PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216
STUDI CO-GASIFIKASI TANDAN KOSONG DAN TEMPURUNG KELAPA SAWIT MENGUNAKAN GASIFIER ALIRAN KEBAWAH Adi Surjosatyo1 dan Fadjri Vidian2
1
Mechanical Engineering Dept - Faculty of Engineering - University of Indonesia Mechanical Engineering Department, Kampus Baru U.I. Depok 16424 Phone: +62 21 7270032, Fax: + 62 21 7270033, E-mail:
[email protected] 2 Faculty of Engineering – IBA University- Palembang Abstrak
Suatu teknik gasifikasi yaitu co-gasifikasi (gasifikasi bersama antara dua jenis bahan bakar) diterapkan untuk mendapatkan kualitas producer gas yang diinginkan. Jenis gasifier unggun tetap yang umum digunakan adalah tipe aliran kebawah dengan kualitas gas producer yang rendah tar yang sesuai untuk aplikasi pada mesin pembakaran dalam dan turbin gas. Ada dua sasaran utama dalam penelitian ini, pertama untuk mempelajari proses gasifikasi dan kedua untuk mendapatkan distribusi temperature dalam reaktor. Untuk penelitian tersebut maka sebuah gasifier aliran kebawah dirancang dan dibuat di Laboratorium Teknik Pembakaran, Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia. Hasil pengujian ini telah menunjukkan bahwa zona-zona gasifikasi pada reaktor telah didapat terutama zona pembakaran dan reduksi dan pirolisa. Kata kunci: tandan kosong (empty fruit bunch) kelapa sawit, gasifikasi, gasifier aliran kebawah (downdraft gasifier), temperatur
Pendahuluan Indonesia adalah Negara penghasil utama kelapa sawait setelah Malaysia, serta menurut perkiaraan pada tahun 2010 Indonesia akan menjadi Negara penghasil utama kelapa sawit. Dari proses penggelolaan tandan buah segar (FFB) menjadi minyak sawit (CPO) lebih kurang 45%nya akan menjadi limbah padat berupa tempurung (shell), serabut (fiber) dan tandan kosong (EFB). Setengah dari jumlah limbah padat tersebut merupakan tandan kosong. Pemanfaatan limbah padat kelapa sawit untuk menghasilkan energi baru terbatas sebabagai bahan bakar padat pada ketel (boiler), terutama untuk limbah padat tempurung dan serabut. Khusus untuk tandan kosong pemanfaatan sebagai bahan bakar padat boiler mempunyai konstrain pada tingginya kandungan air (moisture) 60% [5], dan polusi yang yang dihasilkan [3]. Tabel 1. Proximite dan ultimite analisis limbah kelapa sawit [6] Fuel
Lower heating value
moisture
Ash content
Volatile matter
Fixed carbon
C
H
N
S
Cl
O
dry basis (kJ/kg)
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
EFB
18972
2,76
4.34
75,.9
17
49.6
6.26
0.98
0.10
0.70
38.0
Shell
19100
9,7
2,1
67%
21,1
47,6
6,2
0,7
-
-
43,38
2
Sehingga permasalahan yang timbul adalah banyak jumlah limbah tandan kosong yang tertimbun pada industri – industri pengolahan kelapa sawait yang belum bisa dimanfaatkan untuk mengahasilkan energi. Proses gasifikasi adalah suatu proses pengkoversian limbah padat menjadi gas mampu bakar (CO,H2,CH4) yang berikutnya dimanfaatkan untuk bahan bakar pada boiler atau engine sehinga terjadi pembakaran bertingkat (Stage Combustion) yang sangat significant dalam mengurangi polusi. Suatu teknik gasifikasi yang dapat dilakukan untuk mengatasi besarnya kandungan moisture adalah dengan gasifikasi JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
C-1-1
bersama (Co-gasifikasi) dengan bahan bakar yang mempunyai kandungan moisture yang rendah, dalam hal ini digunakan tempurung kelapa sawit, yang mana analisis dasar diperlihatkan pada table 1. Penelitian bertujuan mengamati proses gasifikasi tandan kosong kelapa sawit meliputi zona gasifikasi, distribusi temperatur gas dalam reaktor.
Teori Gasifikasi adalah proses dimana bahan organic diuraikan melalui reaksi thermal, dengan menyediakan jumlah udara terbatas, sebagai perantara oksidasi sehingga terjadi pembakaran tak sempurna (partial combustion). Proses ini menghasilkan campuran gas yang mampu nyala (carbon monoksida, hydrogen ,methana ), tar, minyak. Dalam proses gasifikasi jumlah udara pembakaran dibatasi antara 20% s/d 40% udara stoikiometri atau dengan equivalensi ratio (ER) 0,2 s/d 0,4 [8]. Equivalensi ratio dihitung berdasarkan rumus: berat .udara. pembakaran
ER =
berat .bahan.bakar ………1 berat .udara. pembakaran. pada.stoikiometri barat .bahan.bakar
=
berat.udara. pembakaran.aktual barat.udara. pembakaran.stoikiometri
……………… 2
atau ER =
(Laju. Aliran.Udara.Masuk ).x.Waktu.Operasi ………… 3
(
)
Masukkan.Bahan.Bakar. x. A .untuk .φ = 1 F
Selama proses gasifikasi biomassa mengalami urutan tahapan – tahapan proses yang komplek (pengringan, pirolisis, reduksi, pembakaran,). Dimana reaksi – reaksi yang terjadi pada masing – masing tahap adalah sebagai berikut:. 1. Pengeringan/Drying ( 25oC s/d 150oC) Bahan baku akan mengalami pengeringan akibat panas reaksi dari tahap oksidasi. H2O(cair) ═ H2O(gas) 2. Pirolisa (150oC s/d 800oC) Bahan baku yang turun lebih ke bawah akan mengalami pemanasan pada temperature yang lebih tinggi lagi, yang menyebabkan bahan baku terpecah menjadi arang (C), tar, minyak , gas dan produk pirolisa lain. Bahan baku (C,H,O) → arang (C), tar,minyak,gas 3. Pembakaran (combustion) (800oC s/d 1400oC) Arang (C), tar, minyak ,gas hasil tahap pirolisa kemudian akan teroksidasi oleh oksigen dari udara . Panas yang dihasikan dari reaksi ini digunakan untuk proses pengeringan , pengeringan dan reaksi endoterm lainya. - 110,7 kJ/mol (partial oxidation) C + ½ O2 → CO C + 02 → CO2 - 393, 79 kJ/mol (total oksidation) CO + ½ 02 → CO2 - 283 kJ/mol (CO oksidation) H2 + ½ O2 → H2O - 241,820 kJ/mol (Hydrogen oksidation)
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
C-1-2
Gambar 1. Proses Gasifikasi Pada Gasifier Aliran Kebawah 4.
Reduksi (600oC s/d 900 0C) Dibawah daerah oksidasi terjadi reaksi terutama dihasilkan didaerah ini. C + CO2 → 2CO CO2 + H2 → CO + H2O C + H2O → CO + H2 C + 2H2 → CH4
reduksi, reaksi tukar dan metanasi. Gas yang bernilai kalor + 172,58 kJ/mol (Boudouard reaction) + 41 kJ/mol (Reverse water shift) + 131,400 kJ/mol (Steam gasification) - 74,9 kJ/mol (Hydrogenation )
Perangkat pengujian Pada pengujian ini telah difabrikasi sebuah gasifier tipe aliran kebawah (downdraft gasifeir) yang ditempatkan pada laboratorium gas, Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia seperti terlihat di Gambar 1. Pada dasarnya gasifier ini merupakan dua silinder yang berimpit dengan jarak 6.5 cm. silinder bagian dalam luar merupakan selubung dan berfungsi untuk menampung gas hasil gasifikasi serta abu. Silinder bagian dalam merupakan refrakatori tempat terjadinya gasifikasi. Refrakatori mempunyai diameter dalam 30 cm dan tinggi 70 cm dan terbuat dari bahan castable, disekeliling daerah throat (ventury) terdapat delapan buah pipa saluran udara yang terbuat stainless steel masing-masing dengan diameter 1.4 cm dan panjang 50 cm. Udara juga dimasukkan dari bagian atas gasifier dengan diameter pipa yang sama. Melalui Blower udara dihembus kedalam refraktori. Jumlah aliran diukur dengan mengunakan orificemeter sebelum percobaan. Keterangan : A. Thermokopel Recorder B. Saluran masuk bahan bakar C. Gasifier D. Saluran keluar gas E. Saluran pengeluaran abu F. Orifice meter G. Katup H. Blower T1 s/d T8. Thermokopel S1 s/d S9. Saluran masuk udara
Gambar 1 Rangkaian Alat Percobaan Refraktori disangga oleh sebuah grate dengan diameter dalam 30cm, dengan lubang grate beridiameter 1 cm. grate berfungsi untuk menyangga refraktori dan bahan bakar serta untuk mengeluarkan abu. Tujuh buah thermokople tipe K dipasang berbaris vertical pada sisi gasifier dengan jarak 10 cm. untuk menentukan zona–zona gasifikasi dan satu buah lagi dipasang pada saluran keluar gas untuk mengukur temperatur gas hasil. Bahan bakar berupa tandan kosong kelapa sawit dimasukkan dari saluran bagian atas gasifier dengan diameter 8 cm. Gas hasil gasifikasi dikeluarkan melalui saluran gas dengan diameter 5 cm yang terletak pada bagian sisi atas gasifier. Abu dikeluarkan melalui saluran pembuang abu yang terletak di bagian bawah gasifier. Bahan bakar Pada percoabaan awal ini digunakan bahan bakar tandan kosong kelapa sawit kering, dimana pengeringan dilakukan secara alami serta tempurung kelapa sawit. Tandan kosong yang digunakan adalah bagian tankainya dimana pada bagian ini serat tandan masih bersatu karena dilindungi salaput. Kondisi ini JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
C-1-3
sangat diperlukan agar tidak terjadi hambatan turunnya bahan bakar dalam gasifier sehingga kontinuitas proses berjalan lancar. Tandan dipotong dengan ukuran 0,5 cm x 1 cm x 5 cm untuk memudahkan pemasukkan serta mempermudah bahan bakar melewati daerah pengecilan atau tengorokkan gasifier. Pada percobaan pertama digunakan 12 kg tandan kosong murni, kemudian 12 kg berikutnya dilakukan dengan pencampuran dengan tempurung dengan perbandingan 6:4. Prosedure pengujian Sebelum dilakukan pengoperasian sistem gasifikasi. Pertama gasifier diisi terlebih dahulu dengan arang pereduksi sampai ke tenggorakkan atau daerah penyempitan kira-kira 3 kg dan sedikit bahan bakar diatasnya. Kemudian blower mulai dihidupkan dengan aliran tertentu. Penyalaan bahan bakar dilakukan dengan bantuan minyak tanah. Setelah bahan bakar terbakar merata, maka pemasukkan bahan bakar mulai dilakukan sampai posisi thermokople 6. Kemudian lubang pemasukkan bahan bakar ditutup dan laju aliran diatur udara sesuai yang diingginkan, dalam pengujian ini laju aliran udara diatur 116 lpm untuk 100%EFB dan 154 lpm untuk 60 % EFB (waktu ini disebut waktu ke nol percobaan). Kemudian setiap sepeluh menit (10 menit) dilakukan pencatatan suhu operasi dan pengecekkan jumlah bahan bakar serta pembakaran gas hasil gasifikasi untuk mengetahui adanya kandungan gas mampu bakar. Untuk 100% tandan kosong kondisi
TEMPERATUR (De
Hasil dan Diskusi Dari hasil pengujian didapat bahwa laju pemakaian bahan bakar rata-rata 6 kg/jam dengan eqivalensi ratio 0,26 untuk 100% tandan dan 0,28 untuk 60% tandan. Laju bahan bakar dihitung melihat penurunan ketinggian bahan bakar dalam reakor. bahan bakar dalam reaktor setiap 10 menit. Eqivalensi ratio temperatur tertinggi antara 4000C s/d 10000C terdapat didaerah thermokopel 1 sampai 3 seperti yang diperlihatkan (Gambar 2 dan 3) dimana pada daerah tersebut terjadi reaksi reduksi dan pembakaran. Themokopel 3 dipasang tepat pada daerah pengecilan dimana diharapkan tempat terjadinya zona pembakaran karena disekelilingnya terletak nosel udara. Pada daerah thermokopel 4 s/d 7 temperatur berkisar antara 1000C s/d 4000C, yang mana pada daerah ini terjadi proses pirolisa dan pengeringan. Dari pembakaran gas hasil proses gasifikasi untuk mengetahui mutu gas, maka rata-rata selang 30 menit, baru didapat kondisi gas yang dapat dibakar baik mengunakan 100% maupun 60% tandan kosong. Rata-rata flame bertahan 2-3 menit, kemudian setelah itu dilakukan pengadukkan untuk mendapatkan gas yang dapat dibakar. Hal ini menandakan aliran bahan bakar dan gas dalam reaktor yang tidak lancar sehingga proses gasifikasi terhambat. Untuk 100% tandan kosong jedah waktu untuk mendapatkan flame berikutnya lebih lama hal ini diakibatkan oleh fluktuasi temperatur pada daerah pembakaran dan reduksi sangat tinggi sekali yang mempengaruhi proses reduksi yang terjadi. Sifat tandan kosong kering berbentuk serabut dan juga ringan mempengaruhi proses, dimana dengan kondisi seperti ini tandan sangat cepat terbakar menjadi abu tampa menjadi arang (C) terlebih dahulu. Ini sangat mempengaruhi proses reduksi. Setelah proses gasifikasi terdapat banyak gumpalan-gumpalan berbentuk kristal yang tertimbun pada bagian bawah reaktor menutupi saluran keluar gas dimana pada 100% tandan kosong jumlahnya lebih banyak. Penumpukkan ini juga menghambat proses yang terjadi dalam reaktor karena menghmabat bahan bakar turun. Temperatur gas hasil gasifikasi juga masih rendah antara 500C s/d 2140C seperti yang terlihat pada Gambar 4 .
10 menit
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
30 menit 50 menit 70 menit 90 menit 110 menit 130 menit 0
1
2
3
4
5
6
7
8
THERMOKOPEL
Gambar 2. Distribusi temperatur dalam gasifier selama proses gasifikasi 100% tandan kosong kelapa sawit
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
C-1-4
Temperatur (deg
1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
10 menit 30 menit 50 menit 70 menit 90 menit 110 menit
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Lokasi Thermokopel
Gambar 3. Distribusi temperatur dalam gasifier selama proses gasifikasi 60% tandan kosong dan 40% tempurung kelapa sawit
Temperatur (deg
250 200 150
60% Tandan Kosong
100
100% tandan kosong
50 0 0
20
40
60
80
100
120
w aktu (menit)
Gambar.4 Temperatur gas hasil gasifikasi terhadap waktu
Gambar 5. Hasil pembakaran gas untuk 60 % tandan kosong Kesimpulan : Dari pengujia ini didapat bahwa : JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
C-1-5
1. 2. 3. 4. 5.
Zona gasifikasi pada reaktor telah didapat terutama zona pembakaran dan reduksi dan pirolisa. Dengan telah terbentuknya zona tersebut maka proses gasifikasi untuk menghasilkan gas mampu bakar telah berlansung hal ini dibuktikan dengan adanya flame pada waktu gas hasil proses dibakar. Gas mampu bakar belum bisa dihasilkan secara kontinu. Laju pemakaian bahan bakar rata-rata 6 kg/jam serta eqivalensi ratio 0,26 untuk 100% tandan dan 0,28 untuk 60% tandan. Tandan kosong kosong kelapa sawit dapat digasifikasi menghasilkan gas mampu bakar tetapi menghasilkan aglomeration atau pengumpalan pada reactor. Pengumpalan ini berpotensi menganggu proses untuk operasi yang lebih lama.
Daftar Pustaka [1] Manurung, Robert.,”Gasification and Pyrolitik Convertion of Agriculture and Forestry Wastes” , Renewable Energy Review Journal : Vol.3 No 1, June 1981 [2] Bhattacharya,S.C.,”State of- the- art,Utilizing Residues and Other Types of Biomass as an Energy Sources”, RERIC International Journal: Vol.15,No1, June1993 [3] The Bronzoek Group.,”Maximinixing Energy Recovery From Palm Oil Wastes”, Paper, Word Palm Oil Conggress, Kuala Lumpur,1999 [4] Jain, Anil Kr. Goss, Jhon R., “Determination of Reaktor Scalling Factor for Throatless Risk Husk Gasifier, Paper, Biomass Bioenergy Journal, November,1999 [5] Kittikun, A.H.Prasertsan, P. Srisuwan, G. Krause.,”Enviromental Manajement for Palm Oil Mil”, Paper, Intenet Conference on Material Flow Analisis of Integrated Bio-System, 2000 [6] Surjosatyo, Adi. Ani,F.N., “Development of Two - stage biomass combustion system on reduction the gas emission”, Paper, Journal Teknologi (A) Universitas Teknologi Malaysia, 2002 [7] Bridgwater,AV.” Thermal Processing of Biomass for Fuels and Chemical” , Paper, . 6th AsiaPacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization, Paper, May 2002 .
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
C-1-6
