5
BAB II KAJIAN PUSTAKA
2.1 Penelitian Terdahulu (Lantara, 2010), analisa Performansi tungku pembakaran berbahan bakar briket kombinasi antara arang batok kelapa dengan sekam padi dengan variasi komposisi, pengujian ini memvariasikan bahan bakar briket yang dikombinasikan antara batok kelapa dengan sekam padi dalam berbagai komposisi tertentu dimana diameter cerobong pipa yang digunakan sebesar 7 cm sehingga performa tungku dapat diketahui dalam hal besarnya energy pembakaran yang dihasilkan, briket dengan ratio campuran 4 kg arang batok dengan 1 kg sekam padi menghasilkan energi sebesar 31219.68 kJ/kg dengan waktu pemanasan paling cepat selama 12.15 menit untuk memanaskan air 1 liter sampai temperatur 100 oC. Semakin sedikit penambahan sekam padi menghasilkan performansi pembakaran semakin baik. (Danang Dwi Saputro, 2009), analisa karakteristik pembakaran briket arang tongkol jagung tujuan penelitian ini adalah menguji temperatur pembakaran briket arang tongkol jagung dengan kecepatan udara 0,2 m/s, 0,4 m/s, 0,6 m/s dan 0,8 m/s. Penelitian awal dilakukan dengan pengujian proximate bahan baku meliputi kadar air, nilai kalor, kadar abu, volatile matter dan kadar karbon. Hasil penelitian karakteristik pembakaran arang briket tongkol jagung dengan variasi laju aliran massa udara adalah sebagai berikut: perubahan temperatur pembakaran dari temperatur awal 200°C sampai temperatur puncak berkisar antara 286°C 292°C, laju pengurangan massa berkisar selama 21 menit-30 menit, laju pembakaran mencapai puncak berkisar antara 0,3 gr/s-0,41 gr/s. Dari hasil penelitian didapatkan untuk membakar 5 gr arang briket tongkol jagung dibutuhkan udara kering 20,15 gr. Stoikiometris didapatkan perbandingan antara bahan bakar dengan udara 4:1. Aliran massa udara yang dapat memenuhi kebutuhan udara kering tersebut adalah 0,6 m/s. Pembakaran pada aliran massa udara 0,6 m/s merupakan pembakaran dengan pencapaian temperatur tertinggi yaitu 292°C, dengan laju pembakaran selama 21 menit. (Sulistyanto,2006), telah menguji karakteristik pembakaran biobriket campuran batubara dengan sabut kelapa dengan perbandingan batubara: biomasa
6
:10% : 90%, 20% : 80%, 30% : 70% dengan kecepatan udara konstan. Briket dibuat dengan metode Piston press tekanan kompaksi sebesar 100 kg/cm2 dan bahan perekat pati. Berdasarkan percobaan dan parameter yang telah diuji penambahan biomassa menyebabkan naiknya volatile matter sehingga lebih cepat terbakar dan laju pembakaran lebih cepat.Penambahan biomassa juga dapat menurunkan emisi polutan yang dihasilkan pada saat pembakaran. Komposisi biobriket terbaik yang dapat digunakan sehari-hari adalah komposisi batubara : biomsassa = 10% : 90% karena lebih cepat terbakar dan lebih ramah lingkungan, sedangkan untuk kebutuhan industry komposisi terbaik dengan pencapaian temperatur tertinggi adalah komposisi batubara : biomassa = 30% : 70 %. (Pamungkas, 2010), melakukan penelitian tentang “Pengaruh perbandingan serabut kelapa muda, tempurung kelapa muda dan serbuk gergaji terhadap lama nyala api dan nilai kalor briket yang dihasilkan”. Pengujian dilakukan untuk mengukur lama nyala api briket dan nilai kalor dari briket campuran sampah tempurung kelapa muda dan serabut kelapa muda. Perbandingan campuran yang digunakan adalah 6:3:1, 3:6:1, 4.5:4.5:1 dari campuran tersebut digunakan untuk memanaskan 1 liter air dan didapatkan hasil nyala api briket 6:3:1 selama 78 menit 01 detik, lebih baik dibandingkan 3:6:1 selama 80 menit 20 detik, 4.5:4.5:1 selama 80 menit 19 detik. Nilai kalor briket campuran dengan perbandingan 6:3:1 sebesar 6731,38 Kal/gr, 3:6:1 sebesar 6101,70 kal/gr dan 4.5:4.5:1 sebesar 5631,92 ka/gr. Briket 6:3:1 memiliki nilai kalor tertinggi dari nilai kalor campuran briket yang lainya. (Hanandito, dkk. 2012), melakukan penelitian tentang “Pembuatan briket arang tempurung kelapa dari sisa bahan bakar pengasapan ikan kelurahan bandarharjo semarang”. Penelitian ini Tujuan dari penelitian ini bertujuan untuk mengetahui ukuran partikel optimal, mengetahui jenis perekat yang tepat dan konsentrasi perekat
yang optimal serta rancang bangun alat pembuatan
briket.Rancangan percobaan yaitu variasi jenis perekat (tapioka, terigu, molasses, silikat), konsentrasi perekat (10%, 15%, 20%) dan ukuran mesh (20, 30, 40). Parameter yang dipakai adalah nilai kalor yang diukur dengan Boom Kalorimeter, stabilitas briket, dan ketahanan briket yang diuji dengan metode shatter index. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tepung tapioka merupakan jenis perekat terbaik
7
dibandingkan dengan 3 perekat lainnya (tepung terigu, molasses, silikat).Nilai kalor tertinggi yaitu 6748.69 kal/gr diperoleh pada 20% perekat dengan ukuran arang tempurung kelapa 20 mesh. Ketahanan briket terbaik diperoleh pada variabel 20% perekat dengan ukuran partikel 40 mesh karena hanya kehilangan partikel sebesar 0.11%. (Jamilatun, 2008), melakukan penelitian tentang “Sifat–sifat penyalaan dan pembakaran briket biomassa, briket batubara dan arang kayu” penelitian ini menguji beberapa jenis briket dari biomassa dengan ratio 80 : 20 untuk perekatnya, jenis briket biomassanya seperti briket tempurung kelapa, briket serbuk gergaji kayu jati, briket sekam padi dan briket bonggol jagung serta briket batubara terkarbonisasi dan non terkarbonisasi juga briket arang kayu. Semua jenis briket ini digunakan untuk memanaskan 1 liter air dengan massa yang digunakan sebanyak 250 gram. Dibandingkan dengan briket biomassa yang lain, briket tempurung kelapa menghasilkan performansi terbaik yaitu nyala briketnya terlama 116 menit dan nilai kalor tertinggi 5.780 kal/gram. Semua jenis briket membutuhkan waktu antara 5 – 7 menit untuk mendidihkan 1 liter air. Jika dibandingkan dengan briket baubara yang memiliki nilai kalor 6.058 kal/gram dan arang kayu nilai kalornya 3.583 kal/gram, maka briket tempurung kelapa cukup baik untuk digunakan sebagai bahan bakar alternatif. (Wijayanti, 2009), melakukan penelitian tentang “Karakteristik briket arang dari serbuk gergaji dengan penambahan arang cangkang kelapa sawit”. Untuk meningkatkan kualitas briket arang, dilakukanpenambahan arang cangkang kelapa sawit dengan variasi 10%, 20%, 30%, 40%,50% dari berat briket arang serbuk gergaji. Proses pengarangan dilakukan dengan menggunakan tungku drum dan metode sangrai untuk serbuk gergaji. Perekat yang digunakan sebanyak 5 % dan briket dikempa dingin dengan beban 20 tonselama 15 menit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan arang cangkang kelapa sawit berpengaruh tidak nyata pada nilai kadar air, kadar zatmenguap dan kadar karbon terikat, tetapi berpengaruh nyata pada nilai kadar abu,nilai kalor, kerapatan, dan keteguhan tekan. Secara keseluruhan, kualitas briket serbuk gergaji dengan arang cangkang kelapa sawit ini cukup baik, sehingga dapat dijadikan sebagai bahan bakar alternatif.
8
2.2
Dasar Teori
2.2.1
Bahan Bakar Bahan bakar (fuel) merupakan bahan yang dikonsumsi untuk menghasilkan
energi. Bahan bakar dapat dibagi menjadi 3 kelompok yaitu : 1. Bahan yang dikonsumsi dalam proses pembakaran reaksi kimia 2. Bahan yang digunakan pada reactor nuklir 3. Bahan yang dikonsumsi oleh mahluk hidup Bahan bakar adalah sustansi dimana saat dipanaskan akan mengalami reaksi kimia dengan oxidizer (oksigen dalam udara) untuk melepaskan panas. Bahan bakar komersial mengandung karbon, hidrogen dan senyawa yang memberikan nilai kalor.
2.2.1.1 Klasifikasi Bahan Bakar Bahan bakar diklasifikasikan menurut kondisi fisiknya: 1. Padat –
Batubara
–
Kokas
–
Briket
–
Kayu
–
Arang kayu
–
Ampas tebu
–
Biomassa
–
Gambut
–
Refused solid oil
2. Cair A. Minyak bumi (petroleum product) –
Bensin (gasoline)
–
Solar (diesel fuel)
–
Minyak bakar (fuel oil)
–
Minyak tanah (kerosene)
–
Minyak residu (residual oil)
B. Peragian (fermentation product) –
Ethanol (ethylalcohol)
9
–
Methanol (methylalcohol)
C. Minyak sintetis (synthetic oil) Minyak yang didapat dari hidrogenisasi batubara D. Shale oil Minyak yang didapat dari destilasi batu-batuan 3. Gas –
Gas alam (natural gas)
–
Petroleum gas
–
Blast furnace gas
–
Coke oven gas
–
Blue water gas
–
Coal gas
–
Bio gas
2.2.1.2 Bahan Bakar Padat Bahan bakar padat meliputi kayu dan bentuk lain dari biomassa, gambut, lignite, batubara bituminous dan batubara anthracite. Unsur yang memegang peranan penting dalam suatu proses pembakaran adalah karbon. Pada bahan bakar padat persentase karbon yang cukup tinggi terdapat pada batubara, kayu, sekam, arang kayu dan kokas. Selain mengandung karbon, bahan bakar padat juga mengandung hydrogen, oksigen, air dan abu dalam jumlah yang signifikan, begitu juga dengannitrogen dan belerang. Oksigen terikat secara kimia dalam bahan bakar dan dalam jumlah yang bervariasi, yaitu 45% berat pada kayu dan 2% berat pada batubara anthracite kering, bebas abu (lihat pada Tabel 2.1). semakin tinggi tingkat klasifikasi batubara, semakin rendah kandungan oksigen dalam bahan bakar.
10
Tabel 2.1 Persentase Oksigen, Air dan Abu dalam Bahan Bakar Padat Oksigen
Moisture
Abu
(kering, bebas abu)
(bebas abu)
(kering)
Kayu
45%
15-50%
0,1-1%
Gambut
35%
90%
0,1-10%
Batubara lignite
25%
30%
>5%
Batubara bituminous
5%
5%
>5%
Batubara anthracite
2%
4%
>5%
Refuse-derived fuel
40%
24%
10-15%
Bahan Bakar
Penggunaan bahan bakar padat dalam pembakarantelah diketahui manusia sejak ada bahan yang dapat dibakar.Dibidang teknologi penggunaanya sangat luas sekali, yaitu digunakan dalam pembuatan kapur, pemanas ketel, sampai peleburan logam. Cara pembakaran bahan bakar padat ini adalah denganmenggunakan tungku (furnace) dan alat bakar (burner) untuk pulverized coal.
2.2.1.3 Briket Briket adalah sebuah balok bahan yang dapat dibakar dan digunakan sebagai bahan bakar untuk memulai dan mempertahankan nyala api. Briket yang paling umum digunakan adalah briket batubara, briket arang, briket gambut dan briket biomassa. Briket dibuat dengan menekan dan mengeringkan campuran bahan hingga menjadi keras.Metode ini umum digunakan untuk batubara yang memiliki nilai kalor rendah atau serpihan batubara agar memiliki tambahan nilai jual dan manfaat. Bahan yang digunakan unuk membuat briket hendaknya memiliki kadar air yang rendah untuk dapat mencapai nilai kalor yang tinggi. Keberadaan bahan volatile juga mempengaruhi seberapa cepat laju pembakaran briket, dimana bahanyang memiliki bahan volatile tinggi akan lebih cepat habis terbakar. Wikipedia/briket.
2.2.2
Kelapa Kelapa (Cocos nucifera) adalah anggota tunggal dalam marga Cocos dari
suku aren-arenan atau arecaceae.Kelapa juga adalah sebutan untuk buah yang
11
dihasilkan tumbuhan ini.Besar buahnya bisaberdiameter 10 cm sampai 20 cm bahkan lebih.Berwarna kuning, hijau, atau coklat.Tersusundari mesokarp berupa serat yang berlignin, disebut dengan sabut.Melindungibagian endokarp yang keras biasa disebut dengan batok dan kedap air.Endokarp melindungi biji yang hanya dilindungi oleh membran yang melekat pada sisi dalam endokarp.Endospermium berupa cairan yang mengandung banyak enzim biasa disebut dengan air kelapa dan fase padatannya mengendap pada dinding endokarp seiring dengan semakin tuanya buah. Tumbuhan ini dimanfaatkan hampir semua bagiannya oleh manusia sehingga dianggap sebagai tumbuhan serbaguna, terutama bagi masyarakat pesisir.Kayu dari batangnya yang disebut kayu glugu dipakai orang sebagai papan untuk membuat rumah.Daunnya bisa dipakai sebagai atap rumah setelah dikeringkan dan dianyam terlebih dahulu. Dari penelitian yang dilakukan (Sulistyanto, 2006) didapat nilai kalor dari sabut kelapa sebesar 3942.751 kal/kg.
2.2.3
Serbuk Gergaji Serbuk gergajian adalah serbuk kayu dari jenis kayu yang sembarang yang
diperoleh dari limbah ataupun sisa yang terbuang dari jenis kayu dan dapat diperoleh di tempat pengolahan kayu ataupun industri kayu. Serbuk ini biasanya terbuang percuma ataupun dimanfaatkan dalam proses pengeringan kayu yang menggunakan metode kiln ataupun dimanfaatkan untuk bahan pembuatan obat nyamuk bakar. Maka dicari alternatif untuk membuat limbah gergaji kayu lebih bermanfaat dalam penggunaannya.(Wijayanti, 2009) Dari penelitian yang dilakukan (Jamilatun, 2008) didapat nilai kalor dari serbuk gergaji kayu jati sebesar 5.479 kal/gram.
2.2.4
Tepung Tapioka Tepung tapioka atau biasa juga disebut tepung kanji, tepung aci atau dalam
bahasa inggisnya disebut cassava flour atau tapioca starch adalah tepung yang diperoleh dari sari pati singkong atau ketela pohon yang nama latinnya adalah manihot utilissima. Secara zat gizi, tepung tapioka ini boleh dibilang miskin nutrisi karena hanya mengandung energi sebesar 362 kalori, 86.9 gram karbohidrat dan 0
12
gram untuk protein, lemak, kalsium, fosfor, zat besi, aneka vitamin dan mineral lainnya. Artinya tepung tapioka tidak mengandung protein, lemak, vitamin dan mineral.(Kompasiana.com, 2014)
2.2.5
Laju Pengeringan Pengeringan adalah proses perpindahan massa air atau pelarut lainnya dari
suatu zat padat atau semi padat. Ada beberapa metoda pengeringan yaitu pengeringan konveksi, konduksi dan radiasi. Pengurangankadar air awal secara linear dapat dihitung berdasarkan waktu pada interval waktu tertentu yang disebut dengan periode laju pengeringan konstan. Biasanya pada periode ini kadar air permukaan di luar partikel sedang berpindah dari bahan. Laju pengeringan pada periode ini bergantung pada laju pindah panas dari bahan. Jika pengeringan dilanjutkan, kemiringan kurva akan berubah menjadi lebih landai (laju pengeringan berkurang) dan tidak menjadi linear, hingga akhirnya kurva menjadi datar. Kadar air produk lalu berada pada kondisi konstan yang disebut dengan kadar air kesetimbangan. Selama periode berkurangnya laju pengeringan, migrasi air dari bagian dalam ke permukaan bahan terjadi secara difusi molekular di mana bagian yang lebih basah (bagian dalam) memindahkan air ke bagian yang lebih kering (bagian permukaan). Bahan yang dikeringkan umumnya akan mengalami perubahan bentuk dan ukuran yang signifikan, kecuali pada proses pengeringan beku. Pengeringan beku adalah pengeringan di mana cairan dibekukan sebelum dikeringkan secara sublimasi (es langsung menjadi uap).(Hasibuan, 2005)
Dimana Lp
= Laju pengeringan (Kg/dt)
W1
= Massa awal briket sebelum dikeringkan (Kg)
W2
= Massa akhir briket setelah dikeringkan (Kg)
t
= Lamanya waktu pengeringan hingga tidak terjadi lagi perubahan massa briket (dt)
13
2.2.6
Nilai Kalor Nilai kalor adalah suatu angka yang menyatakan jumlah panas/ kalori yang
dihasilkan dari proses pembakaran sejumlah bahan bakar tertentu dengan udara/ oksigen. (Yeliana, dkk2000) Nilai kalor dapat dicari dengan menggunakan alat bomb calorimeter untuk mengetahui selisih perubahan temperature selama proses pembakaran. Dapat dihitung menggunakan rumus.
Dimana NKA = Nilai kalor atas bahan bakar (kal/gr) C
= Nilai kalor standarisasi dari natrium benzoid acid (kal/oC)
∆T
= (T2 - T1) selisih antara temperatur akhir dengan temperatur awal (oC)
NKB = Nilai kalor bawah bahan bakar (kal/gr) X
= massa H2O yang terbentuk dalam proses pembakaran persatuan massa bahan bakar (gr)
LH
2.2.7
= Panas latent penguapan H2O (kal/gr)
Analisa Proximet Tujuan menganalisa proximet dalam briket ini adalah untuk
menentukan jumlah moistuure, volatile matters (VM), fix carbon (FC), ash didalam briket dengan satuan persen berat (wt.%).
14
2.2.8 Analisa Ultimet Tujuan menganalisa ultimet dalam briket ini adalah untuk menentukan jumlah karbon (C), hidrogen (H), Oksigen (O), belerang (S) di dalam briket dengan satuan persen berat (wt.%). nilai karbon dan hidrogen dapat digunakan untuk menenukanjumlah oksigen (udara) yang diperlukan dalam proses pembakaran dan untuk perhitungan efisiensi proses pembakaran.penentuan karbon dan hidrogen dapat digukn dalam perhitungan materi balance, reaktivitas dan hasil produk yang relevan dengan proses konversi briket. Nilai karbon dan nitogen dapat digunakan dalam perhitungan material balance yang digunakan untuk tujuan perhitungan emisi. 2.2.9
Waktu Penyalaan
Kecepatan pembakaran dipengaruhi oleh struktur bahan, kandungan karbon terikat dan tingkat kepadatan bahan. Jika briket memiliki kandungan senyawa volatile (zat yang mudah menguap) yang tinggi, maka briket akan mudah terbakar dengan kecepatan pembakaran tinggi, (Jamilatun, 2008). Lama penyalaan beberapa briket ditunjukkan pada tabel 2.2 berikut Tabel 2.2 Waktu Penyalaan Briket No
Jenis Briket
Waktu penyalaan briket (detik)
1
Tempurung kelapa
53,57
2
Serbuk gergaji kayu jati
10
3
Sekam padi
15
4
Batubara terkarbonisasi
6,1
5
Batubara non karbonisasi
6,08
6
Bonggol jagung
8,18
7
Arang kayu
5
Sumber: Jamilatun, 2008
2.2.10
Waktu Pembakaran Waktu pembakaran adalah lamanya waktu yang dibutuhkan suatu bahan
bakar untuk terbakar dari penyalaan awal hingga bahan bakar tersebut habis terbakar dengan sendirinya.
15
Tabel 2.3 Waktu Pembakaran Briket No
Jenis Briket
Massa briket (gram)
Waktu pembakaran briket (menit)
1
Tempurung kelapa
244,51
116,10
2
Serbuk gergaji kayu jati
244,22
71,05
3
Sekam padi
245,25
103,57
4
Batubara terkarbonisasi
245,91
60,57
5
Batubara non karbonisasi
245,99
83,53
6
Bonggol jagung
244,21
89,35
7
Arang kayu
246,22
109,45
Sumber: Jamilatun, 2008
2.2.11 Kalor Pemanasan Energi kalor dapat mengubah wujud suatu benda, dalam hal ini saya akan menggunakan air sebagai contohnya.Air dalam suhu yang amat rendah (-40oC) akan berbentuk sebagai es yang berwujud padat, sedangkan pada suhu 0oC air akan mengalami perubahan wujud dari padat (es) menjadi cair. Suhu air akan terus mengalami kenaikan ketika dipanaskan, yang pada akhirnya hinga di titik 100oC akan mengalami perubahan wujud dari cair menjadi gas (uap air)(Rahdian, 2009) Jumlah panas dinotasikan sebagai Q, dan diukur dalam satuan SI. Banyaknya kalor dihitung
dimana Q
= Banyaknya kalor/ jumlah panas (kkal)
m
= Massa air yang dipanaskan (Kg)
Cp
= Kalor jenis air pada tekanan konstan (Kkal/KgoC)
T
= Besarnya perubahan temperatur (oC)
