DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................................... i LEMBAR PERSETUJUAN .............................................................................................ii ABSTRAK ..........................................................................................................................iii KATA PENGANTAR....................................................................................................... v DAFTAR ISI ..................................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................... viii DAFTAR TABEL .............................................................................................................. x BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang..................................................................................................1 1.2 Rumusan Masalah ............................................................................................3 1.3 Batasan Masalah ...............................................................................................3 1.4 Tujuan Penelitian..............................................................................................4 1.5 Manfaat Penelitian ...........................................................................................4 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pirolisis ..............................................................................................................5 2.2 Gasifikasi...........................................................................................................5 2.2.1 Jenis-jenis Reaktor Gasifikasi .......................................................... 5 2.2.2 Dasar-dasar Proses Gasifikasi ......................................................... 12 2.3 Fluidisasi ................................................................................................. 13 2.3.1
Jenis-jenis Fluidisasi ................................................................... 13
2.3.2
Kecepatan Semu ............................................................................... 14
2.4 Laju Sirkulasi Partikel Padat ............................................................................ 14 2.5 Densitas Partikel Biomassa dan Material Hamparan Pasir Silika............ 15 2.6 Hukum Bernoulli ........................................................................................... 16 2.6.1 Venturimeter Dengan Manometer .................................................. 17 2.7 Pasir Silika ..................................................................................................... 19 2.8 Biomassa ........................................................................................................ 19
vi
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Lokasi Penelitian ....................................................................... 21 3.2 Variabel Penelitian ........................................................................................ 21 3.2.1 Variabel Bebas .................................................................................. 21 3.2.2 Variabel Terikat ................................................................................ 21 3.3 Alat Penelitian ............................................................................................... 21 3.4 Skematik DRFB ............................................................................................ 27 3.5 Prosedur Penelitian ....................................................................................... 28 3.5.1 Tahapan Persiapan............................................................................ 29 3.5.2 Tahapan Penelitian ........................................................................... 29 3.6 Analisa Data ................................................................................................... 31 3.7 Diagram Alir Penelitian ................................................................................... 32 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Densitas Biomassa dan Pasir Silika ................................................................. 33 4.2 Perhitungan Kecepatan Udara Kompresor yang Masuk ke Reaktor ....... 34 4.3 Data Hasil Pengujian Tekanan Reaktor............................................................ 35 4.4 Data Hasil Pengujian Massa Material yang Melewati Downer dan Riser ........ 37 4.5 Laju Sirkulasi Pada Reaktor ............................................................................. 38 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ...................................................................................................... 42 5.2 Saran ................................................................................................................ 42 DAFTAR PUSTAKA ...............................................................................................43 LAMPIRAN .............................................................................................................45
vii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Fixed Bed Reactor..................................................................................6 Gambar 2.2 Updraft Gasifier .....................................................................................7 Gambar 2.3 Downdraft Gasifier ................................................................................8 Gambar 2.4 Crossdraft Gasifier .................................................................................9 Gambar 2.5 Twin-Fire Gasifier .................................................................................9 Gambar 2.6 Entrained Gasifier ..................................................................................10 Gambar 2.7 Fluidized Gasifier...................................................................................11 Gambar 3.1 Reaktor ...................................................................................................22 Gambar 3.2 Bahan Plat Distributor............................................................................22 Gambar 3.3 L-Valve ..................................................................................................23 Gambar 3.4 Fuel Feeder.............................................................................................23 Gambar 3.5 Kompresor..............................................................................................24 Gambar 3.6 Blower ....................................................................................................24 Gambar 3.7 Pressure Gauge .......................................................................................24 Gambar 3.8 Venturimeter ..........................................................................................25 Gambar 3.9 Stopwatch ...............................................................................................25 Gambar 3.10 Timbangan ...........................................................................................26 Gambar 3.11 Ayakan .................................................................................................26 Gambar 3.12 Piknometer ...........................................................................................26 Gambar 3.13 Waterpass .............................................................................................27 Gambar 3.14 Flowmeter ............................................................................................27 Gambar 3.15 Skematik DRFB ...................................................................................28 Gambar 3.16 Alat uji DRFB Berbahan Pipa Akrilik .................................................29 Gambar 4.1 Letak Titik Tekanan Pada Reaktor ........................................................35
viii
Gambar 4.2 Grafik Variasi Kecepatan Superfisial Terhadap Tekanan Pada Reaktor 2...............................................................................................36 Gambar 4.3 Grafik Perbandingan Variasi Kecepatan Superfisial Terhadap Jumlah Massa Meterial Yang Melewati Riser ..................................................38 Gambar 4.4 Grafik Perbandingan Variasi Kecepatan Superfisial Terhadap Laju Sirkulasi Padatan Pada Riser ................................................................41
ix
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Komposisi Biomassa Jagung .....................................................................20 Tabel 4.1 Hasil Pengujian Massa Jenis Biomassa .....................................................33 Tabel 4.2 Hasil Pengujian Massa Jenis Pasir Silika ..................................................34 Tabel 4.3 Hasil Uji Tekanan Pada Reaktor................................................................36 Tabel 4.4 Massa Partikel Yang Melewati Downer ....................................................37 Tabel 4.5 Massa Partikel yang Melewati Riser .........................................................37 Tabel 4.6 Laju Sirkulasi Pada Downer ......................................................................40 Tabel 4.7 Laju Sirkulasi pada Riser ..........................................................................40
x
VARIASI KECEPATAN SUPERFISIAL CAMPURAN BIOMASSA DAN PASIR SILIKA TERHADAP LAJU SIRKULASI PADAT PADA COLD MODEL DUAL REACTOR FLUIDIZED BED Oleh
: Aris Arifaldi
Dosen Pembimbing : Prof. I Nyoman Suprapta Winaya, ST,MASc, Ph.D Ir. Anak Agung Adhi Suryawan, MT. ABSTRAK Teknologi dual reactor fluidized bed (DRFB) merupakan jenis reaktor fluidisasi yang sedang dikembangkan saat ini untuk meningkatkan efisiensi pengkonversian bahan bakar menjadi syngas. Pada DRFB fenomena sirkulasi ini perlu diamati serta menjadi faktor penting terhadap proses pencampuran dan perpindahan massa terjadi pada sebuah sistem tertutup. Cold model DRFB dibuat berbahan akrilik berfungsi untuk mengamati fenomena sirkulasi campuran bahan bakar dan material hamparan di dalam reaktor. Material uji yang digunakan adalah biomassa sebagai bahan bakar dan pasir silika sebagai material hamparannya dengan ukuran antara 0,4 mm - 0,5 mm. Bahan bakar dan material hamparan disirkulasikan pada reaktor dengan variasi kecepatan superfisial, yaitu : variasi I (15 m/s), variasi II (17 m/s), variasi III (20 m/s), dan variasi IV (23 m/s). Pada kecepatan superfisial terdiri dari udara primer dan udara sekunder, dimana pada udara sekunder ditetapkan konstan yaitu 10 m/s. Pengukuran yang dilakukan adalah tekanan di sepanjang reaktor, massa material yang melewati riser dan downer, serta laju sirkulasi padatan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin meningkat kecepatan superfisial yang masuk ke dalam reaktor maka tekanan yang dihasilkan semakin besar. Tekanan akan semakin besar jika semakin dekat dengan pusat hembusan udara primer maupun sekunder. Material terbanyak yang dapat disirkulasikan dan laju sirkulasi padatan terbesar yaitu 16,1256 kg/m2s terdapat pada kecepatan 17 m/s. Kata kunci : dual reaktor fluidized bed, kecepatan superfisial, laju sirkulasi padat
xi
VARIATIONS OF SUPERFICIAL VELOCITY OF MIXTURE OF BIOMASS AND SILICA SAND AND THEIR EFFECTS TOWARDS SOLID CIRCULATION RATES IN COLD MODEL DUAL FLUIDIZED BED REACTOR By
: Aris Arifaldi
Supervisors : Prof. I Nyoman Suprapta Winaya, ST., MASc, Ph.D; and Ir. Anak Agung Adhi Suryawan, MT.
ABSTRACT
Dual Reactor Fluidized Bed (DRFB) is a type of fluidization reactor that is currently being developed to improve efficiency in the conversion of fuel into syngas. The circulation phenomenon in DRFB needs to be observed and it has become an important factor in the mixing process, and a mass transfer occurs in a closed system. Cold model DRFB is made of acrylic to observe the circulation of the mixture of fuel and bed material in the reactor. Test materials used are biomass as fuel, and silica sand as bed material with sizes between 0.4 mm - 0.5 mm. The fuel and bed material were circulated in the reactor with the superficial velocity variations, namely variation I (15 m/s), variation II (17 m/s), variation III (20 m/s), and variation IV (23 m/s). The superficial velocity consists of primary and secondary air velocities, where the secondary air velocity was set to be constant at 10 m/s. Pressures along the reactor, the mass of material passing through the riser and downer, and the solid circulation rates were measured. The results of the research showed that the increase in superficial velocity flowing into the reactor resulted in a greater pressure generated. The pressure will be even greater if it gets closer to the center of the primary and secondary airflow. The biggest amount of materials circulated was 16.1256 kg/m2s while the highest solid circulation rate was 17 m/s.
Keywords: dual fluidized bed reactor, superficial velocity, solid circulation rate
xii
1
BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang Energi merupakan salah satu kebutuhan dasar manusia dan saat ini
konsumsinya meningkat. Dengan semakin tingginya permintaan energi pada saat ini menyebabkan krisis energi terjadi. Salah satu penyebabnya adalah terlalu besarnya ketergantungan penyediaan energi Indonesia pada bahan bakar minyak. Indonesia merupakan negara konsumsi energi cukup tinggi di dunia. Berdasarkan data Direktorat Jendral Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi Kementrian ESDM, dalam beberapa tahun terakhir pertumbuhan konsumsi energi Indonesia mencapai 7% per tahun. Angka tersebut berada di atas pertumbuhan konsumsi energi dunia yaitu 2,6% per tahun. Konsumsi energi Indonesia tersebut terbagi untuk sektor industri (50%), transportasi (34%), rumah tangga (12%) dan komersial (4%) (ESDM, 2012). Menurut Sekretaris Direktorat Jenderal Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi (Sesditjen EBTKE) Djadjang Sukarna, dengan potensi cadangan energi fosil yang sudah terbatas dan semakin menipis ini, pemenuhan kebutuhan energi akan menghadapi kendala yang besar. Bahkan menurut prediksinya, tahun 2030 Indonesia akan menjadi negara pengimpor energi. Untuk menghadapi krisis energi ini, langkah awal yang harus dilakukan adalah menciptakan energi alternatif yang berbasis biomassa. Energi biomassa merupakan energi yang berasal dari bahan organik terbarukan. Sumber energi biomassa ini berasal dari limbah pertanian, kotoran hewan, tinja, kayu dan sampah. Indonesia sebagai negara agraris yang terletak di daerah khatulistiwa merupakan negara yang kaya akan energi biomassanya yang dapat dimanfaatkan sebagai energi alternatif. Salah satu teknologi yang dapat digunakan untuk pemanfaatan biomassa adalah teknologi gasifikasi. Gasifikasi adalah proses perubahan bahan bakar padat secara thermokimia menjadi gas (CO, CH4, H2) dimana udara yang diperlukan lebih rendah dari udara yang digunakan untuk proses pembakaran (Suyitno, Techn.2008). salah satu teknologi gasifikasi yang berkembang pesat adalah sistem Fluidized Bed (FB).
2
Pada teknologi ini terjadi pencampuran antara material hamparan dan bahan bakar. Teknologi ini memiliki kelebihan, yaitu fleksibilitas bahan bakar yang tinggi, mampu menggunakan bahan bakar padat dengan kualitas rendah (kadar air mencapai 60% dan abu mencapai 70%), emisi SO2 rendah, dan efisiensi pembakaran tinggi. (Oka, N. S, & Anthony, E.J, 2004). Teknologi FB sudah terbukti sebagai cara yang efektif untuk mengkonversikan berbagai limbah menjadi energi bersih. Dalam sistem FB perlu adanya pencampuran antara material hamparan dan bahan bakar sehingga perlu diketahui fenomena sirkulasi campuran antara meterial hamparan dan bahan bakar di dalam reaktor. Seperti penelitian Pham Hoang Luong, dkk (1998) yang meneliti sirkulasi fluidized bed pada reaktor cold model, dalam penelitian tersebut menunjukan bahwa semakin besar ukuran partikel maka laju sirkulasinya semakin rendah. Kemudian penelitian juga dilakukan oleh Gorji Kandi, S.M, dkk (2014) yang meneliti pencampuran material padat pada fluidized bed skala kecil dengan penampang 0,02 m × 0,2 m dan tinggi 1 m. Sedangkan partikel yang digunakan partikel yang berwarna putih dan hitam dengan diameter rata-rata 850 dan 450 µm. Penelitian tersebut menggunakan parameter-parameter yaitu kecepatan gas superfisial, rasio partikel tracer untuk partikel bed, posisi partikel tracer, dan ukuran partikel dari pencampuran dibahas dengan mengacu pada indeks pencampuran. Penelitian ini menunjukkan bahwa peningkatan kecepatan gas superficial dapat meningkatkan pencampuran dan mengurangi waktu pencampuran. Dalam proses gasifikasi FB diperlukan sebuah reaktor, biasanya reaktor yang digunakan selama ini memiliki kendala yaitu menyisakan bahan bakar yang tidak terbakar berupa arang atau char, sehingga dalam penelitian dikembangkanlah jenis reaktor Dual Reactor Fluidized Bed (DRFB). Dimana reaktor jenis ini mampu mengatasi masalah pada reaktor yang sudah ada. Dual reaktor terdiri dari reaktor pembakaran bahan bakar dan reaktor untuk proses gasifikasi. Sistem reaktor ini adalah jika dalam proses gasifikasi atau pengkonversian bahan bakar menjadi gas terdapat sisa bahan bakar yang belum terkonversikan menjadi gas maka sisa bahan bakar tersebut akan disirkulasikan ke reaktor pembakaran dan kemudian kembali ke proses gasifikasi hingga bahan bakar habis terkonversi menjadi gas.
3
Pada DRFB fenomena sirkulasi ini perlu diamati serta menjadi faktor penting terhadap proses pencampuran dan perpindahan massa terjadi pada sebuah sistem tertutup. Karakteristik meterial hamparan terhadap kecepatan superfisial menentukan jumlah massa yang disirkulasikan. Dalam penelitian ini model DRFB yang digunakan adalah cold model, dimana reaktor dibuat dari bahan akrilik yang bertujuan untuk dapat mengamati fenomena aliran campuran material hamparan yaitu pasir silika dan bahan bakar biomassa yang terjadi di dalam riser pada upper bed yang disirkulasikan menggunakan siklon menuju downer sebelum masuk kembali ke upper melalui loopseal. Karakteristik perpindahan massa dan fluidisasi akan dikaji pada penggunaan berbagai jenis bahan bakar dengan variasi kecepatan superfisial. Jadi yang diteliti dalam penelitian ini adalah pengaruh variasi kecepatan udara superfisial campuran biomassa dan material hamparan pasir silika terhadap laju sirkulasi padat pada cold model DRFB. Variasi kecepatan udara semu atau kecepatan udara superfisial dalam penelitian ini penting karena untuk mengetahui berapa kecepatan udara yang mampu mensirkulasikan partikel solid secara maksimum. 1.2
Rumusan Masalah Dari latar belakang di atas, adapun masalah yang penulis dapatkan dalam
penelitian ini adalah bagaimana pengaruh variasi kecepatan udara superfisial campuran biomassa dan material hamparan pasir silika pada reaktor cold model DRFB terhadap laju sirkulasi padat di dalam reaktor? 1.3
Batasan Masalah Adapun batas masalah yang ingin dicapai penulis dalam penelitian ini adalah :
1.
Penelitian ini menggunakan reaktor cold model.
2.
Bahan bakar yang digunakan adalah biomassa dengan ukuran 0,4 – 0,5 mm.
3.
Material hamparan yang digunakan adalah pasir silika dengan ukuran 0,4 – 0,5 mm.
4.
Udara yang dimasukkan ke reaktor berasal dari kompressor dan blower.
5.
Hal yang divariasikan dalam penelitian ini adalah variasi kecepatan udara superfisial campuran biomassa dan material hamparan pasir silika terhadap laju sirkulasi padat pada cold model DRFB.
6.
Komposisi partikel biomassa dan material hamparan yaitu 400 : 400.
4
1.4
Tujuan Penelitian Adapun tujuan yang ingin dicapai penulis dalam penelitian ini adalah untuk
mengetahui pengaruh variasi kecepatan udara superfisial campuran biomassa dan material hamparan pasir silika terhadap laju sirkulasi padat pada cold model DRFB. Di samping itu dengan penelitian ini diharapkan mampu memprediksi keadaan pencampuran partikel solid di dalam reaktor. 1.5
Manfaat Penelitian Adapun manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah
1.
Hasil penelitian ini diharapkan menjadi refrensi desain DRFB, yang nantinya dapat memperoduksi gas sebagai energi alternatif untuk mengurangi bahan bakar fosil. Selanjutnya, untuk produksi gas yang dihasilkan agar bisa menjadi acuan/refrensi untuk dikembangkan ke skala industri/komersil yang lebih besar.
2.
Mampu menciptakan alat pengkonversi energi untuk bahan bakar padat menjadi gas yang efisien dan ramah lingkungan.
