ANALISIS THERMOGRAVIMETRY DAN PEMBUATAN BRIKET TANDAN KOSONG DENGAN PROSES PIROLISIS LAMBAT Oleh : Harit Sukma (2109.105.034) Pembimbing : Dr. Bambang Sudarmanta, ST. MT.
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Kebutuhan Energi
LATAR BELAKANG
Keterbatasan Sumber Energi
Tuntutan Penggunaan Energi Alternatif Yang Renewable Penghasil Energi panas yang ramah lingkungan
Biomassa menjadi pilihan energi alternatif
Teknologi pemanfaatan biomassa Pirolisis
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Perumusan Masalah Pirolisis
Bahan Baku Proximate
Thermogravimetry
Kualitas Bahan Bakar Terbaik
Tandan Kosong
Nilai Kalor Tinggi
Energi Aktivasi Rendah
Sampel briket berkualitas
Visualisasi dan perhitungan efisiensi pembakaran pada tungku
TUJUAN 1.
Mendapatkan briket bahan bakar padat dari biomassa tandan kosong yang mempunyai spesifikasi Nilai kalor tinggi dan Energi aktivasi rendah.
2.
Memperoleh data-data karakteristik dan nilai kalor dengan melalui uji proximate dan uji thermogravimetry untuk mengetahui energi aktivasi pada tandan kosong yang belum dan telah di proses pirolisis dengan variasi heating rate 50C/menit, 100C/menit, dan 200C/menit.
3.
Mengetahui hasil visualisasi uji pembakaran briket dengan bahan bakar padat kualitas terbaik.
Manfaat Penelitian 1. Meningkatkan nilai ekonomis limbah perkebunan berupa tandan kosong kelapa sawit dengan mengubahnya menjadi produk yang lebih berguna.
2. Memberi alternatif bahan bakar biomasa dengan biaya produksi yang murah dengan sifat fisik yang optimum.
DASAR TEORI
Biomassa - Biomassa merupakan istilah yang digunakan untuk menggambarkan semua jenis material organik yang dihasilkan dari proses fotosintesis. - Teknologi pengolahan biomassa yang telah dikembangkan saat ini meliputi teknologi pirolisis, gasifikasi, dan karbonisasi
- Biomassa dapat dibagi menjadi tiga katagori 1. Biomassa padat -> biomassa padat dilakukan proses pembriketan 2. Biogas -> diperoleh dari proses anaerob yang menghasilkan gas yang mudah terbakar (dikenal sebagai metana) 3. Biofuel cair -> diperoleh dari mengolah material organik dengan proses kimia atau fisika untuk memproduksi bahan bakar cair yang dapat terbakar. JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
Karakteristik Bahan Bakar Padat (Biobriket) Biobriket dibuat dengan bahan dasar organik yang memiliki nilai karbon. Semua bahan organik yang masih memiliki nilai karbon dapat dibuat menjadi biobriket. Komposisi bahan bakar padat dapat diketahui melalui analisa dan ultimate
Analisa Proximate 1. Moisture content (kadar air) 2. Volatile Matter (Kadar zat terbang) 3. Pengujian Ash Content (kandungan abu) 4. Pengujian Fixed Carbon 5. Nilai kalor Analisa Ultimate adalah suatu analisa yang digunakan untuk mencari kandungan unsur – unsur kimia yang mempunyai persentase yang tinggi dalam bahan bakar padat. Unsur kimia yang dicari adalah kandungan karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, abu.
Pirolisis (Proses Pengarangan) Pirolisis adalah dekomposisi kimia bahan organik melalui proses pemanasan tanpa atau sedikit oksigen atau reagen lainnya,
Jenis – jenis Pirolisis Pirolisis
Slow
Heating [oC/s]
Rate <1
Residence Time [s] 300 - 1800
Temperature [oC]
Fast
500 - 105
0.5 - 5
<400 <600 500 - 650
Flash
> 105
<1 <1 < 0.5
< 650 > 650 1000
Product
Char Gas, oil, char 70% oil 15% char 15% gas Oil Gas Gas
Thermogravimetry (TGA) Thermogravimetric Analysis (TGA) adalah salah satu metode analisis termal yang dapat digunakan untuk berbagai jenis material. Metode TGA dilakukan dengan mengukur besar dan laju perubahan massa benda uji sebagai fungsi dari temperatur atau waktu pada kondisi lingkungan yang dijaga konstan. Dimana pada pengujian ini akan didapatkan hubungan antara waktu, temperature dan penurunan massa.
Gambar. Mesin Thermogravimetry
Energi Aktivasi Penentuan besaran energi aktivasi dilakukan dengan metode grafis dengan rumusan yang digunakan berdasarkan pada persamaan Arhennius [13]
Keterangan : x = fraksi massa Moi mi
= Massa sampel awal (gr) = Massa sampel aktual sebagai fungsi waktu (gr) marang,i = Massa arang yang dihasilkan (gr) dx = Penurunan fraksi massa dt = Perubahan waktu A = Faktor pre-eksponensial E = Energi aktivasi bahan (J/mol) Ṝ = Konstanta Gas (8.31J/molK) T = Temperatur pada sampel (K)
Pembriketan (Densification)
Salah satu cara yang dikembangkan untuk meningkatkan sifat fisis dan pembakaran biomasa adalah dengan pembriketan biobriket. Prinsip pembriketan yaitu pemberian tekanan pada suatu material untuk menghilangkan kekosongan antar partikel.
Dalam kompresi dengan tekanan tinggi dan sedang, biasanya tidak diperlukan bahan pengikat. Proses kompresi dengan tekanan tinggi dan sedang biasanya menggunakan teknologi screw press dan piston press.
Uji Efisiensi Tungku
Effisiensi dalam tungku briket dapat didefinisikan sebagai ratio dari energi yang digunakan dalam proses memanaskan terhadap enegi yang terkandung dalam bahan bakar padat [17]
Keterangan : mw = Massa air panci awal (kg) mwe = Massa air panci setelah di panaskan (kg) Ti = Temperatur awal air (oC) Te = Temperatur pada saat air mendidih (oC) mf = Massa bahan bakar (Kg) Cpw = Nilai kalor specific air (4.187 KJ/Kg.K) Hf = Nilai kalor bahan bakar awal (KJ/Kg) Hl = Nilai kalor laten air (2268 KJ/Kg)
RANCANGAN EKSPERIMEN Dalam perancangan eksperimen ini ada beberapa parameter yang ingin didapatkan dalam percobaan ini dengan menetapkan parameter input dan parameter output. Parameter-parameter tersebut dinyatakan sebagaimana dinyatakan dalam tabel dibawah ini.
METODOLOGI Flow Chart Penelitian dan Pengambilan Data
ANALISA DAN PEMBAHASAN
Proses Pirolisis Hasil Pirolisis
- Temperatur 3500C - Holding time 30 menit
Uji Proximate
Dipanaskan selama 1 jam dengan Temperatur 107oC Mengacu pada ASTM D 3173 – 03 Sampel uji Tandan kosong
Tandan kosong (HR 50C/menit) Tandan kosong (HR 100C/menit) Tandan kosong (HR 200C/menit)
Moisture Contain 7.0 % 6.8 % 6.60 % 4.72 %
Moisture Content
Volatile Matter Rumus berdasarkan standar ASTM D3175 C = [(A-B)/A] x 100% Volatile matter (%) = C - D Dimana: A = Berat sampel awal (gr) B = Berat sampel setelah pemanasan (gr) C = Berat yang hilang (%) D = Moisture contain (%)
.
Sampel uji
Volatile Matter
Tandan kosong
81.71 %
Tandan kosong (HR 50C/menit)
78.265 %
Tandan kosong (HR 200C/menit)
73.021 %
Tandan kosong (HR 9000C
- Temperatur - Holding time 30 menit
73.4 %
100C/menit)
Ash (Abu) Rumus berdasarkan standar ASTM D3174 Ash (%) = [(A - B)/C] x 100% Dimana : A = Berat abu + Crucible (gr) B = Berat Crucible kosong (gr) C = Berat sampel awal (gr) Sampel uji
Volatile Matter
Tandan kosong
8000C
- Temperatur - Holding time 60 menit
Tandan kosong 50C/menit) Tandan kosong 100C/menit) Tandan kosong 0 20 C/menit)
81.71 % (HR (HR (HR
73.4 %
78.265 % 73.021 %
Fixed FixedCarbon Carbon Rumus perhitungan berdasarkan standar ASTM D3172 Fixed Carbon (%) = 100% - (Moisture Contain (%) + Ash (%) + Volatile Matter (%))
Tandan kosong
5.4%
Tandan kosong (HR 50C/menit)
11.46%
Tandan kosong (HR 100C/menit)
7.435 %
Tandan kosong (HR 200C/menit)
12.199 %
Tandan kosong
5.4%
Hasil pengujian proximate
Moisture
7.0 %
Arang Tandan kosong (heating rate 50C/menit) 6.8 %
Zat volatil
81.71 %
73.4 %
78.265 %
73.021 %
Ash (Abu)
5.89 %
8.34 %
7.7 %
10.06%
5.4%
11.46%
7.435 %
12.199 %
Tandan kosong
Fixed carbon
Arang Tandan Arang Tandan kosong (heating kosong (heating rate 100C/menit) rate 200C/menit) 6.60 % 4.72 %
Bomkalorimetri
Nilai Kalor Rata – rata Bahan yang di Uji (cal/gr) Nilai kalor Uji 1 Uji 2 Uji 3 (cal/gr) Tandan kosong 3210 3194 3203 3202.33 Arang tandan kosong (heating rate 3937 3929 3945 3937 50C/menit) Arang tandan kosong (heating rate 3797 3780 3800 3792.33 100C/menit) Arang tandan kosong (heating rate 4325 4314 4340 4326.33 200C/menit)
Uji TGA (Thermogravimetri)
Pengujian TGA (Bahan uji Tandan Kosong)
Dengan menggunakan Persamaan Arhennius
Dari regresi linier disamping, didapatkan nilai gradien sebesar y = -2467,6x– 9.2491 Sesuai dengan persamaan regresi linier y=mx+c, maka nilai m = -2467,6 . Jika dimasukkan kedalam persamaan Energi Aktivasi, maka didapatkan -E = m Ṝ -E = -2467,6 K x 8.31 J/mol K E = 20489,136 J/mol Jadi nilai Energi Aktivasi dari Tandan Kosong sebesar E = 20489,136 J/mol
Pengujian TGA (Bahan uji Arang Tandan Kosong (HR 50C/mnt)) Dengan menggunakan Persamaan Arhennius
Dari regresi linier disamping, didapatkan nilai gradien sebesar y = -1620,4x – 11,011 Sesuai dengan persamaan regresi linier y=mx+c, maka nilai m = -1620,4 . Jika dimasukkan kedalam persamaan Energi Aktivasi, maka didapatkan -E = m Ṝ -E = -1620,4 K x 8.31 J/mol K E = 13462,53 J/mol Jadi nilai Energi Aktivasi dari Tandan Kosong sebesar E = 13462,53 J/mol
Pengujian TGA (Bahan uji Arang Tandan Kosong (HR 100C/mnt)) Dengan menggunakan Persamaan Arhennius
Dari regresi linier disamping, didapatkan nilai gradien sebesar y = -1123,6x– 11,646 Sesuai dengan persamaan regresi linier y=mx+c, maka nilai m = -1123,6 . Jika dimasukkan kedalam persamaan Energi Aktivasi, maka didapatkan -E = m Ṝ -E = -1123,6 K x 8.31 J/mol K E = 9337,116 J/mol Jadi nilai Energi Aktivasi dari Tandan Kosong sebesar E = 9337,116 J/mol
Pengujian TGA (Bahan uji Arang Tandan Kosong (HR 100C/mnt)) Dengan menggunakan Persamaan Arhennius
Dari regresi linier disamping, didapatkan nilai gradien sebesar y = -800,81 x – 12,006 Sesuai dengan persamaan regresi linier y=mx+c, maka nilai m = -1123,6 . Jika dimasukkan kedalam persamaan Energi Aktivasi, maka didapatkan -E = m Ṝ -E = -800,81 K x 8.31 J/mol K E = 6654,73 J/mol Jadi nilai Energi Aktivasi dari Tandan Kosong sebesar E = 6654,73 J/mol
Hasil pengujian TGA dan perhitungan Energi Aktivasi Sampel Uji
Energi Aktivasi (E)
Tandan Kosong
20489,136 J/mol
Arang Tankos (HR 50C/menit)
13462,53 J/mol
Arang Tankos (HR 100C/menit)
12498,24 J/mol
Arang Tankos (HR 200C/menit)
6654,73 J/mol
Proses Pembuatan Briket Hasil pembuatan briket
Diameter (mm)
Tinggi (mm)
1
55
70
Berat basah (gr) 200
2
55
70
210
160
3
55
70
210
160
4
55
70
200
150
No
Berat kering (gr)
150
Uji Visualisasi Pembakaran Briket Pada Tungku Briket
KESIMPULAN
1. Proses pirolisis menyebabkan turunnya Moisture contain dan kadar volatile matter yang diikuti oleh naiknya kadar abu dan fixed carbon. Antara tandan kosong murni dengan Arang tandan kosong (HR 200C/mnt) mempunyai besar penurunan Moisture contain = 32.57%, Volatile matter = 10.63%, untuk kadar Ash naik sebesar = 41.45% dan fixed carbon naik sebesar = 55.73% 2. Nilai Kalor berbanding lurus dengan besarnya persentase fixed carbon, karena fixed carbon merupakan pembangkit utama energi panas selama proses pembakaran 3. Pada pengujian proximate, nilai kalor, thermogravimetry didapatkan hasil terbaik terdapat pada Arang tandan kosong yang di pirolisis dengan Heating Rate 200C/menit dengan nilai kalor sebesar 4326.33 cal/gr dan Energi aktivasi terkecil sebesar 6654,73 J/mol. 4. Pembuatan briket dengan menggunakan bahan Arang tandan kosong yang di pirolisis menggunakan heating rate 200C/menit mendapatkan nilai effisiensi pembakaran briket pada tungku briket rata – rata sebesar 19.35 %.
SARAN
Untuk perkembangan aplikasi dan performa dari briket yang telah dibuat, maka penulis memberikan beberapa saran, sebagai berikut: 1. Eksperimen lebih lanjut perlu diadakan agar sumber energi alternatif bisa digantikan dengan biomassa. 2. lingkungan agar bisa dimanfaatkan lebih baik.
REUSE REDUCE RECYCLE
Batasan Masalah 1. Bahan briket biomasa yang terdiri dari tandan kosong murni dan arang tandan kosong yang telah melalui tahapan pirolisis dengan ukuran partikel masing-masing bahan adalah 50 mesh. 2. Uji kandungan bahan dengan Proximate dan uji karakteristik dengan metodeThermogravimetry untuk mengetahui Energi Aktivasi dari masing – masing sampel. 3. Bahan pengikat (binder) adalah tepung kanji dengan komposisi 10% berat briket. 4. Mesin pembriket adalah tipe piston die pressure yang digerakkan secara manual 5. Cetakan briket (die) berbentuk silinder dengan diameter dalam 55 mm dan poros penekan berdiameter 54,5 mm. 6. Briket biomassa berbentuk silinder dengan diameter 55 mm dan tinggi 70 mm. 7. Lama penahanan proses pembriketan (holding time) 3 menit. 8. Pembriketan dilakukan terhadap bahan yang mempunyai Nilai kalor tinggi dan Energi aktivasi rendah 9. Pembriketan dilakukan dengan tekanan 500psi dengan mesin pencetak briket 10. Aplikasi uji pembakaran briket pada tungku briket.
