PENGARUH FAKTOR UDARA TERHADAP PARAMETER OPERASI FLUIDIZED BED GASIFIER BIOMASSA Bambang Suwondo Rahardjo Pusat Teknologi Pengembangan Sumberdaya Energi BPPT Gedung II Lantai 22 Jl. M.H. Thamrin No.8 Jakarta 10340 E–mail:
[email protected]
Abstract Development on fluidized bed gasification of biomass has been initiated by Yayasan Dian Desa collaboration with NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization of Japan) starting from small scale (2000–2003), bench–scale tests (2004–2005) and pilot–plant (2006–2009). Since 2006, a cooperative research and development on fluidized–bed gasification of biomass established and agreed between the BPP Teknologi, Yayasan Dian Desa and NEDO to investigate the influence of the air factor on other gasifier operation parameters: bed temperature, gas calorific value and gasifier cold efficiency. The experiments were carried out with the following kinds of biomass: rice husk, sawdust, sugarcane bagasse and spent coffee grounds. The relationship between the gasifier cold efficiency and air factor shows that the curves for rice husk and sawdust have a maximum; for bagasse the relationship is decreasing because of intensive elutriation; for spent coffee grounds due to feeder limitations, it was not possible to feed the biomass flow corresponding to air factor values greater than 0.2. The low efficiency values are a consequence of the lack of thermal insulation in the freeboard zone. Kata kunci: fluidized bed, gasification, biomassa
1. PENDAHULUAN NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) dan Yayasan Dian Desa telah mengembangkan gasifikasi biomasa tipe unggun terfluidisasi (fluidized bed) yang dimulai dari skala kecil (2000–2003), bench– scale test (2004–2005) dan pilot–plant (2006– 2009) (Tanaka N., Herman S., 2003). Selain itu, dari kerjasama ini juga telah berhasil dikembangkan pirolisis ampas tebu secara simultan (Tanaka, N., Herman S., 2005) dengan menggunakan fasilitas pendukung yang dimiliki, yaitu mini fluidized bed reactor berukuran diameter 8 cm, untuk proses devolatilisasi (Sanchez, C.G., Peel, R.B., Santos, F.J., 1990; Sanchez, C.G., Silva, E.L., Santos F.J., 1993), dan continuous fluidized bed reactor berdiameter 20 cm untuk proses gasifikasi biomasa (Sanchez, C.G., 1994). Sejak tahun 2006, suatu kerjasama pengembangan fluidized–bed gasifikasi biomasa mulai dijalin dan disepakati antara BPP Teknologi, Yayasan Dian Desa dan NEDO. Sejauh ini tahapan pengembangan fluidized–bed
gasifikasi biomasa yang telah dilakukan adalah pengaruh parameter operasi dan karakteristik bahan bakar terhadap proses devolatilisasi menggunakan sekam padi dan ampas tebu. 2. TINJAUAN PUSTAKA Gasifikasi adalah proses konversi bahan yang mengandung karbon dengan cara oksidasi parsial pada temperatur tinggi menjadi gas. Gas yang dihasilkan disebut gas producer yang mengandung gas CO, H2, dan CH4. Gasifikasi biomasa lebih menguntungkan dibandingkan dengan pembakaran langsung, karena produk gas lebih bersifat fleksibel yang dapat diarahkan menjadi bahan bakar gas atau bahan baku industri kimia yang memiliki nilai jual lebih tinggi. Gasifikasi umumnya terdiri dari 4 (empat) proses, yaitu pengeringan (>150°C), pirolisis o o (150 C
700°C. Komposisi produk yang
Pengaruh Faktor Udara ……………. (Bambang Suwondo Rahardjo)
21
tersusun merupakan fungsi temperatur, tekanan, dan komposisi gas selama pirolisis berlangsung. Proses pirolisis dimulai pada suhu sekitar 230°C, ketika komponen yang tidak stabil secara termal, seperti lignin pecah dan menguap bersamaan dengan komponen lainnya. Produk cair yang menguap mengandung tar dan PAH (polyaromatic hydrocarbon). Produk pirolisis umumnya terdiri dari gas ringan (H2, CO, CO2, H2O, CH4), tar, dan arang. Oksidasi adalah reaksi terpenting yang terjadi di dalam gasifier yang menyediakan seluruh energi panas yang dibutuhkan pada reaksi endotermik. Oksigen yang dipasok ke dalam gasifier bereaksi dengan bahan yang mudah terbakar. Hasil reaksi tersebut adalah CO2 dan H2O yang secara berurutan direduksi ketika kontak dengan arang yang diproduksi pada pirolisis.
Methanation merupakan reaksi pembentukan gas CH4.
Fluidized bed gasifier dioperasikan dengan kecepatan aliran gas secara signifikan lebih tinggi dibandingkan fixed bed gasifier. Berdasarkan kecepatan gerakan aliran unggun, fluidized bed gasifier dibedakan menjadi circulating fluidized bed dan bubbling fluidized bed, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Reaksi pembakaran lain yang berlangsung adalah oksidasi hidrogen yang terkandung dalam bahan karbon membentuk steam.
Reduksi atau gasifikasi meliputi serangkaian reaksi endotermik yang disokong oleh panas yang diproduksi dari reaksi pembakaran. Produk yang dihasilkan adalah gas bakar, seperti H2, CO, dan CH4. Secara kimiawi dapat ditemukan 4 (empat) tahapan reaksi pada proses gasifikasi, yang dibedakan berdasarkan jenis reaksi yang terjadi sebagai berikut.
Water-gas reaction merupakan reaksi oksidasi parsial karbon oleh steam yang dapat berasal dari hasil pirolisis bahan bakar padat itu sendiri maupun dari uap air yang dicampur dengan udara dan uap yang diproduksi dari penguapan air.
Boudouard reaction merupakan reaksi antara CO2 yang terjadi di dalam gasifier dengan arang untuk menghasilkan CO.
Shift conversion merupakan reaksi reduksi CO2 oleh steam untuk memproduksi H2. Reaksi ini dikenal sebagai water–gas shift yang menghasilkan peningkatan perbandingan H2/CO2 pada gas produser untuk pembuatan gas sintetis.
22
Gambar 1.
Perbedaan gerakan aliran unggun pada sistem fluidized bed gasifier
Di dalam fluidized bed gasifier, unggun bahan bakar dan material pembawa (misal: pasir) diunggunkan oleh aliran gas, di mana udara/O2/steam sebagai media gasifikasi dan produk gas disirkulasi, sehingga reaksi gasifikasi berlangsung di alas unggun (sekitar 5–10%berat dari alas unggun adalah bahan bakar). Karena alas terunggunkan memungkinkan pencampuran intensif dan perpindahan panas merata, sehingga tidak ada zona reaksi terbedakan. Oleh karena itu, pengeringan, pirolisa, reaksi oksidasi dan reduksi terjadi secara simultan. Distribusi suhu di alas unggun relatif konstan pada kisaran 700– 900°C, sehingga menyebabkan permukaan reaksi relatif tinggi, waktu tinggal bahan bakar di alas unggun gasifier sangat singkat dan lebih rendah dari fixed bed gasifier. Dengan demikian, laju bahan bakar dapat dicapai lebih tinggi. Sebelum penggunaan lebih lanjut, produk gas (syngas) yang mengandung kotoran harus dipisahkan untuk menghindari erosi, korosi dan kerak pada hulu gasifier. Konsentrasi pengotor dalam produk gas sangat tergantung pada teknologi gasifikasi, parameter operasi dan komposisi bahan bakar yang digunakan. Kotoran tersebut berupa hidrokarbon terkondensasi (tar),
Jurnal Energi dan Lingkungan, Vol. 5, No. 1, Juni 2009 Hlm. 21-25
partikel (debu, abu, dan pasir dari alas unggun), senyawa logam alkali (terutama kalium dan senyawa natrium), senyawa nitrogen (NH3, HCN), senyawa belerang (H2S, COS), senyawa halogen (HCl) dan senyawa logam berat (Cd, Zn dan Hg, terutama bilamana digunakan limbah kayu). Syngas dapat dimanfaatkan untuk memproduksi bahan bakar cair seperti Fischer– Tropsch (FT)–Diesel atau gas alam sintetis (SNG) di dalam reaktor katalitik. Selain itu, senyawa CO dan H2 dapat digunakan sebagai bahan baku sintesa bahan kimia lainnya.
suhu dalam gasifier terletak di sepanjang puncaknya dan dipisahkan satu sama lain ±15 cm. Bahan inert alas unggun adalah aluminium oksida putih (alumina).
3. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian dilakukan di PUSTEKLIM (Pusat Teknologi Limbah) Yayasan Dian Desa, Jl. Kaliurang Km 7 Gg. Jurug Sari IV/19, Bulak Sumur , Yogyakarta. 3.1. Tujuan Mengetahui pengaruh faktor udara terhadap parameter operasi fluidized bed gasifier biomasa, antara lain: suhu alas unggun, kandungan oksigen dalam fluidisasi gas, nilai kalori gas, komposisi granulometrik biomasa (Sanchez, C.G., Peel, R.B., Santos, F.J., 1990; Sanchez, C.G., Silva, E.L., Santos F.J., 1993), dan efisiensi gasifier. 3.2. Bahan Tabel 1 menunjukkan karakteristik jenis biomasa yang digunakan sebagai umpan gasifikasi: sekam padi, serbuk gergaji, ampas tebu dan kulit kopi (Tanaka N., 2006). Tabel 1. Analisis proksimat dan nilai kalori biomasa Analisis Proksimat Biomas a Sekam padi Ampas tebu Serbuk gergaji Kulit kopi
HHV Karbon Zat H2O MJ/kg Abu Padat Terbang %basa kering %kering (FC) (VM) h %kering %kering 12.0 72.2 15.8 10.0 15.6 9.2
86.4
4.4
6.4
16.7
15.2
84.2
0.6
12.9
18.0
13.9
83.5
2.6
5.7
21.8
3.3. Peralatan Fluidized–bed gasifier (Gambar 2) yang berupa tabung mempunyai diameter luar 25 cm. Materialnya terbuat dari stainless–steel 316 dan terbungkus oleh lapisan bata api setebal 2,5 cm. Diameter dalam gasifier 20 cm dengan tinggi total 200 cm. Pada zona alas unggun, gasifier terisolasi dengan wol mineral. Titik pengukuran
Gambar 2. Peralatan uji fluidized bed - gasifier biomassa Selain gasifier sebagai unit utama peralatan lainnya adalah Root compressor (Omel SR–07– 12HP) yang dilengkapi dengan orifice flowmeter untuk mengukur laju aliran udara. Selain itu unit gasifier ini dilengkapi dengan screw conveyor digunakan untuk mengangkut umpan biomasa ke dalam gasifier melalui hopper. 3.4. Metode Dalam melaksanakan penelitian berbagai langkah harus ditempuh yang dapat diuraikan secara terinci seperti di bawah ini. Mengoperasikan gasifier untuk tar–cracking pada interval suhu operasi alas unggun 600– 800ºC dengan kecepatan superfisial gas 0,75 m/detik. Mengumpankan udara sebagai media gasifikasi ke dalam gasifier menggunakan root compressor. Distribusi udara pada alas unggun dilakukan melalui pelat distribusi sekitar 2.000 lubang diameter 1,3 mm. Mengumpankan biomasa pada alas unggun gasifier melalui hopper dan screw conveyor. Lubang pengumpanan terletak 5 cm di atas pelat distribusi. Tempat umpan didinginkan secara internal oleh air dan kecepatannya dikendalikan oleh suatu peredam (reducer). Mengukur parameter laju aliran udara (fa), laju aliran umpan biomasa (m c), laju aliran serbuk terelutriasi (mf), suhu alas unggun di berbagai titik (Tbi), suhu gas (Tgi ), suhu gas masuk dan keluar siklon (TCI dan TCO), komposisi perolehan gas (CO, H2, CH4), kandungan karbon dalam serbuk (%Cin). Menghitung rasio udara/bahan bakar (a/f), faktor udara (AF), nilai kalori rendah perolehan gas (LHVg), efisiensi minimum gasifier (ηmin) dan
Pengaruh Faktor Udara ……………. (Bambang Suwondo Rahardjo)
23
4. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil tes saringan granulometrik menunjukkan bahwa serbuk ampas tebu memiliki fraksi terbesar, diikuti oleh serbuk gergaji, kulit kopi dan sekam padi (Sanchez, C.G., 1994; Sanchez, C.G., Silva, E.L., 1994; Silva, E.L., Sanchez, C.G., 1994) o Peningkatan suhu alas unggun dari 740 C menjadi 850ºC menyebabkan pengurangan 3–5 kali lipat dari kandungan tar dalam perolehan gas (Bilodeau, J.F. and Chornet, E., 1993. Namun, beberapa jenis residu biomasa dengan kandungan abu yang tinggi dan titik leleh rendah, dapat mengakibatkan aglomerasi bahan inert alas unggun dan fluidisasi runtuh (Salour, D., et.al.,1989). Selama pengujian status ketinggian alas unggun memiliki nilai rentang 37–48 cm sesuai kenaikan setinggi 600–710 mm. Parameter desain adalah volume perolehan gas dari 1 kg 3 biomasa (Rg/b, m /kg), power volumetrik 3 perolehan gas (Qvg, MJ untuk 1 m volume alas 3 unggun), laju aliran biomasa (Vvb,, ton/m jam). Tabel 2. Kondisi operasi gasifier dan desain parameter Sekam Padi Serbuk Gergaji
Parameter
(1)
(2)
(1)
0.55
(2)
Kulit Kopi (1)
(1)
-
Tb
o
CO
%
11.7
15.0
14.5
15.3
13.5
14.8
11.5
13.0
H2
%
4.3
6.0
8.2
8.9
7.0
7.4
4.5
5.4
CH4
%
2.8
3.7
4.1
4.3
4.0
4.1
2.9
3.3
LHVg MJ/Nm
2.9
4.0
3.8
4.3
2.9
4.0
2.7
3.3
ηmin
%
43.0
53.9
35.0
41.0
20.0
25.5
15.5
18.0
ηmak
%
60.0
65.0
47.0
52.0
28.0
33.6
22.0
Rg/b
m3/kg
1.2
1.3
1.6
0.8
Qvg
MW/m3
1.4
1.8
2.0
1.3
1.4
2.0
759
3
0.22
(2)
AF
C
0.25
Ampas Tebu
(2)
777
Rg/b Qvg Vvb
0.16
780
Vvb t/m3jam 1.0 1.25 1: Nilai yang disesuaikan (setting) 4.1.1. Nilai maksimum yang diamati AF Air Factor (faktor udara) Tb Suhu alas unggun LHVg Nilai kalori gas terendah ηmin Efisiensi minimum gasifier ηmak Efisiensi maksimum gasifier
740
24.0
m3/kg
Power volumetrik perolehan gas per 1 m alas MW/m3 unggun
Laju aliran biomasa per 1 m3 alas unggun
3
Kulit Kopi AF : 0,22
Ampas Tebu AF : 0,16
ton/m3jam
Tabel 2 menunjukkan kondisi operasi gasifier dan desain parameter untuk keseluruhan
24
Serbuk Gergaji AF : 0,25
Mengingat keterbatasan pengumpanan kulit kopi, sehingga tidak memungkinkan laju aliran umpan sesuai dengan nilai faktor udara lebih besar dari 0,2, sehingga efisiensi rendah sebagai konsekuensi dari kurangnya isolasi panas di zona dinding gasifier.
C MJ/Nm3 % %
Sekam Padi AF : 0,55
Gambar 3. Korelasi efisiensi (η) gasifier dan faktor udara (AF)
o
Volume perolehan gas per 1 kg biomasa
parameter menurut nilai yang disesuaikan dengan data polynomial order 2 dan nilai maksimum yang diamati. Kondisi suhu alas unggun yang dioperasikan untuk mencapai efisiensi gasifier masing–masing o o adalah 780 C (kulit kopi), 777 C (serbuk gergaji), o o 759 C (sekam padi), 740 C (ampas tebu), ini berarti bahwa semakin tinggi suhu operasi alas unggun semakin kurangnya isolasi dinding gasifier. Dari hasil pengamatan menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu operasi alas unggun maka semakin besar laju aliran biomasa (Vvb, ton/jam) dan power volumetrik perolehan gas (Qvg, MW) 3 per m alas unggun, begitu juga volume 3 perolehan gas (Rg/b, m ) per kg biomasa semakin besar. Gambar 3 menunjukkan kurva hubungan antara efisiensi gasifier dan faktor udara yang maksimum untuk sekam padi dan serbuk gergaji, sedangkan kurva untuk ampas tebu mengalami penurunan akibat elutriasi intensif.
η gasifier, %
efisiensi maksimum gasifier (ηmak). Faktor udara (AF) adalah fraksi volume udara stoikiometri (basis 1 kg bahan bakar) yang dipasokkan ke dalam gasifier. Faktor udara merupakan parameter utama operasi gasifier yang menentukan suhu alas unggun dan efisiensi. Rentang nilai umum dari faktor udara untuk gasifier biomasa 0,2–0,4.
5. KESIMPULAN Pengoperasian menggunakan serbuk halus granulometrik ampas tebu mengarah ke nilai
Jurnal Energi dan Lingkungan, Vol. 5, No. 1, Juni 2009 Hlm. 21-25
efisiensi gasifier yang rendah disebabkan oleh elutriasi intensif, namun hal ini dapat diatasi dengan mengoperasikan alas unggun yang lebih tinggi. Masalah kurangnya kehandalan, kestabilan aliran dan kapasitas pengumpan biomasa berserat harus dipecahkan untuk aplikasi praktis dari gasifikasi ampas tebu pada kapasitas skala industri. Hasil yang diperoleh dapat digunakan untuk perhitungan awal yang berkaitan dengan fluidized bed gasifier biomasa skala industri. DAFTAR PUSTAKA Bilodeau, J.F. and Chornet, E., 1993. Gasification of residual biomass via the biosyn fluidized bed technology; Proceedings of Advances in Thermochemical Processing of Biomass, Interlaken 1992, Elsevier Pub. Salour, D., Jenkins, B.M., Vafaei, M., Kayhanian, M. 1989. Combustion of rice straw and straw wood fuel blends in a fluidized–bed reactor; American Society of Agricultural Engineers, Paper No. 89–6574. Sanchez, C.G., Peel, R.B., Santos, F.J. 1990. Research on biomass devolatilization rates in fixed and fluidized–beds; 3rd Brazilian Thermal Science Meeting Proceedings, pp.789~792.
Sanchez, C.G., Silva, E.L., Santos F.J. 1993. Experimental research on the sugarcane bagasse and rice husk devolatilization process; XII Brazilian Congress of Mechanical Engineering Proceedings, pp. 545~548. Sanchez, C.G. 1994. Research on Biomass Fluidized Bed Devolatilization and Gasification; Ph.D. thesis, UNICAMP. Sanchez, C.G., Silva, E.L. 1994. Rice husk fluidized bed gasification; presented at the 5th Brazilian Thermal Sciences Meeting, São Paulo. Silva, E.L., Sanchez, C.G. 1994. Bagasse gasification, presented at the International seminar on commercial energy generation in the cane agro–industry, 15–l8 June, Guatemala City, Guatemala. Tanaka N. 2006. R&D on pilot plant of fluidized bed biomass combustion and gasification; Indonesia. Tanaka N., Herman S. 2003. R&D on small scale test of fluidized–bed biomass combustion and gasification; Japan. Tanaka, N., Herman S. 2005. R&D on bench scale test of fluidized–bed biomass combustion and gasification; Japan.
Pengaruh Faktor Udara ……………. (Bambang Suwondo Rahardjo)
25
