II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Gasifikasi Biomassa Secara harfiah biomassa adalah material biologis yang berasal dari tumbuhan, hewan, termasuk manusia yang dapat dijadikan sumber energi. Jenis material yang dapat dikatakan sebagai biomassa sangat bervariatif mulai dari residu agrikultur, residu hewan, serpih kayu, kayu hasil residu perkotaan yang kering serta terkontaminasi material lain, hingga material organik dari sampah padat di perkotaan [6,7,8]. Biomassa dapat dimanfaatkan untuk memproduksi energi salah satunya melalui proses termokimia contohnya pirolisis, gasifikasi, dan pembakaran. Perbedaan jenis konversi energi tersebut terletak pada banyaknya suplay oksigen saat konversi berlangsung. Konsumsi oksigen yang diperlukan saat pembakaran setidaknya memiliki AFR 6,25. Pada proses gasifikasi memiliki batasan AFR 1,5. Sedangkan pirolisis cenderung tidak membutuhkan oksigen pada prosesnya [9]. Gasifikasi secara bahasa dapat diartikan sebagai pembuatan gas. Secara definisi yang sebenarnya, gasifikasi adalah proses konversi energi dari bahan bakar yang mengandung karbon (padat ataupun cair) menjadi gas yang disebut producer gas dimana gas tersebut memiliki nilai bakar dengan cara oksidasi parsial pada temperatur tinggi. Produk luaran gasifikasi yang telah dimurnikan adalah komponen yang mudah terbakar yang terdiri dari campuran karbon
8
monoksida (CO), hydrogen (H2) dan metan (CH4) yang disebut syngas dan pengotor inorganik seperti NH3, HCN, H2S, debu halus, serta pengotor organik yaitu tar [10,11]. 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/kg [1]. Proses gasifikasi mempunyai 2 stage reaksi yaitu proses oksidasi dan reduksi. Sub-stoikiometerik oksidasi menggiring gas mudah menguap dari biomassa dan proses ini adalah eksotermis (melepaskan energi). Proses ini berlangsung pada temperatur 1100 – 1200 oC dan terjadi pembangkitan produk gas seperti karbon monoksida, hidrogen dan karbon dioksida (CO2) serta uap air yang mana pada gilirannya di-reduksi ke karbon monoksida dan hidrogen dengan bed charcoal panas yang dibangkitkan selama proses gasifikasi. Sedangkan reaksi reduksi adalah sebuah reaksi endotermis (membutuhkan panas) untuk membangkitkan produk yang mudah terbakar seperti hidrogen, karbon monoksida dan metan [8].
2.2. Gasifier Gasifier adalah reaktor berlangsungnya proses gasifikasi, di dalam reaktor tersebut terjadi empat proses yang berbeda yang berlangsung dalam sebuah gasifier seperti yang terlihat pada Gambar 2.1. Masing-masing diasumsikan menempati area yang berbeda dimana secara fundamental berlangsung reaksi termal dan kimia yang berbeda [13].
9
FT UNILA
Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
Gambar 2.1 Empat zona proses gasifikasi
2.2.1. Zona Proses Di Dalam Gasifier Pengeringan: Prosesnya yaitu kandungan air yang ada dalam biomassa diekstrak dalam bentuk uap tanpa adanya dekomposisi kimia dari biomasa. Biomasa + Panas = Biomasa kering + Uap
Pirolisis: Setelah pengeringan dilakukan, bahan bakar akan turun dan menerima panas sebesar 250-500oC dalam kondisi tanpa udara. Pirolisis dimulai dari dekomposisi hemiselulosa pada 200-250, dekomposisi selulosa sampai 350oC, dan pirolisis berakhir pada 500oC. Selanjutnya pengarangan berlangsung pada 500900oC, yang terjadi pada batas zona pirolisis dan oksidasi. Produk dari proses ini terbagi menjadi produk cair (Tar dan PAH), produk gas (H2, CO, CO2, H2O, CH4), tar dan arang. Reaksi kimia pirolisis dapat dituliskan sebagai berikut [9,12]. Biomasa kering + panas = arang + tar + gas (H2, CO, CO2, H2O, CH4, CxHy) Pembakaran : adalah proses untuk menghasilkan panas yang memanaskan lapisan karbon dibawah. Arang yang terbentuk dari ujung zona pirolisis masuk ke
10
oksidasi, selanjutnya dibakar pada temperatur operasi yang cukup tinggi 9001400oC. Pada gasifier downdraft temperatur setinggi ini, akan menghancurkan substansi tar sehingga kandungan tar menjadi lebih rendah. Distribusi oksigen yang merata akan menyempurnakan proses oksidasi sehingga dihasilkan temperatur maksimal dalam keseluruhan proses gasifikasi. Sekitar 20% arang beserta volatil teroksidasi dengan memanfaatkan O2 yang terbatas, sisa 80% arang turun kebawah menuju bagian reduksi yang hampir semuanya akan dipakai, menyisakan abu yang jatuh ke tempat pembuangan [9,12]. 2C + O2 = 2CO + Energi termal 2CO + O2 = 2 CO2 + Energi termal Tar minyak metana, dll = CO, CO2, H2O, CH4 + Energi termal Reduksi : Proses ini bersifat mengambil panas yang berlangsung pada suhu 400900oC. Pada proses ini terjadi beberapa reaksi kimia yang merupakan proses penting terbentuknya beberapa senyawa yang berguna untuk menghasilkan combustible gas seperti H2, CO, CH4 atau yang dikenal dengan producer gas. Berikut reaksi kimia di zona reduksi [9.12]: Bourdouar reaction
CO2 + C = 2CO – Energi termal
Steam-carbon reaction
C + H2O = CO + H2 – Energi termal
Water-gas shift reaction
CO + H2O = CO2+ H2 + Energi Termal
CO methanation
CO + 3H2 = CH4 + H2O
2.2.2 Jenis Gasifier Sejarah gasifikasi mengungkapkan beberapa rancangan gasifier yang diklasifikasikan oleh arah aliran gas melalui reaktor (arah naik, turun, atau mendatar), dimana jenis reaktor antara lain sebagai berikut :
11 a. Updraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)
b. Downdraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)
c. Crossdraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)
\
FT UNILA
Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
Gambar 2.2. Beberapa tipe gasifier
2.2.2.a. Gasifier Tipe Updraft Pada tipe ini umpan dimasukan pada bagian atas reaktor dan bergerak kebawah melewati zona pengeringan, pirolisis, reduksi, dan oksidasi. Sedangkan udara masuk pada bagian bawah dan gas keluar pada bagian atas. Keunggulan tipe ini yaitu kesederhanaanya, tingkat pembakaran arang yang tinggi, pertukaran panas internal sehingga suhu gas keluar rendah, dan efisiensi gasifikasi yang tinggi. Selain itu bahan baku yang diumpankan dapat berada pada kondisi kadar air yang cukup tinggi (50% wb). Kekurangannya, producer gas yang keluar dari reaktor berada pada kondisi temperatur rendah (<500oC), membawa tar yang terkon-densasi serta minyak yang berasal dari proses pirolisis [13,14,15]. Gasifier ini sesuai untuk pemanfataan panas langsung.
2.2.2.b Gasifier Tipe Downdraft Gasifier downdraft dirancang untuk mengurangi tar yang terkondensasi serta minyak yang diproduksi dari counterflow gasifier (updraft). Dalam Mekanismenya, aliran biomassa dan udara gasifikasi bergerak ke bawah dalam arah yang sama (co-flow) menuju bed bahan bakar. Ketika bahan bakar di dalam
12
reaktor bergerak ke bawah, uap akan terpirolisis dan char langsung masuk ke bagian pengecilan pada bagian bawah reaktor. Pada saat itu udara akan diinjeksikan ke bagian tersebut melalui di dinding reaktor. Kondisi temperatur yang tinggi pada bagian pengecilan akan membakar tar dan minyak pada producer gas. Kemudian producer gas akan keluar dari bagian bawah reaktor dengan dihisap melalui anulus pada dinding reaktor. Dikarenakan rendahnya kandungan tar dan minyak, gasifier tipe downdraft banyak diaplikasikan untuk mesin pembakaran internal [13,14,15.16].
2.2.2.c Gasifier Tipe crossdraft Gasifier tipe crossdraft didesain untuk pemakaian arang, dimana mekanismenya aliran udara mengalir tegak lurus terhadap zona pembakaran. Gasifikasi arang menghasilkan suhu yang sangat tinggi (>1500oC) di daerah oksidasi, yang dapat mengakibatkan masalah pada material reaktor. Selain itu kinerja pemecahan tar termasuk rendah, sehingga diperlukan arang berkualitas tinggi. Keunggulan tipe ini adalah, dapat dioperasikan pada skala sangat kecil dan kontruksi bagian pemurnian producer gas (siklon dan baghouse filter) relatif sederhana [13,17].
Parameter teknis dan operasional beberapa tipe diatas tersaji pada tabel 2.1 dan tabel 2.2.
Tabel 2.1. Parameter teknis beberapa jenis gasifier [18,19] Uraian
Downdraft
Jenis Gasifier Updraft Open core
Crossdraft
Kapasitas komersial maksimum (kWe) Waktu penyetelan (min)
350
4.000
200
150
10-20 Sensitif
15-60 Tidak sensitif
10-20
Sensititas fluktuasi beban
15-60 Tidak sensitif
Sensitifitas bahan bakar
Sensitif
Tidak sensitif
Sangat sensitif
Sensitif Sensitif
13
Tabel 2.1. Parameter teknis beberapa jenis gasifier (Lanjutan) [18,19] Uraian Ukuran dan volume bagian pembersih gas HG full load (%) 1 CG full load (%) 2 LHV syngas (kJ/Nm3) 1 2
Downdraft
Jenis Gasifier Updraft Open core
Kecil
Besar
Besar
85-90 65-75 4,5-5,0
90-95 40-60 5,0-6,0
70-80 35-50 5,5-6,0
Crossdraft Kecil
HG (Efisiensi gas panas), jika diaplikasikan untuk aplikasi pembangkit panas CG (Efisiensi gas dingin), jika gas diaplikasikan setelah didinginkan sampai temperatur lingkungan untuk aplikasi pembangkit daya
Tabel 2.2. Parameter operasional gasifier [18,19] Pengoperasian gasifier Meningkatkan temperatur
Meningkatkan tekanan
Meningkatkan ekivalensi rasio
Menurunkan kandungan char dan tar Menurunkan metan dalam producer gas Meningkatkan konversi karbon Meningkatkan nilai kalor syngas Menurunkan kandungan char dan tar Tidak memerlukan pengompresian producer gas untuk penggunaan downstream Menurunkan kandungan char dan tar
Menurunkan efisiensi energi Meningkatkan problema ash
Terbatasnya pengalaman desain dan operasional Biaya mahal
Menurunkan nilai kalor producer gas
Berkualitas atau tidaknya producer gas dipengaruhi dari beberapa faktor seperti jenis biomassa, gasifiying agent, reaktor, dan AFR gasifikasi [6,9]. Hal yang perlu ditekankan bahwa, AFR memegang peranan penting dalam proses gasifikasi ini. Sedikit keluar dari standar yang ditetapkan yaitu 1,5, proses akan mengarah ke pembakaran sempurna dimana CO2 akan semakin mendominasi kandungan producer gas.
14
Akan tetapi, Perlu digaris-bawahi bahwa nilai tersebut bukanlah batas mutlak untuk melangsungkan proses gasifikasi secara maksimum. Sebab disamping AFR, terdapat faktor lain yaitu jenis biomassa. Berdasarkan riset terdahulu, gasifikasi dengan bahan serpihan kayu memiliki AFR terbaik berada di titik 0,96, dimana komposisi gas mampu bakar relatif lebih besar hingga kualitas penyalaan api producer gas berwarna biru dengan LHV sekitar 4800 kJ/m3[20]. AFR tersebut berbeda dengan AFR gasifikasi sekam padi yang memiliki titik terbaik berada pada 1,25, yang menghasilkan komposisi CH4, H2, CO, dan LHV yang terbesar senilai 3289,38 kJ/kg [21]. Disamping itu walau berasal dari bahan dasar yang sama, briket sekam padi ternyata juga memiliki AFR gasifikasi maksimum tersendiri yaitu 0,8, dengan LHV producer gas sebesar 9159 kJ/Nm3 [22]. Pemilihan jenis reaktor akan sangat berpengaruh terhadap karakteristik producer gas yang diproduksi termasuk didalamnya temperatur, jumlah kandungan tar, serta keberadaan partikulat. Maka dari itu perlu dicermati secara seksama pemilihan jenis reaktor terhadap karakteristik penggunaan producer gas tersebut. Representasi tingkatan tar dan partikulat untuk beberapa jenis gasifier secara umum tersaji dalam tabel 2.3.
Tabel 2.3. Perbandingan tingkatan tar dan partikulat dari beberapa tipe gasifier [23,24]
Tipe Gasifier Fixed Bed Downdraft Updraft Moving Bed Fluidized Bed Circulating FB
Muatan Partikulat (g/Nm3) Representative Low High Range
Min.
Muatan Tar (g/Nm3) Representative Max Range
0,01 0,1
10 3
0,1-0,2 0,1-1,0
0,04 1
6,0 150
0,1-1,2 20-100
1 8
100 100
2-20 10-35
<0,1 <1
23 30
1-15 1-15
15
2.3. Bahan Baku Gasifikasi Faktanya tidak semua biomassa dapat dikonversikan dengan proses gasifikasi, karena ada beberapa klarifikasi dalam mendefinisikan bahan baku yang dipakai pada sistem gasifikasi. Pendefinisian bahan baku gasifikasi tersebut, dimaksudkan untuk memilah antara bahan baku yang baik dan yang kurang baik. Beberapa parameter yang dipakai untuk mengklarifikasikannya yaitu : Kandungan Energi Bahan baku dengan kandungan energi yang tinggi akan memberikan pembakaran gas yang lebih baik. Kandungan Moisture Bahan baku yang digunakan untuk proses gasifikasi umumnya diharapkan ber-moisture rendah, sebab bahan baku tersebut menghasilkan gas berkualitas baik, bernilai kalor tinggi, serta mampu mencapai efisiensi optimal [20]. Kandungan moisture yang tinggi menyebabkan heat loss yang berlebihan, dan juga membuat beban pendinginan semakin tinggi dikarenakan pressure drop yang terjadi meningkat. Idealnya kandungan moisture yang sesuai untuk bahan gasifikasi < 20% [25]. Kandungan Abu Abu merupakan bahan inorganik atau kandungan mineral yang tertampung didalam reaktor setelah bahan baku terbakar sempurna. Jumlah abu dari berbagai jenis umpan bervariasi dari 0,1% untuk kayu hingga 15% untuk beberapa produk pertanian, sehingga hal tersebut mempengaruhi desain reaktor terutama dalam sistem pembuangan abu. Komposisi kimia abu juga mempengaruhi perilaku pelelehan abu, dimana dapat menyebabkan
16
slagging dan penyumbatan di dalam reaktor [26]. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan kandungan abu kurang dari 2-6 g/m3 [27]. Tar Tar adalah cairan hitam kental yang terbentuk dari destilasi destruktif pada material organik. Tar merupakan salah satu kandungan yang paling merugikan dan harus dihindari karena sifatnya yang korosif dan membahayakan lingkungan. Pada reaktor gasifikasi terbentuknya tar, terjadi pada temperatur pirolisis yang kemudian terkondensasi pada suhu 200-600oC dalam bentuk asap. Namun pada beberapa kejadian tar dapat berupa zat cair pada temperatur yang lebih rendah [28]. Producer gas yang mengandung tar relatif tinggi jika diumpankan pada IC engine, dapat menimbulkan deposit pada karburator dan intake valve sehingga menurunkan lifetime mesin [28,29]. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan tar tidak lebih dari 1g/m3 [30].
Nilai panas bersih (LHV), kandungan moisture, kandungan abu dari beberapa biomassa tersaji dalam tabel 2.4.
Tabel 2.4. Tipikal biomasa umpan reaktor untuk pembangkitan energi [18,19] Jenis Ampas tebu Kulit ari coklat Kulit kelapa Kulit ari kopi Residu kapas - Tangkai - Sampah biji Gambut Sekam padi Arang
7.700-8.000 13.000-16.000 18.000 16.000
Kandungan moisture (%) 40-60 7-9 8 10
16.000 14.000 14.000 12.000 25.000-32.000
10 9 9 10 1-10
LHV (kJ/kg)
Kandungan abu (%) 1,7-3,8 7-14 4 0,6 0,1 12 19 4,4 0,5-6
17
Penyiapan umpan biomassa perlu diperhatikan karena hampir semua jenis umpan memiliki variasi karakteristik fisik, kimia, dan morfologi yang berbeda. Pengolahan awal bahan baku juga dipengaruhi pada karakteristik gasifier, seperti kapasitas dan jenis reaktor. Sebagai contoh, gasifier tipe downdraft lebih mengharuskan keseragaman biomassa dibanding tipe updraft. Persyaratan bahan baku untuk setiap gasifier tersaji dalam tabel 2.5.
Tabel 2.5. Persyaratan bahan bakar untuk setiap tipe gasifier [18] Jenis Gasifier Keterangan Ukuran (mm) Kadar moisture (%) Kadar abu (%) Morfologi Densitas bulk (kg/m3) Titik leleh abu
Downdraft 20-100 < 15-20 <5 Seragam > 500 >1.250
Updraft 5-100 <50 <15 Hampir seragam >400 >1.250
Open core 1-3 <12 <12 Seragam >100 >1.000
Crossdraft 1-3 <7 <7 Seragam >400 >1.250
2.4. Gasifikasi Untuk Pembangkit Energi Listrik Producer gas dari gasifikasi biomassa hasil dari proses pemurnian (syngas) dapat dijadikan sebagai bahan bakar mesin pembakaran internal penggerak (diesel maupun bensin) generator listrik. Pada mesin bensin, campuran udara dan bahan bakar dinyalakan dengan menggunakan busi sebagai pemantik. Dengan demikian mesin bensin dapat dioperasikan menggunakan injeksi syngas tanpa bensin. Sedangkan pada mesin diesel, syngas tidak dapat dipakai 100%, karena suhu dan tekanan di dalam silnder tidak dapat menyalakan campuran udara dan syngas [1,31]. Selama injeksi campuran udara dan syngas diperlukan injeksi solar sebagai pemantik. Pemakaian syngas pada mesin diesel mampu mensubtitusi kebutuhan solar hampir 70% [1,31,32].
18
a
FT UNILA
Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
b
Tugas Akhir 2012
Gambar 2.3. a. Pembangkit listrik sekam padi thailand; b. Pembangkit listrik gasifikasi ITB [1,32,33]
Pada kawasan Asean sebagai contoh di Thailand tepatnya di provinsi Pathum Thani, terdapat suatu unit pembangkit listrik biomassa berkapasitas 80 kW dari three stage gasifier downdraft berbahan bakar sekam padi. Producer gas disalurkan menuju siklon untuk memisahkan partikel solid, lalu disalurkan ke heat exchanger pada temperatur 400-700oC kemudian diturunkan menjadi 150oC untuk meningkatkan densitas energinya. Selanjutnya syngas dialirkan menuju scrubber untuk menghilangkan tar dan menurunkan temperatur syngas menjadi <40oC sebelum diumpankan ke mesin genset [32]. Selain di Asean, di India terdapat unit gasifikasi dengan kapasitas 500 kW yang terdiri atas lima gasifier downdraft berbahan bakar limbah gergaji lokal, dilengkapi dengan water-sprayed gas cooling, two stage gas cleaning system, blower, untuk setiap unitnya dan mesin diesel 165 HP [34]. Selain di kawasan Asean, di eropa seperti Austria, Denmark, Finlandia, Swedia juga telah mengaplikasikan teknologi seperti ini untuk pembangkitan panas ataupun energi listrik [25,36,37,38].
19
2.5. Parameter Kualitas Producer Gas Untuk Mesin Pembakaran Dalam Biomassa sudah terbukti menjadi pengganti bahan bakar fosil yang potensial dalam aplikasi pembangkitan panas maupun listrik. Akan tetapi keberadaan beberapa pengotor didalam producer gas mengharuskannya untuk dimurnikan sebelum diumpankan kedalam mesin.
Tabel 2.6. Parameter kualitas producer gas untuk pembangkit daya [16,39] Komponen Partikel Ukuran partikel Tar Alkali NH3 H2S dan CO Cl
Satuan mg/Nm3 µm mg/Nm3 mg/Nm3 mg/Nm3 mg/Nm3 mg/Nm3
CO2
Vol.%
LHV gas
kJ/Nm3
IC engine < 50 < 10 < 100
Gas turbine < 30 <5
Methanol synthesis <0,02 < 0,1
0,24
Tidak ada batas >2.500
Tidak ada batas
< 0,1 <1 < 0,1 < 12
Producer gas yang belum dimurnikan, didalamnya terdapat kandungan tar diatas 50-100 mg/Nm3. Tar yang terkondensasi dapat menyumbat sistem perpipaan pada heat exchanger dan bisa menjadi masalah jika producer gas tersebut dialirkan ke intake valve mesin Kemudian keberadaan partikulat seperti char dan abu juga memiliki potensi merusak komponen yang bergerak [40]. Untuk diaplikasikan pada mesin pembakaran internal parameter kualitas syngas tersaji pada tabel 2.6 [16].
2.6. Pengkondisian dan Pemurnian Producer Gas Pembersihan producer gas dari partikulat dilakukan dengan teknologi dry gas collectors seperti siklon separator, barrier filters, dan electorstatic precipitator [41]. Siklon beroperasi pada 100-900oC dan didesain untuk menangkap
20
partikel solid dengan ukuran diatas 5 μm dengan kemampuan penyaringan mencapai 90%. Dikarenakan 60-65% komposisi gas producer merupakan partikel dengan ukuran diatas 60 μm, maka siklon merupakan perangkat yang sangat baik untuk sistem pembersihan partikulat [42].
FT UNILA
Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
Gambar 2.4. Berbagai wet scrubber untuk pembersihan tar [44,45]
Saat ini teknologi pembersihan tar dilakukan melalui proses kondensasi gas menggunakan teknologi seperti heat exchanger dan pendinginan kontak langsung yaitu scrubber. Pada operasi untuk pembangkit daya, producer gas yang keluar dari gasifier downdraft pada temperatur 400-700oC, didinginkan hingga 150oC untuk meningkatkan densitas energinya menggunakan heat exchanger. Kemudian producer gas dilewatkan kedalam scrubber untuk membersihan kandungan tar dan mengkondisikan syngas pada temperatur operasi mesin berkisar 30-40oC [33,43]. Beberapa jenis wet scrubber menggunakan fluida kerja seperti air atau minyak banyak dipakai untuk teknik kondensasi tar dan pembersihan partikulat [41]. Beberapa diantaranya: Spray tower, centrifugal spray tower, dan venturi
21
scrubber. Spray tower memiliki konstruksi paling sederhana, dan sangat baik untuk menghilangkan partikulat besar dengan efisiensi 60-98%, serta efisiensi reduksi tar berkisar 10-25%. Centrifugal spray tower sangat efisien untuk menghilangkan partikulat berukuran 1µm dengan efisiensi 85-90%, sedangkan kemampuan reduksi tar mencapai 30-70%. Venturi scrubber memiliki efisiensi pembersihan tar paling besar mencapai 50-90% [44,45,46].
2.7. Perancangan PLTB Sedikit berbeda dari kebanyakan pembangkit listrik energi biomassa yang sudah diterapkan di berbagai belahan dunia maupun di Indonesia. PLTB dalam penelitian ini memiliki perangkat sebagai berikut: gasifier downdraft, ditambahkan integrated gas clean-up system yang mana terdiri atas siklon dan venturi scrubber, serta rotary separator dalam satu paket.
2.7.1. Perancangan gasifier tipe downdraft Perancangan gasifier tipe downdraft didekati dengan metode untuk mengkonstruksi gasifier downdraft imbert yang dikembangkan oleh pakar Swedia. Gasifier ini dirancang berdasarkan atas laju gasifikasi spesifik yang dinamakan juga dengan hearth load (Bh), yaitu jumlah producer gas yang diproduksi per satuan luas throat, yang mana adalah area paling kecil dalam penampang melintang reaktor. Hearth load diekspresikan dalam satuan Nm3/ cm2 jam , dimana N mengindikasikan volume gas dihitung pada kondisi temperatur dan tekanan normal. Dalam gasifier downdraft imbert, nilai Bh max mencapai nilai 0,9 untuk kondisi operasi kontinyu dan Bh
min
berada pada range 0,3 sampai 0,35.
Relasi yang diperoleh dari definisi hearth load yaitu :
22
Bh
Vg
. . . (1)
At
Keterangan : Bh = Hearth load
(Nm3/ cm2 jam)
Vg = laju pemasukan campuran bahan bakar
(m3/jam)
At = Luas area throat
(m2)
df
Imbert Downdraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)
dr1 dm
h Lp 45 - 60o
dt
Lr
Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
FT UNILA
Tugas Akhir 2012
Gambar 2.5 Parameter desain gasifier downdraft [42,47]
Pada kondisi stoikiometri dengan perbandingan udara dan producer gas adalah 1,1 : 1, kebutuhan udara per m3 adalah 1,1. Apabila Vg adalah laju pemasukan campuran bahan bakar, pemasukan udara + pemasukan producer gas akan 2,1 Vg, sehingga
Vg = f . Vs =
Vs dan 2,1
1 . rpm . N . . D2 . S 2 4
. . . (2) . . . (3)
23
Keterangan : Vs = Volume hisap mesin
(m3/jam)
f
= Efisiensi volumetrik
(%)
N
= Jumlah silinder
D
= Diameter torak
(m)
S
= langkah torak
(m)
100
Am
Um
At
m/s
35
a
Um
30 7 6 100
25
Am At
5
21
4
100
150
200
250
h dt
b
300 mm dt
1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4
100
h dt
150
200
150
200
250
300 mm dt
4 3,5
c
df dt
3
dr
2,5
dt 2 1,5
70
100
250
300 mm dt
FT UNILA
Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
Gambar 2.6. Grafik desain gasifier downdraft a.
Grafik luasan nosel sebagai fungsi variasi ukuran diameter gasifier throat
24
b. c.
Grafik ketinggian penempatan nosel diatas throat terhadap variasi ukuran diameter throat gasifier. Grafik ukuran diameter ring nosel sebagai fungsi ukuran diameter throat gasifier [42]
Sementara itu, hubungan total luasan nosel dan diameter throat dituangkan dalam gambar 2.6.a Lalu seperti yang terlihat pada gambar 2.6.b, penempatan nosel ditentukan berdasarkan grafik empiris yang menunjukan ketinggian bidang posisi nosel diatas permukaan throat. Lain halnya dengan gambar 2.6.c grafik tersebut ditujukan untuk menentukan ukuran diameter firebox (df) beserta diameter ring nosel yang memiliki hubungan terhadap diameter throat [42]. Berdasarkan eksperimen tinggi zona pirolisis (Lp) disarankan berkisar 4555 cm terhitung dari permukaan atas throat, atau 10-15 cm dari dari bidang penempatan saluran udara. Hal ini untuk mengupayakan pembakaran tar lebih maksimal sehingga kualitas producer gas menjadi naik [47]. Ukuran zona reduksi (Lr) tidak boleh terlalu tinggi, sebab jika terlalu tinggi heat loss akan semakin besar yang mana akan menurunkan temperatur arang dan membuat sebagian arang menjadi abu. Akibatnya, reaksi pembentukan gas mampu bakar seperti yang dijelaskan pada subbab 2.2.1 tidak berjalan. Maka dari itu tinggi zona reduksi yang terhitung dari permukaan atas throat, ditentukan menggunakan rasio tinggi zona reduksi terhadap diameter throat sebesar 2,5/1,25 untuk gasifier downdraft imbert [47].
2.7.2. Perancangan Siklon Separator Siklon separator secara umum terdiri atas komponen silindris dibagian atas yang dikenal dengan barrel, dan komponen conical atau disebut kerucut. Dalam memisahkan partikel dari aliran udara, udara masuk melalui bagian atas
25
barrel secara tangensial lalu bergerak turun menuju kerucut membentuk lintasan outer vortex. Meningkatnya kecepatan udara pada outer vortex menghasilkan gaya sentrifugal dipartikel yang memisahkannya dari aliran udara. Ketika udara mencapai bawah kerucut, inner vortex membentuk arah terbalik dan keluar menuju atas sebagai udara bersih, sedangkan partikulat jatuh kedalam kotak abu dibagian bawah siklon [48]. Langkah awal perancangan siklon adalah menentukan distribusi ukuran padatan yang diproses. Dengan mendapat data awal distribusi padatan, penentuan efisiensi siklon dapat dilakukan. 100
Ns 6
Grade Efficiency (%)
90 80
1.1 m dia. Troughput cy clone
70
0.5 m dia. Troughput cy clone
60
1.1 m dia. medium efficiency cy clone
50
0.4 m dia. high efficiency cy clone
40
Self induced spray w et collector
30
Particel density of dust = 2600 kg/m 3
20
4 3 2 1 0
10 0
5
0
10
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
20
30
40
50
60
V, Maximum Velocity m/s
Partikel size mm
a FT UNILA
b
Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
Gambar 2.7. Grafik desain siklon [49] a.
Grafik hubungan efisiensi siklon dengan ukuran partikel
b.
Grafik hubungan Ns dengan kecepatan masuk
Penentuan efisiensi yang diinginkan, menggunakan korelasi perbandingan pada gambar 2.7.a. Selanjutnya jumlah siklon harus ditentukan untuk mengejar hasil akhir yang diinginkan. Semakin banyak jumlah siklon yang
26
digunakan untuk menyaring producer gas, hasilnya akan semakin baik. Kecepatan distribusi padatan (Ns) yang memasuki siklon harus diketahui. Karena kecepatan distribusi padatan digunakan untuk menentukan jumlah putaran distribusi padatan didalam siklon. Jumlah putaran tersebut ditentukan menggunakan korelasi pada gambar 2.7.b. Dalam menentukan dimensi siklon, step pertama adalah menentukan diameter siklon. Diameter siklon bisa ditetapkan dengan perbandingan V standar (15 m/s) = Dc standar (203 mm). Diameter partikel minimum teoritis yang dapat terendapkan (Dp,th) bisa dihitung apabila Dc sudah ditentukan. Disamping itu, karakteristik partikel perlu diketahui guna mencari diameter partikel minimum yang mampu terendapkan (Dp,th), meliputi densitas padatan (ρp), densitas gas (ρf), dan viskositas gas (μ). Persamaan yang dipakai adalah untuk menghitung Dp,th adalah [49]:
Dp ,th
9. . Bc . N s . Vin . ( p f )
Keterangan : Dp,th
= Diameter partikel minimum teoritas yang terendapkan (m)
Vin
= Kecepatan gas masuk (m/s) (range : 8-30 m/s, diambil 15 m/s)
Ns
= Jumlah putaran gas dalam siklon
Bc
= Lebar inlet (m)
μ
= Viskositas gas (kg/ms)
ρp
= Densitas padatan (kg/m3)
ρf
= Densitas gas (kg/m3)
. . . (4)
27
Dalam memudahkan proses desain, sifat fisis abu yang terkandung pada producer gas gasifikasi biomassa (sekam padi) harus ditentukan terlebih dahulu seperti pada tabel 2.7 Tabel 2.7. Sifat fisis abu sekam padi [50] Properties Mean particle size Apparent density Porosity Sphericity
Nilai 856 389 0,81 0,44
Satuan Μm kg/m3 -
Untuk membandingkan apakah penentuan Dc sudah memenuhi efisiensi yang diharapkan, diperlukanlah perhitungan efisiensi teoritis menggunakan persamaan seperti dibawah ini [49] :
Dpi
th
. . . (5)
Dp ,th
Keterangan : Dpi
= diameter partikel inlet,
Dp,th
= diameter partikel minimum teoritis yang dapat terendapkan.
10 8
le t
6
vo l
ut e
in
4
or ll Sc ro
dpi / D p,th
2
1 0,8 0,6
n Ta
li ia ns e g
nl
et
0,4
0,2
0,1
0
10
30
50
70
90
99
99,9
Eo , Single particle collection Efficiency , %
FT UNILA
Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
Gambar 2.8. Single particle collection efficiency curve [49]
28
Setelah nilai efisiensi diatas didapatkan, cocokkan nilai tersebut pada grafik yang terdapat pada gambar 2.8, untuk menguji keabsahan rancangan. Apabila efisiensi teoritis masih lebih kecil dari efisiensi rancangan, kemungkinan penentuan Dc terlalu besar. Supaya pembuatan siklon sesuai yang diinginkan, maka harus kembali menentukan Dc kembali. Jika Dc sudah diketahui, bagian lain dari siklon dapat ditentukan melalui ketetapan geometri seperti pada gambar 2.9.
Gas out Hc
A
Gas In
A Bc
De
Lc
Dc
Zc
Bc = Dc/4 Jc = Dc/4 De = Dc/2 Sc = Dc/8 Hc = Dc/2 Lc = 1 x Dc Zc = 2 x Dc
Section A-A Jc Dust
FT UNILA
Out
Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
Gambar 2.9. Ukuran proporsional siklon efisiensi tinggi [49]
2.7.3. Perancangan Venturi Scrubber Venturi yang dirancang berjenis rectangular throat atau venturi persegi, karena tipe tersebut mampu mengatasi laju aliran gas yang relatif lebih tinggi dibandingkan venturi round throat atau venturi lingkaran. Data awal yang harus diketahui dalam merancang venturi scrubber adalah mengetahui karakteristik producer gas yang akan dibersihkan. Selain itu data yang harus ditentukan untuk perancangan yaitu [51] :
29
Volume flowrate (Q ) : Flowrate dihitung dengan menentukan kecepatan producer gas masuk ke dalam venturi dimana :
Q V . A Dimana
. . . (6)
Q Flow rate gas masuk (ft /min) 3
V Kecepatan gas masuk (ft/s) A = Luas penampang saluran (ft 2 ) Pada bagian inlet venturi properties producer gas antara lain : Volume flowrate (Q ) : Flowrate pada temperatur standar dihitung dengan menggunakan hukum gas ideal seperti yang ditunjukan dalam persamaan yaitu :
V2 V1
T2 T atau Q2 Q1 2 T1 T1
. . . (7)
Dimana : Q Flow rate (ft 3 /min) T Temperatur (o F) 2 Kondisi luaran pada temperatur standar Mass flow udara kering dan uap air Dengan menggunakan persamaan 8, besarnya mass flow kedua data diatas adalah :
MWwv mwv (in ) Qm (in ) . H2O(in ) Vmole MWa ma (in ) Qm (in ) . (1- H2O(in ) ) Vmole Dimana MWwv
= Berat molekul uap air = 18
MWa
= Berat molekul udara kering = 29
. . . (8)
30
= Volume lb-mol udara = 385 ft3
Vmole
H O(in ) = Kandungan kelembapan (%) 2
Humidity ratio Humidity ratio pada temperatur standar dihitung dengan persamaan 9
mwv ma
. . . (9)
Pada bagian outlet venturi gas sudah berada dalam keadaan jenuh (RH 100%) ,dengan bantuan psychometric chart dapat ditentukan nilai humidity ratio untuk mengetahui besarnya air yang menguap saat berkontak dengan gas panas. Dengan mengetahui banyaknya air yang menguap, kebutuhan makeup water dapat disediakan guna menutupi kekurangan air (scrubbing liquid) pada venturi [51].
Mass flow uap air sisi luaran . . . (10)
mwv ( out ) w( out ) . ma mwv ( out ) Laju aliran massa uap air (lb/min)
lb wv lb air
w( out )
Humidity ratio
ma
Laju aliran massa udara kering (lb/min)
Mass flow uap air yang terevaporasi
mwv ( evap ) mwv ( out ) mwv ( in )
. . . (11)
mwv ( evap ) Laju aliran massa uap air yang terevaporasi (lb/min) Banyaknya makeup water Qwv ( evap )
mwv ( evap )
H O
. . . (12)
2
Qwv ( evap ) Debit makeup water (gpm)
H O 2
Densitas air (lb/ft 3 )
Langkah berikut adalah merancang ukuran venturi, dimana metode yang diguna-kan adalah Calvert Cut Diameter. Dengan konstanta B=2,0 untuk venturi.
31
Parameter awal yang mesti dicari yaitu ukuran partikel berikut standar deviasinya. Ukuran rata-rata partikel dapat dilihat dari persentil diameter aerodinamis partikel ke-50 (Disebut pula diameter partikel massa median). Standar deviasi dari distribusi tersebut adalah rasio kumulatif fraksi massa partikel ke-84 dan ke-50 yang dihitung menggunakan persamaan 13 dimana [51]:
d84 d50
. . . (13)
Keterangan : σ
= Deviasi standar
d50
= Fraksi massa dari ukuran partikel ke-50
d84
= Fraksi massa dari ukuran partikel ke-84
Nilai tersebut diketahui dengan membaca grafik pada Gambar 2.10.a. Langkah selanjutnya menentukan dcut melalui bantuan Gambar 2.10.b, dan efisiensi koleksi ηd untuk setiap ukuran partikel tercantum pada Tabel 2.8. Tabel 2.8. Kebutuhan koleksi efisiensi [51] Range ukuran partikel (µm)
Fraksi Massa
Koleksi efisiensi
Koleksi efisiensi
yang dibutuhkan
fraksional
0-1
0,005
0,900
0,0045
1-2,5
0,195
0,950
0,185
2,5-4,5
0,400
0,980
0,392
4,5-7
0,300
0,990
0,297
7-12
0,080
1,000
0,080
>12
0,020
1,000
0,020
Koleksi efisiensi keseluruhan
0,979
Nilai dcut kemudian dicocokkan terhadap garis gas atomized spray pada grafik di Gambar 2.10. c dan 2.10.d , guna mengetahui scrubber power, pressure
32
drop, dan asumsi penggunaan air atau L/G ratio. Selanjutnya menentukan luas permukaan throat melalui persamaan [51] : 1270 . P A 2 v . g . L G
Dimana
0,78
1
0,133
. . . (14)
ΔP
= Pressure drop venturi (in H2O),
v
= Kecepatan aliran di throat (ft/s),
ρg
= Densitas gas (lb/ft3), and = 1/w
L/G
= Liquid to gas ratio (gal/1000 ft3)
OVERALL PENETRATION, Pt
1,0
0,1
0,01
6
0,0001 0,001
5
4
3
0,01
2
=1
0,1
dcut / d50
a
FT UNILA
b
Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
Gambar 2.10 Grafik desain venturi scrubber [51] a. Grafik distribusi ukuran partikel untuk gas hasil reaksi kimia b. Grafik diameter cut terhadap standar deviasi
1,0
33
0,4 0,5
1,0
2
3
4
5
10
20
30
5 4 2
Cut Diameter, micrometer
2
90
5
1a
80
1b
70 Pressure Drop (in. w.c.)
3
1,0 3a
0,5
4
3b
0,4 0,3
L/G = 10 gal/1000 acf L/G = 20 gal/1000 acf L/G = 30 gal/1000 acf
60 50 40 30 20
3c
10 0,2
0
0 0,1 1,0
2
3
4
5
10
20
30 40 50
100
200
300 400 Throat Velocity (ft/sec)
500
600
100
Gas Phase Pressure Drop, in. H2O
d
c 1.Sieve plate column with foam density of 0,4g/cm3 and 0,2 in hole dia 1b. Same as 1.a except 0,125 in hole dia. 2. Packed column with 1in ring or saddle 3a. Fibrous packed bed with 0,012 in dia. fiber 3b. Same as 3.a except 0,0004 in dia. fiber 3c. Same as 3.a except 0,0002 in dia. fiber 4. Gas atomized spray 5. Mobile bed 1-3 stages of fluidised hollow plastic
FT UNILA
Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
Gambar 2.10 Grafik desain venturi scrubber [51] c. Grafik scrubber power dan presure drop sebagai fungsi dia.cut d. Hubungan presure drop, kecepatan troath, dan L/G 2.7.4 Perancangan Rotary Separator Perangkat ini difungsikan untuk memisahkan partikel air dan partikel abu sekam padi yang tersisa dari proses scrubbing. Prinsip kerjanya serupa dengan siklon. Gas dengan kecepatan V, diumpankan secara tangensial kedalam vessel. Ketika memasuki vessel, gas akan berotasi dan partikel berdiameter Dp yang terkandung dalam gas akan menabrak dinding akibat gaya sentrifugal yang bekerja. Fenomena gaya sentrifugal cenderung melempar partikel kearah luar dinding, lalu partikel bergerak turun terpisah dari arus gas dan terkumpul dalam vessel. Fenomena tersebut dituangkan dalam persamaan stokes dibawah ini [49].
34
18.Vt . dp g ( f - p )
1
2
. . . (15)
Dimana : dp = Diameter partikel (m) µ
= Viskositas dinamik fluida (N/sm2)
do = Diameter inlet (m) ρp = Massa jenis padatan (kg/m3) Vt = Kecepatan settling setrifugal (m/s)
2.8. Keseimbangan massa dan energi di dalam gasifier `
Dalam ilmu termodinamika disebutkan bahwa seluruh massa yang
memasuki control volume memiliki nilai yang sama dengan massa yang keluar. Apabila diterapkan kedalam sistem gasifier, keseimbangan massa di dalam gasifier seperti diilustrasikan pada gambar 2.11 dapat dituliskan sebagai berikut. Biomassa + arang Producer gas
Daya listrik+Udara
Char dan ash
Gambar 2.11 control volume gasifier
mass input mass output
. . . (16) m biomassa + m udara +m arang = m producer gas + m char + m ash
35
persamaan keseimbangan energi berdasarkan control volume diatas adalah
energi input energi output
. . . (17)
Qbio Qudara Qarang Pelectric Q prod . gas Qchar Qash heat loss mbio . LHV mudara .Cp.T mArang .LHV Daya listrik mgas .LHV mchar . LHV mash . LHV heat loss Variabel heat loss dalam instalasi merupakan rugi energi yang diakibatkan perpindahan panas secara konveksi alamiah dari dinding gasifier menuju udara sekitar, karena adanya perbedaan temperatur. Besarnya heat loss dihitung dengan persamaan laju perpindahan panas secara konveksi sebagai berikut[52].
Q h. A.(Ts T ) . . . (18) Dimana Q = Laju perpindahan panas konveksi (W) h = Koefisien konveksi alamiah untuk silinder tegak (W/m2. K) A = Luas permukaan dinding gasifier (m2) Ts = Temperatur permukaan gasifier (oC) T∞ = Temperatur lingkungan (oC) Pada kasus konveksi alamiah, untuk mencari besarnya nilai h dimulai dengan menghitung bilangan Grasholf dibawah ini [52].
GrL
g (Ts T ) L3 v2
. . . (19)
Konveksi alamiah pada reaktor gasifikasi dapat dihitung sebagai sistem silinder tegak. Akan tetapi apabila tebal lapis batas lebih kecil dari diameter silinder atau memenuhi persamaan 20, sistem dapat didekati dengan konveksi alamiah pada pelat vertikal [52].
D 35 1 L Gr 4 L
. . . (20)
36
Dengan demikian bilangan Nusselt untuk sistem aliran pelat vertikal pada seluruh range bilangan Rayleigh adalah [52]: 1 0,387 Ra 4 NuL 0,825 [1 (0, 492 / Pr)9 16 ]4 9 g (Ts T ) L3 dengan , RaL v
2
. . . (21)
koefisien konveksi alamiah dihitung dengan persamaan 22, seperti berikut [52]:
h
NuL k L
Keterangan : k = Konduktifitas termal udara pada Tf
; (W/ m.K)
D = Diameter gasifier
; (m)
L = Tinggi gasifier
; (m)
β = 1/Tf , dengan Tf = (Tdinding + Tudara) / 2
; (oK-1)
v = viskositas kinematik pada Tf
; (m2/s)
α = viskositas dinamik pada Tf
; (m2/s)
g = Percepatan gravitasi
; (m/s2)
. . . (22)
