PERANCANGAN DAN OPTIMASI KOMPOR GAS- BIOMASSA YANG BEREMISI GAS CO RENDAH MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR PELET BIOMASSA DARI LIMBAH BAGAS SKRIPSI

UNIVERSITAS INDONESIA

PERANCANGAN DAN OPTIMASI KOMPOR GASBIOMASSA YANG BEREMISI GAS CO RENDAH MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR PELET BIOMASSA DARI LIMBAH BAGAS

SKRIPSI

RESIANA WINATA 0806456783

FAKULTAS TEKNIK TEKNIK KIMIA DEPOK JUNI 2012

Perancangan dan..., Resiana Winata, FT UI, 2012

UNIVERSITAS INDONESIA

PERANCANGAN DAN OPTIMASI KOMPOR GASBIOMASSA YANG BEREMISI GAS CO RENDAH MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR PELET BIOMASSA DARI LIMBAH BAGAS

SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

RESIANA WINATA 0806456783

FAKULTAS TEKNIK TEKNIK KIMIA DEPOK JUNI 2012


HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar.

ii Perancangan dan..., Resiana Winata, FT UI, 2012

HALAMAN PENGESAHAN

iii Perancangan dan..., Resiana Winata, FT UI, 2012

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas anugerah-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini sesuai dengan waktu yang ditetapkan. Makalah yang berjudul “Perancangan dan Optimasi Kompor Gas-Biomassa yang Beremisi Gas CO Rendah dengan Bahan Bakar Pelet Biomassa dari Limbah Bagas” disusun secara sistematis untuk memenuhi mata kuliah spesial skripsi,

yang merupakan salah satu persyaratan dalam

menyelesaikan pendidikan Strata Satu (S1) di Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Penulis menyadari bahwa skripsi ini dapat selesai melalui bantuan dan dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Orang tua penulis, ayahanda Wanto Winata dan ibunda Lie Mei Hwa, yang selalu memberikan doa, kasih sayang, dan dukungan kepada penulis. 2. Ir. Dijan Supramono, M.Sc., selaku pembimbing seminar dan skripsi atas bimbingan, pengarahan, saran, dan kritik membangun kepada penulis. 3. Eva Fathul Karamah, S.T., M.T., selaku pembimbing akademis dari penulis selama empat tahun berkuliah di Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia. 4. Prof. Dr. Widodo Wahyu Purwanto, DEA, selaku ketua Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia. 5. Dr. Ir. Asep Handaya Saputra, M. Eng., selaku Kepala Laboratorium Energi Berkelanjutan. 6. Ir. Yuliusman, M.Eng., sebagai koordinator mata kuliah spesial skripsi Teknik Kimia Universitas Indonesia. 7. Bapak dan Ibu dosen Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia yang sudah mengajar dan memberikan banyak ilmu pengetahuan kepada penulis selama empat tahun. 8. Adik, Reddy Febrianto Winata, dan cici sepupu, Silviana Stevanni sebagai saudara yang dikasihi oleh penulis.

iv Perancangan dan..., Resiana Winata, FT UI, 2012

9. Keluarga besar Winata dan keluarga besar Lie yang merupakan keluarga tercinta dari orang tua penulis. 10. Gembala Sidang GSJA Anugerah, Pdt. Dwi Muryani, beserta dengan keluarga besar GSJA Anugerah Serpong yang selalu memberikan dukungan kepada penulis, dalam bentuk materiil maupun spirituil. 11. Karyawan Departemen Teknik Kimia UI, antara lain Mang Izal, Kang Jajat, Mas Taufik, Mas Sri, Pak Masturo, dan Pak Mugeni yang merupakan karyawan-karyawan yang sangat berkontribusi dalam membantu penelitian, baik penelitian penulis maupun penelitian mahasiswa/i lainnya. 12. Pak Dudi (pihak yang melakukan manufaktur kompor) dan Pak Parlan (pihak yang membantu modifikasi kompor), serta Pak Tahmid (karyawan Balai Mekanisasi Pertanian Serpong) dan istri yang membantu dalam pembuatan pelet biomassa untuk bahan bakar kompor. 13. Farah Inayati, sebagai rekan satu pembimbing dan satu topik penelitian, atas semangat dalam mengusahakan selesainya skripsi ini tepat waktu, perjuangan melakukan penelitian, dan tukar pikiran selama proses penulisan skripsi ini. 14. Henry Septian, atas kenangan baik, janji dan doanya yang senantiasa memberikan semangat bagi penulis untuk segera menyelesaikan skripsi. 15. Lydia, atas bantuannya dalam memberikan limbah bagas yang dipergunakan oleh penulis sebagai bahan bakar kompor gas-biomassa dalam penelitian. 16. Matius Wisnu, Dessy, Intan A., Y. M. Togar, dan Nur M. Arifin atas bantuannya dalam meminjamkan laptop kepada penulis ketika laptop penulis rusak sehingga penulisan skripsi tetap dapat berjalan, atas bantuannya dalam hal transportasi, serta doa dan semangat yang diberikan. 17. Antoni Stefan dan Antonius Chrisnandy, atas bantuannya kepada penulis dalam pembuatan gambar teknik tiga dimensi dari rancangan kompor gasbiomassa dan bantuan dalam bentuk tenaga. Ucapan terimakasih yang spesial, penulis berikan kepada koko Antoni Stefan atas bantuan dalam bentuk tenaga dan transportasi untuk mengantarkan kompor ke tempat modifikasi. 18. Kenny Viriya, Haryo Wibisono, Habib, Santoso Wijaya, Antonius Erick, David Santos, Ivan Merry, Illyin, Raditya, Fakhrian, dan Guntur, terimakasih

v Perancangan dan..., Resiana Winata, FT UI, 2012

buat bantuan kalian yang sangat berarti terutama dalam hal tenaga dan transportasi. 19. Kelompok kecil tercinta (Chakrita T., Ingrid C., dan Vania C.), atas segala doa dan bantuannya, berbagai kenangan manis, serta pertumbuhan rohani yang dialami bersama. 20. Catur N. V. N., Bernadet V., Lolyta R. N., Maylen R. V., Indriani M., dan Tania D., atas segala dukungan sebagai para sahabat perempuan dari penulis. 21. Chandra Hadiwijaya, Marcho Rizal, Nirwanto Honsono, Sukha Adi Putra, Andry Prasthio, Gregorius Stefanus, Eldo Marbun, dan Gabriel A. M., atas segala dukungan dan bantuan sebagai para sahabat laki-laki dari penulis. 22. Agustina Rahayu, Glifanny R., Dessy C., dan Ichwan Agusta, sebagai rekanrekan satu pembimbing skripsi yang berjuang bersama mencapai kelulusan. Terimakasih atas bantuan kalian. 23. Gina A., Maria S., dan teman-teman satu Laboratorium Energi Berkelanjutan lainnya, atas kenangan-kenangan menikmati nge-lab bersama. 24. Teman-teman Rohani Kristen (ROHKRIS) Departemen Teknik Kimia seluruh angkatan, khususnya angkatan 2008, atas semangat dan doa yang diberikan. 25. Seluruh teman Departemen Teknik Kimia 2008, angkatan yang tidak kenal lelah berjuang bersama-sama menyelesaikan skripsi. Terimakasih buat kenangan suka dan duka selama empat tahun masa perkuliahan. 26. Seluruh pihak, termasuk senior dan junior di Departemen Teknik Kimia, teman-teman di Persekutuan Oikumene Fakultas Teknik, dan pihak lainnya. Penyusunan skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk perbaikan di masa mendatang. Akhir kata, semoga skripsi ini bermanfaat bagi para pembaca.

Depok, 27 Juni 2012 Penulis

vi Perancangan dan..., Resiana Winata, FT UI, 2012

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama

: Resiana Winata

NPM

: 0806456783

Program Studi

: Teknik Kimia

Departemen

: Teknik Kimia

Fakultas

: Teknik

Jenis karya

: Skripsi

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive RoyaltyFree Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul :

”PERANCANGAN DAN OPTIMASI KOMPOR GAS-BIOMASSA YANG BEREMISI GAS CO RENDAH MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR PELET BIOMASSA DARI LIMBAH BAGAS” beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif

ini

Universitas

Indonesia

berhak

menyimpan,

mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

vii Perancangan dan..., Resiana Winata, FT UI, 2012

ABSTRAK Nama : Resiana Winata Program Studi : Teknik Kimia Judul : Perancangan dan Optimasi Kompor Gas-Biomassa yang Beremisi Gas CO Rendah Menggunakan Bahan Bakar Pelet Biomassa dari Limbah Bagas

Kompor biomassa konvensional yang ada saat ini masih memiliki permasalahan dengan emisi gas CO yang tinggi dibandingkan kompor LPG. Pada penelitian ini, dirancang suatu kompor gas-biomassa menggunakan prinsip TopLit Up Draft Gasifier yang diharapkan menghasilkan emisi gas CO yang rendah dengan membakar gas pirolisis dari pelet biomassa. Kompor memiliki diameter dalam sebesar 15 cm, diameter luar 20 cm, tinggi reaktor gasifikasi 51 cm, dan tinggi keseluruhan 95 cm. Kompor menggunakan pelet biomassa dari limbah bagas yang mengandung volatile matter tinggi. Dengan memvariasikan rasio antara laju alir udara sekunder dan udara primer, didapatkan emisi gas CO ratarata terendah, 16,4 ppm (dengan emisi gas CO maksimum yang diperbolehkan adalah 25 ppm), yang terjadi pada rasio 11:1. Perbandingan antara nilai rasio tersebut menunjukkan suhu api maksimum tertinggi yang dicapai adalah 544,44oC pada rasio 6:1. Menggunakan Water Boiling Test, efisiensi termal tertinggi yang dicapai adalah 55%, dimana waktu tersingkat untuk mendidihkan 1 L air adalah 6 menit. Api kompor berwarna kuning menunjukkan pembentukan jelaga. Kata kunci: bagas; kompor gas-biomassa; Top-Lit Up Draft Gasifier; pelet biomassa; volatile matter; Water Boiling Test

viii

Universitas Indonesia


ABSTRACT

Name Study Program Title

: Resiana Winata : Chemical Engineering : Design and Optimization of Low CO Gas Emission Biomass-Gas Stove Using Biopellet Fuel from Bagasse Waste

Nowadays conventional biomass stoves still have a problem of having high CO gas emission compared to LPG stoves. In this research, a biomass-gas stove has been designed using Top-Lit Up Draft Gasifier principle, which had been expected to have low CO gas emission by burning pyrolysis gas from biopellets. The stove has 15 cm inner diameter, 20 cm outer diameter, 51 cm gasification reactor height, and 95 cm overall height. The stove uses biopellet made of bagasse waste, which have high volatile matters content. By varying the ratio of secondary air flow to primary air flow, it was found that the lowest CO gas emission, 16,4 ppm (with maximum CO gas emission allowable is 25 ppm), occurred at the ratio of 11:1. Comparison of different values of the ratio shows that the highest maximum flame temperature achieved was 544,44oC occurring at the ratio of 6:1. Using Water Boiling Test, the highest thermal efficiency achieved was 55%, which corresponds to the shortest time to boil 1 L of water (6 minutes). The stove has yellow flame that indicates the formation of soot. Keywords: bagasse; biomass-gas stove; biopellet; Top-Lit Up Draft Gasifier; volatile matter; Water Boiling Test.

ix



DAFTAR ISI

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS .................................................. ii HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................. iii KATA PENGANTAR ........................................................................................ iv HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ........................... vii ABSTRAK ....................................................................................................... viii DAFTAR ISI ....................................................................................................... x DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xii DAFTAR TABEL ............................................................................................ xiii DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................... xiv BAB 1 PENDAHULUAN ................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang ....................................................................................... 1 1.2 Perumusan Masalah................................................................................ 7 1.2.1 Rumusan Masalah .............................................................................. 7 1.2.2 Pendekatan Masalah ........................................................................... 7 1.2.3 Hipotesis ............................................................................................ 8 1.3 Tujuan Penelitian ................................................................................... 8 1.4 Ruang Lingkup Masalah......................................................................... 8 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 10 2.1 Biomassa .............................................................................................. 10 2.1.1 Definisi Biomassa dan Pelet Biomassa.............................................. 10 2.1.2 Ketersediaan Biomassa di Indonesia ................................................. 11 2.1.3 Kandungan Biomassa ....................................................................... 13 2.1.4 Uji Analisis Karakteristik Bahan Bakar Biomassa............................. 16 2.1.5 Tahap-tahap Pembakaran Biomassa .................................................. 18 2.1.6 Gasifikasi sebagai Konversi Termal Biomassa .................................. 22 2.2 Kompor Biomassa .................................................................................. 28 2.2.1 Definisi Kompor Biomassa ............................................................... 28 2.2.2 Komponen-komponen Kompor Biomassa ......................................... 28 2.2.3 Perkembangan Berbagai Jenis Kompor Biomassa ............................. 29 2.2.4 Kompor Gas-Biomassa dengan Prinsip T-LUD Gasifier ................... 30 2.2.5 Faktor Pertimbangan Perancangan Kompor Gas-Biomassa ............... 37 2.3 Uji Performa dan Evaluasi Operasi Kompor ......................................... 44 2.3.1 Parameter Evaluasi Operasi Kompor ................................................ 44 2.3.2 Uji Efisiensi Termal dengan Metode WBT ....................................... 45 BAB 3 METODE PENELITIAN ....................................................................... 47 3.1

Model Penelitian .................................................................................. 47

x



3.2 Variabel Penelitian ............................................................................... 48 3.3 Tahapan Penelitian ............................................................................... 48 3.3.1 Tahap Perancangan Kompor ............................................................. 51 3.3.2 Tahap Preparasi Alat dan Bahan ....................................................... 54 3.3.3 Tahap Fabrikasi Kompor .................................................................. 55 3.3.4 Tahap Preparasi Bahan Bakar ........................................................... 55 3.3.5 Tahap Pengujian ............................................................................... 57 3.3.6 Tahap Analisa dan Evaluasi .............................................................. 60 3.4 Jadwal Pelaksanaan Penelitian.............................................................. 60 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................. 61 4.1 4.2 4.3 4.4

Tahap Perancangan Kompor................................................................. 61 Tahap Fabrikasi Kompor ...................................................................... 68 Tahap Preparasi Bahan Bakar ............................................................... 72 Tahap Pengujian ................................................................................... 73

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 95 5.1 5.2

Kesimpulan .......................................................................................... 95 Saran .................................................................................................... 95

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 97 LAMPIRAN .................................................................................................... 103

xi



DAFTAR GAMBAR Gambar 1. 1 Produksi dan konsumsi minyak bumi Indonesia ............................. 2 Gambar 2. 1 Pelet biomassa .............................................................................. 10 Gambar 2. 2 Skema proses produksi pelet biomassa ......................................... 11 Gambar 2. 3 Potensi biomassa di Indonesia ...................................................... 12 Gambar 2. 4 Pilihan utama teknologi metode pengubahan biomassa ................. 22 Gambar 2. 5 Skema proses pembakaran gas producer ...................................... 23 Gambar 2. 6 Skema Up Draft Gasifier.............................................................. 24 Gambar 2. 7 Skema Down Draft Gasifier ......................................................... 25 Gambar 2. 8 Skema Cross Draft Gasifier ......................................................... 26 Gambar 2. 9 Skema Top-Lit Up Draft (T-LUD) Gasifier .................................. 27 Gambar 2. 10 Wood-Gas Turbo Stove dengan konveksi alami yang terbuat dari 15 cm riser sleeve (kiri) dan Wood-Gas Turbo Stove dengan konveksi paksa 3 W blower yang menghasilkan 3 kW api (kanan) ................................................................................................... 32 Gambar 2. 11 Champion T-LUD ND (Natural Draft) ....................................... 34 Gambar 2. 12 Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier ......................................... 35 Gambar 2. 13 SPRERI Gasifier Stove ............................................................... 36 Gambar 3. 1 Diagram alir penelitian ................................................................. 50 Gambar 3. 2 Pressure pelletizer ........................................................................ 57 Gambar 3. 3 Gas Analyzer ................................................................................ 59 Gambar 4. 1 Hasil fabrikasi kompor gas-biomassa awal sebelum modifikasi .... 69 Gambar 4. 2 Hasil fabrikasi kompor gas-biomassa setelah modifikasi (dengan centrifugal blower) ..................................................................... 71 Gambar 4. 3 Pelet bagas yang dibuat dalam penelitian ...................................... 72 Gambar 4. 4 Emisi gas CO terhadap waktu ....................................................... 77 Gambar 4. 5 Suhu api terhadap waktu............................................................... 85 Gambar 4. 6 Nyala api berwarna merah pada uji performa ke-2 ........................ 86 Gambar 4. 7 Warna nyala api kompor gas-biomassa dan kompor LPG ............. 89 Gambar 4. 8 Nyala api kompor gas-biomassa dalam penelitian ......................... 90 Gambar 4. 9 Suhu air terhadap waktu ............................................................... 92

xii



DAFTAR TABEL Tabel 2. 1 Limbah biomassa di Indonesia .......................................................... 13 Tabel 2. 2 Analisis proximate biomassa ............................................................. 17 Tabel 2. 3 Analisis ultimate biomassa ................................................................ 18 Tabel 2. 4 Data Operasi dan Turunan untuk Bahan Bakar yang Dipilih dalam Pengujian Wood-Gas Turbo Stove .................................................... 33 Tabel 3. 1 Kalor Spesifik dan Energi yang Diperlukan untuk Memasak Suatu Makanan........................................................................................... 52 Tabel 4. 1 Perbedaan antara desain kompor gas-biomassa dan Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier ....................................................................... 68 Tabel 4. 2 Perhitungan moisture content dari biomassa bagas ............................ 73 Tabel 4. 3 Persentase massa char dan abu terhadap massa bahan bakar ............. 75 Tabel 4. 4 Hasil pengolahan data laju alir udara dan emisi gas CO .................... 78 Tabel 4. 5 Hasil pengolahan data suhu api ......................................................... 86 Tabel 4. 6 Hasil pengolahan data suhu air dan perhitungan efisiensi termal ....... 93

xiii



DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN A. 1 Rancangan Kompor Gas-Biomassa Secara Umum .............. 103 LAMPIRAN A. 2 Rancangan Kompor Gas-Biomassa Tampak Depan, Samping, dan Atas ............................................................................ 104 LAMPIRAN A. 3 Rancangan Kompor Gas-Biomassa Secara Detail ............... 105 LAMPIRAN B. 1 Data Emisi Gas CO ............................................................ 106 LAMPIRAN B. 2 Data Suhu Api .................................................................... 107 LAMPIRAN B. 3 Data Suhu Air..................................................................... 114 LAMPIRAN B. 4 Data Persentase Massa Char dan Abu................................. 119 LAMPIRAN C. 1 Data Konversi Satuan Laju alir Udara Primer dan Sekunder120 LAMPIRAN D. 1 Hasil Uji Karakterisasi Bahan Bakar Biomassa oleh BPPT . 121 LAMPIRAN E. 1 Perhitungan Udara Stoikiometrik ........................................ 122 LAMPIRAN E. 2 Perhitungan Efisiensi Termal Kompor Gas-Biomassa ......... 126

xiv



BAB 1 PENDAHULUAN 1.1

Latar Belakang Salah satu teknologi yang berperan penting sebagai penopang terbesar

pemanfaatan energi dalam rumah tangga adalah kompor. Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia, kompor didefinisikan sebagai perapian untuk memasak yang menggunakan minyak tanah, gas, atau listrik sebagai bahan bakar. Adapun di Indonesia, pada umumnya masyarakatnya menggunakan kompor berbahan bakar minyak tanah dan LPG untuk memasak. Kompor minyak tanah dan kompor LPG memiliki keunggulan dalam hal efisiensi yang tinggi, emisi yang bersih, aplikasi yang praktis, dan desain kompor yang modern sehingga banyak digunakan oleh masyarakat di negara-negara berkembang. Akan tetapi, bahan bakar komporkompor tersebut merupakan produk pengolahan minyak bumi dan gas alam yang notabenenya merupakan bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil termasuk sumber energi tak terbarukan sehingga penggunaan bahan bakar kompor tidak dapat selamanya bergantung pada bahan bakar tersebut. Apalagi, bahan bakar fosil tidak hanya digunakan untuk kebutuhan bahan bakar kompor saja. Adapun persediaan bahan bakar fosil yang dimiliki oleh Indonesia, khususnya untuk minyak bumi, sudah tidak mampu mencukupi kebutuhan penduduknya yang amat bergantung terhadap BBM sebagai sumber energi. Menurut www.kamase.com, berdasarkan laporan Department of Energy (DOE) Amerika Serikat pada Oktober 2005, Indonesia sebenarnya sudah menjadi netimporter bahan bakar minyak bumi sejak tahun 2004. Pada Gambar 1.1 dapat dilihat bahwa mulai tahun 2004, terjadi titik potong antara volume produksi dan konsumsi minyak bumi Indonesia, di mana setelah tahun 2004 volume produksi minyak bumi lebih rendah dibandingkan volume konsumsi minyak bumi.

1



2

Gambar 1. 1 Produksi dan konsumsi minyak bumi Indonesia (www.kamase.com)

Apalagi, menurut ekonomi.kompasiana.com, dana yang dianggarkan untuk subsidi BBM tahun 2011 melonjak dari Rp 92,79 triliun menjadi sebesar Rp 178,59 triliun akibat kenaikan harga minyak mentah dari US$ 80 (patokan dalam APBN) menjadi US$ 113 per barel. Adapun anggaran pemerintah untuk subsidi minyak tanah mencapai Rp 38 triliun pada tahun 2008 (IISD, n.d.). Selain itu, konversi bahan bakar yang dilakukan oleh pemerintah dari minyak tanah ke LPG dinilai gagal. Hal ini dikarenakan hingga saat ini program pemerintah tersebut belum diterima sepenuhnya oleh masyarakat Indonesia, terutama untuk kalangan menengah ke bawah. Apalagi sosialisasi program yang kurang dan sulit untuk dimengerti oleh masyarakat tersebut, material konstruksi komponen tabung gas yang kurang aman, dan proses distribusi yang kurang baik, mengakibatkan banyaknya terjadi ledakan tabung LPG 3 kg yang menimbulkan banyak kerugian. Menurut Pusat Studi Kebijakan Publik (Puskepi) sejak tahun 2008 hingga Juli 2010, di Indonesia telah terjadi kasus ledakan sebanyak 189 kali dalam pemakaian tabung LPG rumah tangga (www.metro.news.viva.co.id). Selain itu, pemenuhan kebutuhan LPG nasional tersebut pun sebenarnya belum dapat disediakan oleh pemerintah sepenuhnya dari kilang gas dan minyak yang dimiliki oleh Indonesia. Hal ini disebabkan oleh jumlah permintaan LPG yang lebih besar daripada jumlah penawarannya. Dengan demikian, pemerintah

Universitas Indonesia Perancangan dan..., Resiana Winata, FT UI, 2012

3 masih harus melakukan impor LPG untuk memenuhi kebutuhan LPG nasional tersebut, dimana pada tahun 2007 saja impor LPG telah mencapai angka 50.193 metrik ton (IISD, n.d.). Berdasarkan kondisi yang telah diuraikan tersebut, Indonesia memerlukan suatu energi alternatif terbarukan yang ketersediaannya besar di Indonesia untuk menggantikan bahan bakar fosil tersebut, misalnya biomassa. Energi biomassa adalah energi hijau dan merupakan sumber energi yang potensial di Indonesia (Kong, 2010). Berdasarkan informasi dari www.energiterbarukan.net, Indonesia diestimasi memproduksi 146,7 juta ton biomassa/tahun yang dapat disetarakan dengan sekitar 470 GJ/tahun. Sebagai Negara Agraris, Indonesia memiliki potensi bahan baku biomassa yang tinggi dan mudah diperoleh, terutama yang berasal dari limbah pertanian. Bagas sebagai salah satu biomassa yang berasal dari limbah pertanian, memiliki potensi yang cukup besar di Indonesia. Menurut data Kementerian Lingkungan Hidup Republik Indonesia tahun 2002 pada www.menlh.go.id, potensi bagas nasional yang dapat tersedia dari jumlah seluruh luas tanaman tebu mencapai 39.539.944 ton per tahun. Potensi bagas yang cukup besar tersebut menunjukkan bagas amat potensial dan tersedia secara ekonomis untuk dimanfaatkan sebagai bahan bakar alternatif di Indonesia. Meskipun persediaan biomassa yang dimiliki oleh Indonesia sangat melimpah, tetapi kompor biomassa yang ada saat ini masih memiliki efisiensi termal yang rendah dan emisi CO yang tinggi sebagai indikasi terjadinya pembakaran yang tidak sempurna (Smith, 2000a, Bhattacharya, 2000). Seperti telah diketahui, kandungan karbon yang tinggi memang merupakan karakteristik dari bahan bakar padat dibandingkan bahan bakar non padat (Handayani, 2009). Berdasarkan data WHO (World Health Organization) 2007, jumlah populasi penduduk Indonesia yang menggunakan bahan bakar padat sebesar 72% dari 217.131 jumlah penduduk Indonesia dan kematian per tahun akibat dari polusi udara di dalam ruangan tertutup mencapai 15.300 jiwa (Colbeck, 2010). Hal ini disebabkan oleh peningkatan kadar gas CO yang melebihi ambang batas di atmosfer mampu menyebabkan hemoglobin dalam darah cenderung mengikat CO dibandingkan O2 sehingga beracun bagi tubuh dan mampu menyebabkan


4 kematian. Oleh karena itu, perlu ditemukan suatu solusi untuk mengembangkan kompor biomassa beremisi gas CO rendah sehingga permasalahan energi nasional tentang ketersediaan bahan bakar fosil yang semakin menipis dan bahaya polusi udara dalam ruangan terhadap kesehatan penduduk Indonesia dapat diatasi. Penelitian

mengenai

pengembangan

kompor

biomassa

untuk

menanggulangi permasalahan efisiensi termal dan emisi gas CO sebenarnya telah banyak dilakukan, mulai dari kompor biomassa tradisional (traditional biomassfired stove) yang memiliki efisiensi termal sangat rendah, yakni berkisar antara 520%, kompor biomassa dikembangkan (improved biomass-fired stove), kompor biogas (biogas-fired stove), hingga kompor gas-biomassa (producer gas-fired stove). Meskipun begitu, kompor gas-biomassa merupakan jenis kompor yang paling potensial dikembangkan untuk menggantikan kompor yang menggunakan bahan bakar tak terbarukan, seperti kompor LPG dan kompor minyak tanah, karena memiliki efisiensi energi tinggi dan mampu meminimasi emisi gas berbahaya dari kompor (termasuk gas CO) dengan cara membakar gas yang dihasilkan dari pirolisis biomassa (Bhattacharya, & Salam, 2002). Salah satu kompor gas-biomassa yang telah dirancang adalah Wood-Gas Turbo Stove atau yang dikenal dengan Reed’s Wood-Gas Campstove. Kompor tersebut memiliki efisiensi termal lebih besar dari 30% dan mampu menekan emisi gas CO yang tinggi hingga konsentrasi gas CO pada ketinggian 80 cm di atas kompor mencapai 22 ppm. Pada Wood-Gas Turbo Stove, aliran udara primer dan sekunder bergerak secara konveksi alami pada rancangan awal, sedangkan pada rancangan terbarunya, aliran udara primer dan sekunder bergerak secara konveksi paksa namun daya berasal dari penggunaan satu fan yang sama (Reed, et al., 2000). Kemudian, SPRERI Gasifier Stove, kompor gas-biomassa yang telah dievaluasi performanya dengan menggunakan biomassa dari jarak pagar. Kompor tersebut mencapai efisiensi termal sebesar 31,10%, dan emisi gas CO sekitar 3-6 ppm yang diukur dengan jarak 1 m dari ketinggian kompor (Panwar, 2010). Lalu, Anderson merancang Champion T-LUD ND (Natural Draft) Stove yang memanfaatkan konveksi alami, baik untuk aliran udara primer maupun udara


5 sekunder. Kompor tersebut menghasilkan emisi gas CO sebesar 3,5 g/L (Roth, 2011). Selanjutnya, Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier yang memanfaatkan aliran konveksi paksa untuk udara primernya dan konveksi alami untuk udara sekundernya. Kompor tersebut merupakan kompor gas-biomassa pertama dengan pembakaran partikel halus limbah biomassa menggunakan prinsip T-LUD Gasifier yang mampu menghasilkan gasifikasi yang sempurna, menghasilkan nyala api biru yang konsisten, dan emisi yang rendah, menggunakan biomassa dari sekam padi (Belonio, 2005). Adapun kompor-kompor gas-biomassa tersebut menggunakan prinsip Inverted Down Draft (IDD) atau Top-Lit Up Draft (T-LUD) Gasifier. Prinsip ini pada dasarnya adalah memproduksi gas-gas yang dapat terbakar, terutama gas CO dan asap hidrokarbon, melalui proses pirolisis pada suhu tinggi (udara primer yang diperlukan dalam jumlah terbatas) untuk selanjutnya seluruh gas tersebut dibakar sempurna di bagian atas dengan udara sekunder berlebih sehingga dihasilkan emisi yang bersih. Jadi, bahan bakar dinyalakan mulai dari bagian atas kompor sehingga timbul api di bagian atas (top lit). Api pada penyalaan awal tersebut akan memicu pelet pada lapisan paling atas untuk mengeluarkan volatile matter karena menerima panas dari api secara radiasi dan konveksi. Volatile matter yang keluar terus-menerus dari biomassa tersebut menghalangi oksigen (oksigen disuplai dari aliran udara primer yang bergerak ke atas) untuk berpenetrasi ke partikel biomassa sehingga terjadilah pirolisis yang memproduksi gas-gas pirolisis dan panas. Panas tersebut akhirnya membentuk api pirolisis di sekitar partikel pelet biomassa ketika oksigen berpeluang berpenetrasi ke partikel pelet biomassa. Zona dimana api pirolisis berada itulah yang disebut dengan zona flaming pyrolisis. Posisi zona ini bergerak turun, sementara bahan bakar tetap (fixed bed). Dengan demikian, api pirolisis tersebut akan bergerak ke bawah dan terus-menerus menyebabkan biomassa mengeluarkan volatile matter-nya hingga habis dan hanya tersisa char-nya saja. Sedangkan volatile matter yang keluar dari biomassa tersebut selanjutnya akan bergerak ke atas, sama seperti aliran udara primer (up draft), untuk dibakar dengan udara sekunder (Roth, 2011).


6 Meskipun kompor-kompor dengan prinsip Top-Lit Up Draft (T-LUD) Gasifier tersebut sudah cukup berhasil dalam menurunkan emisi gas CO, dimana masih termasuk batas emisi gas CO yang diperbolehkan dalam atmosfer oleh Kementerian Tenaga Kerja Republik Indonesia sebesar 25 ppm (Supramono, 2009), namun masih memiliki beberapa kekurangan. Kekurangannya ialah terutama pada masalah pergerakan aliran udara, optimasi teknik pembakaran, dan karakteristik dari bahan bakar biomassa yang dipergunakan. Pada beberapa kompor gas-biomassa seperti Wood-Gas Turbo Stove, pencampuran gas-udara (turbulensi) masih kurang baik sehingga menimbulkan warna kuning pada api. Hal ini mungkin disebabkan oleh aliran udara yang bergerak secara konveksi alami sehingga amat bergantung pada aliran udara di lingkungan sekitarnya, dan pengaturan udara primer dan sekunder belum dilakukan secara independen dari dua sumber daya yang berbeda. Selain itu, masih ada char yang ikut terbakar yang menandakan bahwa flaming pyrolisis dan glowing pyrolisis terjadi pada waktu yang beririsan. Sedangkan masalah karakteristik biomassa, yaitu mengenai optimasi dengan biomassa yang tepat (kandungan volatile matter tinggi) yang belum dilakukan terhadap kompor (Reed, et al., 2000) dan penggunaan biomassa dari jarak pagar yang memiliki kadar keabuan tinggi pada SPRERI Gasifier Sove sehingga menimbulkan masalah tingginya emisi partikulat (Panwar, 2010). Berdasarkan peluang yang tersedia tersebut, maka penelitian ini dilakukan terutama untuk mengembangkan rancangan kompor gas-biomassa guna memperbaiki kelemahan kompor gas-biomassa yang sudah ada dan mengoptimasi performa kompor dengan memilih biomassa yang memiliki kandungan volatile matter tinggi (sesuai dengan prinsip perancangan kompor), seperti bagas. Tujuannya ialah untuk memperoleh kompor dengan nyala api biru seperti kompor LPG dengan parameter yang digunakan adalah emisi gas CO yang serendah mungkin. Oleh karena itu, dapat dirancang kompor gas-biomassa baru dengan menggunakan prinsip serupa, yakni prinsip Top-Lit Up Draft (T-LUD) Gasifier, dimana desain kompor yang menjadi acuan utama adalah desain Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier yang merupakan kompor gas-biomassa pertama yang dinilai mampu menghasilkan nyala api biru secara konsisten dan memiliki emisi yang rendah. Selain itu, kompor gas-biomassa tersebut harus dirancang dengan


7 udara devolatilisasi (udara primer) dan udara pembakaran (udara sekunder) mengalir secara konveksi paksa menggunakan blower yang independen agar gasifikasi yang dicapai dapat lebih sempurna lagi sehingga dapat menghasilkan nyala api biru. Adapun timbulnya warna biru pada nyala api disebabkan oleh adanya radikal CH dan C2 yang tereksitasi. Radikal-radikal yang tereksitasi tersebut mengemisikan gelombang elektromagnetik, dimana CH dan C2 mengemisikan gelombang hijau dan biru (Ballester, & Armingol, 2010). Dengan prinsip Top-Lit Up Draft (T-LUD) Gasifier, maka emisi gas CO kompor dapat dikurangi hingga konsentrasi sangat rendah dan mampu menghasilkan nyala api berwarna biru yang dapat disetarakan dengan kompor LPG yang sekarang banyak digunakan. Dengan demikian, kompor gas-biomassa dapat dikatakan sebagai interface antara kompor biomassa dan kompor LPG.

1.2

Perumusan Masalah

1.2.1 Rumusan Masalah Masalah yang dirumuskan untuk diselesaikan dalam penelitian yang akan dilakukan, antara lain: 

desain kompor gas-biomassa dengan prinsip Inverted Down Draft (IDD) atau Top-Lit Up Draft (T-LUD) Gasifier yang mampu meminimasi emisi gas CO sehingga mampu menghasilkan nyala api biru, dan



mencapai performa kompor yang optimum dari kompor gas-biomassa melalui penggunaan bahan bakar pelet biomassa dari limbah bagas yang memiliki kandungan volatile matter tinggi.

1.2.2 Pendekatan Masalah Hingga saat ini, para peneliti sudah tertuju pada penyelesaian masalah dalam mengembangkan desain kompor biomassa yang mampu menurunkan emisi gas CO, namun hasilnya tidak semua memuaskan. Mengacu pada emisi gas CO yang dihasilkan oleh Wood-Gas Turbo Stove sebesar 22 ppm pada ketinggian 80 cm dan SPRERI Gasifier Stove sebesar 3-6 ppm pada ketinggian 1 m di atas kompor, dimana kompor masih memiliki berbagai kelemahan yang harus diperbaiki, antara lain ketidakstabilan warna api karena ketidaksempurnaan


8 pencampuran gas-udara, serta desain kompor dan kandungan bahan bakar yang belum mampu mengoptimasi proses gasifikasi (Reed, et al., 2000, Panwar, 2010). Adapun Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier mampu mencapai emisi CO rendah dan nyala api biru secara konsisten. Hasil tersebut diperoleh untuk kompor gasbiomassa yang menggunakan prinsip Top-Lit Up Draft (T-LUD) Gasifier. Maka, penelitian sekarang berusaha merancang kompor gas-biomassa beremisi gas CO rendah dengan prinsip yang sama dan mengoptimasi performanya dengan biomassa yang mengandung volatile matter tinggi, seperti bagas.

1.2.3 Hipotesis Melalui devolatilisasi dari biomassa yang menghasilkan gas-gas pirolisis dengan bantuan udara primer terbatas (salah satunya gas CO) dan melalui pembakaran sempurna gas-gas pirolisis tersebut di bagian atas dengan udara sekunder berlebih, dimana pembakaran sempurna gas-gas pirolisis tersebut di bagian atas harus terjadi lebih cepat dibandingkan pembakaran char dari pelet biomassa yang terbentuk (Depner, & Jess, 1999), maka dapat diduga bahwa rancangan kompor gas-biomassa akhir dalam penelitian ini memiliki nyala api yang berwarna biru sebagai akibat emisi gas CO yang sangat rendah.

1.3

Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah merancang kompor gas-biomassa untuk

penggunaan rumah tangga yang beremisi gas CO rendah dan memiliki nyala api biru seperti kompor LPG, dengan bahan bakar pelet biomassa dari limbah bagas.

1.4

Ruang Lingkup Masalah Adapun ruang lingkup masalah yang akan dibahas adalah sebagai berikut:



Perancangan kompor gas-biomassa dengan ukuran, bentuk, dan bahan fabrikasi tertentu dengan menggunakan prinsip Top-Lit Up Draft (T-LUD) Gasifier yang mayoritas diadopsi dari Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier.



Bahan bakar yang digunakan adalah 100% biomassa dari limbah bagas yang dikompakkan menjadi pelet dengan moisture content sebesar 10%;


9 

Penggunaan dua buah blower untuk sistem konveksi paksa aliran udara devolatilisasi (udara primer) dan udara pembakaran (udara sekunder) secara independen.



Emisi gas CO serendah mungkin dijadikan sebagai parameter kuantitatif dan pengamatan visual warna api dijadikan sebagai parameter kualitatif dari nyala api biru yang diharapkan dari kompor gas-biomassa yang dirancang.


BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1

Biomassa

2.1.1

Definisi Biomassa dan Pelet Biomassa

Biomassa merupakan sumber energi terbarukan yang berasal dari derivat ternak maupun tumbuhan (dapat ditanam ulang) dan dikenal sebagai energi hijau (Kong, 2010). Biomassa merupakan istilah yang digunakan untuk berbagai jenis bahan organik dalam bentuk padat yang dapat digunakan sebagai bahan bakar, seperti kayu, arang, kotoran hewan, limbah pertanian, dan limbah padat lainnya yang dapat terbiodegradasi (Fisafarani, 2010). Pelet telah diproduksi sejak seabad yang lalu dengan menggunakan panas dan tekanan sehingga pelet berbentuk silindris, dapat diproduksi dari berbagai macam materi untuk tujuan yang berbeda-beda. Keuntungan yang diperoleh dari penggunaan pelet adalah densitasnya yang maksimal sekitar 40 lbs/ft3, mengalir seperti cairan dan ideal dipergunakan untuk sistem yang otomatis, dapat digunakan pada kompor dan boiler, dapat digunakan dalam aplikasi berskala kecil maupun besar, mudah untuk ditangani, disimpan, dan ditransportasikan, serta meningkatkan karakteristik pembakaran dari bahan baku yang dipergunakan (www.pelheat.com). Penampilan fisik pelet biomassa dapat dilihat pada Gambar 2.1 di bawah ini.

Gambar 2. 1 Pelet biomassa (www.pelheat.com)

Peletisasi biomassa merupakan salah satu upaya untuk mengembangkan penanganan, transportasi, pengubahan yang lebih mudah, dan penyimpanan sewaktu-waktu (Erlich, 2005). Untuk menghasilkan pelet biomassa yang memiliki

10



11 kualitas yang baik, tahapan prosesnya dideskripsikan dalam skema pada Gambar 2.2 sebagai berikut:

Reduksi Ukuran

Pengeringan

Pencampuran

Persiapan

Pengemasan

Pendinginan

Pengayakan

Pembuatan Pelet

Gambar 2. 2 Skema proses produksi pelet biomassa (www.pelheat.com)

Dalam penelitian ini, biomassa yang digunakan adalah 100% biomassa yang berasal dari limbah bagas dan karakterisasi utama yang dilihat ialah kandungan volatile matter yang tinggi (karena volatile matter dari biomassa tersebutlah yang menjadi bahan bakar dari kompor gas-biomassa yang dirancang). Untuk digunakan sebagai bahan bakar, limbah bagas dikompakkan dalam bentuk pelet. Menurut hasil penelitian yang dilakukan oleh Erlich (2005) dengan membandingkan antara pelet bagas berdiameter 6 mm dan 12 mm, semakin besar ukuran diameter pelet bagas maka semakin tinggi tingkat kerapuhan dan semakin tinggi char yang dihasilkan. Char yang tinggi akan membentuk lapisan tebal pada char zone sehingga mencegah udara atau gas untuk melewatinya.

2.1.2 Ketersediaan Biomassa di Indonesia Sumber daya biomassa di Indonesia sangat melimpah. Salah satu penyebabnya adalah Indonesia yang termasuk negara beriklim tropis dengan wilayah yang cukup luas. Berikut ini merupakan peta persebaran potensi biomassa di Indonesia pada Gambar 2.3, dimana pada Pulau Jawa dan Sumatra, limbah dari penggilingan tebu menempaatai persentasi dengan urutan tertinggi.


12

Gambar 2. 3 Potensi biomassa di Indonesia (ZREU, 2000)

Berdasarkan peta persebaran potensi biomassa di Indonesia tersebut, dapat diamati bahwa salah satu sumber daya biomassa yang memiliki potensi yang cukup tinggi di Indonesia adalah tebu. Potensi yang besar tersebut disebabkan oleh fungsi tebu sebagai bahan baku utama industri pembuatan gula yang jumlahnya cukup banyak di Indonesia terutama di Pulau Jawa dan Sumatera. Oleh karena itu, dalam penelitian ini digunakan biomassa dari limbah bagas yang merupakan limbah dari penggilingan tebu di pabrik gula. Adapun jumlah limbah biomassa di Indonesia (termasuk bagas) per tahun beserta dengan potensi energinya disajikan dalam Tabel 2.1 sebagai berikut:


13 Tabel 2. 1 Limbah biomassa di Indonesia

Sumber Biomassa

Limbah

Bagas Daun dan Tebu Pucuk Tebu TKKS Kelapa Serat Sawit Tempurung Pohon Limbah Karet Kayu Karet Serabut Kelapa Tempurung Sekam Padi Padi Jerami Limbah Ubi Kayu Cair Pabrik Tapioka Industri Limbah Kayu Kayu

Rasio Limbah (%) 32

Jumlah Potensi Crude Oil Limbah LHV Energi Equivalent (juta (juta (106 (MJ/kg) ton/tahun) GJ/tahun) toe/tahun) 8,5 18,1 78,00 1,87

30

1,3

15,81

20,55

0,49

27 15 9

12,9 6,7 3,5

8,16 11,34 18,83

105,26 75,98 65,91

2,53 1,82 1,58

-

2,8

-

46,45

1,11

16

6,7 3

18,62 16,78

124,75 50,34

2,99 1,21

23

13,5

12,69

171,32

4,11

40

49

10,9

534,10

12,82

-

7,3

-

133,13

3,20

-

8,3

-

70,11

1,68

1.475,90

35,42

JUMLAH

(FAO 1998; Febijanto 2007; Priyanto 2007; ZREU 2000)

2.1.3 Kandungan Biomassa Menurut Kong (2010), terdapat beberapa aspek yang perlu diperhatikan sebagai bahan pertimbangan dalam penggunaan biomassa, yakni selain aspek ketersediaan biomassa yang telah dibahas sebelumnya dan rantai suplai biomassa ialah aspek nilai kalori dan kandungan dari biomassa tersebut (moisture content, ash content, volatile matter, unsur klorin, dan sebagainya). Dengan mengetahui kandungan yang dimiliki oleh suatu biomassa tertentu, maka dapat ditentukan


14 jalur konversi termal (pembakaran langsung, pirolisis, gasifikasi, atau fermentasi) yang paling cocok untuk jenis biomassa tersebut. Misalnya, kadar air atau moisture content yang tinggi mengakibatkan biomassa menjadi sulit terbakar karena dibutuhkan sejumlah kalor laten untuk menguapkan air yang terkandung dalam biomassa tersebut dan kalor sensibel untuk menaikkan suhu. Sedangkan, kadar abu atau ash content yang tinggi berpengaruh terhadap perancangan garangan (grate) dari kompor. Hal ini juga akan mengakibatkan timbulnya emisi partikulat yang tinggi dalam pembakaran sehingga perlu penanganan khusus untuk abu dan partikulat yang dihasilkan. Selain itu, abu bersifat inert sehingga mampu mengurangi efisiensi kalor yang dihasilkan dari bahan bakar (Chigier, 1981). Volatile matter yang tinggi menunjukkan bahwa biomassa tersebut lebih mudah menyala dan lebih cepat terbakar (Fisafarani, 2010). Kandungan zat volatil ini dapat menguntungkan dalam hal penyalaan biomassa karena kandungan zat volatil (campuran dari uap dan gas yang keluar saat proses pirolisis dari biomassa) tersebut dapat melepaskan kalo secara konveksi maupun radiasi, serta membentuk pori pada permukaan ketika zat volatil lepas dari permukaan biomassa. Sedangkan, karbon tetap (fixed carbon) yang tinggi menyebabkan semakin tinggi nilai kalori dari suatu biomassa. Karbon tetap bertindak sebagai pembangkit utama panas selama pembakaran. Biomassa merupakan produk reaksi fotosintetik dari karbon dioksida denga air, yang terdiri dari karbon, oksigen, dan hidrogen, yang terdapat dalam bentuk polimerik makroskopik kompleks. Oleh karena itu, selain kandungankandungan biomassa yang telah diuraikan di atas, kandungan yang juga patut diperhatikan adalah kandungan biopolimer dari biomassa yang terdiri dari hemiselulosa, selulosa, dan lignin. Jumlah kandungan dan sifat struktur dari ketiga komponen biomassa tersebut menjadi penting untuk diketahui karena dalam prinsip kompor gas-biomassa yang dirancang melibatkan proses pirolisis biomassa. Pirolisis biomassa terbagi menjadi empat tahap, yaitu perubahan moisture content, dekomposisi hemiselulosa, dekomposisi selulosa, dan dekomposisi lignin. Adapun hemiselulosa, selulosa, dan lignin memiliki komposisi yang bervariasi untuk setiap spesies tumbuhan. Pada umumnya, dalam setiap basis


15 kering biomassa mengandung 20-40% berat hemiselulosa, 40-60% berat selulosa, dan 10-25% berat lignin.Berdasarkan analisis menggunakan FTIR, spektrum infra merah ketiga komponen biomassa tersebut mayoritas terdiri dari alkena, ester, aromatik, keton, alkohol, dengan gugus fungsional, antara lain OH (3400-3200 cm-1), C=O (1765-1715 cm-1), C-O-C (1270 cm-1), C-O-(H) (~1050 cm-1), dan lain-lain. Ketiga komponen tersebut memiliki perilaku pirolisis yang berbedabeda. Berikut ini merupakan uraian mengenai masing-masing ketiga komponen tersebut: a. Hemiselulosa [(C5H8O4)y] Hemiselulosa mirip dengan selulosa yang merupakan polimer gula. Namun, berbeda dengan selulosa yang hanya tersusun dari glukosa, hemiselulosa tersusun dari bermacam-macam jenis gula. Monomer gula penyusun hemiselulosa terdiri dari monomer gula berkarbon lima (C-5) dan enam (C-6). Dekomposisi hemiselulosa terjadi paling mudah dan paling awal di antara komponen lainnya, di mana dekomposisi terjadi pada suhu 220-315oC dengan menghasilkan CO dan CO2 lebih tinggi, senyawa organik (C=O, C-O-C, dan sebagainya), dan sedikit CH4 sebagai gas pirolisis yang dilepaskan (Tanto, 2011; Yang, 2007).

b. Selulosa [(C6H10O5)x] Selulosa adalah polimer glukosa (hanya glukosa) yang tidak bercabang. Bentuk polimer ini memungkinkan selulosa saling menumpuk dan terikat menjadi bentuk serat yang sangat kuat. Panjang molekul selulosa ditentukan oleh jumlah unit glucan di dalam polimer yang disebut dengan derajat polimerisasi, di mana pada umumnya terdapat sekitar 2.000-27.000 unit glucan dalam selulosa. Selulosa terdekomposisi pada suhu pirolisis 315-400oC dengan melepaskan CO dan CO2 dalam jumlah sedikit, senyawa organik (C=O, C-O-C, dan sebagainya), dan sedikit CH4, dengan hasil residu padatan yang paling rendah (Tanto, 2011; Yang, 2007).

c. Lignin [(C9H10O3(CH3O)0,9-1,7)y] Lignin adalah molekul komplek yang tersusun dari unit phenylphropane yang terikat di dalam struktur tiga dimensi. Lignin adalah material yang paling


16 kuat dalam biomassa. Lignin memiliki titik leleh yang cukup rendah, yaitu pada suhu 140oC. Lignin bersifat sangat resisten terhadap degradasi, baik secara biologi, enzimatis, maupun kimia. Lignin memiliki rasio C dan O serta rasio H dan O yang lebih besar daripada fraksi karbohidrat lainnya dalam biomassa. Hal inilah yang membuat lignin lebih potensial untuk proses oksidasi dibandingkan dengan yang lainnya. Adapun lignin terdekomposisi pada suhu pirolisis 150900oC, di mana tidak ada CO dan senyawa organik yang dihasilkan sebagai gas pirolisis, melainkan CH4 dalam jumlah tinggi, dengan residu padatan yang dihasilkan paling tinggi dibandingkan dengan komponen biopolimer lainnya (Tanto, 2011; Yang, 2007).

2.1.4 Uji Analisis Karakteristik Bahan Bakar Biomassa Supaya pemanfaatan biomassa sebagai bahan bakar menjadi optimal, perlunya untuk mengetahui karakteristik biomassa yang digunakan untuk mendesain ruang bakar yang sesuai bagi proses pembakaran biomassa. Adapun untuk mengetahui karakteristik dari suatu biomassa perlu dilakukan uji analisis. Secara umum, metode untuk menganalisis kandungan biomassa diklasifikasikan menjadi dua metode, yaitu analisis proximate dan analisis ultimate. Analisis proximate merupakan analisis yang menunjukkan nilai kuantitatif (dalam persen berat) dari fixed carbon, volatile matter, ash content, dan moisture content dalam suatu biomassa. Analisis proximate terhadap biomassa yang digunakan dalam penelitian ini penting untuk dilakukan, terutama guna mengetahui kandungan volatile matter yang dimiliki oleh biomassa tersebut. Seperti telah dijelaskan sebelumnya, prinsip kompor gas-biomassa yang dirancang dalam penelitian ini adalah membakar volatile matter yang telah keluar dari biomassa dan mengalami pirolisis menjadi gas. Oleh karena itu, pemilihan jenis biomassa untuk bahan bakar kompor gas-biomassa didasarkan pada kandungan volatile matter yang tinggi. Analisis ultimate ialah analisis untuk menentukan berbagai macam kandungan kimia berupa unsur-unsur, seperti karbon, hidrogen, oksigen, sulfur, dan lain-lain dalam suatu biomassa. Analisis ini berguna untuk menentukan jumlah udara yang diperlukan dalam suatu proses pembakaran dan komposisi dari


17 gas pembakaran. Tidak seperti analisis proximate yang dapat dilakukan dengan peralatan sederhana, analisis ultimate harus dilakukan di laboratorium dengan peralatan yang lengkap oleh ahli kimia yang terampil (Tanto, 2011). Adapun analisis proximate dan ultimate untuk biomassa dari bagas yang diperoleh dari literatur, dapat dilihat pada Tabel 2.2 dan Tabel 2.3. Menurut hasil karakterisasi biomassa yang dilakukan oleh Fisafarani (2010), bagas memiliki kandungan hemiselulosa, selulosa, dan lignin secara berurutan sebesar 27,63%, 39,29%, dan 21,98% berdasarkan persentase berat keringnya. Sedangkan, hasil uji karakterisasi bahan bakar biomassa dari bagas yang digunakan dalam penelitian (analisis proximate, ultimate, dan nilai kalori) yang dilakukan oleh Balai Besar Teknologi Energi yang terdapat di Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), Serpong, dapat dilihat pada LAMPIRAN. Tabel 2. 2 Analisis proximate biomassa

Biomass Straw Rice Husk Kamper Wood Rubber Wood Coconut Fiber EFB Bagasse

Moisture Content %, adb 11.98 7.78 15.52 10.85 10.27 10.45 8.76

Ash Volatile Fixed Content Matter Carbon %, adb %, adb %, adb 17.42 56.48 14.12 21.84 57.05 13.33 1.21 68.22 15.05 4.29 69.76 15.1 3.27 62.64 23.82 3.43 68.67 17.45 1.34 75.94 13.96

(Purwanto, 2010)


18 Tabel 2. 3 Analisis ultimate biomassa

Biomass Straw Rice Husk Kamper Wood Rubber Wood Coconut Fiber EFB Bagasse

C

H

36.48 35.18 45.67 45.62 46.87 44.06 46.1

4.7 4.46 5.74 5.57 5.77 6.06 6.1

N S % adb 0.61 0.09 0.15 0.01 0.12 Trace 0.72 0.04 0.04 0.08 0.29 0.11 0.11 0.17

O 40.7 38.36 47.26 43.76 43.97 46.05 46.18

(Purwanto, 2010)

2.1.5 Tahap-tahap Pembakaran Biomassa Untuk dapat mengontrol dan mengoptimasi suatu proses pembakaran, pertama-tama hal yang perlu diketahui adalah kondisi-kondisi yang berpengaruh terhadap pembakaran tersebut. Kondisi-kondisi yang dimaksud di sini adalah terkait dengan setiap tahap yang berlangsung secara terpisah dan kronologis seiring dengan kenaikan suhu dari material yang digunakan sebagai bahan bakar. Berikut ini merupakan uraian secara rinci mengenai setiap tahap yang terjadi dalam pembakaran biomassa: a. Pengeringan Dalam tahap ini, air yang terkandung dalam biomassa menguap. Seperti diketahui dalam proses pengeringan, keberadaan air dalam suatu bahan bakar padat terdiri dari dua bentuk, yaitu air bebas (air yang terdapat dalam pori-pori pada permukaan luar suatu bahan bakar padat dan jenis air ini mudah untuk menguap) dan air terikat (air yang berada di struktur permukaan dalam atau internal dari bahan bakar padat, memiliki gaya ikat atau adhesi yang cukup kuat dengan partikel bahan bakar padat tersebut, dan lebih sulit untuk menguap sehingga memerlukan energi yang berlebih jika ingin menguapkan jenis air tersebut). Adapun waktu yang dibutuhkan untuk mengubah seluruh air menjadi uap air bergantung pada moisture content yang dimiliki oleh biomassa yang digunakan. Semakin rendah moisture content, semakin singkat waktu pengeringan dan semakin besar energi yang dihasilkan untuk pembakaran.


19 Menurut www.pellheat.com, target untuk moisture content dalam pelet yang telah menjadi produk jadi sebaiknya di bawah 10%, karena jika lebih dari 10% maka membutuhkan energi yang lebih besar untuk membakarnya. Sedangkan, menurut Roth (2011), moisture content 8-20% adalah yang terbaik untuk pelet, meskipun pada kompor yang menggunakan sistem aliran konveksi paksa (seperti kompor gas-biomassa yang dirancang dalam penelitian ini) masih dapat membakar bahan bakar dengan moisture content hingga 30%. Berdasarkan informasi-informasi yang diperoleh dari data literatur tersebut, dengan demikian pelet bagas yang digunakan dalam penelitian ini diatur untuk memiliki moisture content sebesar 10% agar tidak meningkatkan biaya untuk efisiensi pembakaran.

b. Devolatilisasi (Pirolisis) Jika pengeringan partikel-partikel dalam biomassa telah selesai terjadi, maka suhu akan meningkat. Ketika suhu naik dan panas diabsorpsi oleh partikel biomassa, biomassa terdekomposisi melalui tahapan secara lengkap (dimulai dari hemiselulosa, selulosa, dan lignin). Sebagai akibatnya, biomassa melepaskan volatile matter dan menyisakan produk padatan (char). Adapun dalam proses dekomposisi biomassa tersebut, sebenarnya antara pelepasan volatile matter atau produk gas pirolisis dan pembentukan produk padatan (char) terjadi secara terpisah. Bila dipandang dari sisi pelepasan volatile matter dari biomassa, fenomena ini disebut dengan devolatilisasi. Sedangkan, dipandang dari sisi pembentukan char, fenomena ini dikenal dengan nama karbonisasi (Roth, 2011). Volatile matter sendiri diyakini berasal dari spesi turunan dari putusnya ikatan -H2, -CH, -CH2, -CH3, dan -OH yang terdapat di sekeliling biomassa, di mana spesi-spesi tersebut memiliki berat molekul yang ringan (Tanto, 2011) Pada saat devolatilisasi terjadi, volatile matter mengalir keluar dari pori-pori partikel biomassa sehingga oksigen dari luar tidak dapat berpenetrasi ke dalam partikel. Oleh karena itu, fenomena devolatilisasi ini sering juga disebut dengan tahap pirolisis (Borman, & Ragland, 1998). Pirolisis merupakan destruksi termal dari material organik tanpa keberadaan oksigen (Demirbas, 2004). Selanjutnya, produk gas pirolisis akan menyala dan membentuk api yang mengelilingi sekitar partikel sebagai akibat dari oksigen yang berdifusi ke produk


20 gas pirolisis. Kemudian, api tersebut memberikan panas ke partikel sehingga pelepasan volatile matter dari biomassa terulang kembali dan demikianlah devolatilisasi terjadi terus-menerus hingga volatile matter dalam biomassa tersebut habis dan hanya tertinggal padatan (char) biomassa saja. Karena adanya energi panas yang dilepaskan seiring dengan pelepasan volatile matter itulah, semakin banyak kandungan volatile matter, maka semakin rendah suhu penyalaan yang dibutuhkan (Tanto, 2011). Apalagi, jika volatile matter dalam jumlah banyak tersebut mengalami devolatilisasi, maka pada saat volatile matter tersebut telah terbakar habis akan mengakibatkan porositas char yang terbentuk semakin besar dan hal ini berperan dalam pembakaran char yang terjadi selanjutnya. Membesarnya porositas char menyebabkan aliran udara yang melewati partikel char menjadi semakin turbulen sehingga menimbulkan ulakan (eddy) yang mempermudah oksigen berdifusi lebih lanjut ke permukaan internal char (Singh, et al., 2009). Dengan demikian, pembakaran pun menjadi semakin sempurna dan efisien. Adapun laju dari devolatilisasi dan produk pirolisis bergantung pada suhu dan jenis bahan bakar (Borman, & Ragland, 1998; Tanto, 2011).

c. Pembakaran Gas Biomassa mengandung komponen penyusun yang sangat kompleks dimana volatile matter yang ada di dalamnya berbeda untuk setiap jenis biomassanya. Berikut ini merupakan reaksi pembakaran sederhana dari volatile matter yang seringkali terjadi pada proses pembakaran bahan bakar padat (Fisafarani, 2010): +

→

QP = +242 kJ/mol

(2.1)

+

→

QP = +283 kJ/mol

(2.2)

+

QP = +35,7 kJ/mol

(2.3)

+

QP = -206 kJ/mol

(2.4)

+

QP = +41,1 kJ/mol

(2.5)

+ + +

→ → →


21 Diman QP sama dengan –ΔH (Glassman, 1996). Adapun panas yang dihasilkan oleh reaksi eksotermis sangat penting dalam pelepasan volatile matter dan penyalaan api pada char.

d. Pembakaran Padatan (Char) Biomassa Tahap akhir dalam proses pembakaran suatu bahan bakar padat adalah pembakaran char. Ketika devolatilisasi selesai terjadi, maka yang tersisa adalah char dan abu saja. Char merupakan bahan residu yang kaya akan karbon namun miskin akan oksigen dan hidrogen. Partikelnya memiliki patahan dan lubang yang disebabkan oleh hilangnya gas dan volatile matter sehingga ukurannya membesar dari sebelumnya. Oleh karena itu, pada umumnya char memiliki tingkat porositas yang tinggi. Porositas untuk char yang berasal dari biomassa kayu adalah sekitar 0,9 (90% voids) dengan luas permukaan internalnya sekitar 10.000 m2/g. Ketika volatile matter keluar dari biomassa dan meninggalkan char, terdapat lubang-lubang yang menyebabkan char memiliki pori yang besar sehingga oksigen dapat berdifusi melalui boundary layer yang terdapat pada sekitar lubanglubang berpori partikel dan masuk ke dalam partikel char tersebut. Oleh karena itu, laju pembakaran char amat bergantung pada laju reaksi kimia, yakni reaksi heterogen antara karbon dalam char dan oksigen yang terjadi pada permukaan keduanya (gas-solid interface). Produk utama dari reaksi permukaan ini terutama berupa gas CO. Selanjutnya, gas CO tersebut akan bereaksi di luar partikel untuk membentuk CO2. Reaksi pembentukan CO2 tersebut sangat eksotermis sehingga mampu meningkatkan suhu char 100-200oC di atas suhu gas luar. Tahap ini relatif lebih lama dibandingkan devolatilisasi. Adapun reaktivitas char bergantung pada jenis biomassanya, suhu gas, tekanan, bilangan Reynold, karakteristik char (ukuran, porositas, luas permukaan, dan lain-lain), dan konsentrasi oksigen. Konsentrasi oksigen dan laju difusi oksigen tersebut melewati boundary layer dan masuk ke dalam partikel char juga merupakan faktor penting dalam laju pembakaran char, selain laju reaksi kimia yang telah dijelaskan (Borman, & Ragland, 1998; Tanto, 2011).


22 2.1.6 Gasifikasi sebagai Konversi Termal Biomassa 2.1.6.1 Definisi Gasifikasi Gasifikasi merupakan salah satu proses pengubahan bertahap dari bahan bakar padat dengan ketersediaan oksigen yang terbatas sehingga gas yang dihasilkan masih berpotensi untuk terbakar, dimana hampir semua bahan organik dari biomassa diubah menjadi gas bakar yang bersih dan netral (Faaij, 2006). Posisi gasifikasi di antara berbagai malam jalur konversi biomassa dapat dilihat pada Gambar 2.4 berikut ini.

Gambar 2. 4 Pilihan utama teknologi metode pengubahan biomassa (Faaij, 2006)

Gasifier biomassa adalah suatu sistem yang mengubah biomassa padat menjadi gas dan membakarnya dengan cara yang dapat dikontrol melalui pengaturan suplai udara (Roth, 2011). Sistem tersebut memanfaatkan teknologi gasifikasi untuk mengubah biomassa secara termokimia menjadi gas yang dapat dibakar. Gasifikasi sebenarnya merupakan suatu bentuk pirolisis pada suhu tinggi untuk mengoptimasi gas yang dihasilkan. Gas pirolisis yang dihasilkan disebut dengan gas producer (merupakan campuran gas yang didominasi oleh gas CO, H2, dan CH4, bersama dengan CO2 dan N2) (Demirbas, 2004). Teknologi gasifikasi biomassa sendiri belum banyak dilakukan di Indonesia, namun


23 teknologi ini menawarkan kelebihan berupa efisiensi yang tinggi dan emisi yang bersih (Agung, et al., 2010). Hal ini disebabkan oleh gas pirolisis yang dihasilkan selanjutnya dibakar secara sempurna. Pada Gambar 2.5 berikut ini adalah skema proses yang terjadi dalam suatu gasifier.

Gambar 2. 5 Skema proses pembakaran gas producer (Roth, 2011)

2.1.6.2 Jenis Gasifier Pada umumnya, ada dua jenis gasifier, yaitu fixed bed gasifier dan fluidized bed gasifier. Adapun untuk kompor gas-biomassa yang dirancang dalam penelitian, jenis fixed bed gasifier dianggap lebih sesuai untuk diterapkan dengan susunan bahan bakar padat yang tetap. a. Fixed Bed Gasifier Fixed bed gasifier merupakan jenis gasifier yang memiliki garangan (grate) yang dikonstruksikan untuk menopang bahan bakar dan mempertahankan unggun bahan bakar dalam keadaan tetap atau tidak bergerak seperti fluida. Jenis gasifier ini relatif mudah untuk didesain dan dioperasikan, namun memiliki kapasitas yang terbatas. Oleh karena itu, fixed bed gasifier lebih banyak


24 digunakan untuk aplikasi skala kecil hingga sedang, dimana kalor yang diperlukan mencapai 1 MW (Akudo, 2008). 1) Up Draft Gasifier Pada jenis gasifier ini, udara disuplai dari bagian bawah. Api juga dinyalakan dari bawah. Sedangkan, gas panas bergerak mengalir ke atas dan kemudian keluar menuju atmosfer, sementara bahan bakar terus-menerus bergerak ke bawah secara berkelanjutan sebagai akibat pirolisis volatile matter. Karena gerakan yang berlawanan tersebut, jenis gasifier ini sering disebut dengan Countercurrent Gasifier. Jenis gasifier ini memiliki kelebihan, yaitu sederhana, suhu keluaran gas relatif rendah, efisiensi termal tinggi, dan masih dapat melakukan pembakaran meskipun moisture content dari biomassa mencapai 60%. Akan tetapi, jenis gasifier ini tidak cocok untuk diaplikasikan pada kompor gas-biomassa yang dirancangan karena menghasilkan tar dan asap hidrokarbon dalam kadar yang tinggi (Akudo, 2008; Belonio, 2005). Skema Up Draft Gasifier dapat dilihat pada Gambar 2.6 sebagai berikut.

Gambar 2. 6 Skema Up Draft Gasifier (Belonio, 2005)

2) Down Draft Gasifier Pada Down Draft Gasifier, udara disuplai dari atas secara kontinu dan bergerak mengalir ke bawah sehingga membawa gas yang keluar untuk ikut mengalir ke bawah menuju zona gasifikasi hot-char, menyalakan api, dan membakar tar. Dengan demikian, emisi yang dihasilkan sangat bersih.


25 Sementara itu, bahan bakar juga bergerak ke bawah, seperti gas pirolisis, sehingga dikenal dengan Co-current Gasifier. Meskipun begitu, jenis gasifier ini memiliki efisiensi keseluruhan yang lebih rendah serta penanganan yang sulit untuk biomassa dengan moisture content dan kandungan abu yang tinggi daripada Up Draft Gasifier. Pada jenis gasifier ini juga amatlah penting untuk memperhatikan distribusi suhu tinggi yang merata di seluruh area dalam reaktor gasifikasi. Oleh karena itu, Down Draft Gasifier terbatas hanya untuk range daya kurang dari 1 MW (Akudo, 2008; Belonio, 2005). Skema Down Draft Gasifier dapat dilihat pada Gambar 2.7 sebagai berikut.

Gambar 2. 7 Skema Down Draft Gasifier (Belonio, 2005)

3) Cross Draft Gasifier Pada jenis gasifier ini, udara mengalir dari samping reaktor gasifikasi dan bergerak melewati bahan bakar bersama dengan gas pirolisis yang dihasilkan. Zona pembakaran menyilang dalam reaktor dan berada dalam arah menuju keluaran gas. Jenis gasifier ini dioperasikan secara kontinu dengan penyalaan awal bahan bakar dapat dimodifikasi untuk meminimasi asap yang dihasilkan (Belonio, 2005). Skema Cross Draft Gasifier dapat dilihat pada Gambar 2.8 sebagai berikut.


26

Gambar 2. 8 Skema Cross Draft Gasifier (Belonio, 2005)

4) Inverted Down Draft atau Top Lit Up Draft (TLUD) Gasifier Jenis gasifier ini dioperasikan secara batch sehingga pengisian bahan bakar pada saat gasifier beroperasi tentunya dapat mengganggu proses gasifikasi. Pada jenis gasifier ini, bahan bakar dinyalakan dari bagian atas setelah reaktor gasifikasi diisi oleh bahan bakar tersebut. Bahan bakar tetap, sedangkan zona flaming pyrolisis (zona dimana biomassa terdekomposisi menjadi gas pirolisis dan char) yang bergerak menurun. Sedangkan, gas pirolisis yang dihasilkan mengalir ke atas. Baik desain penyalaan awal yang dilakukan di atas maupun gas pirolisis yang mengalir ke atas, tujuannya adalah kemudahan aktivitas memasak dan efektivitas perpindahan kalornya (Belonio, 2005; Roth, 2011). Skema Top-Lit Up Draft Gasifier dapat dilihat pada Gambar 2.9 sebagai berikut.


27

Gambar 2. 9 Skema Top-Lit Up Draft (T-LUD) Gasifier (Belonio, 2005)

b. Fluidized Bed Gasifier Fluidized Bed Gasifier dikembangkan untuk mengatasi permasalahan yang terjadi pada Fixed Bed Gasifier. Jenis gasifier ini cocok untuk kapasitas yang besar, seperti untuk keperluan institusi atau skala industri, dimana biaya yang diperlukan untuk peralatan ini sudah ditetapkan. Pada jenis gasifier ini, bahan bakar mengalami pergerakan di dalam reaktor. Oleh karena itu, diperlukan kipas (fan) bertekanan tinggi untuk mendorong pergerakan partikel bahan bakar tersebut. Bahan bakar dimasukkan ke dalam reaktor gasifikasi dan bercampur dengan cepat bersama material unggun dalam reaktor yang mengalir seperti fluida. Dengan karakterisai turbulensi yang tinggi, pirolisis terjadi dengan cepat dan menghasilkan gas pirolisis dalam jumlah banyak. Kekurangan dari jenis gasifier ini adalah menghasilkan kandungan tar yang tinggi, pembakaran karbon yang tidak sempurna, dan permasalahan dalam pengisian bahan bakar (Akudo, 2008; Belonio, 2005).

2.1.6.3 Reaksi Gasifikasi Berikut ini merupakan reaksi yang terjadi pada suatu proses gasifikasi bahan bakar biomassa (Kythavone, n.d.): a. Gasifikasi dengan oksigen +

→

(2.6)


28 b. Pembakaran dengan oksigen +

→

(2.7)

c. Gasifikasi dengan karbon dioksida +

→2

(2.8)

d. Gasifikasi dengan uap air +

→

+

(2.9)

e. Gasifikasi dengan hidrogen +2

→

(2.10)

f. Water-gas shift +

→

+

(2.11)

g. Metanasi +3

→

+

(2.12)

2.2 Kompor Biomassa 2.2.1 Definisi Kompor Biomassa Kompor biomassa adalah sistem yang membakar bahan biomassa untuk memproduksi kalor melalui pembakaran untuk penggunaan proses memasak domestik atau tujuan perancangan lain yang disesuaikan dengan kebutuhan pemakai (Rizqiardihatno, 2008). Kompor gas-biomassa yang dirancang dalam penelitian merupakan kompor biomassa yang dikembangkan untuk memiliki karakteristik seperti kompor LPG, yaitu membakar gas untuk memperoleh emisi yang rendah dan nyala api biru.

2.2.2 Komponen-komponen Kompor Biomassa Pada umumnya, suatu kompor biomassa memiliki komponen-komponen yang terdiri dari: a. kotak api/ruang pembakaran, sebagai tempat proses pembakaran terjadi; b. garangan (grate), untuk mendistribusikan udara ke bagian bawah bahan bakar secara lebih merata sehingga meningkatkan performa kompor dan keekonomisan

bahan

bakar,

dimana

dalam

penelitian

udara

yang

didistribusikan melalui garangan adalah udara devolatilisasi (udara primer);


29 c. lubang panci (pot hole), sebagai tempat panci diletakkan yang didesain sehingga gas buang tidak keluar melalui celah bawah panci; d. cerobong (chimney), sebagai jalur keluar gas buang, dimana sirkulasi cerobong (chimney draught) merupakan salah satu daya pendorong (selain buoyancy force dan frictional force) terbentuknya aliran fluida (bergantung pada perbedaan suhu antara fluida pada dasar cerobong dengan lingkungan luar dan tinggi dari cerobong); e. penghalang (baffle), sebagai penghalang lintasan aliran gas buang di bawah panci untuk meningkatkan laju alir aliran gas buang sehingga laju perpindahan kalor juga meningkat; f. sambungan (connecting tunnels), untuk menyambungkan ruang-ruang dalam kompor jenis multi-pot; g. pengatur api (damper), untuk mengatur induksi udara dalam kompor sehingga daya keluaran dapat diatur. Komponen yang terdapat pada rancangan kompor gas-biomassa dalam penelitian, antara lain ruang pembakaran (dalam rancangan kompor lebih tepat disebut reaktor gasifikasi), garangan, lubang panci, dan penghalang. Beberapa penambahan komponen dilakukan sebagai modifikasi, antara lain ruang char (char chamber), blower untuk aliran udara secara konveksi paksa, dan burner (zona pembakaran gas dengan udara sekunder). 2.2.3 Perkembangan Berbagai Jenis Kompor Biomassa Kompor biomassa diklasifikasikan menjadi empat jenis, yaitu antara lain kompor biomassa tradisional (traditional biomass-fired stove), kompor biomassa dikembangkan (improved biomass-fired stove), kompor biogas (biogas-fired stove), dan kompor gas-biomassa (producer gas-fired stove). Adapun kompor biomassa tradisional memiliki bentuk, ukuran, dan material konstruksi yang variatif, serta efisiensi energi yang sangat rendah, yakni berkisar antara 5-20% saja, dan emisi gas CO yang dihasilkan pun masih tinggi, yaitu antara 13-426 g udara / kg bahan bakar kering. Selanjutnya, kompor biomassa tradisional dikembangkan kembali untuk meningkatkan efisiensi energinya dan meminimasi emisinya yang kemudian


30 disebut dengan improved biomass-fired stove, yang diaplikasikan melalui program ICS (Improved Cook Stove) di negara-negara berkembang. ICS sendiri memiliki pengerrtian, yakni suatu sistem yang membakar bahan biomassa untuk memproduksi kalor melalui pembakaran untuk penggunaan proses memasak domestik atau tujuan perancangan lain yang disesuaikan dengan kebutuhan pemakai (Barnes, 1994). Sedangkan, kompor biogas merupakan kompor yang menggunakan biogas sebagai bahan bakarnya, di mana biogas berasal dari limbah kotoran manusia atau hewan yang difermentasi oleh bakteri anaerobik dalam ruang tertutup. Kompor jenis ini cukup mampu mengurangi emisi gas CO dan gas berbahaya lainnya yang dihasilkan dari pembakaran kompor secara signifikan. Meskipun begitu, kompor gas-biomassa mampu meminimasi emisi gas CO secara lebih efektif dan signifikan sekaligus memiliki efisiensi energi yang tinggi untuk jenis kompor biomassa. Kompor ini memiliki sistem yang memproduksi gas-gas pirolisis (oleh karena itu jenis kompor ini menggunakan prinsip gasifier) untuk selanjutnya dibakar secara sempurna sehingga jenis kompor ini tidak menghasilkan asap hitam dan tidak mengemisikan gas-gas berbahaya seperti CO, H2, CH4, dan sebagainya (Bhattacharya, & Salam, 2002).

2.2.4 Kompor Gas-Biomassa dengan Prinsip T-LUD Gasifier 2.2.4.1 Pengertian Udara Primer dan Udara Sekunder Udara yang masuk dari bagian bawah garangan (grate) disebut udara primer. Udara primer berperan dalam tahap pertama dari sistem gasifikasi pada kompor yang bertujuan memproduksi gas, yaitu devolatilisasi atau pirolisis. Udara primer mempunyai pengaruh yang besar terhadap panas di dalam reaktor gasifikasi, serta laju dan intensitas dari proses pirolisis. Semakin sedikit udara primer yang tersedia, maka semakin sedikit gas pirolisis yang terbentuk. Sedangkan, udara yang masuk ke bagian atas bahan bakar dan bereaksi dengan volatile matter disebut udara sekunder. Udara sekunder berperan dalam tahap kedua dari sistem gasifikasi pada kompor yang bertujuan membakar gas, yaitu pembakaran sempurna gas pirolisis. Bila udara sekunder semakin ditingkatkan, maka gas pirolisis akan terbakar secara sempurna. Adapun dengan adanya udara,


31 panas dapat berpindah ke sekitar sehingga dapat mempercepat penyalaan pada bahan bakar padat (Roth, 2011; Tanto, 2011).

2.2.4.2 Mekanisme Kerja dari Prinsip T-LUD Gasifier T-LUD Gasifier (disebut juga dengan Inverted Downdraft Gasifier) merupakan salah satu prinsip gasifier, yang memiliki konsep penyalaan bahan bakar pada bagian atas dari unggun pelet (top-lit). Panas yang dihasilkan penyalaan bahan bakar bermanfaat untuk dekomposisi material organik dari bahan bakar biomassa sehingga melalui pirolisis, biomassa dipisahkan menjadi volatile matter (gas) dan char (padat). Adapun laju devolatilisasi yang menghasilkan volatile matter tersebut dibantu oleh aliran udara devolatilisasi (udara primer) dari bawah ke atas yang jumlahnya terbatas. Baik aliran udara primer maupun aliran gas pirolisis, bergerak menuju ke bagian atas gasifier (up draft). Gas pirolisis yang naik tersebut akan bercampur dengan aliran udara pembakaran (udara sekunder) yang laju alirnya lebih besar daripada laju alir udara devolatilisasi (udara primer) di bagian atas sehingga terjadi pembakaran sempurna yang mengakibatkan emisi gas CO yang dicapai menjadi rendah. Adapun pirolisis biomassa yang terjadi mulai dari susunan unggun pelet paling atas terlebih dahulu menyebabkan terbentuknya lapisan char sehingga di bagian atas terdapat char zone. Sementara itu, di bawah char zone terdapat flaming pyrolysis zone. Kemudian, diikuti oleh ungasified fuel zone, yakni zona bahan bakar yang belum mengalami proses konversi ke gas (Panwar, 2010). Flaming pyrolysis memiliki pengertian bahwa peristiwa devolatilisasi dan pembakaran gas-gas

yang terdevolatilisasi terjadi secara simultan dan

berkelanjutan (Erlich, 2005). Menurut www.woodgas.com, kata “flaming” tersebut

menunjuk

pada

flaming

combustion

yang

digunakan

untuk

mendefinisikan pembakaran dengan visible flame. Flaming combustion tersebut diikuti dengan glowing combustion, di mana pembakaran terjadi pada permukaan char dari biomassa sehingga char berpijar. Pertama-tama, biomassa mengalami pirolisis dan gas-gas pirolisis terbakar dalam flaming combustion, kemudian api menghilang dan char yang terbentuk terbakar pada glowing combustion. Jadi, sebenarnya pada prinsip tersebut, pembakaran sempurna gas (CO, H2, dan lain-


32 lain) yang terjadi lebih dahulu daripada pembakaran char di dalam kompor mengakibatkan produk emisi dari pembakaran tidak sempurna, seperti CO, dapat dikurangi hingga konsentrasi sangat rendah. Emisi CO yang sangat rendah mampu menyebabkan nyala api biru sehingga kompor dengan prinsip ini berpotensial untuk menggantikan kompor LPG (Panwar, 2010). Wood-Gas Turbo Stove dirancang pada tahun 2000 menggunakan prinsip T-LUD Gasifier, dimana rancangan dapat diperhatikan pada Gambar 2.10.

Gambar 2. 10 Wood-Gas Turbo Stove dengan konveksi alami yang terbuat dari 15 cm riser sleeve (kiri) dan Wood-Gas Turbo Stove dengan konveksi paksa 3 W blower yang menghasilkan 3 kW api (kanan) (Reed, et al., 2000)

Wood-Gas Turbo Stove, kompor ini secara aplikatif telah dapat digunakan untuk keperluan memasak indoor dan telah mampu meminimasi emisi gas CO hingga 22 ppm (pengukuran 80 cm dari atas kompor). Perancangan kompor tersebut dilatarbelakangi oleh penggunaan bahan bakar gas yang lebih diminati karena lebih bersih dibandingkan dengan bahan bakar padat. Adapun laju produksi gas dan pemanasan dikontrol oleh ketersediaan udara devolatilisasi (udara primer) yang mengalir dari bawah (Reed, et al., 2000). Meskipun begitu, bahan bakar yang telah digunakan untuk uji operasi pada Wood-Gas Turbo Stove masih belum memperhatikan kandungan volatile matter yang tinggi. Bahan bakar yang telah digunakan, antara lain peanut shell pellets, coconut shell, palm nut shell, kayu (wood pellets dan wood chips), dan batubara (coal). Hal tersebut dapat dilihat


33 pada data operasi dan turunan yang dihasilkan dari pengujian Wood-Gas Turbo Stove yang disajikan pada Tabel 2.4.

Tabel 2. 4 Data Operasi dan Turunan untuk Bahan Bakar yang Dipilih dalam Pengujian WoodGas Turbo Stove PEANUT

WOOD

COCONUT

PALM NUT

WOOD

PELLETS

SHELL

SHELL

CHIPS

5/25

5/9

4/22

4/27

4/26

4/28

Moisture Content

6,4

6,5

6,2

6

7,8

3,1

Fuel Wt. – g

500

500

305

150

180

260

0,58

0,64

0,48

0,26

0,265

1,69

30

41

19

13

15

37

Volatiles burned-g

490

410

215

130

150

150

Times to Boil-min

7,2

7,0

13,0

8,0

6,0

10,0

Charcoal yield-g

130,0

90,0

90,0

20,0

30,0

130,0

Water boiled-g

930,0

850,0

220,0

100,0

145,0

850,0

Charcoal Yield-%

26,0

18,0

29,0

13,0

17,0

50,0

Boiling Efficiency

31,0

31,8

37,5

33,0

20,0

24,0

Average Intensity

2,1

2,5

2,8

2,5

2,5

2,4

TEST FUEL

SHELL PELLETS

Test Date

COAL

FUEL DATA

Fuel Densityg/cm3 RUN DATA Volatile burn time-min

DERIVED DATA

(Reed, et al., 2000)

Batubara (coal) sebagai bahan bakar sebenarnya sangat membuang energi dan menimbulkan polusi yang tinggi akibat kandungan C yang tinggi, sedangkan penggunaan kayu sebagai bahan bakar masih berbenturan dengan masalah deforestasi (Reed, et al., 2000; Achard, 2002). Oleh karena itu, untuk jenis bahan bakar biomassa lainnya, Wood-Gas Turbo Stove masih membutuhkan optimasi dan penyesuaian dengan keperluan penggunaannya. Selain itu, walaupun pembakaran dalam kompor tersebut relatif bersih, namun kualitas pencampuran


34 gas-udara masih rendah akibat ketidakstabilan api sehingga terkadang api yang timbul berwarna kuning. Selain itu, pada pengujian Wood-Gas Turbo Stove diperoleh char yield 20-25% (basis massa kering), yang berarti bahwa masih ada char yang terbakar dan hal ini tentunya memerlukan penanganan (Reed, et al., 2000). Hal tersebut dapat terjadi karena berkaitan dengan reaktivitas dari char yang terbentuk (Erlich, 2005). Pembakaran char yang mengandung C tinggi dapat mengakibatkan meningkatnya emisi gas CO karena reaksi C menjadi CO berlangsung cepat. Kemudian, ada pula Anderson’s Juntos “Model B” T-LUD Gasifier yang dibuat pada tahun 2004. Kompor tersebut memanfaatkan konveksi paksa, baik untuk aliran udara primer maupun udara sekunder. Anderson juga merancang kompor gas-biomassa dengan memanfaatkan aliran udara secara konveksi alami, dimana kompor tersebut diberi nama Champion T-LUD ND (Natural Draft) yang dimanufaktur oleh Servals Automation Pvt. Ltd, India. Kompor tersebut berhasil memenangkan penghargaan sebagai kompor dengan pembakaran paling bersih di antara sembilan jenis kompor biomassa lainnya pada Aprovecho Stove Camp 2005, dimana kompor tersebut menghasilkan emisi gas CO sebesar 3,5 g/L dengan bahan bakar pelet dari biomassa kayu. Desain ruang gasifikasi dan pembakaran berhasil diselesaikan pada akhir bulan Agustur tahun 2005 dan kompor tersebut mulai diproduksi secara komersial di India pada tahun 2009. Champion T-LUD ND (Natural Draft) dapat dilihat pada Gambar 2.11 sebagai berikut (Roth, 2011).

Gambar 2. 11 Champion T-LUD ND (Natural Draft) (Roth, 2011)


35 Selanjutnya, Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier yang memanfaatkan aliran konveksi paksa untuk udara primernya dan konveksi alami untuk udara sekundernya. Kompor tersebut merupakan kompor gas-biomassa pertama dengan pembakaran partikel halus limbah biomassa menggunakan prinsip T-LUD Gasifier yang mampu menghasilkan gasifikasi yang sempurna, menghasilkan nyala api biru yang konsisten, dan emisi yang rendah, menggunakan biomassa dari sekam padi (Belonio, 2005). Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier telah diproduksi di Filipina dalam jumlah terbatas denganharga US$ 200 per unit. Hasil rancangan secara fisik dari kompor tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.12. Pengembangan kompor Belonio tersebut dilakukan secara komersial dengan memproduksi kompor yang serupa dalam tiga jenis ukuran oleh Paul Olivier di Vietnam pada tahun 2008 dengan bahan stainless steel dan diberi nama Belonio’s Rice Hull T-LUD.

Gambar 2. 12 Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier (Belonio, 2005)

N. L. Panwar dan N. S. Rathore (2008) awalnya merancang wood-gas stove dengan 5 kW producer gas stove, dimana emisi gas CO yang dihasilkan oleh kompor tersebut mencapai 1-3 ppm, namun diukur dengan jarak 1 m dari ketinggian kompor menggunakan Gas Analyzer. Efisiensi termal dan suhu api maksimum yang diperoleh sebesar 26,5% dan 736oC. Lalu, N. L. Panwar (2010)


36 melakukan evaluasi performa SPRERI Gasifier Stove menggunakan jarak pagar sebagai bahan bakar, dimana kompor tersebut mampu mencapai efisiensi termal sebesar 31,10% dan menekan konsentrasi emisi gas CO hingga 3-6 ppm diukur dengan jarak 1 m dari ketinggian kompor menggunakan Gas Analyzer. Adapun biomassa dari jarak pagar memiliki kandungan abu yang tinggi, yakni 15,23%, dan kandungan abu tersebut melebur pada suhu 750oC sehingga tidak sesuai untuk zona oksidasi pada kompor tersebut yang dapat mencapai suhu 900o-1000oC. Kandungan abu yang tinggi dapat menimbulkan masalah dalam penanganannya karena emisi partikulat yang tinggi. Jarak pagar pun sebenarnya masih jarang digunakan di Indonesia sebagai pelet biomassa untuk kompor (Suhartini, 2010) dan lebih umum digunakan sebagai bahan baku biodiesel. Suhu permukaan terluar kompor tersebut pun masih mencapai suhu tinggi, yaitu sebesar 110oC, yang berarti masih ada peluang untuk meminimasi kehilangan kalor (heat loss) yang terjadi akibat adanya konduksi dan radiasi. Nyala api biru juga hanya muncul ketika lima menit pertama pada penyalaan awal. Adapun Material konstruksi SPRERI Gasifier Stove terbuat dari mild steel (IS 2062) dengan insulator dari Insulite-7, skema kompor dapat dilihat pada Gambar 2.13. Harga untuk SPRERI Gasifier Stove pun cukup mahal, yaitu sebesar US$ 22 (Panwar, 2010).

Gambar 2. 13 SPRERI Gasifier Stove (Panwar, 2010)

Selain itu, di Indonesia, kompor gas-biomassa yang telah dibuat antara lain kompor gas-biomassa yang juga diadopsi dari Belonio’s Rice Husk T-LUD


37 Gasifier, namun bahan bakar kompor berupa pelet biomassa dan wood charcoal Kompor tersebut diberi nama MJ Biomass-Gas Stove, yang dimanufaktur oleh PT Minang Jordanindo Approtech. Kompor tersebut hanya memiliki daya keluaran sebesar 1 kW dengan sistem batch dalam pengisian bahan bakar (Roth, 2011). Mahasiswa dari UNS, W. Agung, et al. (2011) juga mengadopsi kompor yang didesain oleh Belonio tersebut. Di Indonesia sendiri, sebenarnya sudah diproduksi kompor gas-biomassa dengan prinsip T-LUD yang merupakan hasil karya Muhammad Nurhuda dari Departemen Fisika Universitas Brawijaya, Malang, yang terdiri dari dua model, yaitu bernama UB-02 dan UB-03-1 (Roth, 2011). Kompor tersebut berhasil mencapai efisiensi lebih dari 50%. Menurut Nurhuda, kunci keberhasilan dari kompor tersebut adalah pada gerak turbulen atau gerakan mengaduk antara aliran gasifikasi terpanaskan dan aliran udara sekunder yang menyebabkan pembakaran sempurna (www.fisika.ub.ac.id).

2.2.5 Faktor Pertimbangan Perancangan Kompor Gas-Biomassa Menurut Belonio (2005), faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan dalam perancangan kompor gas-biomassa, antara lain jenis reaktor (Down Draft, Up Draft, Cross Draft, atau Top-Lit Up Draft Gasifier), cross sectional area dari reaktor (semakin luas, semakin besar power output dari kompor, semakin banyak bahan bakar yang digasifikasi dan dibakar), tinggi dari reaktor (menentukan waktu yang dibutuhkan oleh gasifier untuk dapat beroperasi secara kontinu dan banyaknya gas pirolisis yang dapat diproduksi untuk ketinggian kolom reaktor tersebut, dimana semakin tinggi reaktor, semakin besar pressure draft yang dibutuhkan untuk mengatasi resistansi dalam reaktor), ketinggian bahan bakar, tekanan dan laju alir udara blower, jenis desain burner, insulasi dari reaktor, lokasi penyalaan api bahan bakar, lokasi dan ukuran char chamber, dan pertimbangan safety. Adapun pertimbangan lainnya diklasifikasikan berdasarkan aspek tinjauannya. Pertimbangan tersebut, antara lain: a. Material Konstruksi Material konstruksi yang biasa digunakan untuk fabrikasi kompor biomassa ada bermacam-macam sesuai dengan skala produksi yang diinginakan, Material tersebut meliputi logam (metal stoves), tanah liat (clay stoves), dan


38 keramik (fired-clay). Kompor logam dapat dibuat dari lembaran logam atau cetakan besi. Pada umumnya, kompor logam diproduksi di pabrik karena memerlukan pekerja ahli dan biaya produksinya tinggi karena rancangannya rumit, dan memiliki kelemahan, yakni dapat mengalami korosi. Namun, masalah korosi tersebut dapat dicegah dengan pelapisan (coating). Adapun, untuk kompor tanah liat, kualitasnya bergantung pada komposisi. Kandungan tanah liat mempengaruhi sifat plastisitas dan kohesi, sedangkan kandungan pasir dan endapan pada kompor tanah liat mempengaruhi tingkat kekasaran bahan. Sedangkan, kompor keramik memiliki kelemahan, yaitu perlunya ditambahkan aditif untuk meningkatkan ketahanan termal dan tegangan mekanik (Handayani, 2009). Bahan konstruksi yang dipilih untuk kompor gas-biomassa dalam penelitian ini adalah mild steel dan refraktori jenis ceramic fiber. Mild steel digunakan untuk reaktor gasifikasi dan dipilih karena logam bersifat konduktor panas sehingga kalor dalam reaktor gasifikasi yang diterimanya mampu dilepaskan dengan mudah untuk memanaskan (preheating) udara pembakaran (udara sekunder) yang mengalir melalui anulus di kedua sisinya sehingga laju alir udara tersebut meningkat. Sedangkan, refraktori jenis ceramic fiber dipilih sebagai bahan insulator di bagian terluar kompor gas-biomassa untuk menghindari terjadinya heat losses. Selain itu, udara pembakaran yang mengalir di sebelah kanan dan kiri kompor juga dapat membantu upaya insulasi karena udara juga bersifat isolator panas.

b. Teknik Pembakaran Mekanisme gasifikasi dan pembakaran pada kompor gas-biomassa yang dirancang dalam penelitian harus diperhatikan, dimana suplai udara devolatilisasi (udara primer) dan udara pembakaran (udara sekunder) harus dalam proporsi yang tepat dan distribusi yang merata untuk mencapai reaksi yang diinginkan dapat berlangsung. Selain itu, kestabilan posisi api untuk berada tetap di bagian atas kompor juga memberikan kontribusi terhadap penurunan emisi gas CO yang menjadi tujuan utama dari penelitian ini. Adapun kestabilan posisi api di atas unggun pelet dipengaruhi oleh laju alir udara devolatilisasi (udara primer) gas


39 pirolisis yang mengalir ke atas. Besar laju alir superfisial udara devolatilisasi (udara primer) dan gas tersebut ke atas harus sama dengan laju alir propagasi api (flame speed) yang memberikan kalor ke bawah untuk mempertahankan posisi stasioner api. Hal ini disebabkan oleh udara dan bahan bakar yang bercampur dalam ruang pembakaran sebelum mendekati daerah nyala api sehingga api yang terbentuk digolongkan premixed flame. Premixed flame dipengaruhi oeh beberapa faktor, antara lain turbulensi, suhu, tekanan, komposisi campuran dan rasio ekuivalen, serta jenis dan karakteristik bahan bakar (Turns, 1996). Oleh karena itu, mempertahankan posisi api di atas unggun pelet merupakan salah satu pekerjaan penting dalam penelitian untuk memperoleh kompor gas-biomassa yang beremisi gas CO rendah menggunakan prinsip T-LUD Gasifier.

c. Mekanika Fluida Selain itu, aspek mekanika fluida juga diperhatikan, misalnya mengatur jalannya aliran udara (draft) dengan baik dan membuat turbulensi aliran yang menyebabkan pencampuran bahan bakar-udara dalam ruang pembakaran menjadi merata dan semakin sempurna karena aliran yang homogen sehingga memperbesar perpindahan kalor secara konveksi yang terjadi (Bryden, 2002). Masalah turbulensi aliran sebenarnya berkaitan erat dengan aliran konveksi. Misalnya, dalam penelitian ini, preheat udara pembakaran gas-biomassa menyebabkan suhu udara pembakaran meningkat sehingga densitasnya menjadi rendah dan laju alir alirannya menjadi meningkat. Aspek mekanika fluida lainnya adalah friksi, yang dapat menurunkan besar laju alir fluida. Kehilangan friksi akan semakin meningkat dengan meningkatnya laju alir (Lepeleire, 1981). Meningkatnya laju alir akibat meningkatnya kehilangan friksi mengakibatkan turbulensi aliran pun meningkat sehingga kesempurnaan pencampuran udara dan gas lebih homogen. Adapun laju alir udara dan gas yang menurun dapat mengakibatkan terjadi ketidakstabilan posisi api di atas unggun pelet, suhu api menurun, dan laju perpindahan kalor secara konveksi menurun sehingga proses memasak menjadi kurang efektif.


40 d. Perpindahan Kalor 1) Konveksi Konveksi adalah perpindahan kalor melalui suatu medium (fluida) yang disertai dengan perpindahan medium tersebut. Konveksi dibagi menjadi dua, yaitu konveksi alami dan konveksi paksa. Konveksi alami disebabkan oleh daya (buoyance force) yang dihasilkan oleh perbedaan massa jenis akibat perbedaan suhu. Sedangkan, konveksi paksa disebabkan oleh daya dari blower, fan, atau kondisi berangin yang menyebabkan timbulnya udara paksa. Rumus dasar konveksi: =ℎ (

−

∞)

(2.13)

Perpindahan kalor konveksi bergantung pada viskositas fluida dan sifat-sifat termal fluida (kalor spesifik, densitas). Hal ini dikarenakan viskositas mempengaruhi profil laju alir dan laju perpindahan energi di daerah dinding (Holman, 1981; Lepeleire, 1981). Konveksi merupakan perpindahan kalor utama yang terjadi pada kompor, di mana terjadi pada daerah gas panas dari api ke panci, aliran melewati cerobong, celah antara panci dan dinding, dan lain-lain (Rizqiardihatno, 2008). Koefisien perpindahan kalor konveksi merupakan fungsi dari jenis aliran (laminar atau turbulen), driving force untuk aliran (buoyancy, dan lain-lain), laju alir aliran, bentuk geometri, dan sifat fisik dari fluida yang mengalir (Lepeleire, 1981). Adapun, sistem yang digunakan dalam kompor gas-biomassa dalam penelitian ini adalah sistem konveksi paksa dengan menggunakan dua buah blower secara independen. Perhitungan konveksi paksa melibatkan bilangan Nusselt yang merupakan fungsi dari bilangan Reynold dan bilangan Prantdl, di mana faktor jenis aliran dan bentuk geometri perlu diperhatikan (Holman, 1981).

2) Konduksi Konduksi adalah perpindahan energi panas dari daerah yang memiliki suhu lebih tinggi ke daerah bersuhu lebih rendah melalui transfer molekular pada material padat yang dapat menghantarkan panas (bersifat konduktor). Mekanismenya ketika kalor dikenai pada permukaan salah satu sisi benda


41 padat/logam, maka atom-atom di permukaan akan mentransfer kalor yang diterimanya ke atom-atom lain didekatnya. Begitu seterusnya sampai akhirnya kalor diterima atom-atom pada sisi-sisi lainnya (Holman, 1981). Laju perpindahan kalor secara konduksi berbanding lurus dengan gradien suhu normal dan dinyatakan oleh Persamaan Fourier: =−

(2.14)

Adapun perpindahan kalor konduksi terjadi pada daerah dari panci ke isi panci, kalor hilang lewat dinding, penyimpanan kalor dalam pelet, panci, dan badan kompor (Rizqiardihatno, 2008). Oleh karena itu, dalam perancangan kompor penting untuk diperhatikan sifat fisik berupa nilai konduktivitas termal dari bahan panci, bahan dinding ruang pembakaran kompor, dinding terluar kompor, dan pelet biomassa (Reed, 1981). Untuk bahan panci dan dinding ruang pembakaran kompor, semakin besar konduktivitas termalnya, maka semakin baik karena perpindahan kalor secara konduksi yang terjadi semakin besar sehingga memasak dengan panci tersebut menjadi lebih cepat dan preheating udara pembakaran melalui kalor yang dilepaskan dari dinding ruang pembakaran juga semakin efektif. Sedangkan untuk dinding terluar kompor, sebaiknya digunakan bahan dengan konduktivitas termal rendah sehingga dapat berfungsi sebagai insulator untuk menghindari heat losses. Adapun konduktivitas termal untuk biomassa bergantung pada konstituen utamanya, seperti moisture content, hemiselulosa, selulosa, dan lignin (Lepeleire, 1981). Kalor yang hilang melalui perpindahan konduksi juga berperan penting dalam analisis quenching distance, yakni jarak atau diameter kritikal untuk api menjadi padam. Dalam analisis quenching dengan menggunakan neraca energi, besar kalor yang dihasilkan dari reaksi sama dengan besar kalor yang hilang secara konduksi melalui dinding ruang pembakaran (Turns, 1996). 3) Radiasi Radiasi merupakan perpindahan kalor tanpa adanya medium sehingga tidak ada transfer momentum maupun transfer massa yang dapat dianalogikan. Radiasi termal dapat didefinisikan sebagai energi yang dipancarkan oleh


42 permukaan suatu bahan yang panas, dalam bentuk gelombang elektromagnetik (Holman, 1981). Menurut hukum Stefan, radiasi adalah pancaran energi dari suatu sumber kalor dan dinyatakan oleh rumus: =

(2.15)

Perpindahan kalor secara radiasi dapat berlangsung di dalam kompor antara api yang menyala di atas dengan char dari biomassa yang terbentuk sehingga memungkinkan untuk char yang terbentuk juga berpijar. Selain itu, perpindahan kalor secara radiasi juga dapat berlangsung pada permukaan terluar kompor yang panas atau bersuhu tinggi ke lingkungan di sekitarnya sehingga terjadi heat loss. Kedua contoh radiasi pada kompor tersebut tidak menguntungkan sehingga harus diminimasi pada desain kompor yang dirancang dalam penelitian. Namun, ada pula radiasi yang menguntungkan, seperti kalor yang dipancarkan api yang berpindah secara radiasi ke permukaan bawah panci sehingga dapat mempercepat proses memasak (Lepeleire, 1981).

e. Kinetika Reaksi Sebelum memahami bagaimana penurunan emisi gas CO dapat terjadi melalui pembakaran fase gas sehingga desain kompor gas-biomassa mampu mencapai emisi gas CO yang rendah, hal yang perlu dipahami adalah kinetika reaksi dari pembentukan gas CO dan CO2 yang merupakan gas polutan hasil pembakaran yang terjadi dalam kompor. Untuk CO, gas ini biasanya dihasilkan ketika udara pembakaran yang tersedia kurang dari jumlah stoikiometrik yang seharusnya (µ < 1, di mana µ = udara aktual/udara stoikiometrik) (Ndiema, Mpendazoe, & Williams, 1998). Pertama-tama, selama penyerangan awal oksigen terhadap hidrokarbon, gas CO terbentuk melalui mekanisme reaksi yang cepat (fast reaction) pada daerah sempit pada zona reaksi dan reaksi yang berlangsung bersifat eksotermis. Sementara itu, gas CO yang terbentuk kemudian dikonversi menjadi CO2 melalui mekanisme reaksi yang lambat (slow reaction) pada daerah luas pada zona reaksi, memerlukan waktu tinggal (residence time) yang cukup lama untuk mencapai


43 pembakaran sempurna. Pada umumnya, dalam pembakaran terdapat dua jalur pembentukan yang terjadi (Sugiyanto, 2010), yaitu: +

→

+

, ∆H298K = -110,53 kJ/mol

→

(2.16)

, ∆H298K = -393,52 kJ/mol

(2.17)

Reaksi tersebut bersifat eksotermis dan berjalan lambat (slow reaction) sehingga akan lebih menguntungkan apabila suhu reaksi tinggi. Suhu yang semakin tinggi akan semakin mempercepat laju reaksi konversi gas CO menjadi CO2. Oleh karena itu, apabila desain kompor yang dirancang buruk, maka hal tersebut sangat memungkinkan emisi gas CO yang dihasilkan menjadi signifikan sekalipun udara berlebih dalam jumlah besar. Dengan demikian, pemahaman tentang kinetika reaksi tersebut berpengaruh terhadap aspek perancangan kompor. Yang kedua, karena proses pembakaran melalui unggun pelet setelah reaksi awal, O2 dikonsumsi dalam jumlah sangat banyak sehingga CO2 direduksi melalui reaksi Boudouard sebagai berikut: +

→2

(2.18)

di mana reaksi bersifat endotermis (Ndiema, 1998). Menurut Makino (1992), untuk memperoleh reaksi yang sempurna menuju pembentukan CO2, ada tiga syarat yang harus dipenuhi, yaitu kecukupan waktu tinggal

reaksi

untuk

reaksi

CO

ke

CO2,

kecukupan oksigen untuk

menyempurnakan reaksi oksidasi, dan suhu reaksi yang cukup tinggi untuk memperbesar kinetika reaksi oksidasi. Untuk memperpanjang waktu tinggal, dua hal dapat dilakukan, yakni meneliti efek kedalaman chimney dan memasang hood di ata bibir kompor (Sugiyanto, 2010). Adapun berdasarkan uraian kinetika reaksi gas CO dan CO2 di atas, maka untuk mengurangi emisi gas CO memang dapat dilakukan dengan memperhatikan suhu reaksi yang sesuai dan konsentrasi O2 dalam udara yang digunakan untuk pembakaran dalam perancangan kompor. Suhu reaksi yang sesuai, di mana diperlukan suhu yang tinggi untuk reaksi konversi gas CO menjadi CO2 sehingga emisi gas CO dapat dikurangi. Sedangkan, untuk waktu tinggal, pada kompor gas-biomassa yang dirancang dalam penelitian tidak berdampak signifikan terhadap konversi gas CO menjadi CO2 karena posisi api yang berada di atas menghalangi gas CO untuk keluar ke


44 atmosfer dan membakar gas CO tersebut. Kemudian, konsentrasi O2 dalam udara yang tinggi atau dengan kata lain jumlah udara berlebih mampu meminimasi reaksi Boudouard yang terjadi karena O2 tidak habis terkonsumsi pada awal reaksi yang menyebabkan CO2 tidak digunakan untuk dikonversi kembali menjadi CO melalui reaksi tersebut.

2.3

Uji Performa dan Evaluasi Operasi Kompor

2.3.1 Parameter Evaluasi Operasi Kompor Berikut ini merupakan parameter yang pada umumnya digunakan sebagai ukuran dalam evaluasi performa suatu kompor gas-biomassa (Belonio, 2005): a) Waktu start up Parameter ini merupakan waktu yang diperlukan untuk menyalakan bahan bakar sehingga gas-gas pirolisis diproduksi, diukur dari penyalaan awal dengan pembakaran potongan kertas hingga timbulnya gas-gas pirolisis yang dihasilkan. b) Waktu operasi Parameter ini merupakan durasi waktu sejak gas-gas pirolisis timbul hingga tidak nampak lagi gas tersebut diproduksi (berhentinya produksi gas ditunjukkan dengan padamnya api karena volatile matter dalam bahan bakar habis dan hanya tinggal char saja). c) Total waktu operasi Parameter ini merupakan hasil penjumlahan waktu start up dan waktu operasi. d) Laju konsumsi bahan bakar (Fuel Consumption Rate/FCR) Parameter ini merupakan jumlah bahan bakar biomassa yang diperlukan dibagi dengan waktu operasi e) Laju gasifikasi spesifik (Specific Gasification Rate/SGR) Parameter ini merupakan jumlah bahan bakar biomassa yang diperlukan per satuan waktu per satuan luas reaktor gasifikasi. f) Laju zona pembakaran (Combustion Zone Rate/CZR) Parameter ini merupakan waktu yang dibutuhkan untuk zona pembakaran bergerak menurun di sepanjang reaktor, dimana tinggi reaktor dibagi dengan waktu operasi didapatkan laju zona pembakaran.


45 g) Waktu pendidihan Parameter ini merupakan waktu yang diperlukan untuk mendidihkan sejumlah air dengan massa tertentu, diukur sejak panci diletakkan di atas kompor hingga air mencapai suhu 100oC. h) Kalor sensibel Parameter ini merupakan jumlah energi kalor yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu air, dihitung sebelum dan sesudah air mencapai suhu 100oC. i) Kalor laten Parameter ini merupakan jumlah energi kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan air (mengubah wujud air dari cair menjadi uap). j) Energi kalor yang masuk (Heat Energy Input) Parameter ini merupakan jumlah energi kalor yang terdapat di dalam bahan bakar. k) Efisiensi termal Parameter ini merupakan perbandingan antara jumlah energi kalor yang dibutuhkan untuk mendidihkan dan menguapkan air terhadap jumlah energi kalor yang terdapat di dalam bahan bakar. l) Daya yang masuk (Power Input) Parameter ini merupakan jumlah energi yang disuplai ke kompor berdasarkan jumlah bahan bakar yang dikonsumsi. m) Daya yang keluar (Power Output) Parameter ini merupakan jumlah energi yang dilepaskan oleh kompor untuk memasak. n) Persentase char yang diproduksi Parameter ini merupakan perbandingan antara jumlah char yang diproduksi terhadap jumlah bahan bakar yang digunakan.

2.3.2 Uji Efisiensi Termal dengan Metode WBT Metode WBT yang dikembangkan oleh VITA (Volunteers in Technical Assistance), Amerika Serikat. Secara garis besar, metode WBT menghasilkan rasio perbandingan kalor yang dihasilkan oleh bahan bakar terhadap kalor yang


46 diterima oleh air untuk menaikkan suhunya dan menguapkannya (Rizqiardihatno, 2008). Metode tersebut sangat sederhana dan mudah diaplikasikan, serta data yang dibutuhkan pun relatif singkat namun menunjukkan hasil yang relatif akurat. Secara umum, WBT dilakukan dalam tiga tahap. Tahap pertama disebut uji high power (cold start), di mana penguji menggunakan kompor pada suhu ruang dan sejumlah bahan bakar untuk mendidihkan sejumlah air dalam sebuah panci standar. Untuk pengujian tahap berikutnya digunakan panci yang baru. Tahap kedua disebut uji high power (hot start), di mana air dididihkan dengan kompor yang telah panas dengan tujuan untuk mengidentifikasi perbedaan daya guna kompor ketika dingin dan ketika panas. Kemudian, tahap ketiga adalah uji low power (simmering), di mana penguji menggunakan panci dan air yang telah dididihkan pada tahap kedua. Dengan menggunakan sejumlah bahan bakar, air yang telah mendidih tersebut dipanaskan selama 45 menit dan suhu air harus tetap terjaga sekitar 3oC di bawah titik didih. Tujuan dari tahap ketiga ini ialah menguji kemampuan kompor untuk memanaskan air dengan menggunakan bahan bakar seminimal mungkin (Handayani, 2009; Suhartini, 2010). Perhitungan efisiensi termal kompornya dinyatakan dengan rumus sebagai berikut:

=

×

(

) ×(

)

×

(

) ×(

)

×

×

(2.19)

dengan M massa air, cp1 kalor jenis air, M1 massa bejana, cp2 kalor jenis bejana, M2 massa air terevaporasi, HL kalor laten penguapan, dan HC kalor pembakaran (Rizqiardihatno, 2008; Handayani, 2009). Dengan demikian, parameter efisiensi termal dalam perancangan kompor gas-biomassa dapat diukur secara kuantitatif melalui metode WBT ini. Adapun pengukuran efisiensi termal dengan metode WBT perlu dilakukan karena berkaitan dengan sisi aplikatif kompor gas-biomassa. Yang dimaksud sisi aplikatif di sini adalah alangkah baiknya apabila kompor gas-biomassa yang dirancang dalam penelitian ini tidak hanya baik dari segi kesehatan pengguna, yakni dengan emisi gas CO yang rendah, tetapi juga dengan efisiensi termal yang tinggi mampu digunakan sesuai dengan fungsinya, yakni untuk memasak dengan lebih cepat.


BAB 3 METODE PENELITIAN 3.1

Model Penelitian Eksperimen dalam penelitian bertujuan untuk mendapatkan dimensi,

bentuk, dan ukuran kompor gas-biomassa dengan menggunakan prinsip Top-Lit Up Draft (T-LUD) Gasifier, serta hasil uji operasi kompor tersebut yang mampu mencapai emisi gas CO rendah. Top-Lit Up Draft (T-LUD) Gasifier yang digunakan sebagai prinsip dari perancangan kompor dalam penelitian ini merupakan jenis gasifier yang sesuai dengan karakteristik biomassa yang memiliki volatile matter tinggi, di mana kompor yang dirancang diperuntukan bagi pelet biomasssa dari limbah bagas dan kayu karet. Prinsip tersebut memanfaatkan perpindahan kalor dari api ke pelet di bawahnya sehingga pelet mengalami flaming pyrolisis terlebih dahulu dibandingkan glowing pyrolisis. Sebagai akibatnya, terjadi peristiwa devolatilisasi yang menyebabkan pelepasan volatile matter dan pembentukan char dari biomassa. Volatile matter yang dilepaskan oleh pelet tersebut kemudian dibakar dengan udara devolatilisasi (udara primer) dalam jumlah terbatas sehingga menghasilkan gas pirolisis yang selanjutnya mengalami proses pembakaran karena berkontakan dengan udara pembakaran (udara sekunder). Dengan demikian, dimensi, bentuk, dan ukuran kompor gas-biomassa dirancang untuk memaksimalkan pembakaran fasa gas dan meminimalkan pembakaran fasa padat dari biopellet sehingga diperoleh emisi CO seminimal mungkin pada saat uji operasi kompor dilakukan. Penelitian dimulai dengan perancangan kompor

yang mencakup

perhitungan desain yang diadaptasi dari literatur (Belonio, 2005, Rizqiardiahatno, 2008), serta pembuatan desain dua dimensi dari kompor. Setelah perancangan, tahap berikutnya adalah fabrikasi kompor dengan bahan konstruksi yang dikehendaki, yakni dengan menggunakan lembaran mild steel untuk dinding gasification reactor, aluminium untuk dinding kompor bagian terluar, ceramic fiber sebagai insulator bagi dinding kompor bagian terluar, dan stainless steel 314 untuk grate kompor. Kemudian, tahap berikutnya adalah tahap preparasi alat dan bahan yang diperlukan untuk preparasi pelet biomassa dan uji operasi dari kompor

47



48 gas-biomassa. Dalam tahap preparasi pelet biomassa tersebut, bahan biomassa yang digunakan direduksi ukurannya dan dikeringkan hingga moisture content 10%. Lalu, bahan biomassa tersebut digunakan untuk membuat bahan bakar biomassa yang berupa pelet dengan cara mencetak dna menekannya dengan alat pressure pelletizer. Adapun biomassa yang dibentuk menjadi pelet dalam penelitian ini berasal dari limbah bagas. Selanjutnya, barulah dilakukan pengujian yang utama, yaitu mengukur emisi CO dengan Gas Analyzer. Pengukuran suhu api dalam range waktu tertentu dengan menggunakan termokopel juga dilakukan untuk memperoleh profil suhu kompor dan mengetahui kecenderungan pemerataan api dyang dihasilkan oleh bahan bakar yang berpengaruh terhadap aspek perpindahan kalor dalam penggunaan kompor untuk memasak. Lalu, variabel lainnya yang diuji adalah efisiensi termal dengan Water Boiling Test. Adapun batasan emisi gas CO yang diharapkan pada kompor gasbiomassa dalam penelitian ini adalah lebih kecil sama dengan 25 ppm, di mana batasan tersebut merupakan batasan emisi gas CO yang diberikan oleh Kementerian Tenaga Kerja Republik Indonesia.

3.2

Variabel Penelitian Variabel yang terdapat dalam penelitian ini dibagi menjadi tiga jenis:

a. Variabel terikat, antara lain: 

emisi gas CO dalam satuan ppm;



suhu api;



suhu air dan efisiensi termal.

b. Variabel bebas, yakni rasio antara laju alir devolatilisasi (udara primer) laju alir udara pembakaran (udara sekunder). c. Variabel kontrol, yakni waktu.

3.3

Tahapan Penelitian Penelitian terdiri dari dua tahap, yaitu tahap pra-penelitian dan penelitian

yang diuraikan dalam diagram alir penelitian pada Gambar 3.1. Tahap prapenelitian merupakan tahap awal di mana peneliti melakukan studi literatur tentang materi-materi yang berkaitan dengan judul dan tujuan penelitian.


49 Selanjutnya, tahap penelitian yang merupakan inti dari eksperimen yang dilakukan meliputi perancangan kompor, fabrikasi kompor yang dilakukan dengan bantuan pihak lain, preparasi alat dan bahan, preparasi bahan bakar, pengujian emisi gas CO, suhu, dan efisiensi termal sebagai variabel-variabel yang menjadi parameter performa operasi dari kompor gas-biomassa yang dirancang, serta analisa dan evaluasi hasil hingga pembuatan kesimpulan untuk menguji hipotesis.


50

Gambar 3. 1 Diagram alir penelitian


51 3.3.1 Tahap Perancangan Kompor Tahap perancangan kompor difokuskan pada perhitungan dimensi, bentuk, dan komponen kompor sesuai dengan ukuran dan spesifikasi yang diinginkan, pembuatan gambar dari dimensi kompor, serta penentuan bahan untuk konstruksi kompor. Prosedur untuk tahap perancangan kompor: a. Menyiapkan dan memutuskan konsep rancangan kompor gas-biomassa yang dipilih berdasarkan identifikasi rancangan-rancangan kompor gas-biomassa pada berbagai literatur yang sudah ada dan diaplikasikan. Mendesain dimensi dan bentuk kompor, beserta komponen-komponen kompor. Rancangan dibuat sesuai dengan pertimbangan fungsi dan optimasi dari rancangan kompor dengan melakukan modifikasi, dan sebagainya. b. Mengumpulkan data-data yang diperlukan untuk perhitungan rancangan kompor gas-biomassa. Jika ada data yang tidak didapatkan, maka dapat melakukan pendekatan dengan menyamakan dan menggunakan data dari literatur yang tersedia. c. Setelah data-data yang diperlukan terkumpul, melakukan perhitungan berdasarkan langkah-langkah perhitungan yang diuraikan beserta rumus yang diberikan oleh Belonio (2005), yaitu antara lain: 1) Menentukan jumlah daya yang diperlukan oleh kompor gas-biomassa yang dirancang. Jumlah daya yang diperlukan oleh kompor diestimasi dari jumlah energi yang diperlukan untuk memanaskan sejumlah air. Perhitungan jumlah daya yang diperlukan tersebut dilakukan berdasarkan data dan rumus (Belonio, 2005) sebagai berikut:


52 Tabel 3. 1 Kalor Spesifik dan Energi yang Diperlukan untuk Memasak Suatu Makanan

Makanan

Total Energi yang

Kalor Spesifik

Diperlukan

(Kkal/kg.oC)

(Kkal/kg)*

Beras

0,42-0,44

79,3

Daging

0,48-0,93

56,5

Sayuran

0,93

74,5

1,0

72

Air

o

* Pada perbedaan suhu 72 C

×

=

(3.1)

di mana, Qn

= energi yang diperlukan, Kkal/jam

Mf

= massa makanan, kg

Es

= energi spesifik, Kkal/kg

T

= waktu memasak, jam

2) Menentukan kebutuhan jumlah bahan bakar yang disuplai sesuai dengan jumlah energi yang diperlukan dengan menggunakan rumus berikut: =

(3.2)

×

di mana, FCR

= laju konsumsi bahan bakar, kg/jam

Qn

= energi yang diperlukan, Kkal/jam

HVf

= nilai kalor dari bahan bakar, Kkal/kg

ξg

= efisiensi gasifier stove, %

3) Menghitung ukuran combustion chamber dari kompor, yakni diameter dan tinggi dari gasification reactor. Berikut ini adalah rumus yang digunakan: =

,

,

(3.3)


53 di mana, D

= diameter dari reaktor, m

FCR


SGR

= laju gasifikasi spesifik dari bahan bakar, kg/m2.jam ×

=

(3.4)

di mana, H

= tinggi dari reaktor, m

SGR

= laju gasifikasi spesifik dari bahan bakar, kg/m2.jam

T

= waktu yang diperlukan untuk mengkonsumsi bahan bakar, jam

ρrh

= densitas dari bahan bakar yang digunakan, kg/m3

4) Menghitung jumlah udara dan jumlah draft yang diperlukan untuk proses gasifikasi dari bahan bakar biomassa yang digunakan. ×

=

×

(3.5)

di mana, AFR

= laju alir udara devolatilisasi (udara primer), m3/jam

ε

= rasio ekuivalen, 0,3 sampai 0,4

FCR


SA

= udara stoikiometrik dari bahan bakar, kg udara/kg biomassa

ρa

= densitas udara, 1,25 kg/m3 =

(3.6)

( )

di mana, Vs

= laju alir superfisial gas, m/s

AFR

= laju alir udara devolatilisasi (udara primer), m3/jam

D

= diameter dari reaktor, m

5) Menghitung

tinggi

bagian

api

dengan

menggunakan

rumus

(Rizqiardihatno, 2008): =

×

⁄

(3.7)


54 di mana,

adalah konstanta, yang besarnya 75 mm/kW0,4 untuk kompor

dengan garangan, dan P adalah daya keluaran.

6) Menghitung tinggi total ruang pembakaran (jumlah tinggi bagian bahan bakar ditambah dengan tinggi bagian api).

d. Menentukan bahan, bentuk, dan ukuran garangan (grate). e. Menentukan bentuk dan ukuran lubang untuk udara devolatilisasi (udara primer), lubang untuk udara pembakaran (udara sekunder), lubang untuk api, dan jarak antar lubang-lubang tersebut. f. Menentukan besar gap yang optimal untuk peletakan panci atau wajan, dengan mempertimbangkan penggunaan secara umum. g. Mengkombinasikan hasil perhitungan secara manual untuk memperoleh desain kompor yang optimum. Penentuan dimensi, bentuk, dan ukuran kompor tidak hanya mutlak ditentukan dengan menggunakan rumus, tetapi juga secara eksperimental dengan menggunakan prinsip similarity terhadap penelitian-penelitian sebelumnya berdasarkan referensi yang tersedia. h. Membuat gambar teknik dari kompor rancangan dua dimensi sesuai dengan hasil penentuan dan perhitungan yang diperoleh.

3.3.2 Tahap Preparasi Alat dan Bahan Dalam tahap ini, prosedur yang dilakukan ialah menentukan dan menyediakan berbagai alat dan bahan yang dipergunakan dalam penelitian mencakup: a. Menentukan dan menyediakan alat dan bahan untuk tahap preparasi bahan bakar. 

Alat: Oven, cetakan pelet, pressure pelletizer, gunting, blender, crusher dan alat penepung



Bahan: Limbah bagas (ampas tebu) yang diperoleh dari limbah industri gula Sugar Group.


55 b. Menentukan dan menyediakan alat dan bahan untuk tahap pengujian. 

Alat: Kompor gas-biomassa hasil fabrikasi, termokopel jenis K yang dihubungkan

dengan

Data

Logger

Temperature,

Gas

Analyzer,

anemometer, Personal Computer, alat pencatat waktu (timer), gelas ukur, neraca digital, bunsen, kaki tiga, korek api, panci berdiameter 17 cm, sarung tangan anti panas, masker, goggle, penjepit besi, exhaust fan. 

Bahan: Bahan bakar pelet biomassa dari limbah bagas yang telah dibuat dengan diameter seragam sebesar 1,5 cm dan panjang 3 cm, etanol 90%, air.

3.3.3 Tahap Fabrikasi Kompor Prosedur tahap fabrikasi kompor dilakukan oleh pihak di luar dan juga dengan bantuan dari pihak di dalam Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia. Pihak luar yang mengerjakan fabrikasi dan modifikasi kompor gasbiomassa, antara lain Bapak Dudi (profesional di bidang fabrikasi alat laboratorium, termasuk kompor) dan Bapak Parlan (karyawan Laboratorium Teknik Mesin Politeknik Negeri Jakarta. Sedangkan pihak dalam Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia sendiri yang turut membantu memberi informasi dan membantu pemasangan alat, seperti dimmer lamp, yaitu Pak Wanizal dan Pak Jajat.

3.3.4 Tahap Preparasi Bahan Bakar Tahap preparasi bahan bakar merupakan tahap persiapan sedemikian rupa untuk biomassa yang digunakan sehingga dapat diuji, dianalisis, dan dapat dilakukan proses peletisasi (Fisafarani, 2010). Prosedur umum tahap preparasi bahan bakar tersebut dapat diuraikan sebagai berikut (Rizqiardihatno, 2009, Fisafarani, 2010): a. Menyediakan bahan baku biomassa yang telah disiapkan sebelumnya untuk digunakan dalam penelitian, dimana biomassa yang digunakan adalah bagas. b. Mereduksi ukuran biomassa yang masih kasar dan tidak beraturan dengan memotongnya dengan gunting dan menghancurkannya dengan blender atau crusher, dan sejenisnya hingga menjadi halus.


56 c. Mereduksi ukuran biomassa kembali dengan menghancurkannya hingga berukuran seperti tepung menggunakan mesin penepung. d. Mengeringkan bahan yang telah dihaluskan tersebut dengan oven hingga moisture content mencapai 10%. Untuk mengetahui besar moisture content dalam biomassa sebelum dikeringkan dan berapa lama waktu pengeringan dalam oven yang diperlukan untuk mencapai moisture content 10%, maka dilakukan prosedur sebagai berikut: 1) Menimbang massa wadah yang digunakan untuk menimbang dengan menggunakan neraca digital dan mencatat besar massa hasil timbangan. 2) Memasukkan biomassa yang telah dihaluskan ke dalam wadah, kemudian menimbang kembali untuk mendapatkan besar massa wadah dan biomassa, di mana biomassa yang ingin digunakan sebanyak 10 gram. 3) Menyalakan oven dengan menyambungkan kabel oven ke sumber arus listrik, mengatur suhu sebesar 105oC, serta mengatur pemerataan panas api atas dan bawah. 4) Setelah itu, memindahkan biomassa yang telah ditimbang tersebut ke tray oven, lalu memasukkannya ke dalam oven. 5) Memutar tombol oven untuk mengatur waktu pengeringan yang diinginkan dan di saat bersamaan dengan pemutaran tombol, menyalakan timer atau stopwatch, di mana interval waktu pengeringan yang diinginkan adalah selama 5 menit. 6) Setiap 5 menit, mematikan pengatur waktu oven agar suplai panas berhenti, kemudian mengambil tray oven yang berisi biomassa yang telah dikeringkan selama 5 menit tersebut dan memindahkannya kembali ke wadah yang digunakan di awal. 7) Selanjutnya, menimbang massa wadah dan biomassa tersebut dan mencatat besar massa yang diperoleh. 8) Setelah itu, biomassa dapat dipindahkan kembali ke tray oven dan dimasukkan kembali dalam oven untuk mengulangi pengeringan selama 5 menit, dan begitu seterusnya langkah 1-7 dilakukan selama 25 menit hingga data moisture content yang diperoleh menunjukkan perubahan yang tidak signifikan atau cenderung konstan.


57 9) Berdasarkan data yang diperoleh, membuat plok grafik moisture content terhadap waktu. Lalu, dengan melakukan interpolasi untuk moisture content 10%, maka dapat diperoleh waktu yang diperlukan untuk mengeringkan biomassa menggunakan oven selama waktu tersebut. e. Memasukkan biomassa ke pencetak pelet untuk ukuran diameter pelet 1,5 cm dan panjang pelet 3 cm. f. Menekan hingga terbentuk bahan bakar pelet biomassa yang kompak menggunakan alat pressure pelletizer yang dapat dilihat pada Gambar 3.2.

Gambar 3. 2 Pressure pelletizer

3.3.5 Tahap Pengujian Tahap ini dibagi menjadi dua, yaitu pengujian emisi gas CO dan pengujian efisiensi termal, yang digabung menjadi prosedur berikut ini (Belonio, 2005; Handayani, 2009; Rizqiardihatno, 2008): a. Menyiapkan alat dan bahan yang diperlukan untuk tahap pengujian. b. Menyiapkan dan menimbang air sebanyak 1 L atau setara 1 kg air (suhu ambien). Mengukur massa awal (M) dan kalor jenis (cp1). c. Memasukkan air tersebut ke dalam panci berdiameter 17 cm yang sudah diketahui massa (M1) dan kalor jenisnya (cp2). Kemudian, mengukur juga massa panci dan air atau menjumlah dari pengukuran masing-masing. d. Menyiapkan dua buah termokopel, dimana satu termokopel untuk mengukur suhu api dan satu termokopel yang lain untuk mengukur suhu air. Kemudian, menghubungkan termokopel tersebut dengan Data Logger Temperature dan


58 Personal Computer. Melakukan kalibrasi pengukuran suhu oleh termokopel dengan cara meletakkannya pada api bunsen. e. Menyiapkan kompor pada suhu ruang. f. Menimbang dan memasukkan pelet bagas yang telah dipreparasi dan dikeringkan ke dalam reaktor gasifikasi sebanyak 1,4 kg. g. Mencelupkan

potongan-potongan

kertas

dalam

etanol

90%

dan

meletakkannya pada lapisan paling atas dari bahan bakar pelet. Setelah itu, menyalakan api dengan cara menyulut potongan-potongan kertas di atas pelet bahan bakar tersebut dengan korek api. Adapun pelet biomassa yang dibutuhkan untuk satu kali operasi sebanyak FCR atau Fuel Consumption Rate hasil perhitungan pada tahap perancangan kompor gas-biomassa (W). Nilai kalor pembakaran (HC) juga telah diketahui. h. Menyiapkan dan menjalankan alat pengukur waktu pada skala 00:00 untuk menghitung waktu start up, dimana alat pengukur waktu tersebut dimatikan pada saat gas pirolisi mulai dihasilkan dan lidah api stabil mulai terbentuk. i.

Mengatur dan mengukur laju alir udara devolatilisasi (udara primer) dan mengukur laju alir udara pembakaran (udara sekunder) yang ditentukan. Pengaturan laju alir putar blower dilakukan dengan memutar dimmer lamp yang disambungkan dengan blower kompor, sedangkan pengukuran laju alir udara menggunakan anemometer. Menetapkan laju alir udara devolatilisasi (udara primer) dan mengukur laju alir udara pembakaran (udara sekunder) hingga lidah api stabil dan tidak asap yang banyak keluar.

j.

Meletakkan panci yang berisi air dan termokopel yang telah dicelupkan ke dalamnya di atas kompor. Meletakkan termokopel yang lain ke bagian tengah dalam api yang terbentuk.

k. Menekan tombol run pada software Advantech Data Logger Temperature yang ter-install pada Personal Computer. Lalu, menyiapkan dan menjalankan alat pengukur waktu kembali pada skala 00:00 yang menandakan dimulainya waktu operasi dari kompor gas-biomassa. Lalu, mendidihkan air. l.

Menyalakan dan mengukur besar emisi gas CO menggunakan Gas Analyzer seperti pada Gambar 3.3 setiap 2 menit hingga api mulai meredup dan pembakaran gas pirolisis hampir berakhir.


59 m. Menghentikan run dari software Advantech Data Logger Temperature dan mengambil data suhu api dan air yang terekam setiap 10 detik. Ketika air mencapai suhu didihnya yang terlihat pada suhu yang terekam, mencatat waktu didih. n. Mematikan alat pengukur waktu dan mencatat waktu operasi yang didapatkan dan kemudian menyalakan alat pengukur waktu kembali untuk menghitung waktu pembakaran char yang diperlukan. o. Menimbang massa air akhir dan menghitung massa air menguap (M2) yang merupakan selisih massa air awal dengan massa air akhir. Kalor laten penguapan (HL) telah diketahui. p. Setelah pembakaran char (glowing combustion) selesai dan kompor menjadi dingin, mengambil seluruh sisa bahan bakar (char dan abu) untuk kemudian ditimbang dan menghitung persentasenya terhadap massa bahan bakar awal.

Gambar 3. 3 Gas Analyzer

q. Menghitung efisiensi termal dengan rumus 2.19 yang digunakan pada metode Water Boiling Test. r. Mengulangi prosedur di atas dengan mendinginkan kompor hingga kembali pada suhu ruang untuk rasio antara laju alir udara devolatilisasi (udara primer) dan laju alir udara pembakaran (udara sekunder) divariasikan. Keterangan: (Pada kompor gas-biomassa, komponen yang dibakar ialah volatile matter-nya, maka char yang tersisa dapat dimanfaatkan untuk karbon aktif (yang


60 dapat berguna sebagai adsorben atau untuk biochar yang berguna sebagai bahan penyubur tanah.)

3.3.6 Tahap Analisa dan Evaluasi Analisa dan evaluasi hasil penelitian dilakukan setelah data penelitian telah diperoleh dan diolah dengan perhitungan manual maupun komputer. Hal-hal yang perlu dianalisa dan dievaluasi, antara lain mengenai perancangan kompor (mulai dari dimensi, bentuk, ukuran, material konstruksi, dan lain-lain), serta grafik-grafik yang diperoleh [grafik emisi gas CO terhadap waktu, grafik suhu air terhadap waktu, dan grafik suhu air terhadap waktu pada berbagai rasio laju alir udara devolatilisasi (udara primer) dan udara pembakaran (udara sekunder), dan efisiensi termal. Perbandingan hasil variasi variabel bebas yang dilakukan, serta kelebihan, kekurangan, dan kinerja optimum dari desain kompor dan performa yang dicapai dari pengujian dengan pelet bagas juga menjadi agenda untuk dianalisa dan dievaluasi.

3.4

Jadwal Pelaksanaan Penelitian


61

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah berupa hasil perhitungan dimensi, bentuk, dan ukuran kompor gas-biomassa dengan prinsip Top-Lit Up Draft (T-LUD) Gasifier, serta data-data yang didapatkan dari uji performa kompor tersebut berupa data emisi gas CO, suhu, dan sebagainya. Adapun pembahasan dan analisis hasil penelitian akan dilakukan secara rinci sesuai dengan metode penelitian yang sudah diuraikan pada BAB III METODE PENELITIAN.

4.1

Tahap Perancangan Kompor Bentuk kompor gas-biomassa yang dirancang ditetapkan berbentuk

silinder berongga. Bentuk tersebut lebih dipilih untuk digunakan bagi kompor gas-biomassa daripada bentuk kubus berongga berdasarkan pertimbangan distribusi udara dan gas pirolisis di dalam rongga bentuk itu sendiri. Dengan bentuk silinder berongga, distribusi udara dan gas pirolisis akan bergerak lebih bebas dan lebih merata dibandingkan kubus karena bentuk tersebut tidak memiliki sudut-sudut yang mampu mempengaruhi arah aliran dari udara dan gas tersebut. Dengan demikian, proses gasifikasi bahan bakar dalam kolom reaktor menjadi seragam (Belonio, 2005). Adapun berikut ini merupakan uraian perhitungan dengan menggunakan rumus-rumus dari literatur yang dilakukan untuk mendapatkan dimensi dan ukuran kompor gas-biomassa, terutama diameter dan tinggi reaktor gasifikasi. a. Jumlah daya yang diperlukan oleh kompor diestimasi dari jumlah energi yang diperlukan untuk memanaskan 1 L air atau setara dengan 1 kg air (Mf) dalam waktu 5 menit. Adapun energi spesifik untuk air pada Tabel 3.1 sebesar 1,0 kkal/kg.oC dikali dengan perubahan suhu yang terjadi sebesar 72oC yakni, selisih suhu air mendidih (100oC) dengan suhu lingkungan (diasumsikan 28oC) sehingga diperoleh Es sebesar 75 kkal/kg. Perhitungan jumlah daya yang diperlukan tersebut dilakukan berdasarkan data dan rumus pada persamaan 3.1 (Belonio, 2005). Dengan demikian, diperoleh:



62

×

=

=

1

⁄ 5

× 72

× ( 60

⁄

)

= 864

⁄

=1 Sedangkan, menurut Reed (2000), jumlah daya yang diperlukan oleh kompor gas-biomassa berkisar antara 1-3 kW. Berdasarkan pertimbangan tersebut, maka desain kompor gas-biomassa dalam penelitian menggunakan nilai maksimum dari jumlah daya yang diperlukan, yaitu sebesar 3 kW (sama dengan tiga kali jumlah daya yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg air selama 5 menit). Adapun daya yang lebih besar dipilih dengan tujuan mendesain kompor gas-biomassa yang dapat digunakan dalam waktu operasi yang lebih lama, mengingat sistem kompor gas-biomassa ini beroperasi secara batch, dimana pengisian bahan bakar akan mengganggu proses gasifikasi yang sedang berlangsung. Oleh karena itu, dipilih kapasitas maksimum sehingga pengguna tidak perlu direpotkan dengan pengisian bahan bakar yang terlalu sering. =3

= 2.581,15

⁄

b. Untuk menentukan kebutuhan jumlah bahan bakar yang disuplai sesuai dengan kebutuhan energi, data yang digunakan antara lain, jumlah daya yang diperlukan, nilai kalori bahan bakar, dan efisiensi kompor gas-biomassa. Jumlah daya yang diperlukan sebesar 2.581,15 kkal/jam (diperoleh dari perhitungan sebelumnya). Nilai kalori bahan bakar merupakan nilai kalori rata-rata dari dua jenis biomassa yang digunakan sebagai bahan bakar untuk kompor dalam penelitian ini, di mana kompor gas-biomassa yang dirancang digunakan untuk dua penelitian, yaitu uji performa dengan pelet biomassa dari bagas dan pelet biomassa dari kayu karet. Berdasarkan hasil uji karakterisasi bahan bakar biomassa yang digunakan dalam penelitian oleh Balai Besar Teknologi Energi yang terdapat di Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), Serpong, nilai kalori (HHV/High Heating Value) untuk bagas sebesar 3.913 kal/g (16.379 kJ/kg) dan nilai kalori (HHV/High Heating Value) untuk kayu karet sebesar 3.771 kal/g (15.784,7 kJ/kg). Adapun nilai kalori yang digunakan dalam perhitungan merupakan LHV atau Low Heating Value, yang dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: =

− 3.240 ( ⁄

) (Napitupulu, 2006)

(4.1) Universitas Indonesia


63

Dengan demikian, didapatkan LHV untuk bagas sebesar 13.139 kJ/kg dan LHV untuk kayu karet sebesar 12.544,7 kJ/kg sehingga LHV rata-rata untuk kedua biomassa tersebut adalah sebesar 12.841,8 kJ/kg (3.069,2 kkal/kg). Kemudian, efisiensi dari kompor gas-biomassa yang dirancang (yang merupakan sebuah reaktor gasifikasi) diasumsikan sebesar 60%, mendekati efisiensi kompor LPG. Maka, dengan menggunakan rumus berikut ini diperoleh: =

×

=

⁄ 2.581,15 = 1,4 ⁄ × 0,6 3.069,2

⁄

c. Selanjutnya, perhitungan yang dilakukan adalah menghitung ukuran reaktor gasifikasi dari kompor, yakni diameter dan tinggi dari reaktor gasifikasi. Untuk menghitung diameter dan tinggi dari reaktor gasifikasi diperlukan data SGR atau Specific Gasification Rate, yaitu jumlah bahan bakar biomassa yang digunakan per satuan waktu per satuan luas penampang reaktor gasifikasi. Nilai SGR untuk bagas dan kayu karet tidak berhasil diperoleh dari studi literatur. Dalam literatur, justru diperoleh SGR untuk sekam padi sebesar 110210 kg/m2.jam, di mana Belonio’s rice husk stove menggunakan SGR 90 kg/m2.jam dengan FCR sebesar 1,5 kg/jam (Belonio, 2005). Oleh karena itu, nilai rata-rata SGR untuk bagas dan kayu karet diasumsikan sebesar 80 kg/m2.jam dengan FCR sebesar 1,4 kg/jam. Waktu yang diperlukan untuk mengoperasikan reaktor gasifier atau membakar seluruh bahan bakar biomassa, dari bagas atau kayu karet yang digunakan, diasumsikan selama 1,3 jam. Lalu, densitas untuk bagas adalah 122,5 kg/m3 dan densitas untuk kayu karet adalah 290,67 kg/m3 (Fisafarani, 2010) sehingga densitas rata-rata untuk kedua biomassa tersebut sebesar 206,58 kg/m3. Berikut ini merupakan perhitungan diameter dan tinggi kompor berdasarkan rumus yang didapatkan dari literatur: =

1,27

,

1,27 × 1,4 ⁄ℎ = 80 ⁄ . ℎ

,

= 0,1491

= 14,91

≈ 15



64

×

=

=

80

⁄ . ℎ × 1,3 206,58 ⁄

= 0,5034

= 50,34

≈ 51 d. Perhitungan berikutnya adalah menghitung jumlah udara yang diperlukan untuk proses gasifikasi dari bahan bakar biomassa yang digunakan, yang disebut dengan AFR atau Air Flow Rate. Variabel ini sangat penting karena erat kaitannya dengan penentuan spesifikasi dari blower yang akan digunakan untuk menggasifikasi bahan bakar biomassa. Rasio ekuivalen ( ) yang merupakan perbandingan antara jumlah udara aktual dan jumlah udara stoikiometrik berdasarkan Belonio (2005) sebesar 0,3-0,4. Untuk kompor gasbiomassa yang dirancang ini, perhitungan menggunakan rasio ekuivalen minimum, yaitu sebesar 0,3. Sedangkan, nilai SA atau Stoichiometric Air diperoleh dengan melakukan perhitungan persamaan reaksi terlebih dahulu, di mana uraian perhitungannya untuk masing-masing bagas dan kayu karet dapat dilihat pada LAMPIRAN. Dari hasil perhitungan, diperoleh pendekatan ratarata SA untuk bagas dan kayu karet sebesar 6,01 kg udara per kg biomassa. Sedangkan, densitas air sebesar 1,25 kg/m3 (Belonio, 2005). =

×

×

=

⁄

0,3 × 1,4

= 2,484

⁄

× 7,394 1,25 ⁄

⁄

Kemudian, untuk menghitung superficial velocity ( ), yakni laju alir alir udara dalam unggun bahan bakar, dapat menggunakan rumus sebagai berikut: =

4

=

( )

⁄ )

4 × 2,484 (0,15

= 114,656

⁄

= 0,039

⁄

e. Selanjutnya, menghitung tinggi bagian api dengan menggunakan rumus (Rizqiardihatno, 2008) sebagai berikut, di mana

adalah konstanta yang

besarnya 75 mm/kW0,4 untuk kompor dengan garangan seperti kompor dalam penelitian ini, dan

adalah daya keluaran atau sama dengan

, yaitu sebesar

3 kW sehingga: =

×

⁄

= 75

⁄

,

× (3

)

⁄

= 116,4

= 11,64

≈ 12 Universitas Indonesia


65

f. Menghitung tinggi total ruang pembakaran (jumlah tinggi bagian bahan bakar ditambah dengan tinggi bagian api). Tinggi unggun bahan bakar dalam reaktor gasifikasi didapatkan melalui persamaan: =

× = 0,647 =

=

4 × 4 × 1,4 ⁄ = × ( ) 122,5 ⁄ × (0,15 = 64,7

)

≈ 65

4 × 1,4 ⁄ 290,67 ⁄ × (0,15

)

= 0,273

= 27,3

≈ 27 Dengan demikian, tinggi unggun bahan bakar rata-rata adalah sekitar 46 cm, ditambah dengan 12 cm (tinggi bagian api) sehingga tinggi total ruang pembakaran menjadi 58 cm. Adapun reaktor gasifikasi dirancang dengan tinggi 51 cm sehingga desain tinggi tersebut perlu ditambah 7 cm lagi, termasuk penutup bagian atas sebesar 2 cm untuk lubang keluar flue gas. Selain tinggi total ruang pembakaran, bagian bawah kompor gas-biomassa juga ditambahkan tingginya sebesar 30 cm untuk keperluan penempatan blower, di mana blower untuk udara devolatilisasi (udara primer) diletakkan di bagian atas dari blower untuk udara pembakaran (udara sekunder). Maka, tinggi total kompor adalah 88 cm. Adapun blower untuk udara devolatilisasi (udara primer) diarahkan langsung ke arah garangan (grate) karena berfungsi sebagai pensuplai udara untuk mengalirkan panas dan volatile matter yang keluar dari biomassa ke bagian atas kompor. Sedangkan, blower untuk udara pembakaran (udara sekunder) berada di bagian bawah, di mana udara mengalir di kedua sisi kompor gas-biomassa melalui anulus dengan diameter 2,5 cm (Belonio, 2005) sehingga total diameter dalam ditambah dengan diameter anulus menghasilkan diameter luar sebesar 20 cm. Udara pembakaran (udara sekunder) yang melalui kedua sisi kompor tersebut juga berguna sebagai insulator panas untuk menghindari heat loss berlebih. Apalagi, kompor gas-biomassa yang dirancang ini belum begitu berfokus pada efektivitas perpindahan kalor dan penggunaan material insulator yang baik untuk mencegah terjadinya heat loss. Selain itu, udara pembakaran (udara sekunder) yang melalui anulus tersebut juga mengalami pemanasan Universitas Indonesia


66

(preheating) karena menerima panas dari dinding luar reaktor gasifikasi secara radiasi dan konveksi Hal ini berguna untuk memperoleh suhu api yang tinggi dan efisiensi bahan bakar yang dikonsumsi. Setelah melalui anulus, udara akan masuk ke melalui lubang-lubang di silinder bagian dalam (reaktor gasifikasi) yang terletak di bagian selimut silinder atas untuk bercampur dengan gas pirolisis yang terbentuk dan juga panas yang dibawa mengalir ke atas bersama udara devolatilisasi (udara primer). Dengan demikian, terbentuklah api yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna dari gas pirolisis yang terbentuk. Diameter untuk lubang udara sekunder tersebut adalah sebesar 1,3 cm atau setara dengan 0,5 in (Belonio, 2005). Kemudian, pada kompor juga dirancang ruang untuk mengumpulkan char dan abu hasil pembakaran yang disebut dengan char chamber. Char chamber tersebut dirancang berada pada kedua sisi kompor dekat dengan garangan (grate), di mana antara garangan (grate) dan char chamber terdapat pintu fleksibel yang terbuat dari plat, yang dapat ditutup dan dibuka untuk mengeluarkan char dan abu tersisa. Adapun char chamber berbentuk kubus dengan ukuran sisi sebesar 15 cm. Garangan (grate) dibuat melengkung seperti berbentuk dome agar char dan abu tidak jatuh ke bawah yang merupakan tempat diletakkannya blower untuk udara devolatilisasi (udara primer), melainkan terdorong ke samping di mana terdapat pintu yang terhubung dengan char chamber sehingga memudahkan pengeluaran limbah char dan abu. Char dan abu dalam jumlah banyak dengan frekuensi waktu yang sering mengenai blower pun tidak baik, apalagi bila char dan abu mengembun pada material blower, hal tersebut dapat menyebabkan terjadinya korosi dan membuat blower tersebut menjadi cepat rusak (Belonio, 2005). Lalu, bagian atas dibuat

fleksibel untuk memudahkan aktivitas

memasukkan bahan bakar ke dalam reaktor gasifikasi. Pada bagian atas tersebut, terdapat lubang flue gas yang berjumlah 87 lubang dengan diameter sebesar 0,5 cm atau setara dengan 0,1875 in, di mana menurut Belonio (2005), lubang untuk flue gas berkisar antara 3/18-1/4 in. Selain itu, dibuat pula pemegang terbuat dari besi pada bagian atas yang dibuat fleksibel tersebut untuk memudahkan pemasangan dan pembukaannya, serta pertimbangan safety dari paparan panas



67

(panas berpindah secara konduksi pada material padat seperti logam), terutama setelah kompor beroperasi. Berdasarkan hasil perhitungan dimensi dan ukuran dari kompor, deskripsi rancangan kompor gas-biomassa secara detail dapat dilihat pada LAMPIRAN A. Walaupun mayoritas rancangan kompor mengadopsi dari Belonio’s Rice Husk TLUD Gasifier, namun hasil rancangan kompor gas-biomassa memiliki beberapa perbedaan desain dibandingkan dengan Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier. Adapun perbedaan desain keduanya dapat dilihat pada Tabel 4.1 berikut ini:



68

Tabel 4. 1 Perbedaan antara desain kompor gas-biomassa dan Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier Perbedaan

Garangan (grate)

Aliran udara sekunder

Kompor Gas-Biomassa Berbentuk melengkung seperti dome

Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier Berbentuk tidak melengkung tetapi diberi sudut kemiringan tertentu dan bersifat fleksibel

Konveksi paksa dengan

Konveksi alami dari aliran udara di

blower melalui anulus

lingkungan sekitar

Lubang udara

Pada dinding dalam (reaktor

sekunder

gasifikasi) Fleksibel dengan

Desain penutup

menggunakan plat, pada

fleksibel di bagian atas

penutup tidak ada lubang

Pada dinding luar burner

Pada penutup terdapat lubang udara sekunder sehingga berfungsi juga sebagai burner

udara sekunder 2, di kedua sisi reaktor Jumlah, letak, dan

gasifikasi dengan bentuk

ukuran char chamber

kubus berukuran 15 cm x 15

1, di bawah garangan (grate) dengan bentuk balok berukuran 30 cm x 22,4 cm x 16 cm

cm x 15 cm Jumlah blower yang dipergunakan Ukuran tinggi kompor

2 blower

1 blower

95 cm

±106 cm

Dominasi mild steel, insulator menggunakan Material konstruksi kompor

ceramic fiber dengan dinding terluar di-cover dengan aluminium. Garangan terbuat dari

Reaktor gasifikasi menggunakan stainless steel, permukaan luar menggunakan lembaran galvanized iron. Insulator yang digunakan adalah abu sekam padi yang dicampur dengan semen.

stainless steel 314.

(Belonio, 2005; Winata, 2012)

4.2

Tahap Fabrikasi Kompor Fabrikasi awal dari rancangan kompor gas-biomassa dilakukan oleh pihak

luar Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia. Kompor gas-biomassa dibuat dengan material konstruksi yang digunakan adalah dari mild steel, termasuk reaktor gasifikasi di bagian dalam juga terbuat dari mild steel. Pada silinder bagian luar, sekelilingnya dipasang insulator berupa ceramic fiber dan Universitas Indonesia


69

kemudian ditutup dengan lembaran aluminium. Sedangkan, garangan (grate) kompor terbuat dari stainless steel 314 agar tidak cepat mengalami korosi karena bagian yang akan selalu berkontakan dengan char dan abu hasil pembakaran. Namun, pada kompor gas-biomassa hasil fabrikasi tahap awal pada Gambar 4.1 masih ada sedikit kekurangan. Ketika dilakukan uji coba (trial), ternyata kedua blower yang digunakan, baik untuk udara devolatilisasi (udara primer) maupun udara pembakaran (udara sekunder), tidak mampu memberikan suplai udara yang cukup terutama untuk melewati unggun bahan bakar dimana laju alir udara yang terukur hampir nol. Dengan demikian, pemilihan alat pendorong udara atau blower termasuk hal yang penting untuk diperhatikan.

Gambar 4. 1 Hasil fabrikasi kompor gas-biomassa awal sebelum modifikasi



70

Awalnya, kompor gas-biomassa sebelum dimodifikasi menggunakan jenis axial blower seperti kipas (fan) yang banyak digunakan pada CPU komputer. Namun, daya dorong blower tersebut kurang mampu untuk melewati hambatan berupa tekanan yang diberikan oleh susunan unggun pelet dan juga porositas kecil dalam reaktor gasifikasi akibat susunan unggun pelet yang rapat sehingga udara sudah cukup sulit untuk melewati unggun pelet tersebut. Oleh karena itu, blower tersebut diganti dengan centrifugal blower yang bertekanan Menurut Belonio (2005) dan Rizqiaradihatno (2009), daya dorong yang dihasilkan oleh jenis blower tersebut cukup besar untuk dapat melewati hambatan dan mampu mencegah sebagian aliran terpantul kembali. Centrifugal blower yang digunakan untuk udara devolatilisasi (udara primer) adalah centrifugal blower berdiameter 2 in dengan spesifikasi 220 V dan 1 A, sedangkan untuk udara pembakaran (udara sekunder) adalah centrifugal blower berdiameter 2,5 in dengan spesifikasi 220 V dan 1,6 A. Sebagai akibatnya, beberapa desain dimodifikasi

termasuk

pemasangan pipa fleksibel, penutupan lubang yang tidak diperlukan, serta penambahan tinggi kompor di bagian bawah sebesar 7 cm sehingga total tinggi kompor menjadi 95 cm. Adapun modifikasi kompor gas-biomassa dilakukan oleh karyawan Laboratorium Teknik Mesin Politeknik Negeri Jakarta. Hasil modifikasi dari kompor gas-biomassa dapat dilihat pada Gambar 4.2 sebagai berikut.



71

Gambar 4. 2 Hasil fabrikasi kompor gas-biomassa setelah modifikasi (dengan centrifugal blower)

Selain hal tersebut, kekurangan lainnya adalah penutup bagian atas kompor dimana terdapat lubang-lubang untuk flue gas, setelah dilakukan beberapa modifikasi, pada akhirnya belum dapat digunakan. Hal ini terkait dengan total luas lubang flue gas tersebut dan total luas lubang untuk udara udara sekunder. Perbandingan kedua total luas tersebut harus dilakukan percobaan secara khusus sehingga dapat memenuhi quenching distance untuk pembakaran dalam kompor gas-biomassa dalam penelitian. Quenching distance adalah jarak atau diameter kritikal untuk api menjadi padam (Turns, 1996). Adapun pada kompor gasbiomassa dalam penelitian total luas lubang flue gas (17,07 cm2) lebih kecil daripada total luas lubang udara sekunder (31,84 cm2) sehingga api tidak dapat keluar melalui lubang-lubang flue gas. Oleh karena itu, perlu dilakukan percobaan secara khusus untuk menentukan diameter lubang yang tepat sehingga diperoleh total luas lubang yang tepat pula. Kekurangan tersebut akan diteliti dan diperbaiki oleh peneliti selanjutnya.



72

4.3

Tahap Preparasi Bahan Bakar Pada tahap ini, biomassa yang digunakan, yaitu limbah bagas, dipotong

dan dihaluskan hingga seukuran tepung (sekitar 2 mesh) dengan menggunakan mesin penghancur. Setelah dihaluskan, biomassa dimasukkan ke cetakan pelet dan kemudian ditekan dengan menggunakan pressure pelletizer sehingga memiliki bentuk silindris yang kompak. Tujuan dari pembentukan biomassa menjadi pelet adalah untuk reduksi volum dan meningkatkan karakteristik bahan bakar. Pelet biomassa dari limbah bagas yang dicetak dalam penelitian dapat dilihat hasilnya pada Gambar 4.3 berikut ini:

Gambar 4. 3 Pelet bagas yang dibuat dalam penelitian

Adapun dalam tahap preparasi bahan bakar ini, salah satu langkah yang penting untuk dilakukan adalah mengatur moisture content dari biomassa. Moisture content dalam biomassa yang terlalu tinggi mampu menyebabkan bahan bakar menjadi sulit terbakar, waktu penyalaan lama, dan efisiensi pembakaran menjadi rendah (Fisafarani, 2010). Adapun moisture content dapat diketahui dengan melakukan pengeringan biomassa pada oven dengan suhu 105oC (W. Agung, et al., 2010; Lubwama, 2010) yang berlangsung dalam selang waktu tertentu. Adapun prosedur pengeringan dapat dicermati pada BAB 3 METODE PENELITIAN Sub Bab 3.3 Tahapan Penelitian. Berikut ini merupakan data yang diperoleh dari hasil pengeringan sampel biomassa bagas sebanyak 10,001 g dan hasil pengolahannya disajikan dalam Tabel 4.2 sebagai berikut.



73

Tabel 4. 2 Perhitungan moisture content dari biomassa bagas

t (detik ke-) 0 300 600 900 1200 1500

mwadah (g) 14,1754

mwadah+biomassa (g) 24,176 23,234 23,155 23,123 23,083 23,072

mbiomassa Moisture Content (%) (g) 10,001 12,414 9,059 1,824 8,980 0,935 8,947 0,571 8,908 0,126 8,896 0

Berdasarkan pengolahan data yang dilakukan, diperoleh moisture content dalam biomassa bagas yang digunakan dalam penelitian sebesar 12,41%. Padahal, biomassa yang diinginkan untuk dijadikan sebagai bahan bakar pelet bagi kompor gas-biomassa adalah biomassa dengan moisture content sebesar 10%. Oleh karena itu, biomassa bagas tersebut harus dikeringkan terlebih dahulu. Adapun waktu yang diperlukan untuk mengeringkan biomassa bagas tersebut hingga memiliki moisture content sebesar 10% dapat dihitung dengan melakukan interpolasi data moisture content pada detik ke-0 dan detik ke-300 sehingga diperoleh waktu pengeringan selama 69 detik. Sedangkan, menurut hasil uji karakterisasi bahan bakar biomassa yang digunakan dalam penelitian oleh Balai Besar Teknologi Energi yang terdapat di Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), Serpong, diperoleh moisture content sebesar 11,20% (basis persentase massa kering).

4.4

Tahap Pengujian Dalam tahap ini, performa operasi dari kompor gas-biomassa yang telah

dirancang dan difabrikasi akhirnya diuji. Variabel utama yang diuji adalah emisi gas CO, karena kompor gas-biomassa dalam penelitian memang dirancang dengan tujuan untuk mengatasi masalah polusi dalam dapur rumah tangga akibat emisi gas CO yang berlebih dan berbahaya bagi kesehatan manusia. Emisi gas CO diukur menggunakan Flue Gas Analyzer E-Instrument Type E4400-S yang mampu mengukur gas CO hingga 8000 ppm. Kemudian, variabel yang lain yang diuji adalah suhu api dan efisiensi termal (suhu air digunakan untuk mengukur efisiensi termal dari kompor gas-biomassa). Suhu tersebut diukur menggunakan Universitas Indonesia


74

termokopel yang dihubungkan dengan Advantech Data Logger Temperature. Adapun tahap pengujian ini dilakukan di Laboratorium Energi Berkelanjutan Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia. Tahapan pengujian performa kompor ini dimulai dengan menimbang massa bahan bakar pelet biomassa sebanyak 1400 g, kemudian bahan bakar tersebut dimasukkan ke dalam reaktor gasifikasi pada kompor gas-biomassa. Penutup kompor yang digunakan hanya bagian dalam saja, bagian luar tidak dipergunakan karena alasan seperti yang telah diuraikan pada tahap fabrikasi kompor. Selanjutnya, penyalaan awal dilakukan dengan menggunakan potonganpotongan kertas yang telah dicelupkan ke dalam etanol. Potongan-potongan kertas tersebut dimasukkan ke dalam reaktor gasifikasi dan diletakkan di atas susunan pelet paling atas. Setelah itu, dilakukan penyulutan dengan menggunakan korek api sehingga terbentuk api. Api tersebut perlahan mulai membentuk bara dan membakar susunan pelet paling atas sehingga volatile matter dari susunan pelet biomassa paling atas tersebut mulai keluar. Lalu, blower mulai dinyalakan dan diatur laju alirnya meningkat secara perlahan. Laju alir udara perlu diatur hingga mendapatkan nyala api yang cukup stabil (lidah api yang terbentuk stabil). Adapun waktu yang diperlukan dari penyalaan, gas mulai diproduksi hingga blower mulai dinyalakan disebut dengan start up time, dimana dalam penelitian ini start up time berkisar antara 2-5 menit. Sedangkan, waktu yang diperlukan dari sejak blower dinyalakan hingga gas-gas pirolisis dari biomassa habis diproduksi dan api mulai mati disebut dengan operating time. Operating time dalam penelitian berkisar antara 30-50 menit, termasuk waktu yang diperlukan untuk mendapatkan laju alir udara devolatilisasi (udara primer) dan udara pembakaran (udara sekunder) yang mampu membentuk lidah api yang stabil (sekitar 5-10 menit). Dengan demikian, total operating time dapat mencapai 35-55 menit. Kemudian, proses pembakaran dilanjutkan dengan pembakaran char (glowing combustion) yang berlangsung lebih lama, yakni sekitar 40-60 menit. Adapun setelah pembakaran char berakhir, char dan abu yang bersisa ditimbang massanya. Data pada Tabel 4.3 berikut ini merupakan hasil perhitungan persentase massa dari char dan abu yang dihasilkan dari pembakaran kompor gasbiomassa dalam penelitian, dimana persentase char dan abu tersebut sangatlah Universitas Indonesia


75

kecil, yakni berkisar antara 2-6%. Jika dibandingkan dengan Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier yang menghasilkan char dan abu hingga 16,9-35% dan Wood Gas Turbo Stove 13-50% dengan variasi bahan bakar, nilai persentase tersebut sangatlah kecil. Hal ini sebenarnya tidak mengherankan karena kandungan abu (ash content) dan karbon tetap (fixed carbon) yang dimiliki oleh bahan bakar biomassa yang digunakan (bagas) dalam penelitian relatif rendah, yaitu sebesar 1,32% dan 14,33%, sedangkan volatile matter dalam bagas tersebut mencapai 73,16% (basis massa kering) (lihat LAMPIRAN). Dengan demikian, pemilihan karakteristik bahan bakar yang dipergunakan memang merupakan salah satu faktor penting dalam mengoptimasi performa suatu kompor.

Tabel 4. 3 Persentase massa char dan abu terhadap massa bahan bakar

Uji ke1 2 3 4

Kapasitas loading Penuh Penuh Penuh Penuh

Massa bahan bakar (kg) 1,4 1,4 1,4 1,4

Massa char+abu (%) 2,32 2,88 2,64 6,04

4.4.1 Pengujian Emisi Gas CO Pengambilan data dalam pengujian emisi gas CO dilakukan sebanyak lima kali operasi. Meskipun begitu, data yang diambil hanya data pada empat operasi karena terdapat satu operasi yang data suhu apinya menunjukkan malfungsi dari termokopel yang digunakan sehingga suhu api yang terukur sangat rendah, bahkan tidak mencapai suhu 100oC. Dalam penelitian, pengambilan data emisi gas CO dilakukan sejak pengaturan udara telah mencapai api stabil hingga api meredup dalam satu kali operasi. Adapun operasi kompor gas-biomassa dilakukan dengan variasi rasio antara laju alir udara devolatilisasi (udara primer) dan udara pembakaran (udara sekunder). Laju alir udara devolatilisasi (udara primer) berfungsi untuk membantu proses devolatilisasi berlangsung secara kontinu hingga volatile matter dalam biomassa habis. Laju alir udara devolatilisasi (udara primer) menentukan seberapa banyak volatile matter yang bereaksi tak sempurna dengan udara menjadi CO dan Universitas Indonesia


76

menjadi driving force pengeluaran volatile matter karena panas yang dihasilkan dari reaksi pembentukan CO yang bersifat eksotermis tersebut (Sugiyanto, 2010). Sedangkan, gas-gas hasil pembakaran tak sempurna dengan udara devolatilisasi (udara primer) terbatas, yang bergerak ke atas bersama aliran udara devolatilisasi (udara primer) adalah bahan bakar yang sesungguhnya. Gas-gas tersebut selanjutnya dibakar dengan sempurna setelah mengalami kontak dengan udara pembakaran (udara sekunder) dan api di bagian atas reaktor gasifikasi dari kompor gas-biomassa. Oleh karena itu, udara pembakaran (udara sekunder) berperan sebagai salah satu faktor penting untuk pembakaran sempurna dari gas pirolisis yang naik sehingga dihasilkan emisi yang bersih dengan kadar emisi gas CO yang rendah. Dengan demikian, laju alir udara pembakaran (udara sekunder) inilah yang menentukan kesempurnaan reaksi konversi CO menjadi CO2. Data emisi gas CO yang diperoleh dari hasil uji performa kompor gasbiomassa dapat dilihat pada LAMPIRAN B. Data emisi gas CO tersebut diplot terhadap waktu sehingga menghasilkan grafik yang dapat dilihat pada Gambar 4.4 berikut ini:



77

96

Emisi Gas CO (ppm)

72

48

24

0 0

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

36

39

Waktu (detik) Uji Performa (Running 1)

Uji Performa (Running 2)



Gambar 4. 4 Emisi gas CO terhadap waktu



78

Adapun berdasarkan hasil pengolahan data yang diperoleh, rasio antara udara pembakaran (udara sekunder) dan laju alir udara devolatilisasi (udara primer) secara berurutan mulai dari uji performa ke-1 hingga uji performa ke-4, antara lain 15:1, 6:1, 11:1, , dan 21:1. Hubungan yang terdapat pada rasio antara kedua laju alir udara tersebut dengan rata-rata dan standar deviasi emisi gas CO yang dihasilkan dapat diamati pada data yang disajikan dalam Tabel 4.4 sebagai berikut:

Tabel 4. 4 Hasil pengolahan data laju alir udara dan emisi gas CO

Uji ke-

Laju alir udara primer (m3/s)

Laju alir udara sekunder (m3/s)

Laju alir udara total

1 2 3 4

0,00038 0,00029 0,00019 0,00010

0,00557 0,00172 0,00212 0,00212

0,00595 0,00201 0,00231 0,00222

Rasio Emisi udara gas CO sekunder rata-rata dan udara (ppm) primer 15 16,33 33,61 6 11 16,4 21 26,10

Standar deviasi emisi gas CO (ppm) 6,51 19,83 16,10 22,95

Data di atas menunjukkan bahwa emisi gas CO rata-rata terendah diperoleh pada rasio antara laju alir udara devolatilisasi (udara primer) dan laju alir udara pembakaran (udara sekunder) sebesar 15:1. Namun, data pada uji performa ke-1 hanya memberikan tiga titik dalam grafik emisi gas CO terhadap waktu pada Gambar 4.5, dimana data yang jumlahnya terbatas tersebut tentunya masih memiliki tingkat keakuratan yang rendah. Hal ini disebabkan oleh pengukuran emisi gas CO dilakukan dalam rentang waktu yang berbeda dibandingkan data pada uji performa yang lain (lihat Gambar 4.5). Pada uji performa ke-1, emisi gas CO diukur per 5 menit, sedangkan emisi gas CO pada uji performa ke-2 hingga ke-5 diukur per 2 menit. Oleh karena itu, penyimpangan yang terjadi pada data di uji performa ke-1 ini juga cukup signifikan. Hal tersebut dapat dilihat dari nilai standar deviasi emisi gas CO yang diperoleh sebesar 6,51 ppm) sehingga data tersebut termasuk data yang kurang dapat merepresentasikan hubungan antara rasio udara dan emisi gas CO secara akurat dan presisi. Meskipun begitu, emisi gas CO pada uji performa ke-1 akan tetap dianalisis. Universitas Indonesia


79

Analisis untuk uji performa ke-1, dilakukan dengan membandingkan hasil uji performa ke-1 dan uji performa ke-3, dimana kedua uji performa tersebut menunjukkan bahwa emisi gas CO rata-rata yang dihasilkan hampir sama, yaitu 16,33 ppm dan 16,4 ppm. Perbandingan laju alir udara total (udara primer dan sekunder) antara kedua uji performa tersebut menunjukkan bahwa laju alir total pada uji performa ke-1 mencapai dua kali laju alir total pada uji performa ke-3. Kondisi tersebut mengindikasikan bahwa sebenarnya produksi panas yang dihasilkan dari devolatilisasi dapat ditingkatkan dengan secara bersamaan dengan meningkatkan laju alir udara total. Suhu nyala api rata-rata uji (lihat LAMPIRAN) performa ke-3 lebih tinggi dibandingkan uji performa ke-1. Hal ini menunjukkan bahwa panas eksotermis yang dihasilkan pada uji performa ke-1 kemungkinan dua kali lebih kecil daripada panas eksotermis yang dihasilkan pada uji performa ke-3. Meskipun laju alir udara devolatilisasi (udara primer) pada uji performa ke-1 tinggi sehingga panas eksotermis yang dihasilkan dari reaksi pembentukan CO juga tinggi, namun laju alir udara pembakaran (udara sekunder) yang juga tinggi menyebabkan panas eksotermis tersebut diserap untuk memanaskan udara. Dengan demikian, kemungkinan banyaknya gas CO yang dihasilkan dari pembakaran volatile matter yang dihasilkan pada uji performa ke-1 dua kali lebih besar daripada yang dihasilkan pada uji performa ke-3. Meskipun begitu, diperkirakan bahwa pada uji performa ke-1, turbulensi yang dihasilkan lebih besar karena laju alir udara total yang lebih besar sehingga pencampuran udarabahan bakar lebih merata. Oleh karena itu, emisi gas CO yang dihasilkan pun hampir sama. Selanjutnya, data yang perlu diperhatikan adalah data pada uji performa ke-2, ke-3, dan ke-4, dimana ketiga data tersebut dapat dibandingkan karena memiliki laju alir total yang hampir sama. Adapun berdasarkan rata-rata dan standar deviasi emisi gas CO yang terdapat pada Tabel 4.4, di antara ketiga uji performa tersebut, emisi gas CO rata-rata terendah dan terbaik untuk kesehatan pengguna kompor dicapai pada uji performa ke-3, yakni sebesar 16,4 ppm. Walaupun jika dibandingkan dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Chiang, et al. (2000), dimana konsentrasi rata-rata tertinggi CO dalam dapur rumah tangga terjadi selama periode memasak menggunakan kompor LPG (waktu 24 jam rataUniversitas Indonesia


80

rata) adalah 0,1-13,9 ppm, sebenarnya emisi gas CO kompor gas-biomassa dalam penelitian ini masih lebih besar daripada emisi gas CO kompor LPG. Adapun pada uji performa ke-3 tersebut, emisi gas CO relatif rendah, dimana tingkat penyebaran data emisi gas CO cukup merata. Hal ini berarti laju alir udara devolatilisasi (udara primer) yang disuplai juga cukup merata dan udara pembakaran (udara sekunder) tersedia cukup untuk pembakaran sempurna gas-gas pirolisis. Dengan demikian, laju alir udara devolatisasi (udara primer) yang optimal dan mendekati stoikiometrik didapatkan pada uji performa ke-3 ini, yaitu sebesar 0,02 m/s atau 0,00019 m3/s, dimana rasio antara laju alir udara pembakaran (udara sekunder) dan laju alir udara devolatilisasi (laju alir udara primer) pada uji performa tersebut sebesar 11:1. Laju alir udara devolatilisasi (udara primer) yang mendekati stoikiometrik untuk reaksi pembentukan CO dari pembakaran volatile matter dari biomassa sehingga konsentrasi gas CO yang dihasilkan untuk direaksikan selanjutnya dengan udara pembakaran (udara sekunder) juga mendekati stoikiometrik untuk reaksi pembentukan CO menjadi CO2 (konsentrasi gas CO tidak terlalu kecil atau tidak terlau berlebih dibandingkan konsentrasi udara sekunder). Selain itu, reaksi pembentukan CO yang berlangsung dengan sebagaimana mestinya menghasilkan panas yang cukup juga untuk mendukung proses devolatilisasi berjalan dengan baik dan menghasilkan volatile matter dalam jumlah yang cukup. Kemudian, nilai rasio berikutnya mulai dari yang memiliki emisi gas CO rata-rata terendah secara berurutan adalah rasio udara 21:1 pada uji performa ke-4 dengan emisi CO rata-rata sebesar 26,10 ppm dan 6:1 pada uji performa ke-2 sebesar 33,61 ppm. Meskipun begitu, bila diamati lebih detail data emisi gas CO pada LAMPIRAN, pada uji performa ke-2 sebenarnya emisi gas CO mayoritas rendah bila dibandingkan dengan uji performa ke-4. Hal tersebut ditunjukkan dengan standar deviasi emisi gas CO yang ada, dimana pada uji performa ke-2 didapatkan emisi gas CO rata-rata sebesar 33,61 ppm, tetapi standar deviasinya justru sebesar 19,83 ppm. Hal tersebut berarti bahwa penyimpangan data emisi gas CO yang terjadi pada rasio ini cukup besar atau dapat dikatakan bahwa data yang diperoleh memiliki tingkat penyebaran yang kurang merata.



81

Adapun grafik emisi gas CO terhadap waktu yang terbentuk pada Gambar 4.5 untuk uji performa ke-2 menunjukkan bahwa emisi gas CO kompor gasbiomassa menjadi tinggi pada awal dan akhir operasi. Hal ini disebabkan oleh nyala api yang masih belum stabil di awal operasi sehingga asap timbul akibat gas-gas pirolisis (terdiri dari CO, H2, dan lain-lainya) yang terbentuk dari hasil pembakaran tak sempurna, masih belum terbakar secara sempurna bersama dengan udara pembakaran (udara sekunder). Nyala api yang belum stabil tersebut menunjukkan proses gasifikasi yang belum berjalan dengan baik (W. Agung, et al., 2010). Sedangkan, emisi gas CO di akhir operasi meningkat akibat nyala api yang perlahan meredup menunjukkan api akan segera mati dan pembakaran sempurna gas pirolisis segera berakhir. Pada saat itu pula proses pembakaran di dalam kompor dilanjutkan oleh pembakaran char (glowing combustion). Pada tahap pembakaran tersebut, kandungan karbon yang tinggi dalam char akan terkonversi menjadi gas CO melalui suatu reaksi eksotermik. Sementara itu, gas CO yang dihasilkan tersebut cenderung membutuhkan waktu tinggal yang lebih lama untuk terkonversi menjadi CO2. Karena reaksi tersebut merupakan reaksi eksotermik, maka reaksi konversi akan lebih menguntungkan apabila terjadi pada suhu tinggi sehingga peningkatan suhu mampu mempercepat kinetika reaksi (Sugiyanto, 2010). Akan tetapi, di akhir operasi, dimana api telah meredup dan mulai memasuki tahap pembakaran char, suhu api yang tinggi tidak tersedia lagi. Oleh karena itu, emisi gas CO di akhir operasi menjadi tinggi. Adapun emisi gas CO yang tinggi yang dihasilkan oleh kompor gasbiomassa pada uji performa ke-2 tersebut, disebabkan oleh laju alir udara devolatilisasi (udara primer) pada uji performa ke-2 dibandingkan dengan laju alir udara devolatilisasi (udara primer) pada uji performa ke-3 dan ke-4. Seperti diketahui, bahwa semakin besar laju alir udara devolatilisasi (udara primer), maka semakin besar laju pirolisis sehingga adanya kemungkinan volatile matter yang dikonversi menjadi gas pirolisis cukup banyak (Yang, Sharifi, & Swithenbank, 2004). Sebagai akibatnya, CO yang dihasilkan dari reaksi juga cukup banyak, akan tetapi hal tersebut tidak didukung oleh laju alir udara pembakaran (udara sekunder) yang cukup besar. Dari data pada Tabel 4.4, dapat dilihat bahwa laju alir udara pembakaran (udara sekunder) pada uji performa ke-2 lebih kecil Universitas Indonesia


82

daripada laju alir udara pembakaran (udara sekunder) pada uji performa ke-3 dan ke-4. Oleh karena itu, udara yang ada tidak menyediakan oksigen yang cukup untuk reaksi pembakaran sempurna CO menjadi CO2, dimana konsentrasi CO tinggi namun konsentrasi udara rendah. Padahal, untuk mencapai pembakaran sempurna diperlukan udara yang berlebih (Turns, 1996). Sedangkan, grafik emisi gas CO terhadap waktu untuk uji performa ke-4 (lihat Gambar 4.4) justru terlihat tidak stabil, dimana terdapat beberapa puncak emisi gas CO yang tinggi. Grafik emisi gas CO terhadap waktu yang cenderung tidak stabil dan berfluktuasi tersebut kemungkinan disebabkan oleh susunan pelet yang sedikit berubah akibat zona flaming pyrolisis yang bergerak turun terusmenerus hingga seluruh susunan pelet hanya menyisakan char. Susunan pelet yang berubah menyebabkan kemampuan pemerataan udara devolatilisasi (udara primer) yang mengalir ke atas melewati susunan pelet juga berubah karena porositas yang juga berubah (terkait dengan channeling effect). Sebagai akibatnya, suplai udara devolatilisasi (udara primer) menjadi tidak stabil. Hal ini diperburuk dengan desain kompor yang kurang menimbulkan turbulensi sehingga kesempurnaan pencampuran udara dan gas pirolisis juga menjadi kurang homogen. Meskipun begitu, analisis tersebut tidak dapat dibuktikan secara konkret karena fenomena pirolisis yang terjadi di dalam kompor tidak dapat diamati secara langsung, apalagi kompor didesain sebagai fixed bed gasifier, dimana susunan pelet seharusnya tidak berubah. Selain hal tersebut, analisis grafik emisi gas CO terhadap waktu untuk uji performa ke-4 memperlihatkan bahwa emisi gas CO pada uji performa ini tinggi, dengan emisi gas CO rata-rata sebesar 26,10 ppm dan standar deviasi emisi gas CO sebesar 22,95 ppm. Hal ini disebabkan oleh udara devolatilisasi (udara primer) yang disuplai terlalu kecil, dimana laju alir udaranya paling rendah dibandingkan uji performa lainnya. Sebagai akibatnya, gas CO yang dihasilkan dari pembakaran tak sempurna sangat banyak karena reaksinya kekurangan udara. Ditambah lagi, hal tersebut tidak diimbangi dengan udara pembakaran (udara sekunder) yang disuplai, dimana laju alir udara pembakaran (udara sekunder) terlalu berlebih sehingga berpengaruh terhadap suhu api, dimana suhu menjadi menurun drastis. Pada akhirnya, suhu yang terlalu rendah tersebut tidak cukup Universitas Indonesia


83

untuk menyediakan suhu yang tinggi untuk membantu reaksi konversi CO ke CO2 agar berlangsung lebih cepat sehingga gas CO pada uji performa ke-4 ini terakumulasi dan keluar menuju atmosfer lingkungan dalam konsentrasi yang tinggi. Hubungan antara emisi gas CO dan suhu api akan dibahas pada pembahasa pengujian suhu api. Adapun pengaruh laju alir udara devolatilisasi (udara primer) terhadap emisi gas CO yang dihasilkan dapat terlihat lebih jelas jika dibandingkan antara uji performa ke-3 dan ke-4 yang memiliki laju alir udara devolatilisasi (udara primer) yang berbeda namun laju alir udara pembakaran (udara sekunder) yang sama. Emisi gas CO pada uji performa ke-3 lebih rendah daripada pada uji performa ke-4, tetapi laju alir devolatilisasi (udara primer) pada uji performa ke-3 lebih tinggi daripada pada uji performa ke-4. Hal ini disebabkan oleh semakin tinggi laju alir udara devolatilisasi (udara primer), maka akan semakin tinggi laju devolatilisasi atau laju pirolisis (Yang, Sharifi, & Swithenbank, 2004). Namun, laju alir udara devolatilisasi (udara primer) tidak boleh terlalu tinggi daripada flame speed karena dapat menyebabkan api mati (blow off) secara tiba-tiba (Turns, 1996), dimana api yang terbentuk pada kompor gas-biomassa dalam penelitian ini termasuk premixed flame (bahan bakar bercampur dengan oksidan sebelum mendekati daerah nyala). Pada uji performa ke-4, laju alir udara devolatilisasi (udara primer) yang rendah mengakibatkan gas-gas pirolisis yang dihasilkan menjadi lebih sedikit jumlahnya karena laju pirolisis yang juga menjadi semakin rendah. Gas-gas pirolisis yang sedikit tersebut berkontakan dengan udara pembakaran (udara sekunder) dalam jumlah banyak sehingga konsentrasi udara pembakaran (udara sekunder) terhadap gas-gas pirolisis menjadi terlalu berlebih. Sebagai akibatnya, gas menjadi dingin dan menyebabkan suhu api menjadi menurun sehingga konversi gas CO menjadi CO2 membutuhkan waktu yang lebih lama. Dengan demikian, akumulasi gas CO dalam gas buang mengalami peningkatan. Sedangkan, pada uji performa ke-3 tidaklah demikian, karena baik laju alir udara devolatilisasi (udara primer) maupun udara pembakaran (udara sekunder) sama-sama tersedia dalam jumlah yang mendekati stoikiometrik untuk reaksi yang terjadi.



84

4.4.2 Pengujian Suhu Api Selain emisi gas CO, variabel yang diuji berikutnya adalah suhu api. Suhu api diukur setiap 10 detik, dimana grafik suhu api terhadap waktu dapat dilihat pada Gambar 4.5. Sementara itu, suhu api maksimum untuk masing-masing uji operasi dengan rasio laju alir udara devolatilisasi (udara primer) dan laju alir udara pembakaran (udara sekunder) yang berbeda dapat diamati pada Tabel 4.5.



85

640 560

Suhu Api (oC)

480 400 320 240 160 80 0 0

150

300

450

600

750

900

1050

1200

1350

1500

1650

1800

1950

2100

2250

2400





Gambar 4. 5 Suhu api terhadap waktu



86

Tabel 4. 5 Hasil pengolahan data suhu api

Uji ke1 2 3 4

Suhu api maksimum (oC) 489,81 544,44 428,13 248,14

Suhu api rata-rata (oC) 224,45 427,94 342,35 221,45

Dari data di atas, suhu maksimum tertinggi diperoleh pada saat uji performa ke-2. Pada suhu tersebut, terlihat jelas peningkatan suhu api terkait dengan peningkatan produksi jelaga (soot) dimana warna nyala api cenderung kuning hingga merah. Warna nyala api pada saat uji performa ke-2 tersebut dapat diamati secara jelas pada Gambar 4.6 berikut ini:

Gambar 4. 6 Nyala api berwarna merah pada uji performa ke-2

Lalu, suhu maksimum tertinggi berikutnya secara berurutan adalah uji performa ke-1, ke-3, dan ke-4. Meskipun begitu, bila dilihat dari grafik yang terbentuk pada Gambar 4.5 dan nilai rata-rata suhu api yang didapatkan, sebenarnya suhu api lebih stabil pada uji performa ke-3 daripada uji performa ke1. Terkait dengan emisi gas CO yang dihasilkan, terlihat bahwa bila suhu api rendah maka emisi gas CO rata-rata yang dihasilkan semakin tinggi. Penyebabnya adalah reaksi CO menjadi CO2 bersifat eksotermis dan memerlukan waktu tinggal yang lama sehingga untuk mempercepat waktu reaksi dibutuhkan kondisi operasi Universitas Indonesia


87

berupa suhu yang tinggi untuk meningkatkan kinetika reaksi. Salah satunya dengan meningkatkan suhu api. Oleh karena itu, bila suhu api rendah, CO yang banyak tersebut tidak terkonversi menjadi CO2 dan terakumulasi dalam gas buang sehingga pada pengukuran emisi gas CO yang dilakukan, diperoleh emisi gas CO yang tinggi. Berdasarkan penjelasan hubungan suhu api dan emisi gas CO tersebut, dapat dipahami bahwa suhu api merupakan salah satu faktor penting yang patut diperhatikan untuk mencapai emisi gas CO yang rendah, walaupun masih ada faktor lainnya, yaitu kecukupan waktu tinggal dan kecukupan oksigen. Perbandingan antara suhu api rata-rata antara uji performa ke-2, ke-3, dan ke-4 yang memiliki laju alir udara total hampir sama menunjukkan bahwa suhu api uji performa ke-2 > uji performa ke-3 > uji performa ke-4. Suhu api pada uji performa ke-3 tinggi karena udara aktual yang tersedia merupakan udara yang mendekati stoikiometrik sehingga suhu api yang dicapai juga maksimum (Glassman, 1996). Suhu api yang tinggi pada uji performa ke-2 dibandingkan uji performa ke-3 diduga banyaknya karena banyaknya volatile matter dan gas CO yang dihasilkan pada uji performa ke-2 sehingga walaupun emisi gas CO pada uji performa ke-2 lebih tinggi, panas eksotermis yang dihasilkan tetap lebih besar pada uji performa tersebut. Sedangkan, rendahnya suhu api pada uji performa ke-4 diprediksi karena laju alir udara devolatilisasi (udara primer) yang terlalu rendah sehingga panas eksotermis yang dihasilkan juga rendah. Selain itu, laju alir udara sekunder yang berlebih pada uji performa ke-4 juga menyebabkan suhu api menjadi rendah. Jadi, hal yang turut berpengaruh terhadap besar suhu api adalah laju alir udara pembakaran (udara sekunder). Suhu api maksimum dapat dicapai ketika udara mencapai udara stoikiometrik, dimana rasio ekuivalen sama dengan satu (pembakaran sempurna) (Glassman, 1996). Namun, laju alir udara pembakaran (udara sekunder) yang terlalu tinggi mampu menyebabkan suhu api menurun. Hal ini disebabkan oleh terlalu besarnya jumlah udara pembakaran (udara sekunder) yang disuplai ke dalam reaktor gasifikasi sehingga konsentrasi gas-gas pirolisis yang dibakar menjadi relatif lebih kecil karena adanya konsentrasi N2 yang cukup signifikan terikut di dalam udara tersebut. Seperti diketahui, konsentrasi gas inert yang cukup signifikan dapat menurunkan suhu api (W. Agung, et al., 2010, Universitas Indonesia


88

Borman, & Ragland, 1998). Adapun suhu api yang tinggi menunjukkan proses pembakaran yang lebih baik, nyala yang lebih stabil, dan efisiensi konversi energi yang lebih tinggi. Meskipun begitu, suhu api yang terlalu tinggi mengindikasikan peluang untuk terbentuknya jelaga (soot) meningkat. Hal ini disebabkan oleh terbentuknya jelaga (soot) dalam api yang semakin tinggi mengakibatkan semakin meningkatnya dominasi perpindahan kalor secara radiasi sehingga suhu api semakin meningkat. Oleh karena itu, suhu api maksimum perlu dibatasi untuk memastikan tidak terjadinya pembentukan jelaga (soot). Adapun pembentukan jelaga (soot) dapat terjadi karena kurang meratanya pencampuran antara udara pembakaran (udara sekunder)-gas pirolisis sehingga menyebabkan api yang seharusnya termasuk premixed flame menjadi partially premixed flame. Semakin meningkatnya partially premixed flame tersebut, maka pembentukan jelaga (soot) semakin meningkat. Nyala api dapat berubah dari warna kuning menjadi biru dengan cara mengurangi efek terjadinya partially premixed flame tersebut. Jadi, pada umumnya pembentukan jelaga (soot) terjadi karena kurang cukupnya udara yang tersedia untuk membakar bahan bakar. Selain itu, terlalu tingginya laju alir udara devolatilisasi (udara primer) mampu menyebabkan gas pirolisis dikelilingi oleh N2 yang terlalu banyak jumlahnya sehingga menghalangi udara pembakaran (udara sekunder) untuk berpenetrasi ke gas pirolisis. Dengan demikian, emisi jelaga (soot) ditentukan melalui kompetisi yang terjadi antara laju pembentukan jelaga (soot) dengan laju oksidasi yang terjadi dalam api. Proses pembentukan jelaga (soot) sendiri terdiri dari beberapa tahap, antara lain pembentukan spesies prekursor, soot particle inception, pertumbuhan permukaan dan aglomerasi partikel yang menyebabkan partikel jelaga (soot) saling menyatu dan menjadi semakin besar dalam api, dan oksidasi jelaga (soot) dimana emisi produk oksidasi disini mampu membahayakan kesehatan manusia (Jr Goldstein, et al., 2002). Selain suhu api, hal yang diamati pula dan terkait dengan suhu api tersebut adalah warna nyala api. Luminositas nyala api akan meningkat seiring dengan meningkatnya rasio ekuivalensi dan produksi jelaga (soot). Nyala api pun semakin terang jika kandungan volatile matter yang dimiliki oleh bahan bakar biomassa semakin tinggi (Lu, et al., 2008). Jadi, warna nyala api sebenarnya merupakan Universitas Indonesia


89

perpaduan antara partikel volatile matter, jelaga (soot) yang terbentuk, dan udara yang bercampur. Perbandingan antara luminositas nyala api pada kompor gasbiomassa dalam penelitian dan kompor LPG dapat dilihat pada Gambar 4.7 sebagai berikut.

Gambar 4. 7 Warna nyala api kompor gas-biomassa dan kompor LPG (Belonio, 2005)

Sebenarnya, warna nyala api tersebut menunjukkan bahwa terdapat fenomena di dalam api dimana secara spontan api mengemisikan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang tertentu. Gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang tertentu tentunya memiliki spektrum yang tertentu pula, dimana partikel-partikel yang berpengaruh terhadap hal tersebut diklasifikasikan menjadi tiga, antara lain solid bodies (seperti abu, char, jelaga/soot, dan lain-lain) yang dengan black bodies spectral, molekul gas pada suhu tinggi, dan spesies tereksitasi yang dihasilkan oleh beberapa reaksi kimia, dimana spesies tersebut mencapai state dasarnya dengan mengemisikan cahaya atau terang dengan intensitas tertentu (chemiluminescence). Untuk radiasi termal, solid bodies dan molekul gas mengemisikan gelombang elektormagnetik dengan panjang gelombang pada range gelombang VIS-IR dan IR, sedangkan chemilunescence pada range gelombang UV dan VIS. Spektrum chemilunescence sendiri merupakan hasil radikal yang tereksitasi, dimana radikal-radikal yang utamanya berperan sebagai pengemisi pada api, antara lain OH*, CH*, C2*, dan CO2*. Radikal OH* mengemisikan spektrum gelombang UV sehingga cenderung berwarna kuning hingga merah, sedangkan CH* dan C2* mengemisikan spektrum gelombang hijau dan biru, dimana intensitasnya masing-masing dipengaruhi oleh Universitas Indonesia


90

rasio ekuivalen, turbulensi, karakteristik bahan bakar, ataupun tekanan (Ballester, 2010). Jadi, api yang terbentuk pada kompor gas-biomassa dalam penelitian ini dengan warna nyala kuning hingga merah diperkirakan karena adanya pembentukan jelaga (soot), kandungan volatile matter yang tinggi dalam bahan bakar (biomassa dari limbah bagas), dan adanya kemungkinan spektrum yang diemisikan dari radikal OH* dalam jumlah signifikan. Adapun warna nyala api dari kompor gas-biomassa dalam penelitian lebih detail dapat dilihat pada Gambar 4.8 sebagai berikut:

Gambar 4. 8 Nyala api kompor gas-biomassa dalam penelitian

4.4.2 Pengujian Efisiensi Termal Pengujian berikutnya adalah efisiensi termal. Pengujian ini sebenarnya dilakukan secara simultan dengan pengukuran emisi gas CO dan pengukuran suhu api. Metode yang digunakan adalah Water Boiling Test (WBT) seperti yang telah dijelaskan dalam BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Sub Bab 2.3 Uji Performa dan Evaluasi Operasi Kompor dan BAB 3 METODE PENELITIAN Sub Bab 3.3 Tahapan Penelitian. Pada metode ini, air dengan massa tertentu dipanaskan dan Universitas Indonesia


91

diukur suhunya per satuan waktu. Pada penelitian ini, massa air yang dipanaskan sebanyak 1 kg atau setara dengan 1 L air. Pada akhir eksperimen (pada saat uji operasi selesai), massa air tersebut ditimbang kembali. Adapun grafik suhu air dapat diamati pada Gambar 4.9 berikut ini, sedangkan data Water Boiling Test (WBT) dan nilai efisiensi termal yang diperoleh dari kompor gas-biomassa dapat dilihat pada Tabel 4.6 sebagai berikut:



92

150

Suhu Air (oC)

120

90

60

30

0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400





Gambar 4. 9 Suhu air terhadap waktu



Tabel 4. 6 Hasil pengolahan data suhu air dan perhitungan efisiensi termal

Uji ke-

Volum air (L)

1 2 3 4

1 1 1 1

Suhu maksimum air (oC) 25,03 100,13 27,41 101,89 42,74 101,88 24 141

Suhu awal air (oC)

Waktu pendidihan (menit) 9,33 6,17 6,5 6

Efisiensi termal (%) 41 49 38 55

Dari data di atas, suhu air maksimum dan nilai efisiensi termal tertinggi terjadi pada uji performa ke-4. Meskipun suhu api rata-rata dan suhu api maksimum pada uji performa ke-4 tidak tinggi, namun efisiensi termal yang diperoleh justru paling tinggi. Dalam hal ini dapat dilihat peranan jelaga (soot) yang terbentuk pada api yang mampu meningkatkan perpindahan kalor secara radiasi. Radiasi yang tinggi tidak hanya diberikan api ke panci, tetapi adanya kemungkinan api yang tinggi menyebabkan radiasi panas dari api langsung ke air pun terjadi. Sebagai akibatnya, waktu yang diperlukan untuk mendidihkan 1 L air pada uji performa ke-4 ini juga paling singkat. Pada uji performa ke-2, efisiensi termalnya termasuk efisiensi termal tertinggi dibandingkan uji performa yang lain. Hal ini wajar karena suhu api ratarata dan suhu api maksimumnya juga tinggi sehingga panas yang diberikan api ke panci juga lebih besar dibandingkan uji performa yang lain. Apalagi, efek radiasi yang diberikan oleh jelaga (soot) yang terbentuk membantu laju perpindahan kalor semakin cepat, terutama radiasi. Meskipun begitu, seharusnya uji performa ke-2 tersebut memiliki efisiensi termal paling tinggi daripada uji performa ke-4 bila ditinjau dari suhu api. Hal ini mungkin terjadi karena memang efek radiasi akibat pembentukan jelaga (soot) yang terlalu dominan atau adanya kemungkinan laju alir gas yang tinggi mengaami kontak dengan panci sehingga timbul friksi yang meningkatkan efektivitas perpindahan kalor dari api ke panci pada uji performa ke-4 dibandingkan uji performa ke-2. Pada uji performa ke-1 dan ke-3, dapat dilihat dengan suhu api rata-rata dan suhu api maksimum yang lebih rendah daripada suhu api pada uji performa ke-2, namun mampu mencapai suhu air maksimum yang tidak berbeda jauh 93



94 dengan suhu air maksimum pada uji performa ke-2. Walaupun efisiensi termalnya lebih rendah daripada uji performa ke-2, namun dapat diperkirakan hal tersebut disebabkan oleh efek radiasi yang rendah akibat tidak banyaknya jelaga (soot) yang terbentuk. Dengan demikian, diprediksi kemungkinan perpindahan kalor secara konveksi lebih dominan. Dominasi perpindahan kalor secara konveksi tersebut menunjukkan baiknya performa pembakaran yang terjadi pada kedua uji performa kompor gas-biomassa ini. Oleh karena itu, kedua uji performa dikatakan lebih sehat dan sekaligus lebih aman bagi pengguna untuk keperluan memasak di dapur karena emisi gas CO yang rendah dan efek radiasi jelaga (soot) yang rendah. Dengan demikian, efisiensi termal dari kompor gas-biomassa dalam penelitian telah dihitung menggunakan persamaan 2.19 dan hasilnya berada pada range 39-55%. Bila dibandingkan dengan efisiensi gasifikasi yang dirancang pada perhitungan desain awal kompor, dimana efisiensi dirancangn sebesar 60%, maka dapat diperhatikan bahwa masih terjadi kehilangan kalor (heat loss) pada kompor gas-biomassa yang dirancang, yang dapat diperbaiki pada penelitian berikutnya. Meskipun begitu, efisiensi termal tersebut tergolong cukup baik, dimana memerlukan waktu 6-9,33 menit untuk mendidihkan 1 L air. Sedangkan, Belonio’s Rice Husk T-LUD Gasifier membutuhkan waktu 7,93-8,67 menit untuk mendidihkan 1 L air atau dengan efisiensi termal sebesar 12,3-13,3% (Belonio, 2005) dan Wood-Gas Turbo Stove membutuhkan waktu 6-13 menit atau efisiensi termal sebesar 20-37,5% dengan variasi bahan bakar (Reed, et al., 2000).


BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1

Kesimpulan Berdasarkan hasil dan pembahasan dari pengolahan data yang diperoleh

dalam penelitian ini, maka dapat disimpulkan: 1. Rancangan akhir dari dimensi kompor biomassa yang dimanufaktur: 

Tinggi keseluruhan

= 95 cm



Diameter keseluruhan

= 20 cm



Tinggi reaktor gasifikasi

= 51 cm



Diameter reaktor gasifikasi

= 15 cm

2. Untuk kompor gas-biomassa dengan bahan bakar pelet biomassa dari limbah bagas, emisi rata-rata gas CO yang dihasilkan dari setiap pengujian bervariasi dari 16,33 ppm hingga 37,38 ppm. 3. Suhu api maksimum tertinggi yang berhasil dicapai oleh kompor gasbiomassa dalam penelitian adalah sebesar 544,44oC. 4. Kompor gas-biomassa yang dihasilkan memiliki efisiensi termal berkisar antara 39-55%, lebih daripada efisiensi termal yang dimiliki oleh kompor biomassa tradisional yang hanya sekitar 5-20%. 5. Persentase massa char dan abu tersisa dalam satu kali operasi kompor gasbiomassa dalam penelitian termasuk rendah, yakni berkisar antara 2,32-6,04%. 6. Dari hasil perancangan dan optimasi kompor gas-biomassa, didapatkan kondisi terbaik dengan mempertimbangkan rendahnya emisi CO, yaitu kondisi laju alir udara devolatilisasi (udara primer) sebesar 1,90 m3/s dan laju alir udara pembakaran (udara sekunder) sebesar 22,23 m3/s, dimana emisi gas CO rata-ratanya sebesar 16,4 ppm. Hal ini memenuhi syarat ambang batas CO di atmosfer menurut Kementerian Tenaga Kerja I ndonesia, yaitu 25 ppm.

5.2

Saran Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, saran dari penulis untuk

penelitian berikutnya yang akan dilakukan di masa yang akan datang, antara lain:

95



96 1. Aspek desain yang meningkatkan turbulensi pada kompor perlu dilakukan untuk mencapai pencampuran udara-bahan bakar gas pirolisis yang maksimal. Jadi, desain burner perlu diperbaiki, serta distribusi laju alir udara primer dan sekunder patut diperhatikan. 2. Penentuan ukuran lubang untuk aliran gas buang dari kompor perlu diteliti lebih lanjut untuk memperoleh kompor dengan api yang baik seperti pada kompor LPG, dimana hal ini terkait dengan quenching distance. 3. Penggunaan bahan konstruksi yang tahan panas dan insulasi yang baik patut dipertimbangkan karena berkaitan erat dengan aspek efektivitas perpindahan kalor yang terjadi dan aspek safety bagi pengguna kompor tersebut. 4. Supaya dapat mengamati bentuk api dan karakter penyebarannya pada kompor, serta proses pembakaran pelet biomassa yang terjadi di dalam kompor secara lebih detail diperlukan sebuah celah khusus yang transparan untuk melihatnya, namun tidak mengganggu sistem pembakaran. Alternatif lain dapat dipilih dengan menggunakan berbagai jenis peralatan flame imaging (Ballester, J., & Hernandez, R., 2008). 5. Penggunaan pelet biomassa dengan ukuran diameter yang lebih kecil dan lebih besar dapat dilakukan pada penelitian berikutnya untuk melihat pengaruh ukuran diameter pelet biomassa terhadap fenomena pembakaran yang terjadi dan emisi gas CO yang dihasilkan. 6. Untuk penelitian berikutnya, aspek portabilitas dan aspek komersialisasi kompor di masa depan perlu dipertimbangkan, terutama menyangkut dimensi dan ukuran normal kompor yang digunakan untuk rumah tangga pada umumnya, kemudahan penggunaan, serta analisis keekonomian dari kompor gas-biomassa tersebut. 7. Ketersediaan peralatan untuk keperluan penelitian pada laboratoriumlaboratorium di Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia patut diperhatikan dan dicari solusinya mengingat peralatan yang tersedia sangat terbatas, sedangkan jumlah mahasiswa/i sangat banyak. Dalam penelitian selanjutnya yang bertujuan untuk memperbaiki penelitian ini dan terkait dengan pelet biomassa, alangkah baiknya jika memiliki mesin pencetak pelet biomassa otomatis.


97 DAFTAR PUSTAKA

Achard, F., et al. (2002). Determination of deforestation rates of the world’s humid tropical forests. Science, 297, 999-1002. Akudo, C. O. (2008). Quantification of Tars and Particulates from A Pilot Scale, Downdraft Biomass Gasifier. Master of Science Thesis in Biological and Agricultural Engineering, Faculty of The Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College. Anonim. Biomassa. http://www.energiterbarukan.net. 18 April 2011. 15:00 WIB.

Anonim. 2010 ini, 78 Kasus Ledakan Tabung Gas http://www.metro.news.viva.co.id. 9 Juni 2012. 20:30 WIB.

Terjadi.

Anonim. Kompor. http://istilahkata.com/kompor.html. 9 Juni 2012. 21:00 WIB.

Anonim. Subsidi BBM Diganti dengan Penghapusan Pajak Kendaraan. http://ekonomi.kompasiana.com. 18 April 2011. 15:30 WIB. Ballester, J., & Hernandez, R. (2008). Flame Imaging as Diagnostic Tool dor Industrial Combustion. Combustion and Flame 155: 509-528. Ballester, J., & Armingol, T. G. (2010). Diagnostic Techniques for The Monitoring and Control of Practical Flames. Progress In Energy and Combustion Science 36: 375-411. Barnes, DF., et al. (1994). What Makes People Cook with Biomass Cookstove?-A Comparative International Review of Cookstoves Programs. The World Bank Publication (1994). Belonio, Alexis T. (2005). Rice Husk Gas Stove Hand Book. Philippines: Department of Agricultural Engineering and Environmental Management College of Agricultural Central Philippine University Iloilo City. Bhattacharya, S.C., et al. (2000). Emissions from biomass energy use in some selected Asian countries. Energy 25(2):169-188.


98 Bhattacharya, S. C. & Salam, P. Abdul (2002). Low greenhouse gas biomass options for cooking in the developing countries. Biomass and Bioenergy 22(4): 305-317. Borman, Gary L, & Ragland, Kenneth W. (1998). Combustion Engineering. United States of America: The McGraw-Hill Companies, Inc. Bryden, M., et al. (2002). Design Principles for Wood Burning Cook Stove. Aprovecho Research Center Publication. Chiang, et al. (2000). The Influence of An Architectural Design Alternative (Transoms) on Indoor Air Environment in Conventional Kitchens in Taiwan. Building and Environment 35: 579-585. Chigier, Norman. Energy, Combustion, and Environment. United States of America: The McGraw-Hill Companies, Inc. Colbeck, I., et al. (2010). The state of indoor air quality in Pakistan—a review. Environ Sci Pollut Res 17:1187–1196. Demirbas, A. (2004). Combustion characteristics of different biomass fuels. Progress in Energy and Combustion Science 30(2): 219-230. Depner, H., & Jess, A. (1999). Kinetics of nickel-catalyzed purification of tarry fuel gases from gasification and pyrolysis of solid fuels. Fuel 78(12): 1369-1377. Erlich, C., Öhman, M., et al. (2005). Thermochemical characteristics of sugar cane bagasse pellets. Fuel 84(5): 569-575. Faaij, Andre (2006). Modern Biomass Conversion Technologies. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change 11: 343–375. Fisafarani, Hanani. Identifikasi Karakteristik Sumber Daya Biomasa dan Pengembangan Pelet Biomasa di Indonesia. Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI. Depok. 2010. Handayani, N. Perancangan Kompor Biomassa untuk Masyarakat Urban dengan Prinsip Pre Heating Bahan Bakar dan Udara Masuk Menggunakan Panas Gas Buang. Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI. Depok. 2009.


99 Glassman, Irvin. (1996). Combustion (3rd ed.). The United States of America: Academic Press. Holman, J.P. (1981). Heat Transfer. Singapore: McGraw Hill Book Company.

Huboyo, H. S., Budisulistiorini, S. H., & Hidayat, A. Analisis Emisi Karbon Monoksida (CO) dan Distribusi Aliran Gas Pembakaran pada Udara dalam Ruang Dapur Rumah Tangga Menggunakan Model Computational Fluid Dynamics (CFD). Program Studi Teknik Lingkungan Fakultas Teknik UNDIP, Semarang. International Institute for Sustainable Development (IISD). Panduan Masyarakat tentang Subsidi Energi di Indonesia. Jr Goldstein, L., Fassani, F. L., & Santos, A. A. B. (2002). Experimental Study of Secondary Air Diffusion Effects on Soot Concentration Along A Partially Premixed Acetylene/Air Flame. Elsevier Science Ltd. Komisi Pengawas Persaingan Usaha Republik Indonesia. Background Paper Analisis Kebijakan Persaingan dalam Industri LPG Indonesia. Kong, G.T. Peran Biomassa bagi Energi Terbarukan. Jakarta: PT Elex Media Komputindo. 2010. Lepeleire, G. De, et al. (1981). A Woodstove Compendium. The Netherlands: Eindhoven University of Technology. Lu, Gang, et al. (2008). Impact of Co-firing Coal and Biomass on Flame Characteristics and Stability. Fuel 87: 1133-1140. Lubwama, Michael. (2010). Technical Assessment of The Functional and Operational Performance of A Fixed Bed Biomass Gasifier Using Agricultural Residue. Master of Science Thesis Energy Technology, KTH School of Industrial Engineering and Management Division of Heat and Power Technology, Stockholm. Makino, A. (1992). Drag coefficient of a slowly moving carbon particle undergoing combustion. Combustion Science and Technology. Vol. 81. pp. 169-192.


100 Martono, R.W.A. Bahan Bakar Nabati: What, and http://www.kamase.org. 25 Februari 2011. 19:15 WIB.

Whose,

Costs?

Napitupulu, F. H. Pengaruh Nilai Kalor (Heating Value) Suatu Bahan Bakar terhadap Perencanaan Volume Ruang Bakar Ketel Uap Berdasarkan Metode Penentuan Nilai Kalor Bahan Bakar yang Dipergunakan. Jurnal Sistem Teknik Industri Volume 7, No. 1, Departemen Teknik Mesin FT USU. Ndiema, C. K. W., Mpendazoe, F. M., & Williams, A. (1998). Emission of pollutants from a biomass stove. Energy Conversion and Management 39(13): 1357-1367. Panwar, N. L., & Rathore, N. S. (2008). Design and Performance Evaluation of a 5 kW Producer Gas Stove. Biomass and Bioenergy 32:1349–1352. Panwar, N.L. (2010). Performance Evaluation of Developed Domestic Cook Stove. Waste Biomass Valor 1:309–314. PelHeat. Biomass Pellet Production Guide. http://www.pelheat.com. 9 Juni 2012. 21:15 WIB. Purwanto, W.W., et al. (2010). The Identification of Biomass Resources Characteristics and Bio-pellet Potency in Indonesia. The 1st International Seminar on Fundamental & Application Chemical Engineering, ISFAChE 2010, September 3-4, 2010, Bali. Reed, T.B. (1981). Biomass Gasification: Principles and Technology. U.S.A: Park Ridge, New Jersey. Reed, T.B. (2002). Flaming Pyrolysis Defined. http://www.repp.org. 19 Juni 2011. 15:00 WIB. Reed, T.B., et al. (2000). Testing and Modeling The Wood-Gas Turbo Stove, Presented at the Progresss in Thermochemical Biomass Conversion Conference, Sept. 17-22, 2000, Tyrol, Austria. Reed, T.B., & Desrosiers, R. The Equivalence Ratio: The Key To Understanding Pyrolysis, Combustion And Gasification of Fuels. http://www.woodgas.com. 19 Juni 2011. 15:30 WIB.


101 Rizqiardihatno, R.F. Perancangan Kompor Biomassa Berefisiensi Tinggi dan Ramah Lingkungan dengan Prinsip Heat Recovery untuk Masyarakat Urban. Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI. Depok. 2008. Roth, Christa. (2011). Micro-gasification: Cooking With Gas From Biomass (1st ed.). GIZ HERA – Poverty-oriented Basic Energy Service. Singh, et al. (2009). Biobriquettes-an Alternative Fuel for Sustainable Development. Smith, K.R., et al. (2000a). Greenhouse implications of household stoves: an analysis for India. Annu Rev Energy Environ 25:741–763. Sugiyanto, A. Studi Awal Pola Aliran dalam Chimney sebagai Dasar Usaha Mengurangi Emisi CO pada Kompor Briket Batubara. Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI. Depok. 2010. Suhartini, Sri. (2010). Uji Coba Rekayasa Kompor Berbahan Bakar Biji Jarak. http://digilib.its.ac.id. 17 Juni 2011. 14:00 WIB. Supramono, D., et al. (2009). Designing Biomass Pellet Stove of High Efficiency and Environmental Friendly Using Heat Recovery Principle. International Seminar on Sustainable Biomass Production and Utilization: Challenges and Opportunities. Surjadi, Eko. (2012). Kaji Eksperimental Performa Tungku Gasifikasi Biomassa Tipe Top Lit Up-Draft pada Berbagai Kombinasi Ukuran Biomassa dan Kecepatan Udara Primer Awal. Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Universitas Surakarta. Tanto, M. Ers H. Y.. Pengaruh Penggunaan Briket Bio-Batubara Subbituminous, Briket Biomassa dan Pellet Biomassa sebagai Promotor terhadap Waktu Nyala pada Kompor Briket Batubara. Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI. Depok. 2011. Turns, S.R. (1996). An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. The United States of America: McGraw-Hill, Inc. W. Agung, Wusana, et al. (2010). Perancangan dan Uji Kinerja Reaktor Gasifikasi Sekam Padi Skala Kecil. Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNS.


102 Yang, H., et al. (2007). Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis. Fuel 86(12-13): 1781-1788. Yang, Y. B., Sharifi V. N., & Swithenbank, J. (2004). Effect of air flow rate and fuel moisture on the burning behaviours of biomass and simulated municipal solid wastes in packed beds. Fuel 83(11-12): 1553-1562. ZREU (Zentrum fur Rationell Energieanwendung and Umwelt GmbH), (2000). Biomass in Indonesia-Business.


103

LAMPIRAN

LAMPIRAN A. 1 Rancangan Kompor Gas-Biomassa Secara Umum



104

Lanjutan LAMPIRAN A. 2 Rancangan Kompor Gas-Biomassa Tampak Depan, Samping, dan Atas



105

Lanjutan LAMPIRAN A. 3 Rancangan Kompor Gas-Biomassa Secara Detail



106

Lanjutan LAMPIRAN B. 1 Data Emisi Gas CO

Tabel B1. Data emisi gas CO

Waktu (detik ke-) 0 300 600

Emisi CO (ppm) Running 1 16 10 23

Waktu (detik ke-) 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 1680 1800 1920 2040 2160 2280 2400

Emisi CO (ppm) Running 2 75 46 14 26 36 25 28 12 15 5 7 26 30 44 48 52 56 60

Running 3 11 26 5 6 9 4 12 10 24 57

Running 4 3 18 16 19 23 22 79 26 14 15 42 19 24 16 93 34 12 9 12



107

LAMPIRAN B. 2 Data Suhu Api Tabel B2. Data suhu api

Waktu (detik ke-) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340

Running 1 13,098 12,894 12,872 12,852 26,691 13,31 26,347 27,342 130,971 175,145 191,4 199,312 204,048 240,616 400,783 438,036 383,483 428,687 489,806 387,101 284,758 257,864 251,004 241,552 265,25 261,912 250,836 253,53 247,626 238,211 247,875 250,592 264,658 258,732 237,676

Suhu Api (oC) Running 2 Running 3 Running 4 48,948 234,177 136,679 448,224 235,164 138,397 544,437 237,497 141,746 524,24 265,647 144,241 450,158 296,935 150,81 465,598 313,143 149,025 475,552 293,209 152,759 475,075 289,939 153,329 468,863 294,214 160,778 457,482 300,867 157,901 459,999 323,404 160,018 475,675 353,977 165,566 491,827 358,603 163,513 498,361 385,668 169 501,337 387,863 166,673 499,541 372,635 168,158 503,117 374,377 172,457 506,441 373,244 171,38 509,924 382,893 172,786 512,308 377,613 176,411 509,89 370,687 175,523 505,653 363,031 178,904 500,67 367,377 177,761 500,514 346,121 178,879 501,781 369,95 180,061 504,325 345,762 181,288 506,65 351,076 182,551 505,259 350,879 189,262 490,674 315,684 184,682 493,448 347,583 189,891 494,618 340,011 190,133 493,123 332,957 188,278 496,907 330,589 193,457 501,466 330,768 189,935 485,366 323,84 191,6



108

Lanjutan

Waktu (detik ke-) 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720

Running 1 223,151 216,172 219,351 222,791 221,899 222,954 224,067 225,023 225,312 225,958 226,78 228,139 230,869 234,066 236,287 237,081 236,4 236,237 235,791 236,56 237,345 237,822 237,713 239,007 239,529 240,508 241,177 241,692 241,999 237,572 233,288 231,796 237,183 231,963 233,649 235,427 231,371 223,853

Suhu Api (oC) Running 2 Running 3 Running 4 473,982 322,598 199,322 467,769 329,468 190,83 466,206 316,685 194,851 466,381 307,703 193,707 465,262 310,117 194,761 465,921 308,313 196,4 465,216 321,111 197,206 465,713 288,693 203,355 426,262 311,628 199,687 456,95 313,1 200,33 418,553 321,737 202,656 445,317 349,648 203,605 441,496 321,544 204,955 445,184 332,105 209,67 473,919 363,063 211,619 499,751 359,097 206,299 524,806 357,986 205,895 489,572 356,711 209,415 430,095 365,665 210,991 406,726 372,666 208,433 395,836 362,613 209,393 391,893 366,249 212,208 390,052 378,016 210,668 387,345 363,761 212,181 380,943 381,845 214,419 397,329 359,166 213,748 386,62 357,623 214,888 391,677 355,061 214,598 401,433 362,551 215,241 394,335 356,472 216,06 403,873 362,312 216,417 401,651 388,596 219,019 407,085 370,688 221,41 414,338 356,168 222,332 420,539 360,743 222,921 439,276 361,758 223,242 445,758 362,745 227,408 411,512 363,212 221,398



109

Lanjutan

Waktu (detik ke-) 730 740 750 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 910 920 930 940 950 960 970 980 990 1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100

Running 1 233,526 241,668 225,089 225,152 224,73 239,295 246,07 245,222 244,934 239,058 243,657 241,946 244,974 245,81 245,02 245,463 216,973 243,403 245,428 219,927 220,154 234,343 218,899 228,992 217,556 217,103 216,823 214,286 210,504 212,896 209,615 208,835 207,154 206,521 203,294 201,905 219,52 218,773




110

Lanjutan

Waktu (detik ke-) 1110 1120 1130 1140 1150 1160 1170 1180 1190 1200 1210 1220 1230 1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 1330 1340 1350 1360 1370 1380 1390 1400 1410 1420 1430 1440 1450 1460 1470 1480

Running 1 204,004 195,916 214,763 197,421 212,295 211,375 210,589 209,565 208,662




111

Lanjutan

Waktu (detik ke-) 1490 1500 1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 1700 1710 1720 1730 1740 1750 1760 1770 1780 1790 1800 1810 1820 1830 1840 1850 1860

Suhu Api (oC) Running 1 Running 2 Running 3 Running 4 411,274 272,769 245,76 408,362 265,164 245,126 412,255 261,31 245,293 430,518 260,563 248,142 419,091 259,744 245,652 405,707 254,666 245,775 389,401 252,824 245,565 380,842 252,86 246,732 385,766 246,671 246,368 386,583 245,394 359,112 243,889 354,92 244,334 370,31 243,324 406,278 244,543 372,017 243,07 309,259 243,172 299,128 243,024 289,361 245,826 274,998 244,108 263,398 245,666 287,526 245,814 253,82 244,49 249,86 244,541 244,882 242,524 239,46 243,463 226,946 243,218 217,848 242,869 242,659 242,621 242,527 241,25 242,341 240,976 240,791 242,052 239,974 237,491 237,566 Universitas Indonesia


112

Lanjutan

Waktu (detik ke-) 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 2110 2120 2130 2140 2150 2160 2170 2180 2190 2200 2210 2220 2230 2240

Suhu Api (oC) Running 1 Running 2 Running 3 Running 4 237,126 236,877 236,531 236,575 236,466 237,118 235,788 235,567 236,757 235,856 236,817 233,765 233,367 233,308 227,961 232,706 232,789 231,7 238,293 234,095 232,707 230,798 231,039 230,238 230,181 229,899 229,76 230,681 227,872 221,658 222,864 218,159



113

Lanjutan

Waktu (detik ke-)

Suhu Api (oC) Running 1 Running 2 Running 3 Running 4

2250 2260 2270 2280 2290 2300 2310 2320 2330 2340 2350 2360 2370 2380 2390 2400 2410 2420 2430 2440 2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550 2560 2570 2580 2590 2600



114

Lanjutan LAMPIRAN B. 3 Data Suhu Air Tabel B3. Data suhu air

Waktu (detik ke-) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340

Suhu Air(oC) Running Running 1 2 25,027 27,412 25,885 27,654 27,217 12,22 27,286 13,624 27,234 19,486 27,327 35,843 27,214 41,076 27,208 42,08 27,298 41,08 27,2 45,106 28,96 45,409 29,866 52,97 16,801 52,346 33,923 60,033 34,278 54,927 20,169 59,209 22,755 62,831 25,55 64,038 31,588 65,646 26,609 68,159 30,544 69,187 30,892 72,853 37,889 76,654 51,071 75,747 41,93 75,876 47,249 79,207 41,433 82,996 62,872 82,505 48,417 83,879 54,221 87,875 55,161 87,214 56,651 90,573 73,02 92,858 75,095 94,186 70,119 95,569

Running 3 42,738 42,591 45,862 41,717 44,587 48,738 46,839 51,755 53,486 56,658 54,575 57,85 57,254 63,966 60,851 66,258 67,774 68,118 70,112 75,666 72,084 70,177 75,869 76,03 71,47 80,292 81,468 81,923 82,222 83,635 84,584 84,664 85,417 85,831 83,806

Suhu Air (oC)

Waktu (detik ke-)

Running 4 34 54 57 62 65 66 71 74 73 80 77 79 79 79 80 81 80 79 77 76 77 81

0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 1680 1800 1920 2040 2160 2280 2400

Running 5 24 52 75 102 119 122 124 128 126 125 131 129 129 130 141 138 138 133 112



115

Lanjutan

Waktu (detik ke-) 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710

Suhu Air(oC) Running Running 1 2 71,07 99,2 73,213 99,562 83,044 101,695 85,397 101,475 87,044 101,886 88,631 101,771 90,738 101,78 92,224 101,207 94,075 87,025 95,9 101,415 97,421 81,157 98,729 101,027 99,574 100,922 99,729 101,031 99,695 79,468 99,664 89,083 99,67 101,81 99,93 100,224 99,751 99,793 99,751 98,824 99,825 98,775 100,037 99,366 99,923 94,321 99,983 99,298 99,926 88,265 100,002 95,383 99,982 88,182 84,453 96,582 100,125 94,819 96,755 85,657 98,426 90,951 97,899 89,451 93,334 88,748 95,027 88,041 91,68 89,055 84,167 98,404 82,832 98,724

Running 3 85,611 83,627 83,03 82,675 101,051 99,054 88,049 83,235 81,451 81,116 92,741 101,677 88,813 81,521 101,185 101,204 84,239 84,179 86,774 89,868 83,902 83,742 84,091 83,573 88,541 83,911 81,117 82,759 90,5 80,241 94,74 85,074 101,548 81,42 100,269 98,648 94,045

Suhu Air (oC)

Waktu (detik ke-)

Running 4

Running 5



116

Lanjutan

Waktu (detik ke-) 720 730 740 750 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 910 920 930 940 950 960 970 980 990 1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080

Suhu Air(oC) Running Running 1 2 82,555 77,904 89,344 99,05 96,614 77,723 82,498 78,614 84,223 78,333 82,495 78,348 96,403 78,432 99,839 78,518 93,55 78,35 96,58 95,083 93,972 78,162 97,774 78,124 99,493 77,859 99,872 80,743 96,433 78,148 99,977 80,058 98,427 78,072 74,103 77,848 98,89 78,61 99,8 78,133 79,524 78,172 79,617 78,094 79,804 77,904 79,827 78,199 99,45 78,607 79,429 78,9 79,501 78,777 79,839 78,553 79,628 78,689 79,351 77,756 80,926 79,304 80,456 78,121 80,502 77,756 80,64 81,074 85,188 78,16 80,854 77,558 80,466 77,902

Running 3 98,118 83,844 87,295 83,106 84,951 86,16 82,026 84,844 84,385 81,422 81,058 88,102 81,267 80,99 80,893 93,602 80,692 82,703 80,95 83,33 86,036 85,607 84,263 98,283 89,901 88,281 85,334 85,274 81,883 84,971 78,833 80,959 101,522 97,723 97,587 81,317 81,295

Suhu Air (oC)

Waktu (detik ke-)

Running 4

Running 5



117

Lanjutan

Waktu (detik ke-) 1090 1100 1110 1120 1130 1140 1150 1160 1170 1180 1190 1200 1210 1220 1230 1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 1330 1340 1350 1360 1370 1380 1390 1400 1410 1420 1430 1440 1450

Suhu Air(oC) Running Running 1 2 97,729 78,546 97,694 79,97 86,945 80,292 78,636 96,597 97,235 80,962 84,18 97,542 90,779 97,684 89,475 94,335 95,08 95,968 94,842 89,434 94,501 77,582 78,705 89,356 91,619 97,194 76,073 77,11 90,843 87,037 94,476 86,505 93,364 90,764 97,024 97,325 92,62 94,1 82,123 97,301 79,866 76,188 91,306 92,954 76,437 74,685 93,236 97,498

Running 3 101,88 86,161 100,885 101,359 81,001 81,278 81,206 81,896 80,941 84,184 89,487 88,655 82,883 89,994 81,935 81,959 82,883 82,313 81,146 80,723 81,02 90,368 81,182 97,119 81,137 86,463 81,192 87,362 89,341 86,918 86,764 87,177 86,993 86,782 86,157 85,765 86,759

Suhu Air (oC)

Waktu (detik ke-)

Running 4

Running 5



118

Lanjutan

Waktu (detik ke-) 1460 1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 1700 1710 1720 1730 1740 1750

Suhu Air(oC) Running 1

Running 2 84,075 75,455 97,635 75,914 74,818 76,985 91,759 97,682 97,046 76,407 76,428 91,053 83,421 75,677 83,813 75,211 76,323 92,952 72,59 76,157 80,008 78,879 76,776 82,795 76,569 80,314 76,764 77,785 76,169 75,591

Running 3 85,992 86,497 85,793 85,142 84,25 84,19 84,163 84,277 84,03 82,799 82,58 83,091

Suhu Air (oC)

Waktu (detik ke-)

Running 4

Running 5



119

Lanjutan LAMPIRAN B. 4 Data Persentase Massa Char dan Abu

Tabel B4. Data persentase massa char dan abu

Uji ke1 2 3 4

Massa wadah (mg) Massa wadah+char+abu (mg) 66.349,2 66.349,2 66.349,2 66.349,2

98.837,5 106.627,3 103.302,9 150.878,1

Massa char+abu mg kg 32.488,3 0,032 40.278,1 0,040 36.953,7 0,037 84.528,9 0,084



120

LAMPIRAN C. 1 Data Konversi Satuan Laju alir Udara Primer dan Sekunder

Adapun data laju alir udara primer dan sekunder yang diperoleh dari hasil pengukuran menggunakan anemometer adalah dalam satuan m/s. Laju alir kedua udara tersebut diukur dalam keadaan dingin atau dalam kondisi ambien. Oleh karena itu, laju alir udara diukur pada saluran penarikan udara dari masing-masing blower. Untuk mengkonversi laju alir kedua udara tersebut ke satuan m3/s, maka laju alir udara yang terukur harus dikali dengan luas penampang saluran masingmasing blower tersebut. Adapun penampang saluran berbentuk lingkaran, dimana untuk udara primer, penampang berdiameter 11 cm atau 0,11 m, sedangkan untuk udara sekunder, penampang berdiameter 13 cm atau 0,13 m. Maka, luas penampang masing-masing blower tersebut dapat dihitung sebagai berikut: a. Udara primer ( ) 3,14 × (0,11 = = 4 4

)

b. Udara sekunder ( ) 3,14 × (0,13 = = 4 4

)

= 0,0095

= 0,0133

Dengan demikian, hasil perkalian laju alir udara terukur dan luas penampang di atas dapat dilihat pada tabel di bawah ini:

Tabel C1. Data konversi satuan udara primer dan sekunder

Uji ke1 2 3 4 5

Laju alir udara primer terukur (m/s) 0,04 0,03 0,02 0,03 0,01

Laju alir udara Laju alir Laju alir udara sekunder udara primer sekunder (m3/s) 3 terukur (m/s) (m /s) 0,42 0,00038 0,00557 0,13 0,00028 0,00172 0,16 0,00019 0,00212 0,86 0,00028 0,01141 0,16 0,00010 0,00212



121

LAMPIRAN D. 1 Hasil Uji Karakterisasi Bahan Bakar Biomassa oleh BPPT



122

LAMPIRAN E. 1 Perhitungan Udara Stoikiometrik 1. Penentuan Komposisi Biomassa Seperti telah dijelaskan sebelumnya, biomassa terdiri dari biopolimer, yaitu selulosa, hemiselulosa, dan lignin, dimana pada kompor gas-biomassa yang dirancang dalam penelitian ini ketiga komponen biopolimer dari biomassa tersebut akan terdekomposisi pada suhu tertentu secara pirolisis. Oleh karena itu, untuk menentukan komposisi biomassa, hal pertama yang harus dilakukan adalah menentukan rumus kimia kandungan ketiga komponen biopolimer tersebut. Berikut ini diuraikan penentuan rumus kimia untuk masing-masing komponen tersebut: a. Selulosa: (C6H10O5)a b. Hemiselulosa: (C5H8O4)b c. Lignin: (C9H10O3(CH3O)0.9-1.7)c  0.9 – 1.7 diambil nilai 1 Basis nilai untuk a, b, dan c di atas digunakan nilai 100, dengan variasi nilai tersebut menurut referensi1 antara 60-1000. Maka, rumus kimia disederhanakan menjadi CxHyOz sehingga untuk biomassa dari limbah bagas didapatkan nilai x = 594, y = 900, dan z = 395 atau dengan kata lain rumus kimia bagas adalah C594H900O395 dengan Mr = 14.361,1 g/mol. Sedangkan, untuk biomassa dari limbah kayu karet didapatkan nilai x = 649, y = 989, dan z = 438 atau dengan kata lain rumus kimia bagas adalah C649H989O438 dengan Mr = 15.799,4 g/mol. Adapun nilai x, y, dan z yang merupakan subskrip pada rumus kimia biomassa untuk C, H, dan O diperoleh dengan mengalihkan setiap angka subskrip rumus empiris komponen biomassa dengan persentasi kandungan komponen tersebut dalam biomassa. Setelah dikalikan, kemudian angka subskrip untuk C, H, dan O bagi masing-masing komponen (selulosa, hemiselulosa, dan lignin) dijumlahkan, dimana angka subskrip untuk C dalam selulosa dijumlahkan dengan angka subskrip untuk C dalam hemiselulosa dan lignin, dan begitu juga seterusnya untuk H dan O.

1

en.wikipedia.com/biomass Universitas Indonesia


123

Lanjutan

2. Persamaan Reaksi Pembakaran Prinsip dari kompor gas-biomassa yang dirancang adalah gasifikasi, dimana udara yang digunakan terbatas untuk menghasilkan gas-gas dari pembakaran tidak sempurna, yang kemudian dikonversi kembali menjadi emisi gas yang lebih bersih dengan pembakaran sempurna. Meskipun begitu, untuk perhitungan udara stoikiometri (udara yang diperlukan untuk mencapai pembakaran sempurna), reaksi pembakaran diasumsikan sebagai berikut: aCxHyOz + bO2 + cN2  dCO2 + eH2O + fO2 + gN2 a. Seluruh biomassa terbakar sempurna sebab udara yang diperlukan pada pembakaran sempurna (tanpa produk gas CO dan H2) merupakan udara yang maksimum. Jadi, jika terjadi pembakaran tidak sempurna, maka udara aktual yang dibutuhkan kurang dari udara maksimum tersebut dan rasio ekuivalen lebih kecil daripada 1. b. Komposisi udara ialah Oksigen 21% dan Nitrogen 79%. c. Ekses udara adalah 25% (diambil dari literatur, dimana pada literatur disebutkan 25%-30%) . Fuel

Type of furnace or burner

% excess air

Mazout

Large boilers (power plant)

15 – 20

Solar

Typical industrial boilers Heating equipment Industrial boilers

20 – 30 10 – 15 10 – 15

Natural gas

Register burners

5 – 10

Dual-fuel burners

7 – 12

All types

25 – 30

Bagasse

Dengan demikian, koefisien reaksi pembakaran untuk komponen dari masingmasing biomassa:



124

Lanjutan

 Bagas 1C594H900O395 + 776,88O2 + 2.922,53N2  594CO2 + 450H2O + 310,75O2 + 2.922,53N2  Kayu Karet 1C653H996O443 + 846,56O2 + 3.184,69N2  649CO2 + 494,5H2O + 338,63O2 + 3.184,69N2 Kemudian, dengan basis penggunaan bahan bakar sebesar 1,4 kg atau 1400 g selama 1 jam, maka (

)=

=

1400 14.361,1 ⁄

= 0,098

Secara stoikiometrik, maka kesetimbangan mol dan massa yang dihasilkan untuk bagas:

Molekul

Massa molekul relatif / Mr

Jumlah mol / n

Massa / m

(g/mol)

(mol)

(g)

O2

32

75,734

2.423,484

N2

28

284,904

7.977,303

CO2

44,01

57,906

2.548,455

H2O

18,02

43,868

790,333

32

30,294

969,394

O2 tersisa

Sedangkan, maka kesetimbangan mol dan massa yang dihasilkan untuk kayu karet: Molekul

Massa molekul relatif / Mr

Jumlah mol / n

Massa / m

(g/mol)

(mol)

(g)

O2

32

75,015

2.400,471

N2

28

282,198

7.901,549

CO2

44,01

57,508

2.530,949

H2O

18,02

43,818

789,427

32

30,006

960,188

O2 tersisa



125

Lanjutan

3. Penentuan Udara Stoikiometrik Adapun udara stoikiometrik dihitung berdasarkan rasio antara massa total udara yang diperlukan untuk pembakaran sempurna dan massa bahan bakar yang digunakan sesuai dengan basis yang digunakan. Dengan demikian, S 7,429

=

)

=

( ,

,

)

=

,

⁄ =

S 7,359

(

(

)

=

( ,

, ,

)

=

⁄

sehingga SA rata-rata yang diperlukan sebesar 7,394 kg udara/kg biomassa.



126

Lanjutan LAMPIRAN E. 2 Perhitungan Efisiensi Termal Kompor Gas-Biomassa

Adapun perhitungan efisiensi termal kompor diukur dengan menggunakan persamaaan 2.19, yang merupakan persamaan umum yang biasa digunakan pada metode Water Boiling Test (WBT). Akan tetapi, untuk kompor gas-biomassa yang hanya memanfaatkan volatile matter dari biomassa sebagai bahan bakarnya, maka persamaan 2.19 tersebut dimodifikasi menjadi sebagai berikut: =

×

(

)

×(

− ×

)+

×

×%

(

)

×(

−

)+

×

×

dengan M massa awal air, cp1 kalor jenis air, M1 massa bejana, cp2 kalor jenis bejana, M2 massa air terevaporasi (yakni, selisih massa air awal dengan massa air tersisa), HL kalor laten penguapan, Tb suhu panci yang diasumsikan sama dengan suhu air maksimum, Ta suhu lingkungan yang diasumsikan sama dengan suhu awal air, HC nilai kalori pembakaran dari volatile matter atau gas pirolisis dalam satuan kJ/Nm3, ρgas densitas volatile matter atau gas pirolisis dalam satuan kg/Nm3, dan W massa bahan bakar per jam. Adapun variabel-variabel yang bersifat umum, datanya diperoleh berdasarkan literatur yang digunakan (Akudo, 2008, Lubwama, 2010, Rizqiardihatno, 2009). Berikut ini data-data yang diperoleh dari literatur tersebut:

M (massa awal air) Cp (air) M1 (massa air menguap) Cp (panci) HL (kalor laten air) HC volatile matter W (massa bahan bakar) %volatile matter Densitas volatile matter

1 kg 4,186 kJ/kg.K 0,18 kg 0,902 kJ/kg.K 2260 kJ/kg 3300 kJ/Nm3 1,4 kg 0,7316 1 kg/m3

Selain data-data di atas, data densitas gas pirolisis untuk bagas tidak berhasil diperoleh sehingga data tersebut diperoleh dengan melakukan pendekatan, dimana Universitas Indonesia


127

Lanjutan

pada literatur (Akudo, 2008), terdapat data 1/densitas untuk biomassa dari woodchips. Oleh karena itu, untuk mendapatkan 1/densitas untuk bagas, dilakukan ekstrapolasi dengan menggunakan data tersebut. Berikut ini ekstrapolasi yang dilakukan:

Uji ke1 2 3 4 5 6

Massa biomass yang dikonsumsi (kg) 6,5 9,75 9,75 9,75 6,5 6,5

Total volum syngas (Nm3) 7,65 10,2 10,84 9,56 7,01 7,27

Kemudian, data tersebut diplot menjadi grafik total volum syngas terhadap massa bahan bakar yang dikonsumsi sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut:

Volum Syngas terhadap Massa Biomassa Volum Syngas (Nm3)

12 y = 0,889x + 1,53 R² = 0,924

10 8

Volum Syngas terhadap Massa Bahan Bakar

6 4

Linear (Volum Syngas terhadap Massa Bahan Bakar)

2 0 0

5

10

15

Massa Bahan Bakar (kg)

Setelah mendapatkan persamaan di atas, maka dengan memasukkan massa bahan bakar bagas yang digunakan sebesar 1,4 kg sehingga diperoleh volum syngas sebesar 2,77 Nm3. Kemudian, volum syngas dibagi dengan massa bahan bakar sehingga diperoleh 1/densitas sebesar 1,98 Nm3/kg. Universitas Indonesia


128

Lanjutan

Sedangkan, data-data yang diperoleh dari penelitian yang telah dilakukan dan telah diolah antara lain:

Uji ke1 2 3 4 5

Massa air sisa, kg 0,45 0,22 0,5 0,6 0,12

Massa air Suhu menguap panci (M2), kg (Tb), oC 0,55 100,13 0,78 101,89 0,5 101,88 0,4 81 0,88 141

Suhu panci (Tb), K 373,13 374,89 374,88 354 414

Suhu lingkungan (Ta), oC 25,03 27,41 42,74 34 24

Suhu lingkungan (Ta), K 298,03 300,41 315,74 307 297

Pada akhirnya, dengan memasukkan data-data tersebut ke dalam persamaan, maka diperoleh efisiensi termal sebesar 41% untuk uji performa ke-1, 49% untuk uji performa ke-2, 39% untuk uji performa ke-3, 55% untuk uji performa ke-4.



PERANCANGAN DAN OPTIMASI KOMPOR GAS- BIOMASSA YANG BEREMISI GAS CO RENDAH MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR PELET BIOMASSA DARI LIMBAH BAGAS SKRIPSI

Recommend Documents