BAB II LANDASAN TEORI
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 SEKAM PADI Sekam padi adalah hasil dari penggilingan padi. Sekam padi merupakan lapisan keras yang membungkus kariopsis butir gabah, sekam terdiri dari dua belahan yang disebut lemma dan palea yang saling bertautan. Pada proses penggilingan gabah, sekam akan
terpisah dari butir beras dan menjadi bahan sisa atau limbah penggilingan. Dari proses
penggilingan gabah akan dihasilkan 16,3% - 28% sekam (Balai Penelitian Pascapanen
Pertanian, 2001). Sekam dikategorikan sebagai biomassa yang dapat digunakan untuk berbagai kebutuhan seperti bahan baku industri, pakan ternak, dan pupuk tanaman.
Ditinjau dari komposisi kimiawinya, sekam mengandung beberapa unsur penting seperti terlihat pada tabel 2.1 Dengan komposisi kandungan kimia tersebut, sekam dapat dimanfaatkan untuk bahan baku industri kimia terutama kandungan zat kimia furfural, bahan baku 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 sebagai sumber energi panas karena kadar selulosanya cukup tinggi sehingga dapat memberikan pembakaran yang merata dan stabil. Sekam memiliki kerapatan jenis (bulk density) 125 kg/m3, dengan nilai kalori 3.300 kkal/kg (Van Ruiten, 1981) dan konduktivitas panas 0,068 kkal (houston, 1972). 2.2. SERBUK GERGAJI Serbuk gergaji merupakan limbah dari proses pengolahan kayu. Serbuk gergaji ini belum termanfaatkan secara optimal padahal sangat berguna untuk dijadikan bahan bakar hemat energi dan alternatif. Nilai kalor dari serbuk gergaji itu sendiri berbeda beda sesuai jenis dan kadar airnya. Rata rata serbuk gergaji mempunyai nilai kalori antara 3000 sampai dengan 6000 kkal/kg. Kerapatan jenis dan konduktivitas panasnya berada pada 125 kg/m3 dan 0,059 W/M oC. Sumber (J.P. Holman,1993:6-10)
5
6 2.3. GASIFIKASI
Gasifikasi merupakan suatu teknologi proses yang mengubah bahan padat
menjadi gas. Bahan padat ini seperti biomassa dan batu bara juga termasuk didalamnya.
Gas gas yang dimaksud adalah gas yang keluar dari proses gasifikasi. Adapun gas gas yang keluar pada umumnya berbentuk CO, CO2, CH4 dan H2. Gasifikasi berbeda dengan
pirolisis dan pembakaran biasa. Ketiganya dibedakan berdasarkan perbandingan udara dan bahan bakarnya (AFR). Jika jumlah udara dibagi bahan bakarnya sama dengan 0 maka proses ini disebut pirolisis. Jika AFR yang dihasilkan selama proses operasi lebih dari 1,5 maka ini disebut pembakaran biasa, adapun apabila nilai perbandingan udara dan bahan bakarnya lebih dari nol dan kurang dari 1,5 maka proses inilah yang disebut gasifikasi.
Tabel 2.1 Komposisi kimiawi sekam.
Tabel 2.2 Kalor jenis serbuk gergaji
Sumber: Balai Penelitian Pascapanen Pertanian
Gambar 2.1 Sekam padi
Gambar 2.2 Penggilingan sekam padi
7
Tabel 2.3 serbuk gergaji
2.2 TUNGKU 2.2.1 Pengertian Tungku
Tungku adalah suatu alat yang dapat menghasilkan kalor, kalor tersebut dapat disalurkan pada peralatan lain yang memerlukanya. Menurut hukum kekekalan energi bahwa energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan energi dapat berubah bentuk dari suatu bentuk energi satu kebentuk energi lainya. 2.2.2 Klasifikasi Tungku Tungku dapat dibagi menjadi dua jenis berdasarkan metoda pembangkitan panasnya yaitu tungku pembakaran yang menggunakan bahan bakar dan tungku listrik yang menggunakan listrik. Tungku pembakaran dapat dikalsifikasikan atau digolongkan menjadi beberapa bagian seperti ditunjukkan dalam tabel 2.3 yaitu jenis bahan bakar yang digunakan, cara pemuatan bahan baku, cara perpindahan panas dan cara pemanfaatan kembali limbah panasnya. Dalam prakteknya tidak mungkin menggunakan penggolongan ini sebab tungku dapat menggunakan berbagai jenis bahan bakar dan cara pemuatan bahan ke tungku yang berbeda.
8 Tabel 2.3 Klasifikasi tungku
Metode klasifikasi
Jenis bahan bakar yang digunakan
Jenis dan contoh Dibakar dengan minyak Dibakar dengan gas Dibakar dengan batubara Dibakar dengan biomassa Berselang (intermittent)/ Batch
Berkala Penempaan Penggulungan ulang/ re-rolling (batch/pusher) Pot
Cara pengisian bahan
Cara perpindahan panas
Kontinyu Pusher Balok berjalan Perapian berjalan Tungku bogie dengan sirkulasi ulang kontinyu Tungku perapian berputar/ rotary hearth furnace
Radiasi (tempat perapian terbuka)
Konveksi (pemanasan melalui media) Rekuperatif Cara pemanfaatan kembali limbah panas Regeneratif Sumber: United Nations Environment Programme, 2006
2.2.3 Tungku Sekam Padi Tungku sekam padi yaitu alat masak yang menggunakan bahan bakar berupa suatu bio massa dari penggilingan padi yaitu sekam. Perancangan tungku sekam padi yang ada di dunia hanya sedikit, salah satu negara yang mengembangkan tungku sekam padi ini adalah Filipina. Indonesia juga mengembangkan tungku sekam padi yang tepatnya di daerah Karawang, tungku ini dinamakan Kompor Sekam Segar Karawang (KOMSEKAR) yang merupakan hasil penelitian instalasi penelitian Karawang yang mulai dikembangkan pada tahun 1990 (Rachmat et.al, 1991) dengan nama tungku sekam untuk rumah tangga diperlihatkan pada gambar 2.4. Kompor sekam tersebut pernah disosialisasikan kepada para petani di daerah pengrajin makanan tradisional (opak) di Desa Cibuaya Kabupaten Karawang dan bahkan telah dikirimkan satu unit ke IRRI Los Banos. Namun pada saat itu kurang mendapat respon karena pada waktu tersebut harga minyak tanah masih sangat terjangkau. Instalasi Laboratorium Pascapanen Karawang mengembangkan lebih lanjut desain kompor sekam tersebut pada tabel 2.4 merupakan hasil pengujian dan perbandingan
9 kompor sekam dengan bahan bakar lain dan pada tabel 2.5 merupakan perbandingan biaya mendidihkan 6 liter air dengan berbagai bahan bakar.
Tabel 2.4 Hasil uji pemanasan dengan kompor sekam
Sumber: Balai Penelitian Pascapanen Pertanian Tabel 2.5 Perbandingan biaya mendidihkan 6 liter air dengan berbagai bahan bakar
Bahan bakar
Waktu (menit)
bahan
Biaya (Rp)
Gas (elpiji)
11
0,3 kg
1500
Minyak tanah
25
150 ml
1000
Sekam & serbuk
30
1 kg
200
gergaji Harga gas 15.000/3 kg Harga minyak tanah 7000/ liter Sumber: Balai Penelitian Pascapanen Pertanian
Gambar 2.4 Kompor Sekam Segar Karawang (KOMSEKAR)
10 2.2.3.1 Jenis-Jenis Tungku Sekam Padi
1. DA-IRRI Rice Husk Gasifier Stove DA-IRRI rice husk gasifier stove dapat dilihat pada gambar 2.5 dan
2.6, alat ini telah dikembangkan pada tahun 1986. Pembuatan alat ini
dikolaborasi dengan peralatan kebun di Filipina oleh Dr. Robert Stickney dan Engr. Vic Piamonte. Tungku ini menggunakan double-core downdraft reaktor dimana sekam padi di bakar agar dapat menjadi gas.
Sepanjang proses, udara dari reaktor dialirkan ke pembakar/burner
dengan
mengunakan
suatu
peniup/penghembus
elektrik
yang
ditempatkan antara reaktor dan pembakar/burner.
Gambar 2.6 Gambar skematis DA-IRRI Rice Husk Gasifier Stove Gambar 2.5 DA-IRRI Rice Husk Gasifier Stove
2. CPU Single-Burner Batch-Type Rice Husk Gasifier Stove Tungku gas sekam padi jenis ini mulai di kembangkan pada tahun 1989, tungku ini dibuat sebagai pemenuhan kebutuhan memasak rumah tangga. CPU single-burner batch-type rice husk gasifier stove di tunjukan pada gambar 2.7 dan reaktor gas tungku di tunjukan secara skema pada gambar 2.8. Jenis tungku ini 1 tingkat diatas DA-IRRI rice husk gasifier stove dengan menggunakan prinsip yang sama yaitu menggunakan suatu double-core downdraft reaktor dimana pembakaran dimulai dari bawah reaktor. Tungku ini menggunakan pembakar/burner dari LPG-TYPE agar pembuatannya lebih sederhana. Pengaturan jumlah gas diatur dengan mengunakan suatu katup gerbang. Cerobong digunakan sebagai pembuangan gas lebih yang tidak terpakai dalam pembakaran.
11
Gambar 2.7 Cpu Single-Burner Batch-Type Rice Husk Gasifier Stove
Gambar 2.8 Skema Cpu Single-Burner Batch-Type Rice Husk Gasifier Stove
3. CPU Proto-Type IDD/T-LUD Rice Husk Gas Stove Model tungku ini yang ditunjukan pada gambar 2.9 dan 2.10 yang merupakan prototipe dari tungku gas sekam padi IDD/T LUD yang terdapat pada rice husk gas stove handbook karangan Alexis T. Belonio. Model tungku ini berbeda dengan desain dari sri lanka, perbedaan tungku ini terdapat pada segi desain pembakar/burner, penyekat sekam padi, dan mekanisme pengendalian kecepatan kipas. Reaktornya memiliki diameter dalam 15 cm dan tinggi 25 cm. Ruang saluran udara terletak di bawah reaktor. Kipas terletak menempel pada pintu ruangan saluran udara dan sebagai pengendali laju aliran udara dibuat satu pintu disisi belakang. Dalam desain awalnya tungku ini memiliki kapasitas 600 gram sekam padi, untuk itu kami memodifikasi tungku ini dengan kapasitas bahan
12
bakarnya menjadi lebih dari 1 kg sekam padi. Waktu yang dibutuhkan
dalam sekali pembakaran sekam padi untuk menghasilkan gas adalah 1 sampai 2 menit dan total waktu pemakaian sekam selama pembakaran
adalah 15 sampai 30 menit tergantung pada masukan udara dari kipas ke
reaktor pada saat memasak. Setelah semua sekam padi terbakar maka menghasilkan 125 sampai 500 gram abu sekam. Selama proses tungku ini tidak menghasilkan asap. Tungku tipe inilah yang kemudian akan dibuat.
Gambar 2.9 CPU Proto-Type IDD/T-LUD Rice Husk Gas Stove, Model 1
Gambar 2.10 CPU Proto-Type IDD/T-LUD Rice Husk Gas Stove, Model 2
4. CPU Cross-Flow Type Rice Husk Gasifier Stove CPU Cross-Flow Type Rice Husk Gasifier Stove dapat dilihat pada gambar 2.11 diciptakan setelah tungku kayu AIT. Tungku ini dirancang untuk mengubah sekam padi menjadi gas. Penggunaan tungku ini menggunakan motor DC 3 watt sebagai penyedia udara untuk proses perubahan menjadi gas. Sekam padi yang berada didalam reaktor bergerak vertikal sedangkan udara yang membakar sekam padi bergerak horizontal. Pembakar/burner ditempatkan disebelah tungku, pembakaran sekam padi dan memasak dilakukan disini.
13
Gambar 2.11 CPU Cross-Flow Type Rice Husk Gasifier
Stove
2.2.3.2 Pemilihan tungku CPU Proto-Type IDD/T-LUD Rice Husk Gas Stove CPU proto type IDD/T-LUD Rice Husk Gas Stove merupakan tipe tungku berbahas biomassa dalam hal ni sekam padi dan serbuk gergaji. Tungku ini terdapat pada rice husk gas stove handbook karangan Alexis T. Belonio.. Konsumsi bahan bakar antara 0.33 sampai 0.43 kg permenit. Waktu yang di perlukan untuk pembakaran sekam padi 1.74 sampai 2.27 cm permenit. Effisiensi panas yang dihasilkan diperkirakan 12 sampai 20 %. Tungku ini dapat mendidihkan air dalam waktu 9 sampai 9,5 menit dari temperatur awal 32° C sampai 100° C. tungku ini mempunyai keunggulan dari tungku type yang lain karena lebih sederhana dan ekonomis, sedangkan tungku type yang lain merupakan tungku dengan skala industri. 2.2.4 Prinsip Operasi Tungku Sekam Padi Tungku gas sekam padi prinsipnya yaitu memproduksi gas, terutama karbonmonoksida
yang
dihasilkan
dari
pembakaran
sekam
padi
dengan
pengkondisian udara. Sekam padi yang dibakar cukup untuk mengkonversi bahan bakar menjadi abu, oksigen, dan gas lain yang dihasilkan sepanjang proses sehingga dapat bereaksi dengan karbon yang terdapat pada abu yang temperaturnya lebih tinggi, maka akan menghasilkan karbon monoksida yang mudah menyala (CO), hidrogen (H2), dan metana (CH4). Gas lain seperti gas asam-arang (CO2) dan uap air
14 (H2O) yang sulit menyala juga diproduksi selama proses perubahan menjadi gas. Dengan pengendalian masukan udara dengan menggunakan kipas, jumlah udara
yang dibutuhkan untuk membakar sekam padi akan berubah menjadi gas yang diinginkan.
Gambar 2.12 merupakan gambar prinsip kerja dari tungku sekam padi, sekam
padi dibakar didalam reaktor dengan awal penyalaan dibakar dengan menggunakan
potongan-potongan kertas. Nyala api ini akan terus membakar sekam padi 1 cm hingga 2 cm per menit, kecepatan pembakaran tergantung pada putaran kipas. Semakin cepat putaran kipas maka akan semakin banyak pula udara yang masuk dan
mengakibatkan sekam padi didalam reaktor cepat habis. Sisa pembakaran terbuang kebawah dan akan menghasilkan abu karbon, abu karbon ini bercampur dengan
udara dari kipas dan masuk kembali ke dalam reaktor sehingga berubah menjadi gas. Hasil pembakaran ini menghasilkan gas, gas yang dihasilkan pada pembakaran akan menuju ke ruang bakar atau burner.
Gambar 2.12 Prinsip kerja reaktor tungku sekam padi
Ruang bakar adalah bagian terpenting dari tungku, pada ruang ini gas yang dihasilkan dari pembakaran direaktor bercampur dengan udara alami dan terjadi proses gasifikasi. Prinsip kerja dari ruang bakar yang dapat dilihat pada gambar 2.13 menjelaskan proses gasifikasi yang terjadi, gas diarahkan pada lubang ujung ruang
15 bakar/burner dan bercampur dengan udara alami yang ada pada sekeliling ruang bakar/burner sehingga menghasilkan warna api kebiru-biruan.
Gambar 2.14 Prinsip kerja ruang bakar /burner tungku sekam padi
2.2.5 Parameter Kinerja Tungku Sekam Padi Pengujian kinerja dari sebuah tungku sekam padi membutuhkan parameter agar tungku dapat diidentifikasi. Parameter-parameter berikut digunakan untuk mengevaluasi kemampuan tungku sekam padi, parameter yang akan dipakai untuk melihat kinerja tungku sekam padi adalah sebagai berikut:
1. Waktu penyalaan Waktu penyalaan adalah waktu yang digunakan untuk pembakaran awal sekam padi, waktu dimulai dari pembakaran potongan-potongan kertas hingga sekam terbakar sempurna dan menghasilkan gas.
2. Waktu operasi Waktu operasi adalah waktu yang digunakan mulai gas dihasilkan oleh tungku hingga gas tidak ada lagi atau api sudah padam dan tungku sudah tidak beroperasi.
3. Waktu operasi total
16
Waktu operasi total adalah waktu yang digunakan mulai dari pembakaran
kertas hingga tungku tidak beroperasi atau sudah tidak ada gasifikasi lagi, pada dasarnya waktu ini merupakan penjumlahan waktu penyalaan dan waktu
operasi.
4. Konsumsi bahan bakar (FCR) Konsumsi bahan bakar (FCR) adalah jumlah dari bahan bakar yang digunakan dalam operasi dibagi dengan waktu operasi tungku. FCR dapat
dihitung dengan menggunakan rumus berikut: (A. T. Belonio,1985)
(2.1)
5. Spesifikasi gas rata-rata (SGR) Spesifikasi gas rata-rata (SGR) adalah beratbahan bakar yang digunakan dibagi dengan perkalian antara luas reaktor dan waktu operasi. SGR dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut: (A. T. Belonio,1985)
(2.2)
6. Waktu untuk mendidihkan air Ini adalah waktu yang dihasilkan dari pertama panci berisi air ditempatkan diatas burner hingga air tersebut mendidih, temperatur yang di hasilkan dari air tersebut mendekati 100 oC.
7. Massa uap air Massa uap air didapatkan dari pengurangan antara volume air sebelum di masak (2 liter) dengan sisa air setelah tungku tidak beroperasi lagi.
8. Energi yang dibutuhkan untuk menaikan temperatur air (SH)
17
Ini adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikan temperatur air,
pengukuran energi ini dilakukan dengan pengambilan data temperatur air sebelum dan sesudah mendidih. Perhitungan energi ini dapat dihitung dengan
menggunakan rumus berikut: (A. T. Belonio,1985)
SH = Mw x Cp x (Tf – Ti)
(2.3)
Di mana:
Sensible Heat (SH) = Energi yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur air [kkal]
Mw = Massa jenis air [kg/liter] Cp = Kalor jenis air (0,9993) [kkal/kg°C]
Tf = Temperatur air mendidih pada tekanan 1 atm, +/- 100°C Ti = Temperatur air awal +/- 25°C
9. Kalor Laten (LH) Kalor laten adalah jumlah energi panas yang digunakan untuk menguapkan air (A. T. Belonio,1985) LH = We x Hfg
(2.4)
Di mana: LH = Kalor laten [kkal] We = Massa uap air [kg] Hfg = Kalor laten air (540) [kkal/kg]
10. Efisiensi Termal (TE)
(2.5) Di mana:
TE
= Efisiensi termal [%]
SH
= Energi yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur air [kkal]
18
LH
HVF = Kalor jenis bahan bakar [kkal/kg] WFU = Berat bahan bakar yang digunakan [kg]
11. Energi Panas Masuk (QF)
Energi panas masuk adalah jumlah energi panas yang tersedia di bahan bakar. Energi panas masuk dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut: (A. T. Belonio,1985)
`
= Kalor laten [kkal]
QF= WFU x HVF
(2.6)
Di mana: QF
= Energi panas bahan bakar [kkal]
WFU = Massa bahan bakar yang digunakan dalam pengoperasian [kg] HVF = Kalor jenis bahan bakar (3300) [kkal/kg]
12. Energi input (Pi) Ini adalah energi masukan yang digunakan untuk mengkonsumsi bahan bakar. Berikut ini rumus yang digunakan untuk menghitung energi input: (A. T. Belonio,1985) Pi = FCR x HVF
(2.7)
Di mana: Pi
= Energi input [kkal/jam]
FCR = Konsumsi bahan bakar [kg/jam] HVF = Kalor jenis bahan bakar [kkal/kg]
13. Energi Output (Po) Energi output adalah jumlah energi yang dilepaskan oleh tungku untuk memasak. Energi output dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut: (A. T. Belonio,1985) Po= FCR x HVF x TE Di mana:
(2.8)
19
Po
= Energi output [kkal/jam]
FCR = Konsumsi bahan bakar [kg/jam] HVF = Kalor jenis bahan bakar [kkal/kg]
TE
= Efisiensi yang berhubungan dengan panas [%]
14. Abu yang dihasilkan
Ini adalah rasio jumlah abu yang dihasilkan selama proses pembakaran sekam padi berlangsung. Abu yang dihasilkan dapat dihitung
dengan menggunakan rumus berikut :
(2.9)
15.
AFR (Air Fuel Ratio) Merupakan perbandingan antara udara dan bahan bakarnya. Nilai
AFR ini dapat dicari dengan menggunakan rumus :
(2.10) Di mana: AFR = Perbandingan udara dan bahan bakar = Perbandingan rasio [0.3 sampai 0.4] FCR = Konsumsi bahan bakar [kg/jam] SA = Stoichiometric udara dari sekam padi 4,5 [kkal/kg] = Densitas udara 1.25 [kg/m3]
