasi biomassa. Proses gasifikasi biomassa terjadi dalam empat tahap yang saling terkait : 1) pengeringan bahan baku; 2) pirolisis untuk menghasilkan materi yang volatil dan char; 3) gasifikasi in situ arang dibentuk dengan gas reaktif seperti CO2, H2O, H2 dan O2; dan 4) reaksi sekunder gas primer dan tars. Proses gasifikasi menggunakan agen, baik udara, oksigen, hidrogen atau uap (lihat Gambar 2) untuk mengubah bahan karbon menjadi produk gas.
Gambar 2.Proses Gasifikasi dan Produknya 4
1)
Gasifikasi Udara Proses gasifikasi sederhana menggunakan udara sebagai agen gasifying. Kelebihan Char yang dibentuk oleh proses pirolisis dalam gasifier dibakar dengan terbatasnya pasokan udara (biasanya pada rasio kesetaraan 0,25). Produk ini adalah energi dengan gas rendah yang mengandung terutama hidrogen dan karbon monoksida yang diencerkan dengan nitrogen dari udara. Nilai kalor dari gas yang dihasilkan adalah dalam range 3,5-7,8 MJ / Nm 3, yang membuatnya cocok untuk boiler dan mesin aplikasi tetapi tidak untuk keperluan yang membutuhkan transportasi melalui pipa. Karena kesederhanaannya, teknologi gasifikasi udara sedang dipelajari oleh banyak peneliti untuk berbagai jenis biomassa. Karena udara adalah agen gasifying, suhu reaktor tergantung pada laju aliran udara dan laju umpan biomassa. Sangat rendah udara masuk ke hasil sistem sangat rendah suhunya sehingga gas yang dihasilkan lebih rendah, dan hasil tar yang lebih tinggi (Sadaka,2006). 2) Gasifikasi Uap Panas Tidak seperti gasifikasi udara, gasifikasi uap membutuhkan sumber panas eksternal jika uap yang digunakan sebagai agen tunggal gasifying. Menggunakan campuran uap dan udara sebagai agen gasifying merupakan teknologi tidak yang biasa dan pada kenyataannya, telah dipelajari oleh beberapa peneliti. Oksigen di udara akan membantu untuk menyediakan energi yang dibutuhkan karena sifat eksotermis dari pembakaran biomassa. Suhu tinggi akan membantu dalam proses devolatilisasi biomassa untuk menghasilkan berbagai gas. Uap akan bereaksi dengan karbon monoksida untuk menghasilkan hidrogen dan karbon dioksida. Reaksi Gasifikasi uap dengan menggunakan reaksi berikut:
Dibandingkan dengan gasifikasi udara, gasifikasi uap menghasilkan energi yang lebih tinggi dalam memproduksi gas (Sadaka,2006). 3) Gasifikasi Oksigen Jika jumlah nitrogen dipasok ke proses gasifikasi terbatas, gas produk tidak akan mengandung nitrogen dan dengan demikian, memiliki energi menengah (sekitar 12 - 21 MJ / Nm3 ). Gas tersebut dapat didistribusikan secara ekonomis dalam sistem jaringan pipa dan oleh karena itu, menjadi mudah digunakan untuk proses pemanasan atau mungkin sebagai gas sintesis untuk menghasilkan bahan kimia dan bahan bakar. Dalam hal ini, pabrik oksigen atau sumber oksigen diperlukan, yang dapat meningkatkan biaya modal diperlukan untuk instalasi pabrik (Sadaka,2006). 4) Gasifikasi Nitrogen Melalui gasifikasi rute ini, bahan baku bahan bakar diubah menjadi bahan bakar gas di adanya hidrogen dengan tekanan tinggi. Dengan proses ini, sangat penting bahwa dalam reaksi, kondisi harus secara ketat dipertahankan 5
karena sebagian besar produk biasanya dalam fase gas. Proses ini tidak menguntungkan karena tingkat kontrol yang diperlukan serta fakta bahwa hidrogen harus tersedia (Sadaka,2006). 2.3. Mekanisme Gasifikasi Dalam gasifiers, udara melewati tempat bahan bakar, pengeringan cukup diskrit, pirolisis, gasifikasi dan zona oksidasi berkembang sepanjang reaktor. Lokasi zona ini dalam gasifier tergantung pada gerakan relatif dari bahan bakar dan udara. Zona ini dibedakan oleh berbagai reaksi atau proses yang terjadi dan rezim suhu saat itu. Kedalaman dan relatif pentingnya darin setiap zona tergantung pada komposisi kimia dari bahan baku, kadar air dan ukuran partikel, laju aliran massa dari agen gasifying, dan suhu (Sadaka,2006). 1) Zona Pengering Zona pengeringan menerima energi melalui perpindahan panas dari zona lainnya. Tingkat pengeringan tergantung pada suhu, kecepatan, dan kadar air dari gas pengeringan, serta luas permukaan eksternal dari bahan, difusivitas internal kelembaban dan sifat ikatan kelembaban ke materi yang, dan transfer panas radioaktif. bahan bakar masuk zona pengeringan, suhu internal mereka meningkat menjadi 100-150o C. Bahan yang memiliki kepadatan rendah perubahan dimensi terjadi hanya sedikit karena susut dan kompresi sedangkan perubahan ukuran diabaikan adalah perubahan yang dialami oleh bahan baku dengan kepadatan tinggi serta Tidak ada reaksi kimia terjadi di zona ini (Sadaka,2006). 2) Zona Devolatilisasi Perpindahan panas dari daerah reduksi panas yang berdekatan menyebabkan devolatilisasi material. Suhu di zona devolatilisasi meningkat dengan cepat karena perbedaan suhu yang besar antara bahan pakan yang relatif dingin dan gas panas. Tingkat kenaikan suhu adalah dikendalikan oleh perpindahan panas. Sebagai bahan pakan melewati zona ini, dibawa secar cepat dan pengurangan volume terjadi, menyebabkan variasi dalam struktur serta fisik dan sifat termal material. Produk dari zona devolatilisasi adalah gas, cair (Ter dan minyak), dan char. Produksi cairan harus dikontrol dalam gasifiers di mana produksi tidak diinginkan dapat ditekan. Jumlah dari masing-masing produk ini bervariasi tergantung pada zona suhu, laju pemanasan, struktur, dan komposisi dan ukuran katalis (Sadaka,2006). 3) Zona Oksidasi Dalam zona oksidasi, perubahan fisik dan kimia terhambat sebagai pembawa oksigen, yang sebagian besar udara, dimasukkan ke dalam bahan bakar. Oksigen membakar sebagian dari karbon dalam bahan bakar sampai hampir semua karbon bebas habis. Oksigen menembus permukaan bahan untuk sebagian kecil karena lebih mudah bereaksi di permukaan dengan karbon monoksida terbentuk dan gas hidrogen. Ketika udara digunakan sebagai media gasifikasi, yang kandungan oksigen menurun 21-0%, sedangkan persentase karbon dioksida meningkat proporsional. Zona oksidasi memiliki suhu tertinggi karena sifat eksotermik dari reaksi (Sadaka,2006). 6
4)
Zona abu pendinginan Di zona abu pendinginan, partikel mulai untuk mendinginkan lebih cepat dari suhu partikel di daerah lain. Zona abu pendinginan terbentuk di tempat gasifiers tetap melindungi perapian dari panas intens dan mendistribusikan udara di atas bed. Praktis tidak ada reaksi kimia terjadi di tempat ini, meskipun dalam beberapa desain fixe bed, zona ini bertindak sebagai filter untuk gas yang dihasilkan. Namun, zona ini aliran udara yang masuk dalam beberapa tahap (Sadaka,2006). 2.4. Faktor yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi Beberapa variabel tampaknya mempengaruhi komposisi proses gasifikasi, produk, dan distribusi, termasuk suhu bed, tekanan tidur, tinggi tempat bed, kecepatan fluidisasi, gasifikasi menengah, rasio kesetaraan, kandungan air bahan, ukuran partikel, rasio udara uap, dan adanya katalis. Parameter-parameter ini cukup saling terkait dan masing-masing mempengaruhi tingkat gasifikasi, efisiensi proses, nilai kalor gas produk dan distribusi produk.uraian parameter dalah sebagai berikut (Sadaka,2006) : 1. Suhu Bed Tingkat gasifikasi serta kinerja keseluruhan gasifier adalahtergantung suhu. Semua reaksi gasifikasi biasanya reversibel dan titik ekuilibrium dari setiap reaksi dapat digeser dengan mengubah suhu. 2. Tekanan Bed Tekanan Bed telah dilaporkan memiliki efek yang signifikan pada proses gasifikasi. Nandi dan Onischak (1985) menemukan penurunan berat badan selama devolatilization residu tanaman di N2 suasana di 815oC, menurun dengan peningkatan tekanan. Namun, pada suhu konstan, konstanta laju orde pertama (k) untuk gasifikasi arang meningkat karena tekanan meningkat. Menggunakan media gasifikasi 50:50 H2O / N2 pada suhu 815o C, nilai-nilai konstanta laju (k) untuk char kayu adalah 0.101, 1.212 dan 0,201 min-1, masing-masing pada tekanan 0,17, 0,79 dan 2,17 MPa. 3. Tinggi Bed Pada suhu reaktor tertentu, waktu tinggal yang lebih lama (karena ketinggian bed yang lebih tinggi) meningkat berjumlah hasil gas. Sadaka et al. (1998) menunjukkan bahwa ketinggian bed yang lebih tinggi menghasilkan lebih efisiensi konversi serta suhu bed lebih rendah karena efek fly-wheel bed material. Efek fly-wheel berkurang secara signifikan ketika jumlah bahan bed berkurang sehingga menghasilkan suhu bed yang lebih tinggi. 4. Kecepatan fluidisasi Kecepatan fluidisasi memainkan peran penting dalam pencampuran partikel dalam fluidized bed. Dalam sistem gasifikasi udara, semakin tinggi kecepatan fluidisasi semakin tinggi suhu bed dan semakin rendah menghasilkan nilai kalor gas akibat peningkatan jumlah oksigen dan nitrogen dalam gas inlet ke sistem 5. Rasio Kesetaraan Rasio kesetaraan memiliki pengaruh kuat pada kinerja gasifiers karena itu mempengaruhi suhu bed, kualitas gas, dan efisiensi termal. Peningkatan rasio 7
kesetaraan mengakibatkan tekanan rendah baik di bed padat dan daerah freeboard ketika gasifier dioperasikan pada kecepatan fluidisasi yang berbeda dan ketinggian bed. 6. Kadar air dari bahan Kadar air dari bahan pakan mempengaruhi suhu reaksi karena energi diperlukan untuk menguapkan air dalam bahan bakar. Oleh karena itu, proses gasifikasi berlangsung pada suhu rendah . 7. Ukuran partikel Ukuran partikel secara signifikan mempengaruhi hasil gasifikasi. Ukuran partikel kasar akan menghasilkan lebih banyak char dan kurang tar yang mereka hasilkan. Tingkat difusi termal dalam partikel menurun dengan peningkatan ukuran partikel, sehingga mengakibatkan tingkat pemanasan yang lebih rendah. Untuk diberikan suhu, hasil gas yang dihasilkan dan komposisi meningkat dengan penurunan ukuran partikel. 8. Rasio udara dan uap Meningkatkan rasio udara dan uap akan meningkatkan nilai kalor gas sampai memuncak. Tomeczek et al. (1987) menggunakan campuran udara-uap dalam proses gasifikasi batubara dalam fluidized bed reaktor. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pengaruh rasio uap dan udara pada arang terutama pada rasio yang lebih rendah karena fakta bahwa uap digunakan pada tahap devolatilisasi memberikan kontribusi terhadap proses gasifikasi bahkan dalam kasus ketika uap tidak ditambahkan. Ketika rasio uap air meningkat, nilai kalor meningkat, mencapai puncaknya pada 0,25 kg / kg. 9. Ada Tidaknya Katalis Katalis komersial dan non-komersial diuji dalam berbagai proses gasifikasi. Salah satu masalah utama dalam steam katalitik tar adalah endapan karbon pada katalis dari karakter aromatik karbon yang tinggi. Berbagai katalis yang digunakan untuk meningkatkan kualitas produksi gas dan mengurangi tingkat produksi tar. 2.5.Reaktor Gasifikasi Proses gasifikasi menggunakan beberapa reaktor, yang dapat diklasifikasikan sesuai dengan gerakan relatif bahan bakar dan media gasifikasi baik sebagai bed tetap (updraft, downdraft dan crossdraft) atau bed fluidized (menggelegak, beredar, menyemburkan dan berputar-putar). Berikut ini adalah macam – macam reaktor menurut Sadaka (2006) : 1) Reaktor Gasifikasi Tipe Downdraft Pada tipe ini sumber panas terletak di bawah bahan bakar seperti tampak dalam Gambar 4. Dalam gambar ini terlihat aliran udara bergerak ke zona gasifikasi di bagian bawah yang menyebabkan asap pirolisa yang dihasilkan melewati zona gasifikasi yang panas. Hal ini membuat tar yang terkandung dalam asap terbakar, sehingga gas yang dihasilkan oleh reaktor ini lebih bersih. Keuntungan reaktor tipe ini adalah reaktor ini dapat digunakan untuk operasi gasifikasi yang berkesinambungan dengan menambahkan bahan bakar melalui bagian atas reaktor. Namun untuk operasi yang berkesinambungan dibutuhkan sistem
8
pengeluaran abu yang baik, agar bahan bakar bisa terus ditaambahkan ke dalam reaktor.
Gambar 3. Skema Reaktor Gasifikasi Tipe Downdraft 2) Reaktor Gasifikasi Tipe Inverted Downdraft Prinsip kerja reaktor gasifikasi tipe ini sama dengan prinsip kerja reaktor gasifikasi downdraft gasifiers. Dalam Gambar 4. tampak bahwa perbedaan antara reaktor gasifikasi downdraft gasifiers dengan reaktor gasifikasi inverted downdraft gasifiers terletak pada arah aliran udara dan zona pembakaran yang dibalik sehingga bahan bakar pada bagian bawah reaktor dengan zona pembakaran diatasnya. Aliran udara mengalir dari bagian bawah ke bagian atas reaktor.
Gambar 4. Skema Reaktor Gasifikasi Tipe Inverted Downdraft 3) Reaktor Gasifikasi Tipe Updraft Pada reaktor gasifikasi tipe ini, zona pembakaan (sumber panas) terletak dibawah bahan bakar dan bergerak keatas seperti tampak pada dalam gambar 4. Dalam gambar ini, tampak bahwa gas panas yang dihasilkan mengalir keatas melewati bahan bakar yang belum terbakar sementara bahan bakar akan terus jatuh kebawah. Melalui pengujian menggunkana sekam padi, reaktor gasifikasi ini dapat bekerja dengan baik. Kekurangan dari reaktor tipe ini adalah produksi asap yang berlebihan dalam operasinya 9
Gambar 5. Skema Reaktor Gasifikasi Tipe Updraft 4) Reaktor Gasifikasi Tipe crossdraft Pada reaktor ini, aliran udara mengalir tegak lurus dengan arah gerak zona pembakaran. Reaktor tipe ini memungkinkan operasi yang berkesinambung apabila memiiki sidtem pengeluaran abu yang baik. 5) Reaktor Gasifikasi Tipe Fluidized Bed Berbeda dengan tipe – tipe reaktor gasifikasi sebelumnya, pada reaktor gasifikasi tipe ini bahan bakar bergerak di dalam reaktor. Sebuah fan bertekanan tinggi diperlukan untuk menggerakkan bahan bakar yang sedang digasifikasi. Reaktor gasifikasi tipe ini sangat cocok untuk keperluan industri karena mahalnya ongkos yang dikeluarkan 2.6.Keuntungan dan Kekurangan Gasifikasi Keuntungan gasifikasi antara lain: lebih bersih, karena pembakaran lebih sempurna sehingga emisi polutan lebih rendah. Selain itu lebih mudah pengaturan laju pembakarannya. Sedangkan kekurangan sistem gasifikasi dibanding pembakaran langsung yaitu peralatan lebih rumit dan lebih mahal serta memerlukan ketrampilan yang lebih tinggi.Sedangkan kekurangan sistem gasifikasi dibanding pembakaran langsung yaitu peralatan lebih rumit dan lebih mahal serta memerlukan ketrampilan yang lebih tinggi (Cahyono, 2012). 2.7. Gasifikasi Sekam Padi Sekam padi merupakan lapisan keras yang meliputi kariopsis yang terdiri dari dua belahan yang disebut lemma dan palea yang saling bertautan. Pada proses penggilingan beras sekam akan terpisah dari butir beras dan menjadi bahan sisa atau limbah penggilingan. Sekam dikategorikan sebagai biomassa yang dapat digunakan untuk berbagai kebutuhan seperti bahan baku industri, pakan ternak dan energi atau bahan bakar (Pakpahan,2006). Dari proses penggilingan padi biasanya diperoleh sekam sekitar 20-30% dari bobot gabah. Penggunaan energi sekam bertujuan untuk menekan biaya pengeluaran untuk bahan bakar bagi rumah tangga petani. Penggunaan Bahan Bakar Minyak yang harganya terus meningkat akan berpengaruh terhadap biaya rumah tangga yang harus dikeluarkan setiap harinya. Dari proses penggilingan padi biasanya diperoleh sekam sekitar 20-30%, dedak antara 8- 12% dan beras giling antara 50-63,5% data bobot 10
awal gabah. Sekam dengan persentase yang tinggi tersebut dapat menimbulkan problem lingkungan (Pakpahan,2006). Ditinjau data komposisi kimiawi, sekam mengandung beberapa unsur kimia penting seperti dapat dilihat pada tabel 1. Dengan komposisi kandungan kimiaseperti tersebut pada tabel 1, sekam dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan di antaranya: (a) sebagai bahan baku pada industri kimia, terutama kandungan zat kimia furfural yang dapat digunakan sebagai bahan baku dalam berbagai industri kimia, (b) sebagai bahan baku pada industri bahan bangunan, terutama kandungan silika (SiO2 ) yang dapat digunakan untuk campuran pada pembuatan semen portland, bahan isolasi, husk-board dan campuran pada industri bata merah, (c) sebagai sumber energi panas pada berbagai keperluan manusia, kadar selulosa yang cukup tinggi dapat memberikan pembakaran yang merata dan stabil. Sekam memiliki kerapatan jenis (bulk density)1 125 kg/m3, dengan nilai kalori 1 kg sekam sebesar 3300 k. Kalori (Pakpahan,2006).
1)
Gasifikasi Sekam Padi Menggunakan reactor gasifikasi jenis down-draft Potensi limbah pertanian/kehutanan sebagai biomassa, khususnya sekam padi yang cukup besar, harus dicarikan teknologi untuk dapat memanfaatkan limbah tersebut sebagai sumber energi (alternatif). Gambar 3 merupakan alur konversi sekam padi atas dasar pengalaman yang telah dilakukan. Uraian singkat sebagai berikut; sekam padi yang terbebas dari beras dimanfaatkan sebagai umpan gasifier (jenis open core down draft gasifier). Gas hasil gasifikasi yang dihasilkan digunakan sebagai bahan bakar motor diesel untuk keperluan penggilingan gabah (Affendi,dkk,2010).
Gambar 6. merupakan alur konversi sekam padi Menjadi energi Listrik 11
Pemilihan reactor gasifikasi jenis down-draft didasarkan pada rendahnya kandungan tar yang dihasilkan dibandingkan jenis updraft. Hal ini dikarenakan bahwa kandungan tar hasil pirolisis terbawa bersama gas dan kemudian masuk ke dalam proses oksidasi parsial yang mencapai suhu hingga 900⁰C, dimana pada suhu tersebut kandungan tar dimungkinkan dapat terurai menjadi senyawa yang lebih ringan. Gas hasil gasifikasi sistem downdraft ini setelah direfinery dan didinginkan dapat langsung dimasukkan ke dalam motor diesel yang dapat dioperasikan secara dual fuel (Affendi,dkk,2010). Sekam padi tersusun atas dua bagian, berupa bahan-bahan organik dengan porsi 70%-85% berat atas dasar kering dan anorganik (mineral), komponen utama lain berupa lignin dan selulosa. Analisa proksimasi sekam padi volatile matte 57,3% – 71,3%, abu 12,9% – 28,1%, karbon tetap 12,7% – 26,7%, kadar air 10,46% dan nilai kalor kcal/kg [Affendi, M, 2008]. Dari Gas hasil gasifikasi terutama terdiri dari gas-gas mempan bakar yaitu CO, H2, dan CH4 dan gas-gas tidak mempan bakar CO2, dan N2. 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/. Gas ini dapat diumpankan ke dalam motor bakar torak maupun sebagai bahan bakar untuk pemanas (Susanto H., 2005). Untuk mengetahui efektifitas hasil Gasifikasi Sekam padi dibandingkan dengan dengan bahan bakar minyak solar. Tahap pertama, PLTD dengan bahan bakar minyak solar saja (Diesel Single Fuel), kemudian dilakukan pembebanan listrik secara bertahap pada mesin-mesin Dryer dan Huller. Kemudian tahap berikutnya dengan pembebanan listrik yang sama, juga dilakukan dengan mengoperasikan PLTD-Gasifikasi Sekam (Diesel Dual Fuel) di ruang pabrik penggilingan padi. Pembebanan listrik ( Spesifikasi Motor Listrik) adalah sebagai berikut (Affendi,dkk,2010):
12
Proses gasifikasi (jenis open core down draft gasifier) yang diawali dengan penyalaan sekam padi di bagian unggun reaktor. Proses gasifikasi berlangsung bersamaan dengan beroperasinya mesin diesel. Aliran udara untuk gasifikasi terjadi karena adanya hisapan pada sistem venturi gas buang (knalpot) mesin diesel. Bila proses gasifikasi beroperasi dengan baik, maka gas hasil gasifikasi sekam dialirkan ke mesin diesel melalui inlet udaranya yang diatur dengan damper. Pengaturan damper di bagian inlet udara mesin diesel divariasikan beberapa perlakuan (dengan istilah cekikan, yaitu menghambat aliran udara masuk sebagian dan sebagian lainnya dialirkan gas hasil gasifikasi), sebagai berikut (Affendi,dkk,2010) : o Cekikan I : Rasio gas hasil gasifikasi dengan udara, ± 50% o Cekikan II : Rasio gas hasil gasifikasi dengan udara, ± 70% o Cekikan III : Rasio gas hasil gasifikasi dengan udara, ± 80% Uji operasional PLTD-Sekam dilakukan pencatatan konsumsi BBM, konsumsi sekam padi, tegangan listrik, arus listrik, kemudian dilakukan pencatatan dan analisis/perhitungan beban listrik untuk menggerakkan mesinmesin Dryer dan Huller di pabrik penggilingan gabah, serta dianalisis/diperhitungkan SFC (spesific fuel consumption) dan penghematan BBM mesin diesel, selanjutnya dilakukan analisis dengan gambar grafik (Gambar 4 dan 5) yang menunjukkan pola konsumsi BBM spesifik (SFC) terhadap besarnya beban listrik (beban 0 sampai beban 10) pada beberapa perlakuan rasio gas hasil gasifikasi dengan udara (cekikan I, II, dan III).
Gambar 7. Grafik Konsumsi BBM (solar) Spesifik Terhadap Beban Listrik
13
Pada Gambar 7 menunjukkan pengoperasian PLTD (Diesel Single Fuel) konsumsi BBM spesifik (SFC) antara 0,34 – 0,17 L/kWh pada beban listrik 20 – 82 kW mesin-mesin Dryer dan Huller, kondisi ini menunjukkanbahwa mesin diesel dalam keadaan prima yang mempunyai SFC rata-rata 0,25 L/kWh. Selanjutnya pengoperasian PLTD-Gasifikasi sekam (Diesel Dual Fuel) dengan cekikan I menunjukkan penurunan konsumsi BBM spesifik (SFC) sebesar 0,31 – 0,15 L/kWh, dengan cekikan II menunjukkan penurunan konsumsi BBM spesifik (SFC) sebesar 0,26 – 0,13 L/kWh, dan dengan cekikan III menunjukkan penurunan konsumsi BBM spesifik (SFC) sebesar 0,17 – 0,086 L/kWh, pada kondisi cekikan III ini diperoleh penghematan BBM mesin diesel sebesar 60% (mesin diesel hanya mengkonsumsi BBM solar hanya 40% saja, dan sisanya digantikan oleh BBG dari gasifikasi sekam) .
Gambar 8. Grafik Persentase Penghematan BBM Terhadap Beban Listrik Dari hasil pengujian PLTD-Sekam dengan pembebanan listrik pada mesin-mesin Dryer dan Huller, diperoleh penghematan BBM solar mesin diesel sampai 60%, yaitu pada Gambar 7 dan Gambar 8 pada beban ke-5 cekikan III dengan beban listrik ke 5 sekitar 55 kW dengan SFC = 0,086 liter/kWh. Dari penggunaan reactor gasifikasi jenis down-draft, konversi sekam padi melalui proses gasifikasi menghasilkan gas hasil gasifikasi untuk substitusi BBM solar pada mesin Diesel-Genset menghasilkan listrik untuk menggerakkan mesin-mesin Dryer dan Huller di pabrik penggilingan beras. Diperoleh penghematan BBM solar pada mesin Diesel (Dual Fuel) sampai 60 % atau konsumsi spesifik bahan bakar minyak (SFC) sampai 0,086 liter/kWh, dibandingkan dengan SFC mesin Diesel (Single Fuel) sekitar 0,25 liter/kWh (Affendi,dkk,2010). 14
2)
Gasifikasi Sekam Padi pada Updraft Circulating Fluidized Bed Gasifier
Penelitian ini dilaksanakan secara bertahap. Pertama, mendisain alat penelitian gasifikasi (gasifier) jenis updraft circulating fluidized bed gasifier berdasarkan penelitian pendahuluan yang sudah dilaksanakan. Bahan bakar sekam padi terlebih dahulu diujikan karakteristiknya berdasarkan uji proximate dan ultimate. Setelah karakteristik diketahui, kemudian dihitung dimensi gasifier beserta komponen pendukungnya. Selanjutnya, mulai pembuatan gasifier dan disebut sebagai gasifier UJI dan instalasi alat ukur. Pemanas awal udara dipasang pada saluran pipa blower yang kemudian dimodifikasi pada dinding gasifer sebagai heat exchanger dinding (HED)(Anis,dkk, 2010). Kedua, melakukan pengujian untuk mengetahui parameter-parameter kerja dari gasifier. Sesuai dengan tujuan penelitian, parameter yang harus diketahui adalah temperatur pemanasan awal udara gasifikasi. Pada tahapan ini, penelitian difokuskan untuk menentukan temperatur awal udara optimum gasifikasi. Tahap terakhir (ketiga) adalah melakukan analisis untuk mendapatkan efisiensi gasifikasi maksimum berdasar kondisi operasi temperatur awal udara (Anis,dkk, 2010).
Gambar 9. Skema Instalasi alat ukur Hasil dari percobaan ini adalah sebagai berikut : Pemanasan awal udara yang dilakukan sebelum masuk gasifier berdampak pada berbagai faktor, antara lain temperatur pembakaran (Tb), energi gas yang dihasilkan (low heating value, LHV), komposisi gas hasil pembakaran, dan efisiensi gasifikasi (µgsf) sebagaimana ditunjukkan pada gambar 7 hingga gambar 10.
15
Gambar 10. Profil temperatur bed (Tb) berdasar temperatur awal udara (Tu) Pada gambar 10 ditunjukkan bahwa peningkatan temperatur awal udara akan meningkatkan temperatur pembakaran. Hal ini terjadi karena kalor sensibel udara panas yang masuk ke ruang pembakaran menginduksi peningkatan temperatur dalam ruang bakar dari 7000C hingga 7810 C bilamana temperatur awal udara dinaikkan dari 300C hingga 4000C.
Gambar 11. Energi syngas (LHV) pada variasi temperatur awal udara (Tu)
Gambar 12. Efisiensi gasifikasi (µgsf) pada variasi temperatur awal udara (Tu) 16
Gambar 11 menunjukkan hubungan energi gas dengan temperatur awal udara. Dari gambar tersebut terlihat bahwa energi gas meningkat dengan meningkatnya temperatur awal udara. Peningkatan ini terjadi karena suhu gasifikasi meningkat sehingga sebagian besar karbon terikat terkonversi menjadi CO. Dengan meningkatnya konversi karbon akan berdampak pada peningkatan efisiensi gasifikasi seperti ditunjukkan pada gambar 9. Efisiensi gasifikasi meningkat secara signifikan dari 62,44% menjadi 64,90% ketika temperatur awal udara dinaikkan dari 300C hingga 3000 C. Dari 3000 C hingga 4000C, efisiensi gasifikasi masih meningkat namun hanya dari 64,90% ke 64,97%.
Gambar 13. Komposisi syngas berdasar temperatur pemanasan awal udara (Tu)
Pada kondisi operasi temperatur awal udara yang semakin meningkat, komposisi syngas mengalami perubahan. Komposisi CO dan H2 meningkat sedangkan CH4 dan CO2 menurun (gambar 13). Kondisi ini terjadi karena pemanasan udara awal akan mempercepat proses pirolisis dimana volatile matter (CH4) dan moisture content cepat terlepas dari bahan bakar. Selanjutnya volatile matter sebagian tergasifikasi membentuk CO dan sebagian lagi terbakar yang dapat mempercepat reaksi Boudouard dimana CO banyak terbentuk.
17
BAB III PENUTUP 3.1.Keseimpulan 1. Gasifikasi merupakan proses pembakaran bahan-bakar padat dalam wadah gasifier untuk menghasilkan bahan-bakar gas (syngas). Pembakaran bahan bakar gas (syngas) lebih mudah dalam pengontrolan laju atau suhu pembakaran dibanding pembakaran bahan bakar padat 2. Proses gasifikasi berlangsung dengan empat tahapan dasar yaitu pyrolysis, combustion, boudouard reaction, dan gasification processes 3. Mekanisme Gasifikasi melewati 4 zona yaitu zona pengeringan, zona devolatisasi, zona pirolisis, dan zona pendinginan 4. Faktor yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi, meliputi Suhu Bed, Tekanan Bed, Tinggi Bed , Kecepatan fluidisasi , Rasio Kesetaraan , Kadar air dari bahan, Ukuran partikel, Rasio udara dan uap, dan Ada Tidaknya Katalis 5. Reaktor Gasifikasi yang sering digunakan adalah Reaktor Gasifikasi Tipe Downdraft, Reaktor Gasifikasi Tipe Inverted Downdraft , Reaktor Gasifikasi Tipe Updraft, Reaktor Gasifikasi Tipe crossdraft, dan Reaktor Gasifikasi Tipe Fluidized Bed 6. Keuntungan gasifikasi antara lain: lebih bersih, karena pembakaran lebih sempurna sehingga emisi polutan lebih rendah. Selain itu lebih mudah pengaturan laju pembakarannya. Sedangkan kekurangan sistem gasifikasi dibanding pembakaran langsung yaitu peralatan lebih rumit dan lebih mahal serta memerlukan ketrampilan yang lebih tinggi.Sedangkan kekurangan sistem gasifikasi dibanding pembakaran langsung yaitu peralatan lebih rumit dan lebih mahal serta memerlukan ketrampilan yang lebih tinggi. 7. Gasifikasi sekam padi merupakan proses merubah sekam padi menjadi gas yang selanjutnya dapat digunakan sebagai bahan bakar. 8. Konversi sekam padi melalui proses gasifikasi menghasilkan gas hasil gasifikasi untuk substitusi BBM solar pada mesin Diesel-Genset menghasilkan listrik untuk menggerakkan mesin-mesin Dryer dan Huller di pabrik penggilingan beras. Diperoleh penghematan BBM solar pada mesin Diesel (Dual Fuel) sampai 60 % 9. Semakin tinggi temperatur awal udara gasifikasi, semakin meningkat efisiensi gasifikasi dan efisiensi karbon.
18
DAFTAR PUSTAKA Affendi, M., Sugiyatno, Imam Djunaedi, Haifa Wahyu, Herri Susanto .2008. “Kajian Awal Potensi Penghematan BBM Dengan Gasifikasi Sekam Pada PLTD 100 kW di Penggilingan Padi Haurgeulis, Indramayu”.
Prosiding
Seminar
Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo-2008, 3-4 November 2008. Affendi, M., Sugiyatno, Imam Djunaedi, Haifa Wahyu. 2010. Uji Variasi Beban Listrik Dan Rasio Gas Hasil Gasifikasi Sekam Padi Pada Mesin Diesel Dual Fuel. Seminar Rekayasa Kimia Dan Proses 2010, ISSN : 1411-4216 Anis,Samsudin, Karnowo, Wahyudi, Sri Mulyo Bondan Respati. 2010. Studi Eksperimen Gasifikasi Sekam Padi pada Updraft Circulating Fluidized Bed Gasifier. Semarang : Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang Cahyono, Danan Eko. 2012. Gasifikasi. http://santosorising.blogspot.com/2012/07/ gasifikasi-pyrolysis-pembakaran.html. Diakses pada 7 April 2014 pukul 12 36 Mathieu, P. dan Dubuisson, R. 2002, Performance Analysis Of Biomass Gasifier. Journal of Energi Convertion And Management. Vol 43 pp 1291-1299. Pakpahan, A., 2006. Sekam Padi, Sebuah Alternatif Sumber Energi. Jakarta : Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian, Departemen Pertanian Sadaka, Samy. 2006. Gasification. Nevada : Department of Agricultural and Biosystem Engineering Lowa State University. Susanto, H. 2005. “Pengujian PLTD-Gasifikasi Sekam 100 kW di Haurgeulis, Indramayu”.
Laporan singkat Pengoperasian PLTD-G sekam di Haurgeulis
selama bulan September 2005, Dasar-dasar Proses Gasifikasi dan Pengalaman Teknik Kimia ITB dalam pengoperasian PLTD-Gasifikasi Sekam. Yin, X.L., Wu, C.Z., Zheng, S.P. dan Chen, Y. 2002. Design and operation of CFB gasification and power generation system for rice husk Dalam Anis, Samsudin, Karnowo, Wahyudi, Sri Mulyo Bondan Respati. 2010. Studi Eksperimen Gasifikasi Sekam Padi pada Updraft Circulating Fluidized Bed Gasifier. Semarang : Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang
19
