RANCANG BANGUN KILN UNTUK PENGARANGAN CANGKANG KELAPA SAWIT
FIKA RAHIMAH
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
RANCANG BANGUN KILN UNTUK PENGARANGAN CANGKANG KELAPA SAWIT
FIKA RAHIMAH
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
PERNYATAAN MENGENASI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Saya sebagai penulis menyatakan bahwa skripsi berjudul Rancang Bangun Kiln untuk Pengarangan Cangkang Kelapa Sawit ini adalah benar hasil karya saya sendiri dengan arahan dan bimbingan dari pembimbing akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apapun pada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun yang tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Juli 2014
Fika Rahimah F14100020
ABSTRAK FIKA RAHIMAH. Rancang Bangun Kiln untuk Pengarangan Cangkang Kelapa Sawit. Dibimbing oleh SRI ENDAH AGUSTINA. Peningkatan produksi crude palm oil (CPO) di Indonesia berimbas kepada peningkatan produksi limbah, salah satunya adalah cangkang kelapa sawit yang berpotensi untuk menjadi salah satu sumber energi terbarukan karena karakteristiknya yang mirip kayu-kayuan, sama halnya dengan tempurung kelapa sawit. Pirolisis (karbonisasi) merupakan salah satu teknologi yang dapat digunakan dalam meningkatkan kualitas dari cangkang kelapa sawit sebagai bahan bakar biomassa, antara lain untuk meningkatkan nilai kalor dan memperpanjang umur simpan dengan mengurangi kadar air dan zat-zat volatil. Kiln, media pengarangan yang telah banyak digunakan oleh masyarakat pada umumnya merupakan kiln yang ditujukan untuk pengarangan kayu-kayuan dan tempurung kelapa. Penelitian ini bertujuan untuk merancang kiln berskala rumah tangga untuk pengarangan cangkang kelapa sawit, terutama untuk digunakan oleh masyarakat sekitar pabrik kelapa sawit (PKS) sekaligus meningkatkan taraf kehidupan ekonomi mereka. Kapasitas optimum dari kiln hasil perancangan ini berkisar antara 10-10.5 kg dengan laju pengarangan 0.0380.077 kg/menit (2.28-4.62 kg/jam), menghasilkan 3.0-3.5 kg arang cangkang kelapa sawit. Lama proses pengarangan berkisar antara 130-280 menit, dengan suhu capaian rata-rata 318.74-518.82°C, dan suhu tertinggi yang dicapai 424-682°C. Penelitian lebih lanjut mengenai modifikasi dari kiln dalam pemanfaatan asap hasil pirolisis perlu dilakukan dalam hal kondensasi asap hasil pirolisis menjadi asap cair. Kata kunci: arang cangkang kelapa sawit, perancangan kiln, pirolisis, pengarangan
ABSTRACT FIKA RAHIMAH. Design of for Oil Palm Shell Carbonization. Supervised by SRI ENDAH AGUSTINA. The increase of crude palm oil (CPO) production in Indonesia leads to the increased production of waste, one of which is oil palm shell that has the potential to be one of renewable energy resources due to its woody characteristics, as good as coconut shell. Pyrolysis (carbonization) is one of the technologies that can be used to improve the quality of oil palm shell as energy resources, such as increasing its heating value and extend its shelf life by decreasing the water content and volatile matters. Kiln, the widely used media to carbonize biomass fuels, has mostly been designed for woods and coconut shell. This study aimed to design household-scaled kiln for oil palm shell carbonization, specifically to be used by residents around palm oil factory to also improve their economy. The optimum capacity of kiln designed ranged between 10-10.5 kg with carbonization rate of 0.038-0.077 kg/minute (2.28-4.62 kg/hour), resulting in 3.0-3.5 kg oil palm shell charcoal. The carbonization (pyrolysis) process took between 130-280 minutes, with the temperature rate of 318.74-518.82°C, and the maximum temperature of 424-682°C. Further research for improvements shall be done due to the use of pyrolysis smoke, to be condensed into liquid smoke. Key words: carbonization, kiln design, oil palm shell charcoal, pyrolysis
Judul Skripsi Nama NIM
: Rancang Bangun Kiln untuk Pengarangan Cangkang Kelapa Sawit : Fika Rahimah : F14100020
Disetujui oleh:
Ir. Sri Endah Agustina, MS Pembimbing Akademik
Diketahui oleh:
Dr. Ir. Desrial, M. Eng Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA Puji dan syukur dipanjatkan atas kehadirat Allah SWT, atas limpahan dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Penelitian berjudul “Rancang Bangun Kiln untuk Pengarangan Cangkang Kelapa Sawit” ini telah dilaksanakan sejak bulan Februari 2014 dan selesai pada bulan Mei 2014. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada semua pihak yang telah banyak memberikan bantuan dan dukungan selama kegiatan penelitian dan penulisan skripsi ini, yaitu: 1. Ir. Sri Endah Agustina, MS selaku dosen pembimbing atas segala bentuk bimbingan, arahan, dan juga dukungannya yang telah diberikan kepada penulis selama penelitian dan penulisan skripsi berlangsung. 2. Ibu Susilawati Abidin, selaku Ibu tercinta yang telah mengerahkan segala dukungan serta kesabaran dalam mengarahkan penulis selama kegiatan penelitian dan penulisan skripsi. 3. Bapak Harto selaku Teknisi Laboratorium Teknik Energi Terbarukan, yang telah memberikan banyak bantuan dan masukan kepada penulis selama kegiatan penelitian berlangsung. 4. Para sahabat tercinta Teknik Mesin dan Biosistem 2010 (TMB 47) yang telah memberikan banyak bantuan kepada penulis selama kegiatan penelitian dan penulisan skripsi, terutama Andyka Setio Aprianto, Elgy Muhammad Rizqya, Eris Astari Putra, Candra Viki, Oldga Agusta, Adhika Rozi, Deny Saputro, Rizki Agung, Herwin Wardhana, Febri Aditya, Aulia Muthmainnah, dan Rosma Wardhani. 5. Keluarga Griya Insan Cendekia tercinta, terutama Annisyia Zarina, Karina Mako, Citra Dewi, Fikra Sufi, dan Venny Maulina, atas segala kesabaran dan dukungan moril kepada penulis. 6. Mas Dhiradharana, Fiera, Arrum, Irfan, Adit, Femmy, Meinyda, Lala, Chika, dan Restio, selaku sahabat yang tak lekang oleh waktu atas seluruh dukungan yang diberikan kepada penulis selama penelitian dan penulisan skripsi berjalan. 7. Seluruh dosen, staff dan teknisi Departemen Teknik Mesin dan Biosistem yang tak dapat disebutkan namanya satu persatu, yang telah berjasa dalam pelaksanaan penelitian dan penulisan skripsi ini. 8. Seluruh keluarga besar penulis yang telah berkontribusi dan memberikan dukungan dalam segala bentuk, materiil maupun moril kepada penulis sehingga skripsi ini berhasil diselesaikan. Ucapan terima kasih juga penulis haturkan kepada seluruh pihak yang tak dapat disebutkan satu-persatu, tanpa mengurangi rasa hormat penulis, atas seluru dukungan, bantuan, dan juga arahannya kepada penulis. Adapun masukan kritik dan saran atas penulisan skripsi apabila sekiranya dianggap masih banyak memiliki kekurangan, sangat diharapkan oleh penulis bagi penyempurnaan dan perbaikan dari skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi seluruh pihak yang membaca. Bogor, Juli 2014. Fika Rahimah
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Fika Rahimah, lahir di Tangerang pada 24 April 1993, merupakan anak tunggal dari Ayah Taufik Bayasut (Alm) dan Ibu Susilawati Abidin. Berhasil menamatkan SMA pada tahun 2010 dari SMU Negeri 34 Jakarta, dan diterima menjadi mahasiswi IPB melalui jalur USMI (Undangan Seleksi Masuk Institut Pertanian Bogor) dengan program studi Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian. Penulis pernah menjabat sebagai salah satu pengurus UKM Lises Gentra Kaheman pada tahun 2010-2012, Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (HIMATETA) pada tahun 2011-2012. Merupakan salah satu panitia kesekretariatan penyelenggaraan The 19th TriUniversity International Joint Seminar and Symposium, yang diselenggarakan di Institut Pertanian Bogor pada tahun 2012, dan menjadi salah satu delegasi mahasiswa pada ajang The 20th Tri-University International Joint Seminar and Symposium, yang diselenggarakan di Mie University, Jepang, pada tahun 2013. Mendapatkan penghargaan “Mahasiswa Berprestasi dalam Bidang Ekstrakulikuler pada Tahun 2013” yang diberikan oleh Rektorat Institut Pertanian Bogor. Mendapatkan kesempatan mengikuti program sinergi “fast track” program sarjana dan pasca sarjana pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem pada tahun 2013, dengan program studi pascasarjana Teknik Mesin Pertanian dan Pangan.
DAFTAR ISI DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR SIMBOL PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan TINJAUAN PUSTAKA Cangkang Kelapa Sawit Proses Pirolisis Primer Lambat (Karbonisasi) Kiln Prinsip Kerja Venturimeter Teori Pindah Panas METODOLOGI Tahapan Penelitian Pendekatan Rancangan Waktu dan Tempat Pelaksanaan Alat dan Bahan Uji Kinerja Hasil Perancangan HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Perancangan Kiln Hasil Pengujian Kinerja Kiln SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
1 1 2 2 3 3 4 6 7 8 9 9 11 12 12 12 16 16 28 39 39 39 40 42
DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3 4 5
Rangkaian rancangan kiln Perhitungan lubang udara dan cerobong asap Grafik hubungan waktu terhadap suhu pengujian kinerja inti kiln Perhitungan panas yang terbuang pada kiln Data sebaran suhu pengujian kinerja inti kiln
42 47 48 52 53
DAFTAR TABEL 1 2 3 4 5 6
Karakteristik cangkang kelapa sawit dan tempurung kelapa Persyaratan arang aktif Bagian-bagian kiln dan fungsinya masing-masing Hasil pengujian pendahuluan kinerja kiln Hasil pengujian inti kinerja kiln Hubungan antara beberapa karakteristik proses dan nilai kalor arang
3 5 17 30 30 37
DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Konstruksi Venturimeter Tahapan penelitian Penampang nozzle (A) dan diffuser (B) Timbangan pegas Titik-titik pengukuran suhu pada kiln Alat-alat pengukuran suhu Tampak depan (kiri) dan tampak samping (kanan) (skala 1:20) rancangan kiln Kiln hasil perancangan Pintu loading Ruang pengarangan Tiga buah kassa pemerata dalam ruang pengarangan Bagian dasar kiln dengan gagang penarik Pintu unloading pada kaki penyangga kiln Kaki penyangga Cerobong asap Pelapisan pintu loading menggunakan sealer gasket Kiln saat pengujian pendahuluan (kiri) dan pengujian inti (kanan) Cangkang kelapa sawit memenuji 2/3 ruang pengarangan Nyala api pada proses pembakaran bahan bakar pemantik Grafik hubungan antara parameter-parameter pengukuran Grafik hubungan ukuran kepingan cangkang dengan laju pengarangan Grafik hubungan antara waktu dengan suhu selama proses Asap tebal pada awal proses (kiri) dan asap tipis pada akhir proses (kanan) Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 1 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 2 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 3 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 4 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 5 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 6 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 7
7 10 11 14 15 15 18 19 20 24 25 25 26 26 27 28 29 31 32 34 36 36 37 48 49 49 50 50 51 51
DAFTAR SIMBOL β
Rasio diameter leher tenggorokan venturimeter terhadap diameter pipa
ɛ
Emisivitas sifat radiasi pada permukaan
σ
Konstanta Stefan-Boltzman (5.67 * 10-08)
A
Luas penampang aliran
(m2)
A1
Luas penampang aliran sebelum penyempitan tenggorokan pipa
(m2)
A2
Luas penampang aliran setelah penyempitan tenggorokan pipa
(m2)
Bbt
Laju pembakaran
Cp
Panas spefisik fluida
(kJ/kg.K)
g
Gaya gravitasi (9.81)
(m/s2)
h
Koefisien perpindahan panas konveksi
(W/m2)
ℎ1
Entalpi fluida sebelum penyempitan tenggorokan pipa
(kJ/kg)
ℎ2
Entalpi fluida setelah penyempitan tenggorokan pipa
(kJ/kg)
(m/m)
(W/m2.K4)
(kg/jam)
hL
Kerugian tekanan sepanjang pipa (headloss)
Hu
Net heating value; energi bersih per unit biomassa selama proses pembakaran
(MJ/kg)
HUTS
(MJ/kg)
k
Nilai pemanasan (heating value) dari bahan kering biomassa Konduktivitas termal bahan
m
Massa bahan bakar
𝑚̇
(m)
(W/m.K) (kg)
Laju massa bahan bakar
(kg/s)
Nkl
Nilai kalor dari bahan bakar
(J/kg)
p1
Tekanan aliran dalam pipa sebelum penyempitan tenggorokan pipa
atm
p2
Tekanan aliran dalam pipa setelah penyempitan tenggorokan pipa
atm
q
Energi panas
(kJ)
𝑞̇
Laju energi panas
(J/s) atau (W)
Qideal
Debit ideal aliran fluida dalam pipa
(m3/s)
Qud
Debit udara yang dibutuhkan untuk pembakaran
(m3/s)
𝑇1
Suhu fluida sebelum penyempitan tenggorokan pipa
(K)
𝑇2
Suhu fluida setelah penyempitan tenggorokan pipa
(K)
𝑇∞
Suhu fluida sekitar yang mengalir
(K)
𝑇s
Suhu plat
(K)
𝑇𝑠𝑢𝑟
Suhu absolut permukaan
(K)
𝑣1
Kecepatan aliran fluida sebelum penyempitan tenggorokan pipa
(m/s)
𝑣2
Kecepatan aliran fluida setelah penyempitan tenggorokan pipa
(m/s)
V
Volume ruang
Wmin
Kebutuhan udara minimum pembakaran
(cm3) atau (m3) (m3 udara/kg bahan bakar)
PENDAHULUAN Latar Belakang Terkait dengan menipisnya cadangan minyak dan gas bumi dunia, beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa penggunaan sumber energi fossil dapat dikurangi melalui manajemen penggunaannya dan juga dengan menggunakan sumber energi alternatif (OECD 1982). Biofuel merupakan salah satu sumber energi alternatif dan terbarukan (renewable) yang ditargetkan dapat menggantikan sebagian penggunaan BBM fosil (Agustina 2007). Definisi pengertian biofuel adalah bahan bakar yang berasal dari biomassa. Biomassa sendiri didefiniskan sebagai bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintesis, berupa produk, buangan, ataupun hasil ekskresi. Merujuk kepada Agustina (2007), penggunaan biofuel di masyarakat dan pemasarannya secara umum sudah mulai dilakukan sejak tahun 2006. Biofuel yang digunakan dan dipasarkan tersebut adalah campuran (blending) 5% biodiesel dengan 95% minyak solar, yang disebut dengan B5, serta campuran 5% bioethanol dengan 95% premium, yang disebut dengan E5. Crude Palm Oil (CPO) merupakan kandidat bahan baku biodiesel yang potensial di Indonesia, karena Indonesia adalah produsen CPO kedua terbesar di dunia setelah Malaysia. Menurut Departemen Pertanian (2012), produksi kelapa sawit di Indonesia yang membuahkan hasil produksi CPO meningkat dari 17 juta ton pada tahun 2008 menjadi 23 juta ton pada tahun 2012. Peningkatan produksi CPO berimbas kepada meningkatnya limbah yang merupakan hasil sampingan dari proses pengolahan kelapa sawit menjadi minyak kelapa sawit (CPO). Limbah yang dihasilkan antara lain adalah cangkang kelapa sawit, yang porsinya dapat mencapai 6% dari tiap tandan buah segar (TBS) yang diolah. Cangkang kelapa sawit biasanya digunakan sebagai bahan bakar tambahan boiler yang digunakan sebagai pemasok uap (steam) yang digunakan dalam proses produksi CPO di pabrik kelapa sawit (PKS). Selain pemanfaatannya sebagai bahan bakar boiler, cangkang kelapa sawit juga dapat digunakan sebagai bahan baku arang, yang dapat dimanfaatkan dalam bentuk arang aktif, biocharcoal, dan juga bahan bakar arang (briket arang). Produksi arang membutuhkan alat sebagai sarana terjadinya proses pengarangan atau karbonisasi melalui pirolisis, yaitu tanur (kiln). Telah banyak kiln yang dirancang dan dibangun dan sebagian besar merupakan kiln yang bersifat umum untuk berbagai jenis bahan baku, mulai dari tempurung kelapa, sekam, dan juga kayu kering. Dengan mempertimbangkan sifat-sifat fisik dan sifat thermal dari cangkang kelapa sawit, perlu dirancang kiln yang bersifat khusus untuk pengarangan cangkang kelapa sawit guna meningkatkan kinerja serta efisiensi dan efektivitas dari pengarangan cangkang kelapa sawit. Kiln hasil perancangan ini juga diharapkan dapat digunakan sebagai pengembangan dan pemberdayaan masyarakat sekitar pabrik kelapa sawit (PKS) dalam kegiatan usaha rumahan (home industry) untuk memproduksi arang.
2 Perumusan Masalah Proses konversi cangkang kelapa sawit menjadi arang berkaitan dengan peningkatan kualitas dari suatu bahan bakar biomassa dapat digunakan melalui proses pirolisis (pengarangan), dilakukan pada kondisi pembakaran dengan oksigen yang terbatas, untuk mencegah terjadinya pembakaran sempurna yang nantinya justru akan membakar habis cangkang sawit yang akan diarangkan. Pirolisis dilakukan didalam kiln, yaitu ruang bakar dengan asupan oksigen terbatas sebagai tempat terjadinya penguraian bahan bakar yang berada di dalamnya oleh panas berasal dari pantikan api pada awal proses pembakaran. Kiln yang telah banyak diproduksi dan digunakan oleh masyarakat pada umumnya digunakan untuk pengarangan tempurung kelapa dan juga limbah kayu-kayuan. Dikarenakan belum beredarnya kiln yang spesifik digunakan untuk pengarangan cangkang kelapa sawit, dengan memerhatikan karakteristik cangkang sawit dari segi sifat fisik dan thermalnya, akan dirancang kiln yang cocok untuk menghasilkan arang berbahan baku cangkang kelapa sawit (palm shell). Kiln yang akan dirancang direncanakan memiliki kapasitas untuk skala industri rumah tangga, yaitu 10 kg. Kapasitas tersebut direncanakan berdasarkan pertimbangan dari banyaknya cangkang kelapa sawit yang tidak terpakai yaitu berupa sisa dari cangkang kelapa sawit total limbah produksi CPO dikurangi dengan cangkang kelapa sawit yang digunakan sebagai bahan tambahan bahan bakar boiler, dan juga cangkang kelapa sawit yang terus dijual untuk keperluan industri lainnya, serta agar kiln hasil perancangan ini juga dapat digunakan oleh masyarakat sekitar pabrik kelapa sawit (PKS). Dengan demikian selain dapat memanfaatkan arang yang dihasilkan tersebut untuk bahan bakar memasak skala rumah tangga, juga dapat dikembangkan industri rumah tangga yang memproduksi arang tersebut sebagai bahan baku arang aktif ataupun biocharcoal. Sasaran utama dari perancangan kiln ini adalah untuk mempelajari karakteristik dari proses pengarangan cangkang kelapa sawit, dengan menerapkan prinsip kerja aliran udara dalam pipa venturi. Penerapan prinsip aliran udara dalam pipa venturi pada kiln ini diharapkan dapat menghasilkan kinerja kiln yang optimum. Tujuan Tujuan dari penelitian ini adalah untuk merancang dan membangun kiln dengan kapasitas 10 kg bahan baku untuk pengarangan cangkang kelapa sawit dengan tingkat suhu serta sebaran suhu yang optimum dan rendemen yang cukup tinggi. Diharapkan melalui penelitian ini akan didapatkan produk arang dengan keseragaman kematangan yang merata, dan kiln hasil perancangan yang dapat diaplikasikan di masyarakat.
3
TINJAUAN PUSTAKA Cangkang Kelapa Sawit Hasil pengolahan kelapa sawit merupakan salah satu komoditas ekspor penyumbang devisa terbesar bagi negara. Menurut Departemen Pertanian (2012), produksi kelapa sawit pada tahun 2012 mencapai 23 juta ton, dan menurut Kementrian Perindustrian (2012), nilai ekspor tertinggi dialami oleh kelompok industri Pengolahan Kelapa/Kelapa Sawit yang mencapai US$ 21.57 miliar. Selain menghasilkan produk utama yaitu crude palm oil (CPO), pengolahan kelapa sawit juga menghasilkan limbah, salah satunya yaitu cangkang kelapa sawit. Potensi energi yang dapat dihasilkan dari produk samping sawit bisa dilihat dari nilai energi panas. Nilai energi panas untuk cangkang dapat mencapai 20,093 kJ/kg (BATAN 2012). Cangkang kelapa sawit pada umumnya digunakan sebagai bahan bakar boiler, untuk memenuhi kebutuhan energi dalam pabrik kelapa sawit (PKS). Cangkang digunakan sebagai bahan bakar boiler unutuk memenuhi kebutuhan steam (uap panas) dan listrik. Cangkang kelapa sawit mengandung lignin dan selulosa yang merupakan unsur karbon penyusun bahan baku yang dapat dijadikan arang. Bahan organik yang mengandung lignin, hemiselulosa, dan selulosa dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan arang aktif karena sangat efektif mengadsorpsi limbah cair (Pope 1999). Massa jenis kelapa sawit dapat mencapai 1.4 g/mL, yang lebih besar daripada massa jenis kayu. Semakin besar massa jenis bahan baku, daya serap arang aktif yang dihasilkan akan semakin besar sehingga baik untuk dijadikan arang aktif (Nurmala & Hartoyo 1990). Menurut BATAN (2012), presentasi cangkang kelapa sawit dapat mencapai 6% dari tandan buah segar (TBS) yang diolah, dengan kandungan abu rata-rata 0.6%. Syarat utama dari bahan baku yang akan dijadikan arang adalah kadar karbonnya yang cukup tinggi. Dalam basis kering, cangkang kelapa sawit mengandung 49.70% karbon (C), 5.70% hidrogen (H), dan 0.40% nitrogen (N). Cangkang kelapa sawit merupakan bahan berkayu yang karakteristiknya mirip dengan tempurung kelapa. Tempurung kelapa merupakan komoditas terbesar yang telah banyak diarangkan. Perbandingan antara karakteristik tempurung kelapa (Lailun Najib dan Sudjud Darsopuspito 2012) dan cangkang kelapa sawit (BATAN 2012) dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Karakteristik cangkang kelapa sawit dan tempurung kelapa Cangkang Kelapa Kandungan Tempurung Kelapa Sawit Nilai Kalor (kJ/kg) 20,093 20,980 Selulosa (%) 26.6 35.00 Abu (%) 2.77 0.60 Air (%) 7.36 8.00 Karbon (%) 49.70 47.89 Hidrogen (%) 5.70 6.09 Nitrogen (%) 0.40 0.11 Sumber: BATAN 2012 dan Najib dan Darsopuspito 2012
4 Proses Pirolisis Primer Lambat (Karbonisasi) Terdapat banyak metode yang dapat digunakan untuk memanfaatkan residu kayu-kayuan sebagai bahan bakar secara lebih bersih dan juga lebih mudah, termasuk juga untuk kemudahan transportasinya (El Bassam dan Maegaard 2004). Produksi arang (charcoal) merupakan hal yang paling sering digunakan. Pirolisis adalah proses pengubahan suatu material yang mengandung karbon, dalam kondisi udara dan oksigen terbatas. Pirolisis primer adalah pirolisis yang terjadi pada bahan baku, sedangkan pirolisis sekunder adalah pirolisis yang terjadi di atas partikel dan gas/uap hasil pirolisis primer. Suhu 350-800°C merupakan suhu yang umum digunakan untuk proses pirolisis. Pirolisis primer terjadi pada suhu kurang dari 600°C dan hasil penguraian yang utama adalah karbon (arang). Berdasarkan tingkat kecepatan reaksi pada saat proses berlangsung, pirolisis primer dibedakan atas pirolisis primer lambat dan pirolisis primer cepat. Pirolisis primer lambat terjadi pada proses pembuatan arang, dan merupakan teknologi yang telah dipraktekkan sejak lama. Pada laju pemanasan lambat pada suhu 150-300°C, reaksi utama yang terjadi adalah dehidrasi (kehilangan kandungan air). Hasil reaksi keseluruhan adalah karbon padatan (C = arang), air (H2O), karbon monoksida (CO) dan karbon dioksida (CO2). Semakin lambat proses, umumnya menghasilkan mutu arang semakin baik. oleh karena itu untuk memproduksi arang dalam jumlah besar dan bermutu baik dibutuhkan waktu berhari-hari bahkan beberapa minggu. Gas, cairan, dan juga padatan (arang/charcoal) merupakan produk dari proses pirolisis, namun jumlah masing-masing dari produk tersebut dapat dikontrol melalui temperatur proses dan juga waktu penahanan (retention time). Pada proses pirolisis akan terjadi proses pengeringan yaitu menguapnya kadar air (moisture content) dan devolatilisasi yaitu zat yang menguap (volatile matter) keluar dari dalam bahan Produk pirolisis berupa arang (charcoal) yang berwujud padatan, tar yang berwujud cairan, dan gas. (Setiawan 2010). Proses penghilangan kandungan air dari material akan menghasilkan nilai kalor spesifik dari material yang lebih tinggi dari sebelumnya. Penurunan kadar air juga dapat memperpanjang umur simpan dari material, karena hal tersebut akan menurunkan aktivitas mikroorganisme yang didukung oleh banyaknya kadar air pada material. Produk yang diharapkan dapat didapatkan dengan memaksimumkan dengan hati-hati kontrol dari kondisi proses. Rendemen maksimum sebesar 35% dari proses pirolisis dapat dihasilkan melalui proses yang memakan waktu proses lama dengan suhu rendah (350°C). Penyediaan energi panas untuk pirolisis dapat dilakukan melalui beberapa alternatif yaitu energi yang berasal dari luar sistem, energi dengan membakar sebagian umpan dari bahan baku, dan juga dengan membakar sebagian dari produksi (biasanya tar atau gas yang dihasilkan). Menurut El Bassam dan Maegaard (2004), perhitungan energi bersih (net energy) per unit biomassa selama proses pembakaran disebut dengan net heating value (Hu) atau nilai pemanasan. Nilai pemanasan dari biomassa bergantung kepada nilai pemanasan spesifik dari bahan kering (dry matter), bahan kering organik (organic dry matter), dan juga bagian (1x) dari total massanya, serta bergantung kepada penguapan spesifik dari air yang dikandungnya. 𝐻𝑢 = (1 − 𝑥)𝐻𝑈𝑇𝑆 − 𝑥(2.441)(𝑀𝐽/𝑘𝑔)
5 Dimana HUTS merupakan nilai pemanasan (heating value) dari bahan kering biomassa, x adalah kandungan air, dan 2.441 MJ/kg adalah energi pada temperatur awal 25°C. Dan biasanya laju energi panas hasil pembakaran tersebut dapat dicari melalui persamaan berikut: 𝑞̇ = 𝑚̇ 𝑥 𝑁𝑘𝑙 𝑥 𝑒𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑝𝑒𝑚𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟𝑎𝑛 (𝑊) Dimana m merupakan laju massa bahan bakar (kg/s), dan Nkl merupakan nilai kalor dari bahan bakar (J/kg). Dalam pembakaran, oksigen biasanya didapat dari udara bebas. Oksigen yang terkandung di dalam udara adalah 21% dari total udara bebas. Kebutuhan udara minimum untuk proses pembakaran dapat dihitung melalui persamaan berikut (Perry dan Chilton 1973): 𝑊𝑚𝑖𝑛 =
100 𝑥 ((1.96 𝑥 𝐶) + (5.85 𝑥 𝐻)) 21
Dimana Wmin adalah kebutuhan udara minimum (m3/kg bahan bakar), C adalah kandungan karbon dalam bahan bakar (%), dan H adalah kandungan hidrogen dalam bahan bakar (%). Beberapa faktor yang mempengaruhi proses pirolisis dan arang hasil produksi adalah komposisi bahan baku, sifat bahan baku (densitas, konduktivitas panas, kapasitas panas, permeabilitas bahan), ukuran partikel bahan baku, temperatur dan juga laju pemanasan secara proses. Suhu dan laju pemanasan sangat mempengaruhi laju konversi dan komposisi hasil pirolisis. Makin tinggi laju pemanasan, makin rendah rendemen arang yang dihasilkan. Makin rendah suhu pemanasan, makin besar rendemen yang dihasilkan. Arang hasil pirolisis yang baik memiliki ciri-ciri sifat fisiknya yang liat, memiliki warna hitam pekat serta bila dipatahkan warna patahannya mengkilap. Arang yang baik akan memiliki bunyi berdenting bila dijatuhkan. Arang yang tepat untuk digunakan sebagai bahan baku arang aktif memiliki persyaratan seperti pada Tabel 2 menurut Standar Industri Indonesia (SII) No. 0258-97. Tabel 2 Persyaratan arang aktif Jenis Uji Bagian yang hilang pada pemanasan 950° Kadar air Kadar abu Bagian yang tidak mengarang Daya sarutan terhadap larutan I2
Satuan % % % % %
Persyaratan Maksimum 15 Maksimum 10 Maksimum 2.5 Maksium 20
sumber: http://dekindo.com
Manfaat dan kegunaan arang antara lain adalah sebagai bahan bakar alternatif, zat penghilang bau, pengontrol kelembaban yang efektif, sebagai industri rumah tangga, dan juga pemanasan di industri peternakan. Pembuatan arang dapat dilakukan dengan menggunakan proses tradisional yaitu penimbunan dengan tanah, atau di dalam ruangan yang terbuat dari dinding bata, beton, dan juga besi, dengan retort ataupun tanur (kiln). Tanur yang telah banyak digunakan masyarakat pada umumnya ditujukan untuk pengarangan
6 serpihan kayu, kulit kayu, dan juga limbah industri perkayuan. Sedangkan untuk limbah hasil pertanian yang pada umumnya berukuran kecil, media pengarangannya umumnya juga memiliki ukuran yang kecil dan disesuaikan dengan karakteristik bahan bakunya seperti arang sekam, tempurung kelapa, serbuk gergaji, dan lain sebagainya. Proses pembuatan arang terdiri dari empat tahap (Ditjen PPHP DEPTAN 2006) yaitu: 1. Pada suhu 100-120°C terjadi penguapan air sampai suhu 270°C mulai terjadi penguraian selulosa. Desilat mengandung asam organik dan sedikit metanol. Asam cuka terbentuk pada suhu 220-270°C. 2. Pada suhu 270-310°C reaksi eksotermik berlangsung yaitu penguraian selulosa secara intensif menjadi larutan pirolginat, gas kayu, dan sedikit tar. Asam pirolginat merupakan asam organik dengan titik didih rendah, sedangkan gas kayu terdiri dari CO dan CO2. 3. Pada suhu 310-500°C terjadi penguraian lignin, dihasilkan lebih banyak tar, sedangkan larutan pirolginat menurun. Gas CO2 menurun sedangkan gas CO, CH4, dan H2 meningkat. 4. Pada suhu 500-1000°C merupakan tahap pemurnian arang atau peningkatan kadar karbon. Teknik pembakaran pertama-tama, lubang udara, lubang asap dan cerobong dibuka. Bahan dimasukkan ke dalam alat, lalu setelah terlihat bahan terbakar sepenuhnya, pembakaran bahan umpan dihentikan. Selanjutnya lubang pembakaran ditutup sebagian, dan ditinggalkan sedikit terbuka sekitar 5 cm x 5 cm. Lubang udara yang berdekatan dengan cerobong asap ditutup sampai bara api kelihatan pada lubang udara yang berdekatan dengan lubang pembakaran. Apabila terlihat asap hitam tebal, lubang penguapan ditutup agar seluruh asap keluar melalui cerobong asap. Selanjutnya dilakukan pengaturan lubang udara berdasarkan pengamatan terbakarnya bahan melalui lubang udara. Salah satu cara untuk mengetahui proses pembakaran berlangsung sempurna yaitu dengan mengambil sampel asap dan dimasukkan ke dalam kantung plastik tembus pandang. Jika pada waktu 10 menit asap tidak mengembun, maka proses pembakaran telah sempurna. Tahap berikutnya adalah menutup seluruh lubang udara, lubang pembakaran, dan cerobong asap agar proses pengarangan berlangsung sempurna. Setelah selesai, arang dikeluarkan dari alat (tanur) dan segera diberi sedikit percikan air agar tidak terbakar. Kiln Secara umum ada dua tipe alat produksi arang yang dibedakan berdasarkan pada perbedaan pemberian energi panas yaitu tipe kiln dan tipe retort. Pada tipe kiln, energi panas diperoleh dari pembakaran sebagian bahan baku, sedangkan pada tipe retort energi panas diberikan dari luar sistem. Kiln atau tanur merupakan wadah tertutup dengan lubang udara terbatas yang mendukung terjadinya proses pirolisis. Proses di dalam kiln hanya membutuhkan oksigen yang terbatas agar terjadi proses pengarangan (bukan pembakaran sempurna) dan menyisakan bagian dari bahan baku yang berupa karbon (arang). Kiln tradisional yang mula-mula digunakan merupakan kiln yang berupa ground pit, atau lubang di dalam tanah. Tanah liat dibentuk seperti tungku yang kemudian diisi oleh bahan baku, dan kemudian pembakaran bahan baku dipantik
7 oleh bahan bakar dan dibakar sebelum nantinya ditutup lagi oleh lapisan tanah. Seiring dengan perkembangan teknologi, kiln kemudian banyak dirancang dengan menggunakan logam, yang bisa dengan menggunakan drum bekas yang dilubangi dan juga plat logam yang dibentuk silinder. Prinsip Kerja Venturimeter Venturi meter adalah salah satu dari tiga jenis alat ukur yang umum digunakan untuk mengukur laju aliran pipa sesaat, yaitu dua lainnya adalah orifice meter dan nozzle meter. Masing-masing dari alat pengukur ini bekerja berdasarkan prinsip bahwa pengurangan luas aliran dalam sebuah pipa menyebabkan peningkatan kecepatan yang disertai dengan penurunan tekanan (Munson et al. 2005). Adanya perbedaan dengan kecepatan memberikan cara untuk pengukuran laju aliran dalam pipa, dengan asumsi tanpa adanya pengaruh dari viskositas fluida. Penerapan persamaan Bernoulli digunakan pada titik sebelum (1) dan sesudah (2) perubahan luas aliran pada pipa adalah sebagai berikut: 𝑄𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 𝐴2 ∗ 𝑣2 = 𝐴2 ∗ √
2(𝑝1 − 𝑝2 ) 𝜌(1 − 𝛽 4 )
Dimana β = D2/D1. Dan dengan mengantisipasi adanya kerugian head (headloss) antara titik (1) dan titik (2), persamaan pengaturnya menjadi: 𝑄 = 𝐴1 ∗ 𝑣1 = 𝐴2 ∗ 𝑣2 dan, 𝑝1 𝑣12 𝑝2 𝑣22 + = + + ℎ𝐿 𝜌𝑔 2𝑔 𝜌𝑔 2𝑔 Dimana v1 = kecepatan aliran fluida sebelum penyempitan pipa (m/s), v2 = kecepatan aliran fluida setelah penyempitan pipa (m/s), p1 = tekanan aliran fluida sebelum penyempitan pipa (atm), p2 = tekanan aliran fluida setelah penyempitan pipa (atm), ρ = densitas fluida (kg/m3), g = gaya gravitasi (9.81 m/s2), dan hL = headloss (m).
Gambar 1 Konstruksi Venturi meter
8 Alat ukur yang paling teliti dan paling mahal di antara ketiga jenis alat ukur aliran jenis penghalang (obstruction-type flow meter) adalah Venturi meter. Meskipun prinsip pengoperasian dari alat ini sama seperti pada orifis atau nossel meter, geometri dari Venturi meter dirancang untuk mengurangi kerugian-kerugian head sekecil-kecilnya. Kebanyakan kerugian head yang terjadi dalam Venturi meter yang dirancang dengan baik lebih disebabkan oleh kerugian gesek sepanjang dinding dibandingkan dengan kerugian akibat dari separasi aliran dan gerakan percampuran yang tidak efisien yang menyertai aliran seperti itu. Hal ini disebabkan oleh suati pengecilan yang relatif mulus mengikuti arus (yang menghilangkan separasi pada bagian yang mengalami perlambatan). Jadi, laju aliran yang melalui sebuah Venturi meter dapat dinyatakan sebagai berikut: 2(𝑝1 − 𝑝2 ) 𝑄 = 𝐶𝑣 ∗ 𝑄𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 𝐶𝑣 ∗ 𝐴𝑇 √ 𝜌(1 − 𝛽 4 ) Dimana AT = πd2/4 adalah luas leher Venturi, Cv adalah kisaran dari harga discharge coefficient, dan β = d/D adalah rasio diameter leher terhadap pipa. Teori Pindah Panas Konduksi Konduksi merupakan perpindahan panas dari tempat yang bertemperatur tinggi ke tempat yang bertemperatur rendah di dalam medium yang bersinggungan langsung. Jika pada suatu benda terdapat gradient suhu, maka akan terjadi perpindahan panas serta energi dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah, sehingga dapat dikatakan bahwa energi akan berpindah secara konduksi, laju perpindahan kalornya dinyatakan sebagai berikut (Moran dan Shapiro 2006): 𝑞𝑘̇ = −𝑘𝐴 Dimana: 𝑞𝑘̇ 𝛿𝑇 𝛿𝑥
k A
𝛿𝑇 𝛿𝑥
= laju perpindahan kalor konduksi (W) = gradien suhu perpindahan kalor = konduktivitas termal bahan (W/mK) = luas penampang (m2)
Konveksi Konveksi merupakan perpindahan panas antara permukaan solid dan berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir dan itu melibatkan pengaruh konduksi dan aliran fluida. Laju perpindahan kalor secara konveksi dapat dinyatakan sebagai berikut (Moran dan Shapiro 2006): 𝑞ℎ̇ = ℎ𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇∞ )
9 Dimana: 𝑞̇ ℎ h A Ts T∞
= laju perpindahan kalor konveksi (W) = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2) = luas penampang (m2) = temperatur plat (K) = temperatur fluida yang mengalir dekat permukaan (K)
Radiasi Radiasi, merupakan perpindahan energi karena emisi gelombang elektromagnetik (atau foton). Laju perpindahan kalor secara radiasi dapat dinyatakan sebagai berikut (Moran dan Shapiro 2006): 𝑞𝑟̇ = 𝜀𝐴𝜎(𝑇𝑠 4 − 𝑇𝑠𝑢𝑟 4 ) Dimana: 𝑞𝑟̇ 𝜀 A 𝜎 𝑇𝑠 4 𝑇𝑠𝑢𝑟 4
= laju perpindahan kalor radiasi (W) = emisivitas sifat radiasi pada permukaan = luas permukaan (m2) = konstanta Stefan-Boltzman (5.67 x 10-8 W/m2K4) = temperatur absolut sekitar (K4) = temperatur absolut permukaan (K4)
METODOLOGI Tahapan Penelitian Penelitian ini berawal dari pengumpulan informasi yang berkaitan dengan sifat fisik cangkang kelapa sawit dan karakteristrik proses pirolisis, kemudian dilanjutkan dengan proses perancangan kiln menggunakan perangkat lunak SolidWorks Premium 2012, dan kemudian proses pabrikasi dan pengujian kinerja kiln. Parameter-parameter perancangan ditentukan berdasarkan informasi yang telah diperoleh mengenai cangkang kelapa sawit dan juga proses pirolisis lambat guna menghasilkan arang cangkang kelapa sawit. Suhu harapan yang dicapai melalui proses pengarangan menggunakan kiln ini adalah 500°C, dengan menghasilkan rendemen arang sebanyak 30% dari massa bahan baku yang diarangkan. Tingkat suhu serta sebaran suhu pada proses pengarangan menggunakan kiln ini juga akan diukur untuk mengetahui seberapa merata aliran udara yang dihasilkan pada proses pengarangan. Nilai kalor dari produk arang akan diukur setelah proses pengarangan selesai. Setelah kiln selesai dipabrikasi, uji kinerja pendahuluan dilakukan untuk mengetahui kapasitas optimum, kinerja serta produk yang dihasilkan melalui proses pengarangan. Kapasitas yang direncanakan dalam proses perancangan adalah untuk bahan baku sebanyak 10 kg cangkang kelapa sawit dengan bulk density 400 kg/m3, namun kapasitas riil dari kiln kemudian ditentukan dengan bulk density dari cangkang kelapa sawit yang digunakan pada penelitian ini. Tahapan penelitian yang dilakukan dijelaskan pada Gambar 2.
10 Mulai
Pengumpulan informasi
Identifikasi masalah
Penentuan tujuan utama perancangan
Penentuan parameter-parameter perancangan Pendekatan rancangan
Perancangan fungsional
Perancangan struktural Pembuatan gambar teknik dan gambar kerja Fabrikasi Uji fungsional dan kinerja (rendemen, kualitas produk, tingkat suhu dan sebarannya, serta keseragaman kematangan arang) Tidak sukses
Analisis data pengujian
Sukses
Penulisan laporan
Selesai
Gambar 2 Tahapan penelitian
11 Pendekatan Rancangan Kiln hasil perancangan ini diadaptasi dari kiln hasil perancangan Hasanah (2013) yang juga menggunakan prinsip venturimeter. Pengadaptasian prinsip venturimeter ini diharapkan dapat menghasilkan proses pengarangan yang juga optimum pada cangkang kelapa sawit. Gas merupakan gas mampu mampat yang berarti memiliki kemampuan untuk dimampatkan pada volume yang lebih kecil dengan massa yang sama. Tekanan pada suatu titik dalam suati fluida yang berada dalam kesetimbangan (tidak bergerak) akan memiliki nilai sama ke semua arah, namun untuk gas yang memiliki pergerakan relatif tekanan dapat berubah menurut arah pada suatu titik. A
B
Gambar 3 Penampang nozzle (A) dan diffuser (B) Pertimbangan mengenai kemampuan mampu mampat dari gas, maka prinsip kerja venturimeter yang merupakan gabungan mekanisme dari nozzle dan diffuser digunakan pada penelitian ini. Menurut Potter dan Somerton (2011), nozzle adalah suatu alat yang digunakan untuk menaikkan kecepatan aliran fluida, ini dilakukan dengan cara mengurangi tekanan. Sedangkan diffuser adalah suatu alat yang menaikkan tekanan aliran fluida, dengan cara mengurangi kecepatannya. Jika lebih lanjut diasumsikan bahwa perubahan energi internal dan energi potensial dapat diabaikan, persamaan energi akan menjadi: 𝑣22 𝑣12 𝑣12 𝑣22 0= − + ℎ2 − ℎ1 → + 𝐶𝑝 ∗ 𝑇1 = + 𝐶𝑝 ∗ 𝑇2 2 2 2 2 Dimana v adalah kecepatan aliran, Cp adalah panas spesifik fluida, dan T adalah suhu fluida. Indeks 1 dan 2 adalah masing-masing untuk aliran fluida yang masuk melalui nozzle dan keluar melalui diffuser. Venturimeter memiliki jenis aliran subsonik, dimana nozzle memiliki luas yang makin mengecil searah dengan aliran dan diffuser memiliki luas yang makin membesar searah dengan aliran. Tekanan yang meningkat pada sisi sempit venturimeter akan memampatkan aliran udara yang lewat dan kecepatannya berkurang, dan ketika udara melewati pelebaran diameter dari diffuser, kecepatan aliran akan meningkat dan udara akan menyebar dengan kecepatan yang menurun. Teori-teori diatas kemudian dijadikan dasar perancangan dari kiln untuk pengarangan cangkang kelapa sawit ini. Bentuk dari kiln dibuat menyerupai bentuk dari venturimeter dengan perbandingan diameter dasar, tenggorokan, dan atas kiln adalah 2:1:2 dengan masing-masing ukuran 40 cm, 20 cm, dan 40 cm. Diharapkan dengan bentuk kiln yang menerapkan prinsip venturimeter ini, aliran udara panas yang pada mulanya merupakan hasil pembakaran bahan bakar awal pada dasar kiln akan mengalir menuju bagian atas kiln dengan mengikuti pola aliran pada venturimeter sehingga didapatkan sebaran udara dan suhu yang baik serta kematangan arang yang merata. Distribusi udara di dalam kiln juga dibantu dengan adanya kassa pemerata yang bersifat portable, sebagai cadangan udara pada ruang pengarangan. Kassa pemerata akan diletakkan di dalam ruang pengarangan sebelum bahan baku dimasukkan, dan akan dikeluarkan setelah proses pengarangan selesai sebelum arang dikeluarkan.
12 Waktu dan Tempat Pelaksanaan Proses perancangan kiln dilakukan mulai dari awal Februari hingga pertengahan Maret 2014, dan pabrikasi dari kiln hasil perancangan dimulai dari pertengahan Maret dan selesai pada akhir April 2014. Uji kinerja kiln dilakukan pada akhir April dan selesai pada akhir Mei 2014 (29 April-19 Mei 2014). Kegiatan pabrikasi dari kiln dilakukan di kawasan Citereup dan Cangkurawok, Bogor, dan seluruh kegiatan uji kinerja dilakukan di Laboratorium Teknik Energi Terbarukan, Laboratorium Lapangan Bersama Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Alat dan Bahan Seperangkat peralatan perbengkelan digunakan dalam proses perakitan kiln, dan peralatan-peralatan ukur digunakan pada pengujian kinerja dari kiln hasil perancangan. Peralatan ukur yang digunakan dalam pengujian kinerja kiln adalah termokopel batang tipe K untuk suhu dalam ruang pengarangan, termokopel tipe CA untuk suhu dinding ruang pengarangan serta cerobong asap, serta recorder untuk display dari suhu-suhu pengukuran. Anemometer digunakan untuk pengukuran suhu lingkungan serta kecepatan angin, timbangan untuk pengukuran massa bahan baku cangkang kelapa sawit awal yang akan diarangkan serta massa rendemen arang yang dihasilkan. Bahan yang digunakan adalah plat besi dengan ketebalan 3 mm serta 5 mm untuk perakitan kiln, cangkang kelapa sawit sebagai bahan baku utama untuk diarangkan dan bonggol jagung serta serabut kelapa sawit sebagai bahan bakar awal. Cangkang dan serabut kelapa sawit yang digunakan diperoleh dari Pabrik Kelapa Sawit Kertajaya, PT Perkebunan Nusantara VIII, Lebak, Banten. Uji Kinerja Hasil Perancangan Setelah kiln selesai dipabrikasi dan siap uji, pengujian kinerja dari kiln dan penentuan titik-titik pengukuran serta parameter dari kiln ditentukan dan dijelaskan sebagaimana di bawah berikut. Penentuan Parameter Pengujian Parameter-parameter pengujian dari kiln ditentukan sebagaimana dianggap bahwa hasil pengukuran dari pengujian kiln dapat mewakili kinerja dari performa fungsional dan struktural dari kiln tersebut. Parameter pengujian kinerja dari kiln ini antara lain kapasitas optimum dari kiln, tingkat suhu yang dihasilkan selama proses, sebaran suhu dalam ruang pengarangan serta bagian luar dari kiln selama proses, banyaknya rendemen arang dari keseluruhan jumlah bahan baku cangkang kelapa sawit yang terarangkan, mutu arang yang dihasilkan, dan juga waktu proses secara keseluruhan dimulai dari pembakaran pertama bahan bakar pemantik sampai dengan produk akhir arang siap untuk dikeluarkan dari kiln melalui pintu unloading.
13 a. Kapasitas Optimum Kiln Kapasitas optimum dari kiln dilihat dari seberapa banyak massa cangkang kelapa sawit yang dapat ditampung oleh ruang pengarangan dengan menyisakan 2/3 ruang kosong sebagai pasokan cadangan oksigen untuk proses pirolisis. Banyaknya cangkang kelapa sawit yang dapat ditampung oleh ruang pengarangan akan bergantung kepada bulk density dan bentuk kepingan dari cangkang kelapa sawit itu sendiri. Semakin kecil kepingan dari cangkang kelapa sawit, akan semakin sedikit rongga yang diberikan antar kepingan sehingga massa yang ditampung akan lebih besar daripada apabila kepingan yang masuk adalah kepingan-kepingan dengan ukuran yang lebih besar. Komposisi dari cangkang kelapa sawit itu sendiri menentukan banyaknya massa yang tertampung. Semakin banyak kadar serabut tertinggal pada cangkang kelapa sawit yang digunakan sebagai bahan baku, akan semakin ringan pula massa yang masuk ke dalam ruang pengarangan. b. Tingkat Suhu dan Penyebarannya Selama Proses Pirolisis Berlangsung Tingkat suhu merupakan parameter utama apakan panas yang dihasilkan pada awal proses melalui pembakaran bahan bakar pemantik berhasil mengalami peningkatan dan penyebaran yang baik saat kiln beroperasi. Suhu pada ruang pengarangan, dinding, dan cerobong asap akan diukur dengan menggunakan termokopel. Penyebaran suhu dalam ruang pengarangan dapat menjadi acuan merata atau tidaknya kematangan arang yang akan dihasilkan nantinya. c. Rendemen Arang Rendemen produk arang yang dihasilkan akan menentukan efisiensi dari proses pengarangan yang dilakukan dengan menggunakan kiln ini. Rendemen arang akan berupa presentase banyaknya produk arang yang dihasilkan dari keseluruhan bahan baku cangkang kelapa sawit yang terarangkan. d. Mutu Arang Mutu arang yang dihasilkan dapat terwakilkan dengan kandungan nilai kalor yang dimiliki oleh arang tersebut, namun juga dapat diisyaratkan oleh penampilan fisiknya. Arang dengan kualitas baik akan memiliki warna hitam pekat, bila dipatahkan akan memiliki warna mengkilap pada bagian patahannya, bunyi berdenting bila bersentuhan maupun terjatuh e. Waktu Proses Waktu yang dibutuhkan dari mulai keseluruhan bahan baku cangkang kelapa sawit dimasukkan ke dalam ruang pengarangan dan penyalaan bahan bakar pemantik yang berupa bonggol jagung dan serabut kelapa sawit hingga produk akhir arang siap untuk dikeluarkan melalui pintu unloading, terhitung sebagai waktu proses. Diasumsikan bahwa cepatnya proses merepresentasikan bahwa kinerja dari kiln ini cukup bagus, semakin sedikit waktu yang dibutuhkan untuk melakukan proses pengarangan maka akan semakin bagus performa dari kiln ini. Namun hal tersebut juga akan bergantung terhadap kualitas arang yang dihasilkan. Akan dilihat pada pengujian kinerja kiln, apakah ada korelasi antara waktu proses dengan mutu arang yang dihasilkan terhadap kinerja dari kiln.
14 Metoda Pengujian dan Pengambilan Data Total pengujan kiln dilakukan sebanyak 9 kali, yaitu 2 kali pengujian pendahuluan dan 7 kali pengujian inti. Sebanyak 2 kali pengujian pendahuluan dilakukan untuk mengetahui kapasits optimum dari kiln. Pengujian inti dilakukan sebanyak 7 kali dengan rentang massa yang dianggap optimum bagi kinerja kiln. Kapasitas optimum dari kiln diukur menggunakan timbangan pegas untuk mengukur massa yang dapat masuk ke dalam ruang pengarangan. Bulk density dari bahan baku cangkang kelapa sawit juga diukur dengan cara memasukkan sejumlah cangkang kelapa sawit ke dalam suatu wadah (yang digunakan adalah ember), dan kemudian menimbang massa yang ada dalam wadah tersebut, kemudian membaginya dengan volume wadah yang terisi oleh cangkang kelapa sawit. Alat ukur massa yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4 Timbangan pegas Pengujian sebaran dan tingkat suhu pada kiln dilakukan dengan melakukan pengukuran suhu pada 6 buah titik ukur, yaitu dinding bagian bawah ruang pengarangan, dinding bagian tengah ruang pengarangan, dinding bagian atas ruang pengarangan, bagian dalam ruang pengarangan bawah, bagian dalam ruang pengarangan atas, dan juga cerobong asap. Titik-titik pengukuran suhu ditunjukkan pada Gambar 5. Selain sebaran suhu pada kiln, terdapat satu lagi titik pengukuran suhu yaitu suhu lingkungan dekat kiln pada jarak sekitar 1 meter dari posisi dimana kiln beroperasi, yang merupakan titik pengukuran suhu lingkungan dan juga kecepatan angin. Pengukuran tingkat suhu dan sebarannya pada kiln dilakukan dengan menggunakan termokopel K batang untuk suhu di dalam ruang pengarangan atas dan bawah, serta termokopel tipe CA untuk suhu dinding dan cerobong asap. Alat pengukuran suhu mulai dari termokopel K batang, termokopel CA, dan rekorder secara berurutan ditunjukkan pada Gambar 6. Suhu yang terukur kemudian ditampilkan pada recorder autonics dan pencatatan suhu dilakukan tiap 5 menit sekali. Pencatatan suhu dilakukan setelah bahan bakar pemantik dibakar selama 10 hingga 15 menit dan kemudian pintu loading ditutup dan dilapisi sealer gasket. Pelapisan sealer gasket pada bagian pintu loading kiln ditujukan untuk mencegah kebocoran asap yang ada pada ruang pengarangan.
15
Suhu cerobong asap
Suhu dalam ruang pengarangan atas
Suhu dinding ruang pengarangan atas
Suhu dinding ruang pengarangan tengah Suhu dinding ruang pengarangan bawah
Suhu dalam ruang pengarangan bawah
Gambar 5 Titik-titik pengukuran suhu pada kiln
Gambar 6 Alat-alat pengukuran suhu Prosedur Pengujian Kinerja Kiln Secara keseluruhan, prosedur operasional pengujian kinerja kiln adalah sebagai berikut: 1. Memasang alat ukur suhu pada semua titik yang telah ditentukan 2. Menimbang cangkang kelapa sawit yang telah disiapkan untuk diarangkan
16 3. Memasang kassa pemerata api di tengah ruang pengarangan 4. Membuka penuh semua lubang udara 5. Memasukkan seluruh cangkang kelapa sawit hingga menyisakan kurang lebih 1/3 dari ruang pengarangan kosong 6. Memberikan bahan bakar solar pada beberapa bonggol jagung (sekitar 5-7 buah) dan segenggam serabut kelapa sawit 7. Membakar bahan bakar pemantik yaitu bonggol jagung dan serabut kelapa sawit terlebih dahulu dan memasukkannya sedikit demi sedikit ke dalam kassa pemerata api secara merata, dan memastikan bahwa api dalam kassa pemerata tetap menyala 8. Membiarkan api dalam kassa pemerata menyala selama kurang lebih 10-15 menit untuk memberikan nyala api kepada cangkang kelapa sawit terutama yang berada pada ruang pengarangan bagian bawah 9. Ketika nyala api sudah mulai merata dan membesar, tutup pintu loading dan lapisi menggunakan sealer gasket untuk mencegah kebocoran asap. 10. Menyalakan recorder untuk mengukur dan mencatat suhu selama proses pengarangan berlangsung setiap interval 5 menit 11. Mengamati kenaikan suhu di semua titik pengukuran, terutama di bagian dalam ruang pengarangan bawah dan atas 12. Mengamati asap yang keluar dari cerobong, jika telah menipis maka berarti proses pirolisis akan berakhir 13. Menarik bagian dasar ruang pengarangan untuk menjatuhkan seluruh produk arang ke bawah, lalu buka pintu loading 14. Biarkan asap keluar terlebih dahulu, ketika telah menipis, keluarkan kassa pemerata melalui pintu loading 15. Buka pintu unloading, dan arang telah siap untuk dikeluarkan.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Perancangan Kiln Rancangan Fungsional Secara keseluruhan, kiln hasil perancangan ini terdiri dari ruang pengarangan, kassa pemerata, pintu loading dan unloading, cerobong asap, dan kaki penyangga. Penjelasan fungsi bagian-bagian kiln dapat dilihat pada Tabel 3. Rancangan fungsional dihasilkan dari beberapa pertimbangan yaitu fungsi utama dari kiln sebagai media pengarangan, yang membutuhkan ruang pengarangan sebagai tempat dimana proses pirolisis terjadi. Proses pirolisis yang berlangsung di dalam ruang pengarangan membutuhkan kemerataan aliran udara yang baik yang dapat disokong oleh penyediaan rongga udara yang diberikan oleh kassa pemerata. Bahan baku cangkang kelapa sawit yang digunakan akan dimasukkan melalui sebuah pintu yaitu pintu loading, dan produk hasil pengarangan yang berupa arang harus dapat dibongkarmuat melalui sebuah pintu yaitu pintu unloading. Gas-gas buang yang terdapat di dalam asap hasil proses pirolisis pada ruang pengarangan akan dibuang melalui cerobong asap.
17 Tabel 3 Bagian-bagian kiln dan fungsinya masing-masing No. Bagian-Bagian Kiln Fungsi 1. Pintu loading Memasukkan bahan baku cangkang kelapa sawit yang akan diarangkan, pada bagian atas kiln. Pintu loading memiliki engsel yang memudahkan untuk membuka dan menutup, sehingga tidak perlu dibuat terpisah dari badan kiln. 2. Ruang pengarangan Tempat dimana bahan baku cangkang kelapa sawit akan mengalami proses pirolisis lambat (karbonisasi) dan menjadi arang. Pada ruang pengarangan terdapat lubang-lubang udara sebagai pasokan kebutuhan oksigen proses pirolisis, dan bagian dasarnya merupakan plat besi yang dapat ditarik untuk menjatuhkan produk arang setelah proses pirolisis selesai. 3. Kassa pemerata Meratakan panas api hasil pembakaran bahan bakar awal menyebar pada bahan baku cangkang kelapa sawit yang berada di dalam ruang pengarangan 4. Pintu unloading Mengeluarkan produk akhir yang telah mengalami proses karbonisasi dan berupa arang. Merupakan pintu yang sebangun dengan badan kiln, memiliki engsel sehingga memudahkan untuk membuka dan menutup. Pintu unloading juga dilengkapi pengunci sehingga tidak akan terbuka dengan sendirinya saat kiln diangkat untuk dipindahkan. 5. Cerobong asap Mengeluarkan gas buang hasil proses pirolisis. Dibuat pada bagian atas kiln dengan bagian bawahnya yang datar (tidak kerucut mengikuti bentuk diameter kiln), diharapkan dapat menyebabkan turbulensi panas dan asap terlebih dahulu di dalam ruang pengarangan sehingga asap yang dikeluarkan tidak terlalu tebal dan dengan suhu yang tidak terlalu tinggi. 6. Kaki penyangga Menyangga kokoh kiln selama dioperasikan maupun tidak dioperasikan, dan juga sebagai tempat dimana pintu unloading berada Kiln sebagai sebuah bentuk kesatuan dari media pengarangan harus memiliki bentuk yang kokoh sehingga dibutuhkan bagian penyokong badan kiln yaitu berupa kaki penyangga. Kiln yang ditujukan untuk digunakan pada skala rumah tangga ini dirancang dengan kapasitas dan bentuk yang praktis, dengan tidak adanya bagianbagian dari kiln yang memerlukan tahap rakit ulang pada saat pengoperasian.
18 Rancangan Struktural Rancangan struktural dari kiln beserta nama-nama bagiannya disajikan pada Gambar 7. Detail dari rancangan kiln dapat dilihat pada Lampiran 1. Pintu Loading Cerobong Asap
Ruang Pengarangan Kaki Penyangga
Pintu Unloading
Gambar 7 Tampak depan (kiri) dan tampak samping (kanan) (skala 1:20) rancangan kiln Kiln hasil perancangan memiliki seluruh bagian dinding ruang pengarangan hingga kaki penyangga kiln adalah plat besi dengan ketebalan 3 mm, dan dasar dari kiln yang merupakan pintu unloading dibuat dari plat besi dengan ketebalan 5 mm. Pemilihan bahan ini dilakukan dengan alasan untuk ketahanan dari kiln akan suhu pengarangan yang tinggi, yang dapat mencapai 600°C. Penampakan dari kiln hasil perancangan dapat dilihat pada Gambar 8.
19
Gambar 8 Kiln hasil perancangan Tinggi total dari kiln mulai dari kaki penyangga, ruang pengarangan, hingga cerobong asap adalah 123 cm, dengan pertimbangan bahwa operator yang ditujukan adalah masyarakat Indonesia, dengan ketinggian tubuh rata-rata 160-175 cm. Dimensi dari kiln perancangan ini diharapkan dapat memberikan kemudahan operasional bagi pengguna. Serta bentuk dari ruang pengarangan dari kiln yang berbentuk cukup ramping, ukurannya memudahkan proses mobilisasi dari kiln bila operator yang menggunakannya hanyalah satu orang. 1. Pintu Loading Pintu loading berfungsi untuk tempat masuk dari bahan baku cangkang kelapa sawit yang akan diarangkan. Pintu loading merupakan pintu yang terhubungkan oleh engsel dengan bagian teratas dari kiln. Pintu loading terletak pada ketinggian 107 cm dari permukaan tanah, yang memudahkan untuk proses loading dari bahan baku oleh operator. Melihat tinggi rata-rata masyarakat Indonesia yang berkisar antara 160-175 cm (berdasarkan pengamatan terhadap sejumlah mahasiswa Institut Pertanian Bogor), diharapkan posisi dari pintu loading ini tidak menimbulkan kesulitan bagi operator saat memasukkan bahan baku menuju ruang pengarangan. Proses loading dari bahan baku cangkang kelapa sawit yang akan digunakan ialah dengan membuka pintu loading yang berada di atas ruang pengarangan kiln. Bahan baku cangkang kelapa sawit yang dimasukkan akan memenuhi ruang pengarangan dan menyisakan 1/3 bagian kosong dari ruang pengarangan. Penampakan dari pintu loading dapat dilihat pada Gambar 9.
20
Gambar 9 Pintu loading 2. Ruang Pengarangan Ruang pengarangan berfungsi sebagai tempat dimana proses pirolisis terjadi. Di dalam ruang pengarangan ini, cangkang kelapa sawit akan mengalami proses karbonisasi (pirolisis rambat) berupa proses pembakaran dengan asupan oksigen minimum. Di dalam ruang pengarangan akan diletakkan kassa pemerata api sebagai pemerata api pantikan awal, dimana bahan bakar yang berupa bonggol jagung dan serabut kelapa sawit akan dibakar pada awal mula proses. Pembakaran awal yang dipantik oleh bonggol jagung dan serabut kelapa sawit diharapkan dapat membakar bahan baku cangkang kelapa sawit yang berada pada bagian bawah kiln sebagai bahan bakar awalan proses pirolisis. Penentuan dimensi dari ruang pengarangan didapatkan dari hasil pehitungan seperti dijelaskan di bawah ini. a.
Volume Ruang Pengarangan
Massa dan bulk density dari cangkang kelapa sawit digunakan untuk menentukan volume ruang pengarangan. Massa cangkang kelapa sawit yang akan diarangkan adalah sebanyak 10 kg dan bulk density yang digunakan dalam proses perancangan adalah 400 kg/m3 sehingga volume dari ruang pengarangan dapat diketahui dengan cara berikut ini 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐵𝑢𝑙𝑘 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑡𝑒𝑚𝑝𝑎𝑡𝑖 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔 𝑝𝑒𝑛𝑔𝑎𝑟𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 = 𝐵𝑢𝑙𝑘 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 10 𝑘𝑔 = 𝑘𝑔 400 ⁄ 3 𝑚 = 0.025 m3 Dibutuhkan 2/3 ruang kosong pada ruang pengarangan untuk cadangan oksigen yang akan dibutuhkan guna tercapai pengarangan optimum (Agustina 2013), maka total volume ruang pengarangan adalah: = 0.025 𝑚3 𝑥 1.67 = 0.04175 𝑚3 = 41750 𝑐𝑚3
21 b.
Kebutuhan Bahan Bakar Awal
Energi yang dibutuhkan untuk mengarangkan cangkang kelapa sawit sebanyak 10 kg diperhitungkan dengan mempertimbangkan nilai kalor jenis cangkang sawit yang berkisar antara 2.259-2.712 J/kg.K (Hasan 1990) dan suhu lingkungan yang berkisar antara 27-30°C adalah: 𝑞 = 𝑚 𝑥 𝐶𝑝 𝑥 ∆𝑇 𝑘𝑔
𝑞 = 10 𝑘𝑔 𝑥 2.5 𝑘𝐽 °𝐾 𝑥 (573-303)°K
𝑄 = 6,750 𝑘𝐽 Energi yang dibutuhkan ini dijadikan acuan perhitungan untuk menentukan kebutuhan energi pada awal proses dengan mengasumsikan ruang pengarangan pada bagian kerucut bawah berfungsi sebagai tungku dengan efisiensi 30%. Maka kebutuhan energi dan banyaknya bahan bakar awal yang dibutuhkan adalah: 30 6,750 𝑘𝐽 = 𝑥 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡 100 22.500 𝑘𝐽 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡 Mengasumsikan bahwa kandungan nilai kalor dari cangkang kelapa sawit adalah 20.093 kJ/kg (BATAN 2012) dan efisiensi ruang pengarangan bagian kerucut bawah sebagai tungku, 30 6,750 𝑘𝐽 = 𝑥 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡 100 22,500 𝑘𝐽 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡 Dan kebutuhan massa dari bahan bakar awal adalah: 𝑘𝐽 22,500 𝑘𝐽 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑥 20,093 ⁄𝑘𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 = 1.12 𝑘𝑔 Maka volume minimum dari ruang pengarangan bawah dapat diketahui sebagai berikut: 1.12 𝑘𝑔 𝑉 = = 0.0028 𝑚3 𝑘𝑔⁄ 400 𝑚3 Guna mencapai pembakaran optimum bagi bahan bakar awal, perlu ditambahkan 2/3 bagian dari ruang pembakaran, maka: 𝑉 = 0.0028 𝑚3 𝑥 1.67 = 0.004676 𝑚3 = 4676 𝑐𝑚3 c.
Volume Total Kiln
Total dari volume ruang pengarangan dan ruang pembakaran awal akan menghasilkan volume total dari kiln. Maka volume total dari kiln untuk mengarangkan sebanyak 10 kg bahan baku cangkang kelapa sawit adalah sebagai berikut: Volume total = Volume ruang pengarangan + Volume bahan bakar = 41750 cm3 + 4676 cm3 = 46426 cm3 ~ 47000 cm3 d.
Perhitungan Dimensi Kiln Dengan data yang dimiliki seperti ini; Diameter kiln rancangan = 40 cm Volume kebutuhan kiln = 47000 cm3
22 Akan dirancang kiln dengan memanfaatkan prinsip venturimeter dengan hukum Bernoulli, dimana saat kecepatan fluida bertambah, tekanan aliran fluida akan berkurang di bagian pipa dengan penampang lebih kecil yang dijelaskan dengan hukum pV = nRT. Prinsip venturimeter yang akan digunakan dalam perancangan dimensi kiln akan membagi kiln menjadi empat bagian, yaitu ruang bahan bakar awal, ruang pengarangan bawah, bagian tenggorokan (dimana penampang permukaan pipa kiln mengecil), dan juga ruang pengarangan atas. Keterangan dari dimensi kiln dijelaskan dibawah ini. Ruang Bahan Bakar Awal Tinggi ruang bahan bakar = 5cm Diameter ruang bahan bakar = 40 cm Volume ruang bahan bakar = 6280 cm3 Ruang Pengarangan Bawah Sudut kemiringan dinding = 30° Diameter ruang pengarangan = 20 cm Tinggi ruang pengarangan = 17.32 cm Volume ruang pengarangan = 12689.81 cm3 Tenggorokan Kiln Tinggi tenggorokan = 20 cm Diameter tenggorokan = 20 cm Volume tenggorokan = 6280 cm3 Ruang Pengarangan Atas Sudut kemiringan dinding = 15° Diameter ujung ruang pengarangan atas = 40 cm Tinggi ruang pengarangan atas = 37.32 cm Volume ruang pengarangan atas = 27343.12 cm3 e.
Perhitungan Tekanan Fluida dalam Kiln
Mengasumsikan bahwa dalam kesetimbangan udara awal pada kiln merupakan kesetimbangan gas ideal, dengan menerapkan persamaan 𝑝𝑉 = 𝑛𝑅𝑇, dan menganggap bahwa nilai n*R bagi aliran fluida dalam kiln adalah sama, maka untuk menghitung suhu dan tekanan dalam kiln untuk ruang pengarangan bawah (1) dan ruang pengarangan atas (2) dilakukan perhitungan: 𝑝𝑉1 𝑝𝑉2 = 𝑇1 𝑇2 𝑝1 ∗ 12689 𝑝2 ∗ 27343.12 = 𝑇1 𝑇2 𝑝1 2.15 ∗ 𝑝2 = 𝑇1 𝑇2 Diharapkan melalui perancangan seperti ini, dengan kemerataan suhu yang sama pada seluruh bagian kiln, dan adanya tekanan aliran udara dari ruang pengarangan bawah menuju tenggorokan dan ruang pengarangan atas, akan terjadi kemerataan proses pengarangan dengan memanfaatkan efek diffuser pada prinsip venturimeter pada kiln ini. Hal tersebut dapat diasumsikan melalui hasil perhitungan yang menunjukkan bahwa tekanan pada ruang pengarangan bawah
23 adalah 2.15 kali dari tekanan di ruangan pengarangan atas setelah aliran udara melewati tenggorokan kiln. Dengan memanfaatkan bentuk dari venturimeter ini diharapkan bahwa tekanan yang berkurang pada ruang pengarangan atas merupakan salah satu bentuk penyebaran udara yang terjadi. f.
Pembakaran Biomassa
Mempertimbangkan bahwa cangkang kelapa sawit adalah biomassa dengan kandungan hidrokarbon yang tinggi menurut BATAN (2012), yaitu 49.70% C dan 5.700% H, dan kebutuhan udara minimum untuk proses pembakaran dapat dihitung melalui persamaan berikut (Perry dan Chilton 1973): 100 𝑊𝑚𝑖𝑛 = 𝑥 ((1.96 𝑥 𝐶) + (5.85 𝑥 𝐻)) 21 Wmin = Kebutuhan udara minimum (m3/kg bahan bakar) C = Kandungan karbon dalam bahan bakar (%) H = Kandungan hidrogen dalam bahan bakar (%) Maka kebutuhan udara minimum untuk pembakaran cangkang kelapa sawit, dalam hal ini untuk proses pirolisis; 100 Wmin = 21 𝑥 {(1.96 𝑥 𝐶) + (5.85 𝑥 𝐻)} 100
= 21 𝑥 {(1.96 𝑥 0.497) + (5.85 𝑥 0.057)} = 6.226 m3/kg cangkang kelapa sawit Laju pembakaran (Bbt) dapat dihitung melalui perhitungan bobot bahan bakar yang akan dibakar (m) dengan waktu pembakaran (t) 𝑚 𝑘𝑔 𝐵𝑏𝑡 = = 2.5 ⁄𝑗𝑎𝑚 𝑡 Debit udara yang dibutuhkan untuk pembakaran didapat dari perkalian kebutuhan udara minimum (Wmin) dengan laju pembakaran (Bbt) 𝑄𝑢𝑑 = 𝑊𝑚𝑖𝑛 𝑥 𝐵𝑏𝑡 3 𝑘𝑔 𝑄𝑢𝑑 = 6.226 𝑚 ⁄𝑘𝑔 𝑥 2.5 ⁄𝑗𝑎𝑚 3 = 15.565 𝑚 ⁄𝑗𝑎𝑚 3 = 0.0043 𝑚 ⁄𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 Menurut Abdullah et al. (1998) dalam Hasanah (2013), debit udara pada proses perancangan untuk pembakaran perlu ditambahkan kelebihan udara sebesar 40% dari total debit udara yang dibutuhkan secara teoritis. Maka kebutuhan input udara: 𝑄 = 𝑄𝑢𝑑 𝑥 1.4 3 3 𝑚 ⁄𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 𝑥 1.4 = 0.006 𝑚 ⁄𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 𝑄 = 0.0043 Kecepatan udara sekitar lingkungan dimana kiln beroperasi berkisar antara 0.6-1.5 m/s. Dengan mempertimbangkan banyaknya kebutuhan udara untuk terjadinya proses pengarangan, maka lubang udara dengan ukuran 0.5 inchi diletakkan secara tersebar di ruang pengarangan, yaitu ruang pengarangan bawah, tenggorokan, dan juga ruang pengarangan atas. Penampakan dari ruang pengarangan dapat dilihat pada Gambar 10.
24
Ruang Pengarangan
Gambar 10 Ruang pengarangan 3. Kassa Pemerata Kassa pemerata api berfungsi untuk meratakan panas api dari hasil pembakaran bahan bakar pemantik yaitu bonggol jagung dan serabut kelapa sawit, dan juga cangkang sawit yang berada pada ruang pembakaran bagian bawah. Kassa pemerata diletakkan sebelum bahan baku cangkang kelapa sawit dimasukkan ke dalam ruang pengarangan melalui pintu unloading. Bonggol jagung dan serabut kelapa sawit yang dibakar pada awal proses kemudian dimasukkan ke dalam kassa pemerata. Kassa pemerata yang digunakan pada penelitian ini berjumlah tiga buah, diletakkan di tengah ruang pengarangan. Ketiga kassa pemerata memiliki diameter 6 cm dengan tinggi 80 cm, yang berarti total volume dari ketiga kassa pemerata ini adalah 6,785.84 cm3. Rongga udara dengan volume tersebut yang disediakan oleh kassa pemerata akan menjadi pasokan cadangan oksigen yang dapat membantu pemerataan proses yang berlangsung di dalam ruang pengarangan. Ketiga kassa pemerata diletakkan secara berimpitan membentuk segitiga, dengan harapan bahwa rongga udara yang tersebar dan dilebarkan di bagian tengah ruang pengarangan akan memberikan kemerataan hasil pengarangan di dalam ruang pengarangan. Di dalam kassa pemerata hanya akan diletakkan bahan bakar pemantik, yaitu bonggol jagung dan serabut kelapa sawit yang telah diberikan sedikit solar untuk memberikan kemudahan proses pembakaran awal. Diharapkan proses pembakaran dari bahan bakar pemantik ini akan memberikan panas api yang akan membakar bahan baku cangkang kelapa sawit yang berada di bagian bawah ruang pengarangan yang dirancang sedemikian rupa untuk memiliki mekanisme mirip tungku, dengan efisiensi pembakaran 30%. Penampakan dari kassa pemerata di dalam ruang pengarangan dapat dilihat pada Gambar 11.
25
Gambar 11 Tiga buah kassa pemerata dalam ruang pengarangan 4. Pintu Unloading Proses unloading dari arang cangkang kelapa sawit yang telah selesai diarangkan di dalam ruang pengarangan akan dikeluarkan melalui pintu unloading, yang terdiri dari dua komponen yaitu bagian dasar kiln yang dilengkapi dengan gagang penarik dan juga pintu yang sebangun dengan kaki penyangga pada kiln. Bagian dasar kiln yang dilengkapi oleh gagang penarik ini dibuat dari plat besi dengan ketebalan 5 mm. Pemilihan bahan dan ukuran dari plat besi ini didasarkan dari pertimbangan bahwa bagian bawah dari ruang pengarangan akan mendapatkan beban panas serta massa yang cukup tinggi, terhitung mulai dari proses pembakaran awal hingga akhir proses pengarangan. Bagian bawah ruang pengarangan akan menopang beban bahan baku cangkang kelapa sawit yang diarangkan serta kassa pemerata dengan seluruh sebaran panas yang dihasilkan selama proses pengarangan.Penampakan dari bagian dasar kiln yang dilengkapi dengan gagang penarik dapat dilihat pada Gambar 12.
Gagang penarik
Gambar 12 Bagian dasar kiln dengan gagang penarik Setelah bagian dasar kiln ditarik keluar dari ruang pengarangan, seluruh isi dari ruang pengarangan akan jatuh ke bawah dan tertahan oleh pintu yang ada pada bagian kaki penyangga, sehingga kassa pemerata yang berada di dalam ruang pengarangan masih akan dalam posisi tegak di dalam. Kassa pemerata akan terlebih dahulu dikeluarkan saat pintu loading dibuka, guna mengeluarkan sisa-sisa asap yang masih ada di dalam ruang pengarangan.
26 Setelah kasssa pemerata dikeluarkan, maka seluruh arang hasil pengarangan yang terjatuh ke bagian dalam kaki penyangga dapat dikeluarkan melalui pintu unloading. Penampakan dari pintu unloading pada kaki penyangga kiln dapat dilihat pada Gambar 13.
Pengunci
Gambar 13 Pintu unloading pada kaki penyangga kiln Pintu unloading yang sebangun pada kaki penyangga kiln ini dilengkapi dengan pengunci sehingga tidak akan mengganggu saat kiln akan diangkut dan dipindahkan, dengan tidak membuka dengan sendirinya bila kiln berada pada posisi miring saat diangkat. 5. Kaki Penyangga Kaki penyangga kiln memiliki fungsi utama sebagai penyangga kokoh ruang pengarangan dan seluruh badan kiln saat kiln beroperasi dan juga maupun saat tidak dioperasikan. Kaki penyangga juga berfungsi sebagai wadah tempat dimana saat produk arang yang telah dijatuhkan saat proses unloading dilakukan tertampung guna tetap menyangga kassa pemerata api agar mudah dikeluarkan oleh operator melalui pintu loading.. Penampakan dari kaki penyangga dapat dilihat pada Gambar 14.
Gambar 14 Kaki penyangga
27 Kaki penyangga pada kiln ini terbuat dari besi plat yang sebangun dengan badan kiln dan dipisahkan sengan ruang pengarangan oleh bagian dasar kiln yang berfungsi sebagai pintu loading yang dapat ditarik pada awal proses unloading dilakukan. Pintu unloading pada bagian kaki kiln berguna untuk nantinya mengeluarkan arang hasil proses pengarangan dari ruang pengarangan keluar dari kiln. 6. Cerobong Asap Cerobong asap pada kiln ini berfungsi untuk mengeluarkan gas buang hasil sampingan dari proses pirolisis yang terjadi. Gas buang dari proses pirolisis mengandung zat-zat volatil yang teruapkan dari bahan baku yang terpirolisis (Agustina 2013). Diakibatkan suhu tinggi pada bagian dalam ruang pengarangan, suhu gas buang secara langsung juga akan tinggi, dan panas hasil proses pirolisis tersebut dapat digunakan apabila gas-gas tersebut tertahankan sehingga terjadi turbulensi di dalam ruang pengarangan. Cerobong asap memiliki penyempitan area yang secara tiba-tiba (vena contracta) dari diameter ruang pengarangan, sehingga akan menyebabkan turbulensi gas di dalam ruang pengarangan. Penahanan panas dan turbulensi gas pada ruang pengarangan diharapkan dapat membantu pemerataan suhu dan kematangan dari pengarangan cangkang kelapa sawit. Perhitungan mengenai perancangan cerobong asap dapat dilihat pada Lampiran 2a. Bagian atas dari kiln, yang terhubung dengan pintu loading dan cerobong asap sengaja dibuat miring, untuk mengalirkan gas buang yang telah berkurang tekanannya karena sebagian besar mengalami turbulensi pada ruang pengarangan. Tekanan dan suhu yang mengalir menuju cerobong asap melalui kemiringan dari sisi atas kiln diharapkan telah mengalami penurunan, sehingga gas buang atau asap yang keluar melalui cerobong asap tidak begitu menimbulkan pencemaran udara lingkungan yang begitu signifikan. Kemiringan pada bagian penutup ruang pengarangan, yang merupakan pintu loading, ditujukan untuk menggiring udara panas hasil pembakaran menuju cerobong asap dengan turbulensi udara yang diciptakannya lebih besar dibandingkan tekanan udara yang dikeluarkannya melalui cerobong asap. Penampakan dari cerobong asap dapat dilihat pada Gambar 15.
Gambar 15 Cerobong asap
28 Hasil Pengujian Kinerja Kiln Sebanyak 9 kali total pengujian kiln dilakukan, termasuk dua kali pengujian pendahuluan menggunakan massa bahan baku cangkang kelapa sawit masingmasing 10.5 kg untuk pengujian pendahuluan pertama dan 12 kg untuk pengujian pendahuluan kedua. Pengujian pendahuluan pertama menghasilkan produk akhir arang 2.8 kg, dengan massa arang yang tidak matang merata sebanyak 2.1 kg dengan waktu proses 180 menit. Pengujian pendahuluan kedua menghasilkan produk akhir arang 2.9 kg dengan massa arang yang tidak merata sebanyak 2.5 kg dengan waktu proses 190 menit. Waktu proses dihitung mulai dari pintu loading ditutup dan kemudian dilapisi rekat dengan sealer gasket yang diikatkan kepada celah yang ada pada sisi dalam dan luar pintu kiln. Pelapisan kiln dengan menggunakan sealer gasket dapat dilihat pada Gambar 16.
Gambar 16 Pelapisan pintu loading menggunakan sealer gasket Pengujian pendahuluan pertama dilakukan dengan memanfaatkan sebanyak delapan buah keran udara yang dibuka pada awal proses dan menutup seluruhnya pada saat suhu dalam ruang pengarangan bagian bawah mencapai 200°C. Penguijan pendahuluan kedua dilakukan dengan memanfaatkan sebanyak delapan buah keran udara yang dibuka pada awal proses dan membiarkannya tetap terbuka hingga akhir proses, mengharapkan bahwa kematangan pengarangan dalam kiln akan lebih merata. Namun kedua hal tersebut tidak menghasilkan hasil pengarangan yang tidak begitu bagus dengan masih banyaknya cangkang kelapa sawit yang tidak merata terarangkan. Oleh karena itu, pada ketujuh pengujian inti digunakan sebanyak total 16 buah lubang udara yang terbuka dari awal hingga akhir proses. Semua keran udara pada akhirnya di buka, diharapkan bahwa asupan udara yang masuk ke dalam ruang pengarangan akan lebih lancar melalui lubang udara tanpa hambatan keran. Penampakan kiln saat pengujian kinerja pendahuluan dan pengujian kinerja inti secara berurutan dapat dilihat pada Gambar 17.
29 Kematangan tidak merata pada cangkang kelapa sawit hasil proses pengarangan terletak pada bagian tumpukan cangkang kelapa sawit yang berada di bagian dekat dinding kiln, pada ruang pengarangan bagian atas. Hal tersebut dicurigakan disebabkan oleh tidak tersebar setelah meratanya distribusi udara setelah adanya penyempitan tenggorokan kiln, yang tidak mencapai bagian dinding kiln ruang pengarangan atas yang mungkin disebabkan oleh diameter ruang pengarangan atas yang terlalu lebar. Oleh karena itu, penambahan lubang udara sebanyak 4 buah diletakkan pada bagian tenggorokan kiln, diharapkan untuk memberikan asupan udara bagi peningkatan aliran udara sebelum nantinya akan didistribusikan menuju ruang pengarangan atas. Penambahan lubang udara sebanyak 4 buah pada bagian kerucut atas ruang pengarangan atas kiln juga dilakukan untuk memberikan asupan udara dari luar guna membantu distribusi panas yang berasal dari bagian ruang pengarangan bawah kiln.
Gambar 17 Kiln saat pengujian pendahuluan (kiri) dan pengujian inti (kanan) Dapat dilihat pada Gambar 16 terdapat perbedaan perlakuan pada pengujian kinerja pendahuluan dan pengujian kinerja inti. Pengujian kerja pendahuluan masih menggunakan delapan buah keran udara yang tersebar, sebanyak empat buah keran udara pada ruang pengarangan bagian bawah kiln dan empat buah keran udara pada bagian ruang pengarangan atas kiln. Penambahan delapan buah lubang udara diiringi dengan pelepasan delapan buah keran udara terdahulu yang ada pada kiln. Hal ini ditujukan untuk memberikan aliran udara yang cukup untuk masuk ke dalam rongga-rongga yang ada diantara bahan baku cangkang kelapa sawit, tanpa terhambat oleh saluran keran. Hasil pengujian pendahuluan dan pengujian inti dari kinerja pengarangan kiln dapat dilihat pada Tabel 4 dan Tabel 5. Perhitungan mengenai penggunaan lubang udara pada kiln dapat dilihat pada Lampiran 2b.
30
30
Tabel 4 Hasil pengujian pendahuluan kinerja kiln Bahan Baku
Uji ke-
Proses Pengarangan Suhu Lama Suhu Massa RataWaktu Tertinggi Arang Rata (menit) (°C) (kg) (°C)
Massa (kg)
Bentuk Cangkang Kelapa Sawit
1.
10.5
Kecil-kecil dan berserabut
180
282.18
464
2.
12
Kecil-kecil dan berserabut
190
227.83
271
Produk Arang Massa Tidak Matang Merata (kg)
Rendemen (%)
2.8
2.1
33.33
2.9
2.5
26.31
Kualitas Arang Patahan hitam mengkilap, berdenting Patahan hitam mengkilap,berdenting
Tabel 5 Hasil pengujian inti kinerja kiln Uji ke-
Massa (kg)
1.
11
2.
10.5
3.
10
4.
10.5
5.
10.5
6.
10.5
7.
10
Bahan Baku Bulk Bentuk density Cangkang (kg/m3) Kecil 385 berserabut Kecil 326 berserabut Sedang 318.3 berserabut Kecil 366 berserabut Sedang 415 berserabut Kecil 342.5 berserabut Sedikit 404.2 berserabut
Proses Pengarangan Lama Suhu Suhu RataWaktu Tertinggi Rata (°C) (menit) (°C)
Massa Arang (kg)
Massa Tidak Matang Merata (kg)
Produk Arang Nilai Rendemen Kalor (%) (kJ/kg) 20,206 36.19
240
359.94
513
3.8
0.5
180
350.84
424
3.5
0.4
34.65
130
469.04
635
3.0
-
30
210
440.12
514
3.2
-
30.47
160
388.21
463
3.1
0.2
30.09
280
318.74
565
3.2
-
30.47
160
512.82
682
3.1
-
31
21,785 22,961 22,961 26,095 24,927 26,586
Kualitas Arang Patahan hitam mengkilap, berdenting Patahan hitam mengkilap, berdenting Patahan hitam mengkilap, berdenting Patahan hitam mengkilap, berdenting Patahan hitam mengkilap, berdenting Patahan hitam mengkilap, berdenting Patahan hitam mengkilap, berdenting
31
Suhu tertinggi yang dicapai pada pengujian pendahuluan pertama adalah 464°C, dengan suhu rata-rata selama proses adalah 282.18°C selama 180 menit proses pengarangan. Sedangkan suhu tertinggi yang dicapai pada pengujian pendahuluan kedua hanya 271°C dengan rataan suhunya 227.83 selama 190 menit proses pengarangan. Rendemen yang dihasilkan pada pengujian pendahuluan kedua juga lebih sedikit dibandingkan pengujian pendahuluan pertama, yaitu 26.31% dibandingkan dengan 33.33%. Dilihat dari banyaknya cangkang kelapa sawit yang tidak merata terarangkan pada pengujian pendahuluan kedua dengan menggunakan 12 kg bahan baku cangkang kelapa sawit, maka massa yang digunakan pada pengujian inti harus lebih kecil dari 12 kg. Hal tersebut disebabkan oleh panas yang tidak menyebar secara merata bila ruang pengarangan kiln menampung beban operasional sebanyak 12 kg cangkang kelapa sawit. Penyebaran panas yang tidak merata menyebabkan tingkat suhu yang rendah pada ruang pengarangan selama proses, dan menyebabkan massa cangkang kelapa sawit yang tidak matang lebih banyak dibandingkan apabila kiln hanya diberikan beban 10 kg cangkang kelapa sawit. Hal ini menjadi alasan mengapa digunakan sebanyak 10 hingga 11 kg cangkang kelapa sawit sebagai bahan baku pengarangan pada pengujian kinerja kiln, untuk mencegah terlalu penuhnya ruang pengarangan oleh cangkang kelapa sawit sehingga menyebabkan hasil pengarangan yang tidak matang merata. Penampakan ruang pengarangan saat 2/3 bagiannya diisi oleh bahan baku cangkang kelapa sawit dapat dilihat pada Gambar 18.
Gambar 18 Cangkang kelapa sawit memenuhi 2/3 ruang pengarangan Kassa pemerata diletakkan terlebih dahulu di dalam ruang pengarangan sebelum seluruh bahan baku cangkang kelapa sawit dimasukkan ke dalam ruang pengarangan dan memenuhi 2/3 ruangnya seperti pada Gambar 15. Setelah seluruh cangkang kelapa sawit dimasukkan, bahan bakar pemantik (bonggol jagung dan serabut kelapa sawit) yang telah dibasahi menggunakan solar dibakar dan dimasukkan ke dalam kassa pemerata secara merata. Harus dipastikan bahwa api yang berasal bahan bakar pemantik yang dibakar di awal proses tetap menyala ketika telah sampai pada dasar kassa pemerata. Setelah dipastikan bahwa nyala api sudah cukup besar untuk membakar bahan baku cangkang kelapa sawit yang berada di sekitar kassa pemerata, terutama pada bagian bawah ruang pengarangan, api dibiarkan menyala kurang lebih 10 hingga 15 menit untuk membiarkan cangkang kelapa sawit pada bagian bawah ruang pengarangan mulai terbakar. Nyala api pada awal proses pembakaran bahan bakar pemantik dapat dilihat pada Gambar 19.
32
Gambar 19 Nyala api pada proses pembakaran bahan bakar pemantik Ruang pengarangan dari kiln dapat dipenuhi oleh total 12 kg cangkang kelapa sawit hingga batas hampir penuh, namun hal tersebut menyebabkan ruang pengarangan yang terlalu padat dan tidak memiliki rongga udara yang cukup untuk proses pengarangan. Bentuk dari cangkang kelapa sawit yang digunakan pada penelitian ini berukuran seperti batu kerikil kecil-kecil, dengan apabila cangkang kelapa sawit dan melengkung. Bentuk dari cangkang kelapa sawit yang kecil dan pipih lengkung ini menghasilkan rongga udara yang sedikit diberikan oleh tumpukannya. Komposisi dari cangkang kelapa sawit yang digunakan pada penelitian ini juga masih mengandung banyak serabut, sehingga memiliki massa yang lebih sedikit apabila dibandingkan dengan cangkang kelapa sawit yang utuh dalam ukuran yang sama. Bentuk dari cangkang kelapa sawit yang kecil dan memiliki porositas sangat kecil ini menyebabkan kurangnya asupan udara apabila ruang pengarangan terisi penuh, oleh karena itu jumlah massa bahan baku cangkang kelapa sawit yang dipilih untuk digunakan hanya berkisar 10 hingga 11 kg. Bulk density atau massa jenis curah yang dimiliki oleh cangkang kelapa sawit yang digunakan juga bervariasi antara 318.3-415 kg/m3. Hubungan antara bulk density, massa bahan baku cangkang kelapa sawit, suhu capaian tertinggi, rendemen arang serta arang tidak merata kematangannya pada pengujian kinerja inti dapat dilihat pada Gambar 20. Berdasarkan pada Gambar 20, jumlah massa bahan baku cangkang kelapa sawit diarangkan yang menghasilkan hasil pengarangan optimum dengan tidak adanya jumlah arang yang tidak matang secara merata adalah pada uji kinerja ketiga, keempat, dan keenam, dan ketujuh dengan masing-masing massa bahan baku cangkang kelapa sawit yang digunakan adalah 10 kg, 10.5 kg, 10.5, dan 10 kg. Suhu tertinggi yang dicapai adalah 635°C, 463°C, 565°C, dan 682°C, dengan suhu rata-rata tercapai adalah 469.04°C, 440.12°C, 318.74°C, dan 512.82°C. Massa arang yang dihasilkan untuk ketiga pengujian tersebut secara berturut-turut adalah 3.0 kg, 3.2 kg, 3.2 kg, dan 3.1 kg. Jumlah rendemen untuk ketiga pengujian berturut-turut adalah 30%, 30.47%, 30.47%, dan 31%.
33
Proses pirolisis yang berlangsung pada suhu 240-350°C yang merupakan penguraian selulosa, 200-260°C yang merupakan penguraian hemiselulosa, dan pada puncaknya yaitu pada suhu 280-500°C merupakan penguraian lignin. Penguraian lignin inilah yang akan menghasilkan kadar karbon residu paling tinggi, sampai dengan 45.7% dari kadar fix carbon yang terkandung suatu material. Panas yang melebihi itu justru akan menguraikan material menjadi bentuk lain antara lain seperti synthetic gas dan juga memproduksi bio-oil (Antal 1995). Hal tersebut ditunjukkan oleh pengujian ketiga, keempat, dan keenam. Pengujian ketiga dengan suhu lebih dari 600°C menghasilkan rendemen arang yang lebih sedikit dibandingkan pengujian keempat dan keenam. Namun sebaliknya dengan pengujian ketujuh dengan suhu tertinggi yang tercapai adalah 682°C, rendemen yang dihasilkan justru lebih tinggi. Hal ini mungkin disebabkan oleh bentuk dari bahan baku cangkang kelapa sawit yang digunakan pada pengujian kinerja, dengan karakteristik lebih sedikit berserabut dibandingkan dengan pengujian ketiga, keempat, dan keenam. Serabut yang lebih sedikit dikandung oleh cangkang kelapa sawit menandakan bahwa sebanyak 10 kg cangkang kelapa sawit yang digunakan mengandung lebih banyak kadar komponen penyusun mirip kayu-kayuan dibandingkan dengan serabut, yang memiliki massa jenis lebih tinggi. Hal yang sama seperti menurut Antal (1995) ditunjukkan pula oleh pengujian kinerja pertama, kedua, dan kelima. Secara berturut-turut massa bahan baku cangkang kelapa sawit yang digunakan adalah 11 kg, 10.5 kg, dan 10.5 kg. Suhu yang dicapai secara berturut-turut untuk ketiga pengujian tersebut adalah 513°C, 424°C, dan 463°C, dengan rataan suhu yang tercapai adalah 359.94°C, 350.84°C, dan 388.21°C. Massa arang yang dihasilkan masing-masing adalah 3.8 kg, 3.5 kg, dan 3.2 kg, dengan jumlah arang yang tidak matang merata secara berturut-turut adalah 0.5 kg, 0.4 kg, dan 0.2 kg. Pengujian pertama dengan jumlah massa bahan baku cangkang kelapa sawit sebanyak 11 kg justru memiliki rendemen paling tinggi dibandingkan pengujian kedua dan kelima, namun jumlah massa arang yang tidak matang merata juga paling tinggi. Hal ini menandakan bahwa suhu tinggi yang dihasilkan oleh panas di dalam ruang pengarangan tidak terdistribusikan secara merata, sehingga ada cangkang kelapa sawit yang tidak mendapatkan suhu yang cukup untuk mengalami proses pirolisis. Hal ini juga sekaligus membuktikan bahwa kinerja dari kiln tidak akan optimum untuk memiliki beban operasional massa cangkang kelapa sawit yang melebihi 10.5 kg. Pengujian kedua dan kelima sama-sama membuktikan bahwa terdapat hubungan antara suhu dengan rendemen yang dihasilkan. Pengujian kedua dengan capaian suhu tertinggi 424°C memiliki rendemen 34.65% dengan jumlah massa arang yang tidak matang merata 0.4 kg, yang lebih tinggi dibandingkan dengan pengujian kelima dengan suhu capaian tertinggi 463°C dengan rendemen 30.47% dengan jumlah massa arang yang tidak matang merata 0.2 kg. Jumlah rendemen pada pengujian kedua yang lebih tinggi dibandingkan pengujian kelima tidak berarti menandakan bahwa pengujian kelima memiliki kinerja yang lebih baik, karena jumlah arang yang tidak matang meratanya justru lebih tinggi.
34
34
Grafik Hubungan antara Parameter-Parameter Pengukuran
404.2
512.82
565
3.1 0 31
10
3.2 0 30.47
10.5
3.1 0.2 30.09
10.5
3.2 0 30.47
160
342.5 280 318.74
388.21 463
160
210 10.5
30 3 0
10
3.5 0.4 34.65
130
180
100
10.5
3.8 0.5 36.19
200
415
366
469.04 318.3
326
240
300
359.94
385
400
11
Besaran
500
350.84 424
513
600
440.12 514
635
700
682
800
0 1
2
3
4
5
6
Uji Kinerja keMassa Bahan Baku (kg)
Bulk density (kg/m3)
Lama Proses (menit)
Suhu Tertinggi (°C)
Massa Arang (kg)
Massa Tidak Matang (kg) Rendemen (%)
Gambar 20 Grafik hubungan antara parameterparameter pengukuran
Suhu Rata-Rata (°C)
7
35
Jumlah rendemen arang yang lebih tinggi tidak selalu menandakan bahwa kualitas arang yang dihasilkan juga baik, karena masih ada satu lagi parameter nilai kalor yang dikandung arang yang harus dilihat. Namun jika dilihat dari suhu capaiannya, dari kedua pengujian ini diketahui bahwa capaian suhu yang lebih tinggi, dan masih dalam rentang 400-500°C, akan memberikan kemerataan kematangan yang lebih merata, dan juga diindikasikan oleh suhu rataan yang dicapai secara berturut-turut pengujian kedua dan kelima adalah 350.84°C dan 388.21°C. Capaian suhu tertinggi, rataan suhu selama proses, serta bentuk kepingan dari bahan baku cangkang kelapa sawit merupakan tiga hal berkaitan yang mempengaruhi waktu proses. Pengujian pertama, kedua, keempat, dan keenam, dengan bentuk bahan baku cangkang kelapa sawit yang berkeping kecil dan banyak berserabut, suhu capaian rata-rata tertinggi secara berturut-turutnya adalah 513°C, 424°C,514°C, 565°C, dengan suhu rataan masing-masingnya adalah 359.94°C, 350.84°C, 440.12°C, dan 318.74°C. Waktu proses dari masing-masing proses secara berturut-turut adalah 240 menit, 180 menit, 210 menit, dan 280 menit. Hal ini menunjukkan bahwa kepingan cangkang kelapa sawit dengan ukuran kecil dan berserabut akan memiliki porositas sangat rendah, yang mempengaruhi laju pengarangan. Seperti menurut hasil dari percobaan Yang (2005) yang menyatakan bahwa secara umum, partikel yang memiliki ukuran lebih besar akan memiliki laju pembakaran yang lebih besar pula, karena memiliki rasio stoikiometri air-to-fuel yang lebih besar. Rongga udara yang dimiliki oleh kepingan yang lebih besar akan memberikan laju pembakaran yang lebih besar pula. Hal tersebut ditunjukkan oleh percobaan ketiga, kelima, dan ketujuh dengan suhu capaian tertingginya berturut-turut adalah 635°C, 463°C, dan 682°C dengan rataan suhu masing-masingnya adalah 469.04°C, 388.21°C, dan 512.82°C. Waktu proses dari masing-masing proses secara berturutturut adalah 130 menit, 160 menit, dan 160 menit. Ketiga percobaan ini memiliki waktu proses yang kurang dari 180 menit, yang berarti lebih singkat dibandingkan percobaan pertama, kedua, keempat, dan keenam yang memiliki waktu proses lebih dari 180 menit. Bahan baku cangkang kelapa sawit pada percobaan ketiga, kelima, dan ketujuh memiliki ukuran sedang, yang juga menghasilkan suhu capaian lebih tinggi dibandingkan percobaan pertama, kedua, keempat, dan keenam. Laju pengarangan hasil kinerja dari kiln ini dihitung dari pembagian banyaknya cangkang kelapa sawit yang terarangkan dengan satuan waktu proses yang dibutuhkan. Jumlah massa cangkang kelapa sawit yang terarangkan merupakan pengurangan dari banyaknya cangkang kelapa sawit yang digunakan sebagai bahan baku pengarangan dengan jumlah massa cangkang kelapa sawit dengan kematangan pengarangan yang tidak merata. Laju pengarangan untuk percobaan yang menggunakan cangkang kelapa sawit dengan ukuran kepingan kecil-kecil dan berserabut berturut-turut pada percobaan pertama, kedua, keempat, dan keenam adalah 0.044 kg/menit, 0.056 kg/menit, 0.050 kg/menit, dan 0.038 kg/menit, sedangkan laju pengarangan untuk percobaan yang menggunakan cangkang kelapa sawit dengan ukuran kepingan sedang dan berserabut berturut-turut pada percobaan ketiga, kelima, dan ketujuh adalah 0.077 kg/menit, 0.064 kg/menit, dan 0.063 kg/menit. Grafik hubungan antara bentuk cangkang kelapa sawit dengan laju pengarangan dapat dilihat pada Gambar 21.
36
Grafik Hubungan Antara Bentuk Kepingan Cangkang Kelapa Sawit dengan Laju Pengarangan 800 700 600
Besaran
500 400
63
100
38
50
64
100
50
50
77
56
50
44
100
50
200
100
300
0
1
2
3
4 5 Uji Kinerja ke-
6
7
Bentuk Cangkang (50 = kecil, 100 = sedang) Lama Waktu (menit) Suhu Rata-Rata (°C) Suhu Tertinggi (°C) Laju Pengarangan (gram/menit)
Gambar 21 Grafik hubungan ukuran kepingan cangkang dengan laju pengarangan Perkembangan suhu dalam ruang pengarangan selama proses terus diamati dan dicatat pada interval 5 menit, dan grafik hubungan antara waktu dengan suhu ruang pengarangan dapat dilihat pada Gambar 22. Tingkat suhu yang dihasilkan selama proses pirolisis mengindikasikan proses yang sedang terjadi (Antal 1995). Peningkatan suhu secara cepat akan terjadi pada awal proses, dan akan mencapai titik capaian suhu tertinggi dalam penguraian zat-zat volatil dan akan turun hingga titik suhu terendah, dan kemudian penguapan zat-zat volatil akan terjadi hingga suhu akan meningkat kembali. Grafik hubungan antara waktu dengan suhu pada seluruh titik pengukuran dapat dilihat pada Lampiran 3.
Grafik Hubungan antara Waktu dengan Suhu
Suhu (°C)
800 700
Uji Inti 1
600
Uji Inti 2
500
Uji Inti 3
400
Uji Inti 4
300
Uji Inti 5
200
Uji Inti 6
100
Uji Inti 7
0 0
50
100
150
200
250
300
Waktu (menit)
Gambar 22 Grafik hubungan antara waktu dengan suhu selama proses
37
Ketika suhu dalam ruang pengarangan mulai stabil dan asap putih mulai menipis, hal tersebut mengindikasikan bahwa proses pirolisis telah selesai. Penampakan asap tebal pada awal proses pirolisis dan penipisan asap ketika proses pirolisis telah selesai dapat dilihat pada Gambar 23. Ketika proses pirolisis telah selesai, maka arang telah siap untuk dikeluarkan dari ruang pengarangan.
Gambar 23 Asap tebal pada awal proses (kiri) dan asap tipis pada akhir proses (kanan) Produk arang hasil pengarangan dengan menggunakan kiln hasil perancangan ini kemudian diuji nilai kalornya untuk mengetahui kualitas dari arang tersebut untuk digunakan sebagai bahan bakar. Hubungan dari beberapa karakteristik proses pengarangan dengan nilai kalor yang terkandung oleh arang hasil proses dapat dilihat pada Tabel 6. Tabel 6 Hubungan antara beberapa karakteristik proses dan nilai kalor arang Laju Uji Suhu Tertinggi Suhu Rata-Rata Nilai Kalor Pengarangan ke(°C) (°C) (kJ/kg) (gram/menit) 44 20,206 1 513 359.94 56 21,785 2 424 350.84 77 22,961 3 635 469.04 50 22,961 4 514 440.12 64 26,095 5 463 388.21 38 24,927 6 565 318.74 63 26,586 7 682 512.82 Berdasarkan data pada Tabel 6, tidak terlihat adanya hubungan signifikan antara suhu dan laju pengarangan terhadap nilai kalor yang terkandung pada produk akhir arang. Namun dengan melihat nilai kalor yang terkandung pada arang cangkang kelapa sawit, nilai kalor tersebut lebih besar jika dibandingkan dengan kandungan nilai kalor dari cangkang kelapa sawit yaitu 20,093 kJ/kg (BATAN 2012), juga secara garis besar peningkatan suhu yang terjadi terlihat mempengaruhi
38
nilai kalor yang juga meningkat. Dari hasil uji nilai kalor dari arang cangkang kelapa sawit yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa proses pengarangan (karbonisasi) dari cangkang kelapa sawit menjadi arang dapat meningkatkan kandungan nilai kalor dari cangkang kelapa sawit. Berkaitan dengan pengadaptasian prinsip venturimeter yang telah digunakan sebelumnya pada rancangan Hasanah (2013), kemudian dilakukan perbandingan kinerja kiln hasil perancangan dengan kiln venturi drum yang telah diuji oleh Hasanah (2013). Perbandingan keduanya dapat dilihat pada Tabel 7. Kiln venturi drum Hasanah (2013) terbuat dari plat besi berketebalan 2 mm, dengan ruang pengarangan menyerupai venturimeter berukuran diameter bawah 60 cm, diameter tengah 31 cm, diameter atas 51 cm, dengan kapasitas 12.45 kg hingga 15 kg. Kiln venturi drum memiliki laci pembakaran pada bagian bawah sebagai tempat pembakaran awal bahan bakar suplai panas utama, dan memiliki kassa pemerata udara berjumlah satu buah dengan diameter 7.5 cm dan tinggi 60 cm. Lubang udara dengan ukuran diameter 0.02 m sebanyak 7 buah diletakkan tersebar pada dinding ruang pembakaran awal dan ruang pengarangan di bagian kerucut dan tenggorokan kiln dengan sistem pengendalian aliran udara dengan buka tutup lubang udara (kran). Tabel 7 Perbandingan kinerja kiln venturi untuk cangkang kelapa sawit dengan kiln venturi drum Hasanah (2013) Kiln Venturi untuk Kiln Venturi Drum Parameter Perbandingan Cangkang Kelapa Hasanah (2013) Sawit Bahan yang diarangkan Cangkang kelapa sawit Tempurung kelapa Kapasitas optimum (kg) 10 12.45 Lama pengarangan (menit) 160 70 Redemen (%) 31 24 Suhu pengarangan rata-rata 512.82 908.56 (oC) Nilai kalor arang (kJ/kg) 26,568 36,151.6 Keterangan: kinerja yang dibandingkan merupakan hasil uji kinerja yang paling optimum pada uji kinerja masing-masing kiln
Bila dibandingkan dengan kinerja rancangan kiln venturi drum Hasanah (2013), maka kiln dengan prinsip kerja yang sama yaitu penerapan mekanisme venturimeter untuk pengarangan cangkang kelapa sawit ini lebih baik dalam hal rendemen arang yang dihasilkan. Hal tersebut disebabkan oleh capaian suhu ratarata yang lebih rendah dan waktu pengarangan yang lebih lama, menghasilkan rendemen arang yang lebih tinggi dibandingkan Hasanah (2013). Waktu proses pengarangan lebih lama yang dihasilkan kiln perancangan untuk bahan baku cangkang kelapa sawit ini juga disebabkan oleh karakteristik cangkang kelapa sawit itu sendiri dengan porositas yang rendah dengan bentuk partikel yang lebih kecil dibandingkan dengan tempurung kelapa. Kiln venturi drum Hasanah (2013) dengan suhu pengarangan tinggi dan rendemen rendah menghasilkan arang tempurung kelapa yang cocok untuk digunakan sebagai arang aktif, sedangkan kiln perancangan untuk cangkang kelapa sawit ini menghasilkan arang yang lebih cocok untuk dijadikan sebagai bahan bakar substitusi dalam kegiatan rumah tangga.
39
Hasil proses pirolisis lambat, atau yang biasa disebut dengan proses karbonisasi yang menghasilkan arang pada rentang suhu 500°C dapat menjadi bahan bakar (biofuel) atau bahan awalan untuk pembuatan karbon aktif, yang nantinya akan melalui proses aktivasi kembali pada suhu 800-900°C (Balitbang Pertanian 2011). Selain berguna sebagai bahan bakar biomassa, arang yang kemudian diaktivasi menjadi arang aktif dapat juga berfungsi untuk meningkatkan kualitas lingkungan, dengan memperbaiki sifat fisik, kimia, dan hayati tanah. Menurut Balitbang Pertanian (2011), arang aktif efektif dalam meningkatkan agregat tanah dan kemampuan tanah mengikat air, menurunkan kekerasan tanah, dan berpengaruh terhadap peningkatan aktivitas mikroorganisme tanah. Penggunaan arang aktif dalam budidaya tanaman pertanian juga dapat menurunkan residu pestisida dalam tanah, air, dan produk pertanian.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Kiln yang dirancang memiliki bagian-bagian utama yaitu ruang pengarangan, pintu loading, pintu unloading, kassa pemerata, cerobong asap, dan juga kaki penyangga. Hasil perancangan dapat dilihat pada Lampiran 1. Kapasitas optimum dari kiln hasil perancangan ini berkisar antara 10-10.5 kg dengan laju pengarangan 0.038-0.077 kg/menit (2.28-4.62 kg/jam) dengan menghasilkan rendemen arang optimum sebanyak 30-31% (3.0-3.1 kg arang). Lama pengarangan berkisar antara 130-280 menit, dengan capaian suhu pirolisis rata-rata 318.74-512.82°C dan suhu tertinggi 424-682°C. Bulk density dan bentuk dari kepingan cangkang kelapa sawit sangat mempengaruhi karakteristik proses yang berlangsung. Proses penggunaan dari kiln ini dinilai tidak menyulitkan bagi operator, dikarenakan proses loading dilakukan sekaligus dari seluruh bahan baku ke dalam ruang pengarangan pada awal proses. Setelah seluruh bahan baku dimasukkan dan bahan bakar pemantik telah menyalakan, hanya perlu menunggu sekitar 15 menit untuk kemudian menutup pintu loading dan merekatkannya dengan sealer gasket. Tidak diperlukan kontrol yang terlalu ketat selama proses pengarangan berlangsung, hanya perlu dipastikan bahwa proses pengarangan terus berlangsung dengan ditandai oleh asap tebal yang masih keluar dari cerobong asap. Proses dianggap telah selesai bila asap yang keluar dari cerobong asap telah menipis, dan kemudian arang telah siap untuk dikeluarkan melalui pintu unloading. Saran Berdasarkan hasi pengujian kinerja dari kiln, sekiranya terdapat beberapa saran yang berkaitan dengan peningkatan kinerja dari kiln ini. Dapat dilakukan pengaturan aliran udara yang masuk ke dalam ruang pengarangan, sehingga laju pengarangan yang dihasilkan dapat lebih baik daripada laju pengarangan yang dihasilkan dari rancangan yang telah ada saat ini, serta kemerataan kematangan dari produk arang yang dihasilkan dapat lebih sempurna.
40
Modifikasi dari pengaturan aliran udara yang masuk dapat dilakukan dengan penambahan lubang udara pada bagian ruang pengarangan, terutama pada bagian atas ruang pengarangan kiln untuk memastikan bahwa panas yang berasal dari bagian bawah kiln dapat terdistribusikan dengan baik hingga bagian atas dari kiln. Modifikasi dari bentuk, ukuran, dan jumlah dari kassa pemerata yang digunakan di dalam ruang pengarangan juga dapat lebih disesuaikan dengan bentuk dan ukuran dari kiln untuk memberikan cadangan udara yang menghasilkan kematangan arang yang lebih merata. Proses penelitian lebih lanjut mengenai modifikasi terhadap cerobong asap dari kiln juga mungkin dapat dilakukan, terkait dengan asap hasil proses pirolisis yang masih dapat dikondensasikan menjadi asap cair. Simulasi panas pada kiln juga sekiranya dapat diteliti lebih lanjut dengan menggunakan aplikasi Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk mengetahui sebaran suhu di dalam kiln dan memberikan dasar perancangan maupun modifikasi yang lebih baik terhadap kiln ini.
DAFTAR PUSTAKA Abdullah et al. 1998. Energi dan Listrik Pertanian. JICA. Bogor. Agustina SE. 2007. Potensi limbah produksi biofuel sebagai bahan bakar alternatif. Konferensi Nasional 2007 – Pemanfaatan Hasil Samping Industri Biodiesel dan Industri Etanol Serta Peluang Pengembangan Industri Integratednya. Agustina SE. 2013. Teknologi pirolisis. Kuliah Teknik Konversi Energi Terbarukan. Bogor: IPB. Antal Jr MA, Varhegyi G. 1995. Cellulose pyrolysis kinetics: the current state of knowledge. Ind. Eng. Chem. Res 34:703-717 [Balitbang Pertanian] Badan Litbang Pertanian. 2011 Arang aktif meningkatkan kualitas lingkungan. Jurnal Sinartani: Agroinovasi 3400(1): 10-11. [BATAN] Badan Tenaga Nuklir Nasional. 2012. Pemanfaatan limbah industri kelapa sawit untuk bahan bakar. [terhubung berkala] http://batan.go.id [28 Desember 2013] [DEPTAN] Departemen Pertanian. 2012. Produksi kelapa sawit. [terhubung berkala] http://pertanian.go.id [28 Desember 2013] [Ditjen PPHP DEPTAN] Direktorat Jenderal Pengolahan dan Pengembangan Hasil Pertanian, Departemen Pertanian. 2006. Pedoman pengelolaan limbah industri kelapa sawit. [terhubung berkala] http://pphp.deptan.go.id [28 Desember 2013] El Bassam N, Maegaard P. 2004. Integrated Renewable Energy for Rural Communities: Planning Guidelines, Technologies and Applications. Amsterdam: Elsevier B.V. Hasan M, Hashim S. 1990. Determination of the specific heat of oil palm fruit bunch. Journal of Planter 66(771):282-290. ISSN: 0126-575X Hasanah N. 2013. Skripsi. Rancangan dan Uji Kinerja Kiln Metal Tipe Venturi Drum Untuk Pengarangan Tempurung Kelapa. Bogor: IPB Press.
41
[KEMENPERIN] Kementrian Pertanian. 2012. Laporan kinerja sektor industri dan kinerja kementrian perindustrian tahun 2012. [terhubung berkala] http://kemenperin.go.id [28 Desember 2013] [KEMENRISTEK] Kementrian Riset dan Teknologi. 1999. Proyek sistem informasi iptek nasional guna menunjang pembangunan. [terhubung berkala] http://dekindo.com [28 Januari 2014] Moran J, Shapiro NM. 2006. Fundamentals of Engineering Thermodynamics 5th Edition. West Sussex: John Wiley & Sons Ltd. Munson, Bruce R, Donald F. Young, dan Theodore H. Okiishi. 2005. Mekanika Fluida: Jilid Keempat. Jakarta: Erlangga. Najib L, Darsopuspito S. 2012. Karakterisasi proses gasifikasi biomassa tempurung kelapa sistem downdraft kontinyu dengan variasi perbandingan udara-bahan bakar (AFR) dan ukuran biomassa. Jurnal Teknik ITS. 1(1):12-15. ISSN: 2301-9271 Nurmala H, Hartoyo. 1990. Pembuatan arang aktif dari tempurung biji-bijian asal tanaman hutan dan perkebunan. J Lit Hasil Hutan 8:45-50. [OECD] Organization for Economic Co-Operation and Development , Paris. 1982. The energy problem and the agro-food sector. Perry RH, Chilton CH. 1973. Chemical Engineers Handbook. New York: McGraw Hill. Pope JP. 1999. Activated Carbon and Some Application for Remediation of Soil and Ground Water Pollution. Virginia: Civil Engineering Dept. Virginia Tech. Potter MC, W. Somerton C. 2011. Termodinamika Teknik: Edisi Kedua. Jakarta: Erlangga. Setiawan Y. 2010. Karakteristik char sampah organik dan anorganik hasil pirolisis. Seminar Nasional Teknik Mesin UMY 2010. Yang BY et al. 2005. Effect of fuel properties on biomass combustion. Part II. Modelling approach-identification of the controlling factors. Jurnal of Fuel 84:2116-2130
42
Lampiran 1 Rangkaian rancangan kiln
43
44
45
46
47
Lampiran 2 Perhitungan lubang udara dan cerobong asap a. Perhitungan Perancangan Cerobong Asap Kecepatan udara terendah wilayah Leuwikopo, Dramaga Qud = 0.006 m3/s 𝑄𝑢𝑑 A cerobong asap = 𝑣 =
= 0.6 m/s
0.006 𝑚3 /𝑠 0.6 𝑚/𝑠
= 0.01 m2 A = 0.25 * π * d2 0.01 m2 = 0.25 * π * d2 d = 11 cm Untuk mengurangi tekanan asap yang keluar dari cerobong asap maka akan ditingkatkan kecepatan aliran asap keluar dengan memperpanjang tinggi cerobong asap dan mengecilkan ukuran diameter cerobong (memberikan perubahan permukaan aliran secara mendadak) maka dirancang diameter cerobong 5 cm dengan tinggi 10 cm
b. Perhitungan Perancangan Lubang Udara Kebutuhan input udara = 0.006 m3/detik = 6000 cm3/detik Diameter lubang udara = 0.5 inchi = 1.27 cm A lubang udara = 0.25 * π * (1.27 cm)2 = 1.2667 cm2 Jumlah lubang udara yang digunakan = 16 buah Luas total seluruh lubang udara = 16 * 1.2667 cm2 = 20.2672 cm2 Kecepatan angin wilayah Leuwikopo Dramaga = 0.6 – 1.5 m/s (60 – 150 m/s) Input udara yang dihasilkan dari lubang udara = 20.2672 cm2 * 110 cm/s = 2229.392 m3/s = 37% dari kebutuhan input udara Melihat rancangan dari kiln yang memiliki perbandingan tekanan ruang pengarangan bawah dengan tekanan ruang pengarangan atas yaitu 2.15:1, input udara yang dihasilkan sebanyak 37% dari kebutuhan input udara telah cukup untuk nantinya akan dialirkan dengan percepatan yang dihasilkan oleh efek Venturimeter dari bentuk ruang pengarangan kiln.
48
Lampiran 3 Grafik hubungan waktu terhadap suhu pengujian kinerja inti kiln
Catatan peletakkan titik pengukuran suhu: Dinding bawah : Menggunakan termokopel CA, diletakkan pada dinding bagian luar ruang pengarangan bawah kiln Dinding tengah : Menggunakan termokopel CA, diletakkan pada dinding bagian luar pengarangan tengah kiln (tenggorokan kiln) Dinding atas : Menggunakan termokopel CA, diletakkan pada dinding bagian luar ruang pengaranan atas kiln Cerobong asap : Menggunakan termokopel CA, diletakkan pada mulut cerobong asap Dalam bawah : Menggunakan termokopel K batang, diletakkan di dalam ruang pengarangan bawah dan menyentuh bahan (cangkang kelapa sawit) Dalam atas : Menggunakan termokopel K batang, diletakkan di dalam ruang pengarangan atas dan tidak menyentuh bahan (cangkang kelapa sawit)
Hubungan Suhu Terhadap Waktu Uji Kinerja 11 Mei 2014 700 600
Suhu (°C)
500 Dinding Bawah 400
Dinding Tengah Dinding Atas
300
Cerobong Asap Dalam Bawah
200
Dalam Atas 100 0 0
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300
Waktu (Menit)
Gambar 24 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 1
49
Hubungan Suhu Terhadap Waktu Uji Kinerja 12 Mei 2014 700 600
Suhu (°C)
500 Dinding Bawah 400
Dinding Tengah Dinding Atas
300
Cerobong Asap Dalam Bawah
200
Dalam Atas 100 0 0
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300
Waktu (Menit)
Gambar 25 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 2
Hubungan Suhu Terhadap Waktu Uji Kinerja 14 Mei 2014 700 600
Suhu (°C)
500 Dinding Bawah 400
Dinding Tengah Dinding Atas
300
Cerobong Asap Dalam Bawah
200
Dalam Atas 100
0 0
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300
Waktu (Menit)
Gambar 26 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 3
50
Hubungan Suhu Terhadap Waktu Uji Kinerja 15 Mei 2014 700 600
Suhu (°C)
500 Dinding Bawah 400
Dinding Tengah Dinding Atas
300
Cerobong Asap Dalam Bawah
200
Dalam Atas 100 0 0
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300
Waktu (Menit)
Gambar 27 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 4
Hubungan Suhu Terhadap Waktu Uji Kinerja 17 Mei 2014 700 600
Suhu (°C)
500 Dinding Bawah 400
Dinding Tengah Dinding Atas
300
Cerobong Asap Dalam Bawah
200
Dalam Atas 100
0 0
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300
Waktu (Menit)
Gambar 28 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 5
51
Hubungan Suhu Terhadap Waktu Uji Kinerja 18 Mei 2014 700 600
Dinding Bawah 400
Dinding Tengah Dinding Atas
300
Cerobong Asap Dalam Bawah
200
Dalam Atas 100 0 0
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300
Waktu (Menit)
Gambar 29 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 6
Hubungan Suhu Terhadap Waktu Uji Kinerja 19 Mei 2014 700 600 500
Suhu (°C)
Suhu (°C)
500
Dinding Bawah 400
Dinding Tengah Dinding Atas
300
Cerobong Asap Dalam Bawah
200
Dalam Atas 100
0 0
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300
Waktu (Menit)
Gambar 30 Grafik hubungan waktu dengan suhu uji kinerja inti 7
52
Lampiran 4 Panas yang terbuang pada kiln Radiasi ruang pengarangan bawah A = 2πrt + πr2 + (π * (r1 + r2) * s) = 2*π*20*5 + π*(20)2 + (π*(20+10)*20) = 628.31 cm2 + 1256.63 cm2 + 1884.95 cm2 = 3769.89 cm2 Emisivitas = 0.6 𝜎 = 5.67 * 10-12 W/cm2.K4 T dinding tertinggi = 537 K T luar = 302 K 𝑞̇ = Emisivitas*𝜎*A*(T dinding4-T luar4) = 0.6*5.67*10-12*3769.89*(5374-3024) = 959.58 J/s Konveksi ruang pengarangan bawah A = (π * (r1 + r2) * s) + π*d*t = π*(20+10)*20 + π*20*5 = 1884.95 + 314.16 =2199.11 cm2 = 0.22 m2 V udara = 0.6 m/s Rho udara = 1.2 kg/m3 Cp udara = 1.152 kJ/kg.oC T udara masuk (suhu dinding pengarangan bawah) = 537 K = 264oC T udara keluar (suhu cerobong asap) = 378 K = 105oC Laju udara masuk 𝑞̇
= V udara * A * rho udara = 0.6 m/s * 0.22 m2 * 1.2 kg/m3 = 0.1584 kg/s = 570.24 kg/jam = m*Cp*(T udara masuk – T udara keluar) = 570.24 kg/jam * 1.152 kJ/kg.oC * ( 264oC-105oC) = 104449.7 kJ/jam = 29.1 kJ/s = 29100 J/s
Terlihat dari perhitungan radiasi dan konveksi panas yang hilang pada kiln bahwa cukup banyak panas yang terbuang, dan menghasilkan perbedaan suhu yang cukup tinggi (gradient suhu) antara suhu ruang pengarangan bawah dengan ruang pengarangan atas. Hal ini dapat diatasi dengan pengaturan aliran udara yang lebih baik pada ruang pengarangan sehingga panas yang berada di dalam kiln dapat terdistribusikan dengan baik dan termanfaatkan secara merata pada seluruh bagian ruang pengarangan atas maupun bawah yang akan menghasilkan laju pengarangan lebih besar dan kematangan arang hasil pirolisis yang lebih merata.
53
Lampiran 5 Data sebaran suhu pengujian kinerja inti kiln Data sebaran suhu pengujian kinerja inti 1 Kec. Angin Menit Waktu kedan Suhu Lingkungan 0.37 m/s 28.3 °C
0.34 m/s 30.1 °C
0.87 m/s 30.3 °C
0.29 m/s 31.4 °C
0.38 m/s 31.5 °C
0.37 m/s 31.8 °C
12:15 12:20 12:25 12:30 12:35 12:40 12:45 12:50 12:55 13:00 13:05 13:10 13:15 13:20 13:25 13:30 13:35 13:40 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 14:25 14:30 14:35 14:40 14:45 14:50 14:55 15:00 15:05 15:10
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175
T Dinding Bawah (oC)
T Dinding Tengah (oC)
T Dinding Atas (oC)
T Cerobong Asap (oC)
T Dalam Bawah (oC)
T Dalam Atas (oC)
115 105 127 105 97 90 88 85 79 75 73 70 71 72 69 68 66 67 68 68 69 71 79 84 89 89 92 91 92 88 95 98 94 98 100 100
160 158 117 98 88 78 80 77 71 64 64 67 72 68 70 70 65 64 65 63 61 63 69 76 78 74 78 76 76 76 77 78 78 83 80 80
34 34 33 33 33 36 39 37 37 35 35 34 35 35 34 34 35 34 34 35 34 34 33 34 34 35 34 33 34 33 34 35 34 35 34 34
55 40 35 35 39 40 39 38 35 38 39 40 38 35 35 35 36 35 35 35 35 35 36 36 36 36 32 37 37 36 37 37 37 37 37 37
513 499 471 447 419 399 392 382 370 357 340 335 324 312 295 282 275 282 310 313 338 389 412 417 409 428 413 411 408 386 392 417 408 380 359 349
111 147 142 124 114 104 102 100 96 88 84 84 84 82 89 83 79 76 75 74 74 75 75 78 80 82 85 83 83 85 87 87 87 86 86 87
54
0.81 m/s 31.0 °C
0.66 m/s 30.7 °C
0.23 m/s 30.5 °C
15:15 15:20 15:25 15:30 15:35 15:40 15:45 15:50 15:55 16:00 16:05 16:10 16:15
180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240
94 96 95 94 93 96 95 95 91 91 95 98 97
79 80 78 80 78 78 78 80 78 80 80 79 82
34 34 35 36 35 33 33 34 33 33 33 33 33
37 37 36 36 36 36 36 36 35 35 35 35 35
349 338 330 320 309 308 298 296 288 288 292 299 289
88 87 86 86 84 83 83 82 82 80 81 80 80
Data sebaran suhu pengujian kinerja inti 2 Kec. Angin dan Suhu Lingkungan 0.68 m/s 29.9 °C
0.37 m/s 32.0 °C
0.29 m/s 33.2 °C
0.34 m/s 32.9 °C
Waktu
Menit ke-
T Dinding Bawah (oC)
T Dinding Tengah (oC)
T Dinding Atas (oC)
T Cerobong Asap (oC)
T Dalam Bawah (oC)
T Dalam Atas (oC)
11:50 11:55 12:00 12:05 12:10 12:15 12:20 12:25 12:30 12:35 12:40 12:45 12:50 12:55 13:00 13:05 13:10 13:15 13:20 13:25 13:30 13:35 13:40 13:45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115
114 86 81 80 80 82 88 81 88 82 86 85 84 81 78 72 76 69 68 66 64 61 59 57
120 88 80 82 81 64 86 73 83 61 74 70 71 63 61 59 58 53 54 50 49 46 42 46
44 41 41 39 39 42 40 38 40 39 38 48 43 41 39 38 40 44 43 42 42 39 38 36
74 142 100 48 54 60 69 51 80 63 64 62 65 73 52 48 52 60 55 48 46 52 49 41
407 397 395 394 401 409 416 416 419 424 422 416 412 383 366 358 354 347 339 336 332 329 327 326
85 113 110 101 99 100 100 100 99 99 97 94 89 84 79 76 76 73 70 57 57 65 64 62
55
0.35 m/s 33.3 °C
0.40 m/s 32.0 °C
1.53 m/s 29.8 °C
13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 14:25 14:30 14:35 14:40 14:45 14:50
120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180
62 60 62 59 63 60 63 65 62 60 63 60 56
48 41 46 45 48 46 52 48 49 50 53 49 46
43 43 37 36 38 35 40 37 38 36 34 39 31
45 42 42 40 42 49 46 40 42 41 40 43 38
324 324 326 325 323 321 309 297 279 270 257 252 249
61 61 59 58 58 57 58 61 57 56 60 59 57
Data sebaran suhu pengujian kinerja inti 3 Kec. Angin dan Suhu Lingkungan 0.22 m/s 31.6 °C
0.41 m/s 31.9 °C
0.42 m/s 30.8 °C
0.77 m/s 29.8 °C
Waktu
Menit ke-
T Dinding Bawah (oC)
T Dinding Tengah (oC)
T Dinding Atas (oC)
T Cerobong Asap (oC)
T Dalam Bawah (oC)
T Dalam Atas (oC)
13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 14:25 14:30 14:35 14:40 14:45 14:50 14:55 15:00 15:05 15:10 15:15 15:20 15:25 15:30 15:35 15:40 15:45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115
98 210 256 294 311 307 309 283 272 274 176 222 228 221 202 146 134 121 105 113 119 113 113 105
221 212 227 261 280 258 250 214 217 223 180 171 234 164 140 107 92 77 79 87 83 83 85 78
40 37 55 52 53 40 48 39 56 60 51 54 58 51 50 44 39 44 37 40 39 37 37 37
48 46 46 46 45 46 46 47 48 69 80 45 48 45 41 42 42 40 44 40 39 39 38 37
452 509 514 562 565 635 630 615 628 576 455 476 482 484 472 452 442 424 418 410 377 380 379 356
80 211 207 189 182 178 177 183 211 201 194 206 241 208 168 135 118 109 108 105 104 106 112 106
56
0.22 m/s 28.9 °C
15:50 15:55 16:00
120 125 130
107 107 103
77 82 77
39 38 38
36 35 35
348 329 294
105 103 103
Data sebaran suhu pengujian kinerja inti 4 Kec. Angin dan Suhu Lingkungan 0.47 m/s 30.2 °C
0.30 m/s 32.9 °C
0.87 m/s 27.4 °C
0.37 m/s 25.3 °C
0.27 m/s 24.7 °C
0.25 m/s 24.8 °C
Waktu
Menit ke-
T Dinding Bawah (oC)
12:50 12:55 13:00 13:05 13:10 13:15 13:20 13:25 13:30 13:35 13:40 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 14:25 14:30 14:35 14:40 14:45 14:50 14:55 15:00 15:05 15:10 15:15 15:20 15:25 15:30 15:35 15:40
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170
44 41 63 84 89 69 66 56 58 55 56 58 62 57 58 56 46 50 50 48 47 53 52 53 51 56 48 50 50 51 49 49 49 49 52
T T T Dinding Dinding Cerobong Tengah Atas Asap (oC) (oC) (oC) 51 44 56 67 71 70 70 67 63 68 65 71 69 74 73 69 65 76 71 72 77 80 72 79 70 68 61 61 68 69 67 70 72 70 66
61 46 56 60 56 52 49 47 45 44 44 46 44 43 43 41 38 40 39 39 38 41 39 40 37 39 32 35 38 39 38 39 40 39 40
38 100 158 175 150 132 126 118 109 107 107 105 98 95 121 110 90 88 90 93 107 93 90 89 88 88 90 90 102 84 85 85 84 86 81
T Dalam Bawah (oC)
T Dalam Atas (oC)
468 491 505 511 514 506 508 500 494 487 479 481 471 457 450 445 444 444 447 447 446 440 442 443 432 428 422 416 410 405 401 395 392 393 383
52 68 121 132 128 114 104 98 94 89 88 85 84 83 79 76 74 72 72 72 73 72 72 71 70 68 69 70 69 68 68 68 68 68 67
57
0.24 m/s 24.8 °C
15:45 15:50 15:55 16:00 16:05 16:10 16:15 16:20
175 180 185 190 195 200 205 210
51 56 53 50 54 56 54 55
64 64 58 56 59 61 57 58
39 39 35 35 34 35 34 35
75 77 76 74 75 75 76 75
381 383 386 400 391 397 393 397
64 63 63 62 61 61 61 61
Data sebaran suhu pengujian kinerja inti 5 Kec. Angin dan Suhu Lingkungan 0.38 m/s 28.6 °C
0.33 m/s 27.7 °C
0.21 m/s 27.8 °C
0.24 m/s 27.9 °C
0.21 m/s 27.7 °C
Waktu
Menit ke-
T Dinding Bawah (oC)
T Dinding Tengah (oC)
T Dinding Atas (oC)
T Cerobong Asap (oC)
12:30 12:35 12:40 12:45 12:50 12:55 13:00 13:05 13:10 13:15 13:20 13:25 13:30 13:35 13:40 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 14:25 14:30 14:35 14:40 14:45 14:50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140
50 80 70 61 69 64 59 57 60 57 57 58 57 58 60 57 60 72 81 77 86 109 101 92 91 77 76 73 71
57 80 55 45 54 42 43 42 45 40 42 41 42 45 46 50 61 84 60 48 48 59 65 78 75 62 60 57 53
48 41 38 36 39 34 34 32 33 32 34 32 34 35 34 36 37 40 35 34 33 38 39 45 41 36 35 35 33
40 40 38 38 37 35 34 34 33 33 33 33 32 35 34 36 38 41 38 36 37 40 37 35 35 33 33 33 33
T T Dalam Dalam Bawah Atas (oC) (oC) 463 448 415 403 401 387 407 416 424 435 431 417 395 384 375 377 380 379 365 339 357 348 355 361 368 368 369 371 373
97 170 147 126 113 98 92 89 95 82 81 79 85 100 95 106 115 125 169 133 138 159 141 124 99 93 88 85 82
58
0.55 m/s 26.7 °C
14:55 15:00 15:05 15:10
145 150 155 160
72 72 70 68
58 57 55 53
36 34 34 33
32 32 32 32
375 374 375 376
82 80 77 76
Data sebaran suhu pengujian kinerja inti 6 Kec. Angin dan Suhu Lingkungan 1.36 m/s 31.5 °C
0.57 m/s 30.6 °C
0.47 m/s 31.3 °C
0.27 m/s 32.5 °C
0.29 m/s 29.8 °C
0.46 m/s 28.6 °C
Waktu
Menit ke-
T Dinding Bawah (oC)
11:45 11:50 11:55 12:00 12:05 12:10 12:15 12:20 12:25 12:30 12:35 12:40 12:45 12:50 12:55 13:00 13:05 13:10 13:15 13:20 13:25 13:30 13:35 13:40 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 14:25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160
160 169 184 156 147 143 137 124 122 115 110 110 111 80 74 71 78 84 104 114 104 94 90 77 78 91 103 110 123 125 133 124 122
T Dinding Tengah (oC)
T Dinding Atas (oC)
T Cerobong Asap (oC)
T Dalam Bawah (oC)
T Dalam Atas (oC)
189 191 181 133 129 114 114 105 107 101 89 89 82 56 53 47 51 60 84 72 54 43 46 39 39 59 61 60 95 52 68 67 77
80 88 79 72 68 62 62 59 55 55 55 56 54 51 51 48 50 51 49 45 36 38 37 35 35 42 43 44 48 39 50 48 49
260 264 231 195 160 138 143 128 125 124 122 123 117 101 96 88 90 94 92 90 57 84 71 70 71 78 83 85 93 82 90 81 83
531 533 514 401 565 558 453 430 387 365 326 323 278 226 267 275 288 289 306 327 364 353 324 314 305 297 299 309 290 302 339 285 285
147 157 187 160 141 130 118 108 104 101 99 99 99 97 94 90 89 89 90 91 88 86 84 81 80 81 85 87 91 92 91 88 86
59
0.46 m/s 27.0 °C
0.47 m/s 26.0 °C
0.40 m/s 25.7 °C
0.25 m/s 25.7 °C
14:30 14:35 14:40 14:45 14:50 14:55 15:00 15:05 15:10 15:15 15:20 15:25 15:30 15:35 15:40 15:45 15:50 15:55 16:00 16:05 16:10 16:15 16:20 16:25
165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280
117 117 114 110 110 111 117 114 98 107 102 108 106 103 108 109 120 110 124 125 126 130 122 122
74 81 67 66 69 70 74 73 64 65 62 70 59 62 69 67 74 69 70 74 83 84 69 82
48 48 46 47 47 48 48 45 40 44 42 43 35 34 36 37 43 42 43 40 45 51 48 50
79 78 73 78 78 78 81 64 44 66 52 66 47 49 63 65 75 58 80 79 80 83 81 80
264 269 288 296 304 328 374 309 296 291 267 272 249 243 226 226 234 248 246 246 254 256 238 236
82 81 79 78 79 86 89 91 86 77 76 75 73 72 72 73 75 77 79 79 81 84 82 82
Data sebaran suhu pengujian kinerja inti 7 Kec. Angin dan Suhu Lingkungan 0.37 m/s 33.8 °C
0.51 m/s 30.8 °C
0.29 m/s 32.6 °C
Waktu
Menit ke-
T Dinding Bawah (oC)
12:15 12:20 12:25 12:30 12:35 12:40 12:45 12:50 12:55 13:00 13:05 13:10 13:15 13:20
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
145 90 116 148 141 134 141 127 133 114 152 132 123 142
T Dinding Tengah (oC)
T Dinding Atas (oC)
T Cerobong Asap (oC)
T Dalam Bawah (oC)
T Dalam Atas (oC)
185 140 171 209 185 216 204 172 194 159 264 193 188 203
66 55 51 55 57 53 57 53 59 49 57 53 53 62
275 243 232 180 178 154 124 120 118 100 95 105 111 108
575 500 424 338 375 465 540 556 588 624 669 682 665 634
195 177 170 168 167 164 168 171 176 175 182 184 181 196
60
0.24 m/s 29.9 °C
0.21 m/s 29.2 °C
0.76 m/s 29.0 °C
13:25 13:30 13:35 13:40 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 14:25 14:30 14:35 14:40 14:45 14:50 14:55
70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160
136 128 113 86 76 74 63 63 58 57 56 57 56 54 52 52 51 49 49
227 207 181 116 108 96 85 94 75 73 79 71 71 65 63 65 59 58 57
64 58 56 59 45 42 43 41 40 40 40 40 40 38 39 39 37 36 37
98 99 98 87 75 68 65 68 70 69 65 64 59 48 45 42 40 39 39
624 618 616 569 545 532 477 468 462 455 449 447 444 439 437 433 429 424 420
193 179 168 135 120 113 112 103 98 94 90 89 88 87 85 83 81 78 76
