UJI PERFORMANSI GASIFIKASI BIOMASSA PADA PROSES STERILISASI BERBAHAN BAKAR LIMBAH MEDIA TANAM JAMUR MERANG
Tesis untuk Memperoleh Gelar Magister Pada Program Magister, Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana
AHMAD MAULANA KARTIKA NIM 1391961003
PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2015 ii
LEMBAR PENGESAHAN
TESIS INI TELAH DISETUJUI PADA TANGGAL 05 JUNI 2015
Pembimbing I
Pembimbing II
Prof. I Nyoman Suprapta Winaya, ST.,MASc.,PhD NIP. 19691231 199412 1 001
Dr. Ir. I Wayan Bandem Adnyana, M.Erg. NIP. 196507061991031002
Mengetahui , Ketua Program Magister Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana
Direktur Program Pascasarjana Universitas Udayana
Prof. Dr. Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma NIP. 19700607 199303 1 001
Prof. Dr.dr A.A Raka Sudewi,Sp.S(K) NIP. 19590215 198510 2 001
iii
LEMBAR PENETAPAN PANITIA PENGUJI
Tesis ini telah diuji dan dinilai oleh Panitia Penguji Pada Program Pascasarjana Universitas Udayana Pada Hari/Tanggal : Jumat/05 Juni 2015
Berdasarkan SK Rektor Universitas Udayana No. : 1507/UN14.4/HK/2015 Tanggal 26 Mei 2015 Panitia Penguji Tesis adalah : Ketua
: Prof. I Nyoman Suprapta Winaya, ST.,MASc.,PhD
Anggota : 1. Dr. Ir. I Wayan Bandem Adnyana, M.Erg. 2. Dr. Eng. Made Sucipta, ST., MT. 3. Dr. Ir. I Gusti Ngurah Priambadi, MT. 4. Dr. Wayan Nata Septiadi, ST., MT.
iv
SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT
Yang bertanda tangan di bawah ini,
Nama
: AHMAD MAULANA KARTIKA
NIM
: 1391961003
Program Studi
: Magister Teknik Mesin Universitas Udayana
Judul Tesis
: Uji Performansi Gasifikasi Biomassa Pada Proses Sterilisasi, Berbahan Bakar Limbah Media Tanam Jamur Merang
Dengan ini menyatakan bahwa Karya Ilmiah Tesis ini bebas plagiat. Apabila di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam Karya Ilmiah ini, maka Saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan peraturan Menteri Pendidikan Nasional Republik Indonesia No. 17 Tahun 2010 dan Peraturan Perundang – Undangan yang berlaku lainnya.
Demikian surat pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.
Denpasar, 05 Juni 2015 Yang membuat pernyataan,
(Ahmad Maulana Kartika)
v
UCAPAN TERIMA KASIH Segala puja dan puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, Tuhan semesta alam yang senantiasa mencurahkan rahmat dan ridho-Nya kepada semua makluk-Nya di muka bumi ini. Hanya dengan karunia-Nya lah penulis akhirnya dapat menyelesaikan laporan tesis ini dengan semestinya. Sholawat serta salam penulis sampaikan kepada junjungan nabi besar Muhammad SAW, yang memiliki kesempurnaan budi pekerti dan suri tauladan yang baik bagi seluruh umatnya. Laporan tesis yang berjudul : “Uji performansi gasifikasi biomassa pada proses sterilisasi berbahan bakar limbah media tanam jamur merang” ini disusun sebagai gambaran dari apa yang telah penulis lakukan selama mengerjakan tesis tersebut. Dimana tesis ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan pendidikan Strata II (S2) di Jurusan Magister Teknik Mesin, Universitas Udayana, Bali. Pada kesempatan ini perkenankanlah penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar – besarnya kepada Prof. I Nyoman Suprapta Winaya, ST., MASc., PhD selaku Pembimbing I yang telah memberikan ide, semangat dan bimbingan serta saran selama penulis mengikuti program magister ini, khususnya dalam menyelesaikan tesis ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar – besarnya juga kepada Dr. Ir. I Wayan Bandem Adnyana, M.Erg, selaku Pembimbing II yang dengan tulus telah memberikan bimbingan dan saran kepada penulis. Selain itu, ucapan terima kasih juga ditujukan kepada Rektor Universitas Udayana, Prof. Dr. dr. Ketut Suastika, Sp. PD. KEMD, atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada penulis selama mengikuti perkuliahan di Program Magister Teknik Mesin, Universitas Udayana. Ucapan yang sama juga ditujukan kepada Prof. Dr. dr. A.A Raka Sudewi,Sp.S(K), selaku direktur Program Pascasarjana Universitas Udayana. Ungkapan terima kasih ini juga penulis sampaikan kepada tim Dosen Penguji Tesis, yaitu : Dr. Eng. Made Sucipta, ST., MT., Dr. Ir. I Gusti Ngurah Priambadi, MT, dan Dr. Wayan Nata Septiadi, ST., MT, yang telah banyak memberikan saran, arahan, dan koreksi yang sangat berarti dalam penyelesaian Tesis sehingga dapat terwujud seperti ini.
vi
Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Segenap Dosen yang ada di Program Magister Teknik Mesin Universitas Udayana yang telah memberikan banyak wawasan keilmuan yang berarti bagi penulis. Tak lupa pula penulis sampaikan rekan-rekan mahasiswa seperjuangan di jurusan Magister Teknik Mesin Universitas Udayana angkatan 2013 yang telah sama – sama berjuang dalam menempuh pendidikan dari awal sampai akhir perkuliahan guna mencapai cita – cita yang belum terwujud. Akhirnya penulis ucapkan rasa terima kasih terhadap semua pihak yang telah membantu yang mungkin terlupakan dan tidak dapat disebutkan satu persatu pada kesempatan ini. Semoga semua amal kebaikan yang telah diberikan mendapat balasan yang sewajarnya dari Allah SWT yang Maha Mengetahui segala sesuatu dan Maha Bijaksana. Selanjutnya penulis meminta maaf apabila dalam penulisan tesis ini masih terdapat kekurangan-kekurangannya baik dalam penulisan kata maupun dalam susunannya serta dari segi bahasa yang mungkin tidak enak didengar. Akhir kata, penulis hanya bisa berharap semoga serangkaian tulisan yang penulis susun ini, dapat memberikan manfaat bagi siapa saja yang membacanya.
Denpasar, Juni 2015 ttd Penulis
vii
ABSTRAK UJI PERFORMANSI GASIFIKASI BIOMASSA PADA PROSES STERILISASI BERBAHAN BAKAR LIMBAH MEDIA TANAM JAMUR MERANG Pada setiap budidaya jamur merang memerlukan proses sterilisasi dengan menggunakan uap panas yang dihasilkan dari boiler sederhana dengan tungku tradisional berbahan bakar kayu bakar. Penggunaan tungku tradisional pada aplikasi proses sterilisasi tersebut dinilai kurang efisien karena efisiensi pembakaran yang masih sangat rendah dan emisi gas buang yang mengganggu. Berdasarkan pada hal tersebut diatas, penelitian ini dilakukan untuk mencoba menggunakan boiler dengan sistem gasifikasi. Pengujian proses sterilisasi dengan sistem gasifikasi ini dilakukan dengan membuat prototype proses sterilisasi dan menggunakan kompor gasifikasi berbahan bakar limbah limbah media tanam jamur merang, yaitu jerami, kapas, dan kardus. Pengujian dilakukan dengan dua variasi aliran udara pada reaktor gasifikasinya yaitu aliran alamiah dan aliran konveksi paksa. Hasil yang didapat pada pengujian yang telah dilakukan tersebut adalah, limbah jerami memiliki performansi yang kurang bagus bila dibandingkan dengan limbah kapas dan limbah kardus. Adapun limbah kardus memiliki performansi yang relative sama dengan limbah kapas.
Nilai laju kalor pembakaran tertinggi
didapatkan pada limbah kapas dengan nilai sebesar 7,24 kW dengan FCR sekitar 28,13 gr/min dan efisiensi pembakaran sebesar 21,9% pada aliran udara konveksi paksa.
Kata kunci: kompor gasifikasi, FCR, laju kalor pembakaran, efisiensi
viii
ABSTRACT
TEST PERFORMANCE OF GASIFICATION BIOMASS FOR STERILIZATION PROCESS WHICH FUELED FROM WASTE MUSHROOM GROWING MEDIA Based on mushroom cultivation, requires steam sterilization process using heat generated from the boiler with simple traditional stoves fueled by firewood. Use of traditional stoves on the application of the sterilization process is considered less efficient because the combustion efficiency is still very low and the exhaust emissions are disturbing. For that reason, this study was conducted to use boilers with gasification system on the application of the sterilization process. Study experimental of the sterilization process with gasification system is done by creating a prototype sterilization process and use of gasification stove which fueled from waste mushroom growing media like straw, cotton, and cardboard (corrugated paper). Testing is done with two variations of air flow in the reactor that is natural flow and forced convection flow. The test results obtained shows that waste straw has the worst performance. The cardboard waste has the same performance relative to cotton waste. The highest rate of combustion calorific value obtained on cotton waste with a value of 7.24 kW with FCR is about 28.13 gr/min and a combustion efficiency of 21.7% for the forced convection air flow.
Keywords: gasification stove, FCR, the rate of heat of combustion, efficiency
ix
RINGKASAN UJI PERFORMANSI GASIFIKASI BIOMASSA PADA PROSES STERILISASI BERBAHAN BAKAR LIMBAH MEDIA TANAM JAMUR MERANG
Biomassa telah menjadi sumber energi utama, sebelum penemuan bahan bakar fosil seperti batu bara dan minyak bumi. Umumnya biomassa yang digunakan sebagai bahan bakar tersebut langsung dibakar dalam bentuk padat pada sebuah tungku tradisional untuk menghasilkan panas. Salah satu penggunaan tungku tradisional untuk skala industri kecil yang sampai sekarang masih digunakan adalah penggunaan tungku tradisional sebagai penghasil uap panas (boiler) pada proses pemanasan kumbung jamur merang pada temperatur 70 – 80 oC. Penggunaan tungku tradisional pada aplikasi proses sterilisasi kumbung jamur tersebut dinilai kurang efisien karena efisiensi pembakaran yang masih sangat rendah dan emisi gas buang yang mengganggu lingkungan sekitar. Selain itu dalam setiap proses budidaya jamur merang, akan selalu menghasilkan limbah biomassa dalam jumlah yang melimpah. Limbah yang dihasilkan pada kumbung jamur merang dengan ukuran 7x5x4 m tersebut adalah sekitar 1200 kg (1,2 ton) dalam sekali panen (±40 hari). Limbah tersebut biasanya dibuang begitu saja tanpa dimanfaatkan terlebih dahulu oleh petani. Jenis limbah biomassa ini berupa kapas, jerami, dan atau kardus. Ketiga limbah biomassa tersebut sebenarnya masih dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Berdasarkan
masalah tersebut diatas, maka penelitian ini
dilakukan untuk menguji sistem kompor gasifikasi biomassa yang digunakan sebagai pengganti tungku tradisional dalam boiler pada proses sterilisasi kumbung jamur merang. Penelitian ini dimulai dengan terlebih dahulu menentukan jenis reaktor gasifikasi dan kemudian membuat prototipe kumbung jamur merang berukuran kecil yaitu : 1,2 x 1 x 0,75 m. Adapun jenis reaktor gasifikasi yang digunakan pada pengujian ini adalah jenis kompor gasifikasi biomass UB-03 buatan M. Nurhuda dari Universitas Brawijaya Malang. Reaktor gasifikasi tersebut dipilih karena nyala x
operasi pembakarannya dapat mencapai ± 2 jam, lebih lama bila dibandingkan jenis lainnya yang rata – rata hanya mampu nyala sampai 1 jam saja. Jika persiapan dan semua bahan telah disediakan maka pengujian proses sterilisasi prototipe kumbung dapat dilakukan. Temperatur gasifikasi tertinggi yang dapat dicapai pada limbah jerami adalah 618 oC untuk aliran udara alamiah dan 747 oC untuk aliran udara konveksi paksa. Nilai tersebut lebih rendah daripada limbah kapas dan kardus dimana didapatkan temperatur 683 oC pada kapas dan 695 oC pada kardus untuk aliran udara alamiah, serta 765 oC dan 771 oC utnuk aliran udara konveksi paksa. Nilai laju kalor pembakaran, Q˙f pada limbah jerami juga memiliki nilai yang paling rendah yaitu 3,57 – 3,69 kW untuk aliran alamiah dan 5,15 – 5,17 kW untuk aliran konveksi paksa. Limbah kapas, memiliki nilai Q˙f sekitar 4,67 - 4,85 kW untuk aliran alamiah dan 7,20 – 7,24 kW untuk aliran konveksi paksa. Nilai Q˙f untuk limbah kardus lebih rendah dari limbah kapas namun lebih tinggi dari limbah jerami, yaitu sekitar 4,59 – 4,62 kW untuk aliran alamiah dan 7,01 – 7,07 kW untuk aliran konveksi paksa. Melalui penelitian ini terbukti bahwa dengan menambahkan blower 3 watt untuk aliran konveksi paksa pada sisi udara masuk reaktor gasifikasi, akan menaikkan laju kalor pembakaran (Q˙f ) yang cukup besar. Kenaikan Q˙f sebesar 1600 watt (44,8 %) terjadi pada pengujian limbah jerami, dan 2530 watt (54,2%) pada limbah kapas serta 2480 watt (54,0%) pada limbah kardus.
xi
DAFTAR ISI Halaman SAMPUL DALAM ................................................................................................. i LEMBAR PERSYARATAN GELAR ................................................................... ii LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................... iii PENETAPAN PANITIA PENGUJI ....................................................................... iv SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT ....................................................... v UCAPAN TERIMA KASIH .................................................................................. vi ABSTRAK .............................................................................................................. viii ABSTRACT ............................................................................................................ ix RINGKASAN ......................................................................................................... x DAFTAR ISI............................................................................................................ xii DAFTAR GAMBAR ……………………………………………………… .......... xv DAFTAR TABEL ……………………………………………………................... xvi DAFTAR LAMPIRAN ……………………………………………………........... xvii DAFTAR ISTILAH DAN SINGKATAN .............................................................. xviii
BAB I
PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang .............................................................................. 1 1.2 Rumusan Masalah ......................................................................... 5 1.3 Tujuan Penelitian ........................................................................... 5 1.4 Manfaat Penelitian ......................................................................... 6
BAB II
KAJIAN PUSTAKA 2.1
Energi Biomassa .......................................................................... 7 2.1.1 Struktur kimia bahan bakar biomassa .................................. 7 2.1.2 Analisis Proximate................................................ ............... 8 2.1.3 Analisis Ultimate ................................................................. 10 2.1.4 Sifat biomassa jenis kardus, jerami dan kapas ..................... 11
xii
2.2
Gasifikasi Biomassa ………………………………………..…… 13 2.2.1 Jenis – jenis reaktor gasifikasi ............................................. 16 2.2.2 Tahapan proses gasifikasi .................................................... 17
BAB III
2.3
Analisis Energi Kalor Pada Proses Sterilisasi............................... 18
2.4
Konsep Boiler Dengan Kompor Gasifikasi Biomassa .................. 23
KERANGKA BERPIKIR, KONSEP DAN HIPOTESIS PENELITIAN
BAB IV
3.1
Kerangka Berpikir......................................................................... 25
3.2
Konsep Penelitian ......................................................................... 26
3.3
Hipotesis Penelitian ...................................................................... 27
METODE PENELITIAN 4.1
Tempat dan waktu penelitian ........................................................ 30
4.2
Prosedur Penelitian ....................................................................... 30
4.3
Bahan dan Instrumen Penelitian ................................................... 35
4.4
Rancangan Penelitian .................................................................... 36 4.4.1 Spesifikasi boiler dengan kompor gasifikasi biomassa ....... 36 4.4.2 Kapasitas Sterilisasi................................................ ............. 38 4.4.3 Desain tangki air boiler ........................................................ 40 4.4.4 Ukuran prototype kumbung ................................................. 41
BAB V
4.5
Ruang Lingkup Penelitian ............................................................ 43
4.6
Variabel Penelitian ....................................................................... 44
DATA PENELITIAN 5.1
Proses pengambilan data .............................................................. 45
5.2
Data hasil pengujian ..................................................................... 47
5.3
Grafik temperatur hasil pengujian ............................................... 49
5.4
Pengolahan data pada energi input biomassa (pada kompor) ....... 50 5.4.1 Perhitungan FCR.................................................................. 51 5.4.2 Perhitungan energi kalor input bahan bakar (Q fuel, Qf ) ... 51 5.4.3 Perhitungan laju kalor pembakaran (Q˙f ) ........................... 52
xiii
5.5
Pengolahan data pada energi output (pada air) ............................. 54 5.5.1 Perhitungan kalor sensibel dan kalor laten penguapan air ... 54 5.5.2 Perhitungan efisiensi pembakaran (efisiensi boiler =
BAB VI
)... 56
5.6
Analisa sterilisasi pada kumbung jamur ....................................... 57
5.7
Neraca energi pada proses sterilisasi ............................................ 60
5.8
Perhitungan kebutuhan udara stoikiometrik pembakaran ............. 61
5.8
Perhitungan kebutuhan udara gasifikasi (ɛ) .................................. 63
PEMBAHASAN 6.1
Pembahasan pada sisi gasifikasi (pada kompor) .......................... 66 6.1.1 Karakteristik temperatur gasifikasi ...................................... 66 6.1.2 FCR dan jumlah energi kalor total pembakaran (Qf ) .......... 68 6.1.3 Laju kalor total pembakaran (Q˙f ) ....................................... 70
6.2
Pembahasan pada energy kalor air (QH2O ................................... 71 6.2.1 Kalor sensibel dan kalor laten penguapan air ...................... 72 6.2.1 Perbandingan efisiensi ........................................................ 73
6.3
Pembahasan pada sterilisasi kumbung ......................................... 73
6.4
Persentase udara pembakaran gasifikasi ...................................... 74
6.5
Kendala dalam penelitian.............................................................. 75
BAB VII KESIMPULAN DAN SARAN 7.1
Kesimpulan .................................................................................. 78
7.1
Saran ............................................................................................ 79
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................. 80 LAMPIRAN ……………………………………………………... ....................... 82
xiv
DAFTAR GAMBAR Halaman
Gambar 1.1 Kumbung jamur merang dan proses sterilisasi menggunakan tungku tradisional ....................................................................................... 3 Gambar 2.1 Jenis reaktor gasifikasi ............................................................................... 16 Gambar 2.2 Skema zona untuk tiap tahap proses gasifikasi pada sistem updraft ......... 18 Gambar 2.3 Analisis perpindahan energi kalor pada proses sterilisasi .......................... 20 Gambar 2.4 Skema proses gasifikasi pada kompor biomassa ........................................ 23 Gambar 4.1 Proses pembuatan briket limbah jerami ..................................................... 32 Gambar 4.2 Skema pengukuran temperatur pada pengujian prototipe kumbung …… . 34 Gambar 4.3 Flowchart / alur prosedur penelitian yang akan dilakukan ………… ....... 35 Gambar 4.4 Kompor biomassa UB-03 dengan sistem gasifikasi yang digunakan pada penelitian … ............................................................................................... 36 Gambar 4.5 Modifikasi pada bagian bawah reaktor gasifikasi untuk memudahkan abu turun ke bawah … ............................................................................... 38 Gambar 4.6 Spesifikasi dari boiler gasifikasi biomassa yang digunakan sebagai penghasil uap panas pada prototipe sterilisasi kumbung jamur … ............ 38 Gambar 4.7 Tangki air boiler yang digunakan pada pengujian proses sterilisasi …… . 41 Gambar 4.8 Rancangan ukuran prototipe sistem sterilisasi kumbung jamur merang … 42 Gambar 5.1 Proses pengambilan data pengujian … ....................................................... 46 Gambar 5.2 Grafik karakteristik temperatur pada pengujian limbah jerami dengan aliran udara alamiah … .............................................................................. 49 Gambar 5.3 Grafik laju kalor pembakaran hasil pengolahan data dengan perbandingan aliran udara yang berbeda … ............................................... 54 Gambar 5.3 Skema neraca energi pada proses sterilisasi kumbung jamur merang … ... 60 Gambar 6.1 Perbandingan temperatur gasifikasi limbah jerami dengan penelitian sebelumnya menggunakan sekam padi (konveksi alamiah) ….................. 67 Gambar 6.2 Abu sisa pembakaran yang menumpuk pada reaktor gasifikasi … ............ 76 Gambar 6.3 Perbandingan nyala api pada reaktor gasifikasi dengan bahan bakar yang berbeda … .................................................................................................. 78
xv
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Analisis proximate biomassa ............................................................................... 8 Tabel 2.2 Analisis ultimate dari berbagai macam biomassa .............................................. 11 Tabel 2.3 Perbedaan komponen penyusun ketiga limbah jamur merang ........................... 13 Tabel 4.1 Data pengujian awal pemanasan air 1,5 L menggunakan kompor gasifikasi UB-03 ................................................................................................................. 36 Tabel 5.1 Data pengukuran menggunakan bahan bakar limbah jerami ( L1 uji 1 ) dengan aliran udara alamiah ...................................................................................................... 47
Tabel 5.2 Perhitungan analisa energy pada sisi kompor gasifikasi ................................... 53 Tabel 5.3 Perhitungan analisa energy pada sisi air …………………………………….. 57 Tabel 5.4 Perbandingan temperatur steril pada kumbung ................................................. 58 Tabel 5.5 Perhitungan energy pemanasan pada kumbung ................................................ 59 Tabel 5.6 Perhitungan equivalence ratio hasil pengolahan data ....................................... 65 Tabel 6.1 Perbedaan komponen penyusun ketiga limbah biomassa jamur merang hasil uji laboratorium … ............................................................................................. 67 Tabel 6.2 Perbandingan nilai laju kalor pembakaran Q˙f dengan perlakuan aliran udara yang berbeda ..................................................................................................... 71
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
LAMPIRAN A : DATA UJI LAB SAMPEL BIOMASSA ............................................82
LAMPIRAN B : DATA HASIL PENGUJIAN .............................................................86
LAMPIRAN C : DATA HASIL PERHITUNGAN ......................................................111
LAMPIRAN D : GRAFIK HASIL PENGUJIAN .........................................................115
LAMPIRAN E : DOKUMENTASI PENELITIAN .......................................................121
xvii
DAFTAR ISTILAH DAN SINGKATAN
EJ
: Eksa Joule
kJ
: Kilo Joule
kW
: Kilowatt
FCR
: Fuel Conmsumption Rate
HHV : Higher Heating Value mf
: massa bahan bakar biomassa (fuel) yang terbakar selama pembakaran
mmt
: massa media tanam jamur (jerami) di dalam kumbung
Qf
: Jumlah kalor pembakaran
Q˙f
: Laju kalor pembakaran
QS.H20 : Jumlah kalor sensibel pada air QL.H2O : Jumlah kalor laten penguapan air QH2O : Jumlah kalor total pada air Qsteam : Jumlah kalor output pada uap air keluar pipa QL
: Jumlah beban kalor (load) pada media tanam jerami di dalam kumbung jamur
ηb
: efisiensi pembakaran (boiler)
η kb
: efisiensi pada kumbung
Aud
: luas penampang lubang udara masuk reactor gasifikasi
Vud
: kecepatan udara masuk reaktor gasifikasi
V˙ud
: debit udara masuk reaktor gasifikasi
m˙ud
: laju aliran massa udara masuk reactor gasifikasi
ɛ
: Equivalence ratio
xviii
