ii. tinjauan pustaka 2.1. gasifikasi biomassadigilib.unila.ac.id/6848/13/bab ii tinjauan...
Post on 11-Mar-2019
252 Views
Preview:
TRANSCRIPT
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Gasifikasi Biomassa
Secara harfiah biomassa adalah material biologis yang berasal dari
tumbuhan, hewan, termasuk manusia yang dapat dijadikan sumber energi. Jenis
material yang dapat dikatakan sebagai biomassa sangat bervariatif mulai dari
residu agrikultur, residu hewan, serpih kayu, kayu hasil residu perkotaan yang
kering serta terkontaminasi material lain, hingga material organik dari sampah
padat di perkotaan [6,7,8]. Biomassa dapat dimanfaatkan untuk memproduksi
energi salah satunya melalui proses termokimia contohnya pirolisis, gasifikasi,
dan pembakaran. Perbedaan jenis konversi energi tersebut terletak pada
banyaknya suplay oksigen saat konversi berlangsung. Konsumsi oksigen yang
diperlukan saat pembakaran setidaknya memiliki AFR 6,25. Pada proses
gasifikasi memiliki batasan AFR 1,5. Sedangkan pirolisis cenderung tidak
membutuhkan oksigen pada prosesnya [9].
Gasifikasi secara bahasa dapat diartikan sebagai pembuatan gas. Secara
definisi yang sebenarnya, gasifikasi adalah proses konversi energi dari bahan
bakar yang mengandung karbon (padat ataupun cair) menjadi gas yang disebut
producer gas dimana gas tersebut memiliki nilai bakar dengan cara oksidasi
parsial pada temperatur tinggi. Produk luaran gasifikasi yang telah dimurnikan
adalah komponen yang mudah terbakar yang terdiri dari campuran karbon
8
monoksida (CO), hydrogen (H2) dan metan (CH4) yang disebut syngas dan
pengotor inorganik seperti NH3, HCN, H2S, debu halus, serta pengotor organik
yaitu tar [10,11]. Komposisi gas ini sangat tergantung pada komposisi unsur
dalam biomassa, bentuk dan partikel biomassa, serta kondisi-kondisi proses
gasifikasi. Sebagai ilustrasi, komposisi gas hasil gasifikasi sekam padi bentuk
jarum ukuran 1 cm adalah CO 20,1%, H2 11,3%, CH4 1,8%, CO2 % , N2 55,4%
dan panas pembakaran 4350 kJ/kg [1].
Proses gasifikasi mempunyai 2 stage reaksi yaitu proses oksidasi dan
reduksi. Sub-stoikiometerik oksidasi menggiring gas mudah menguap dari
biomassa dan proses ini adalah eksotermis (melepaskan energi). Proses ini
berlangsung pada temperatur 1100 – 1200 oC dan terjadi pembangkitan produk
gas seperti karbon monoksida, hidrogen dan karbon dioksida (CO2) serta uap air
yang mana pada gilirannya di-reduksi ke karbon monoksida dan hidrogen dengan
bed charcoal panas yang dibangkitkan selama proses gasifikasi. Sedangkan
reaksi reduksi adalah sebuah reaksi endotermis (membutuhkan panas) untuk
membangkitkan produk yang mudah terbakar seperti hidrogen, karbon monoksida
dan metan [8].
2.2. Gasifier
Gasifier adalah reaktor berlangsungnya proses gasifikasi, di dalam reaktor
tersebut terjadi empat proses yang berbeda yang berlangsung dalam sebuah
gasifier seperti yang terlihat pada Gambar 2.1. Masing-masing diasumsikan
menempati area yang berbeda dimana secara fundamental berlangsung reaksi
termal dan kimia yang berbeda [13].
9
Gambar 2.1 Empat zona proses gasifikasi
2.2.1. Zona Proses Di Dalam Gasifier
Pengeringan: Prosesnya yaitu kandungan air yang ada dalam biomassa diekstrak
dalam bentuk uap tanpa adanya dekomposisi kimia dari biomasa.
Biomasa + Panas = Biomasa kering + Uap
Pirolisis: Setelah pengeringan dilakukan, bahan bakar akan turun dan menerima
panas sebesar 250-500oC dalam kondisi tanpa udara. Pirolisis dimulai dari
dekomposisi hemiselulosa pada 200-250, dekomposisi selulosa sampai 350oC, dan
pirolisis berakhir pada 500oC. Selanjutnya pengarangan berlangsung pada 500-
900oC, yang terjadi pada batas zona pirolisis dan oksidasi. Produk dari proses ini
terbagi menjadi produk cair (Tar dan PAH), produk gas (H2, CO, CO2, H2O,
CH4), tar dan arang. Reaksi kimia pirolisis dapat dituliskan sebagai berikut [9,12].
Biomasa kering + panas = arang + tar + gas (H2, CO, CO2, H2O, CH4, CxHy)
Pembakaran : adalah proses untuk menghasilkan panas yang memanaskan
lapisan karbon dibawah. Arang yang terbentuk dari ujung zona pirolisis masuk ke
FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Lampung Tugas Akhir 2012
10
oksidasi, selanjutnya dibakar pada temperatur operasi yang cukup tinggi 900-
1400oC. Pada gasifier downdraft temperatur setinggi ini, akan menghancurkan
substansi tar sehingga kandungan tar menjadi lebih rendah. Distribusi oksigen
yang merata akan menyempurnakan proses oksidasi sehingga dihasilkan tempe-
ratur maksimal dalam keseluruhan proses gasifikasi. Sekitar 20% arang beserta
volatil teroksidasi dengan memanfaatkan O2 yang terbatas, sisa 80% arang turun
kebawah menuju bagian reduksi yang hampir semuanya akan dipakai, menyisakan
abu yang jatuh ke tempat pembuangan [9,12].
2C + O2 = 2CO + Energi termal
2CO + O2 = 2 CO2 + Energi termal
Tar minyak metana, dll = CO, CO2, H2O, CH4 + Energi termal
Reduksi : Proses ini bersifat mengambil panas yang berlangsung pada suhu 400-
900oC. Pada proses ini terjadi beberapa reaksi kimia yang merupakan proses
penting terbentuknya beberapa senyawa yang berguna untuk menghasilkan
combustible gas seperti H2, CO, CH4 atau yang dikenal dengan producer gas.
Berikut reaksi kimia di zona reduksi [9.12]:
Bourdouar reaction CO2 + C = 2CO – Energi termal
Steam-carbon reaction C + H2O = CO + H2 – Energi termal
Water-gas shift reaction CO + H2O = CO2+ H2 + Energi Termal
CO methanation CO + 3H2 = CH4 + H2O
2.2.2 Jenis Gasifier
Sejarah gasifikasi mengungkapkan beberapa rancangan gasifier yang
diklasifikasikan oleh arah aliran gas melalui reaktor (arah naik, turun, atau
mendatar), dimana jenis reaktor antara lain sebagai berikut :
11
\
Gambar 2.2. Beberapa tipe gasifier
2.2.2.a. Gasifier Tipe Updraft
Pada tipe ini umpan dimasukan pada bagian atas reaktor dan bergerak
kebawah melewati zona pengeringan, pirolisis, reduksi, dan oksidasi. Sedangkan
udara masuk pada bagian bawah dan gas keluar pada bagian atas. Keunggulan tipe
ini yaitu kesederhanaanya, tingkat pembakaran arang yang tinggi, pertukaran
panas internal sehingga suhu gas keluar rendah, dan efisiensi gasifikasi yang
tinggi. Selain itu bahan baku yang diumpankan dapat berada pada kondisi kadar
air yang cukup tinggi (50% wb). Kekurangannya, producer gas yang keluar dari
reaktor berada pada kondisi temperatur rendah (<500oC), membawa tar yang
terkon-densasi serta minyak yang berasal dari proses pirolisis [13,14,15]. Gasifier
ini sesuai untuk pemanfataan panas langsung.
2.2.2.b Gasifier Tipe Downdraft
Gasifier downdraft dirancang untuk mengurangi tar yang terkondensasi
serta minyak yang diproduksi dari counterflow gasifier (updraft). Dalam Meka-
nismenya, aliran biomassa dan udara gasifikasi bergerak ke bawah dalam arah
yang sama (co-flow) menuju bed bahan bakar. Ketika bahan bakar di dalam
Bc
AA
b. Downdraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)
a. Updraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)
c. Crossdraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)
FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
12
reaktor bergerak ke bawah, uap akan terpirolisis dan char langsung masuk ke
bagian pengecilan pada bagian bawah reaktor. Pada saat itu udara akan diinjek-
sikan ke bagian tersebut melalui di dinding reaktor. Kondisi temperatur yang
tinggi pada bagian pengecilan akan membakar tar dan minyak pada producer gas.
Kemudian producer gas akan keluar dari bagian bawah reaktor dengan dihisap
melalui anulus pada dinding reaktor. Dikarenakan rendahnya kandungan tar dan
minyak, gasifier tipe downdraft banyak diaplikasikan untuk mesin pembakaran
internal [13,14,15.16].
2.2.2.c Gasifier Tipe crossdraft
Gasifier tipe crossdraft didesain untuk pemakaian arang, dimana mekanis-
menya aliran udara mengalir tegak lurus terhadap zona pembakaran. Gasifikasi
arang menghasilkan suhu yang sangat tinggi (>1500oC) di daerah oksidasi, yang
dapat mengakibatkan masalah pada material reaktor. Selain itu kinerja pemecahan
tar termasuk rendah, sehingga diperlukan arang berkualitas tinggi. Keunggulan
tipe ini adalah, dapat dioperasikan pada skala sangat kecil dan kontruksi bagian
pemurnian producer gas (siklon dan baghouse filter) relatif sederhana [13,17].
Parameter teknis dan operasional beberapa tipe diatas tersaji pada tabel 2.1 dan
tabel 2.2.
Tabel 2.1. Parameter teknis beberapa jenis gasifier [18,19]
Uraian Jenis Gasifier
Downdraft Updraft Open core Crossdraft
Kapasitas komersial
maksimum (kWe) 350 4.000 200 150
Waktu penyetelan (min) 10-20 15-60 15-60 10-20
Sensititas fluktuasi beban Sensitif Tidak
sensitif
Tidak
sensitif Sensitif
Sensitifitas bahan bakar Sensitif Tidak sensitif Sangat sensitif Sensitif
13
Tabel 2.1. Parameter teknis beberapa jenis gasifier (Lanjutan) [18,19]
Uraian Jenis Gasifier
Downdraft Updraft Open core Crossdraft
Ukuran dan volume
bagian pembersih gas Kecil Besar Besar Kecil
HG full load (%) 1
85-90 90-95 70-80
CG full load (%) 2 65-75 40-60 35-50
LHV syngas (kJ/Nm3) 4,5-5,0 5,0-6,0 5,5-6,0
1 HG (Efisiensi gas panas), jika diaplikasikan untuk aplikasi pembangkit panas
2 CG (Efisiensi gas dingin), jika gas diaplikasikan setelah didinginkan sampai temperatur lingkungan untuk
aplikasi pembangkit daya
Tabel 2.2. Parameter operasional gasifier [18,19]
Pengoperasian gasifier
Meningkatkan temperatur Menurunkan
kandungan char dan tar Menurunkan metan
dalam producer gas Meningkatkan konversi
karbon Meningkatkan nilai
kalor syngas
Menurunkan efisiensi
energi Meningkatkan
problema ash
Meningkatkan tekanan Menurunkan
kandungan char dan tar Tidak memerlukan
pengompresian
producer gas untuk
penggunaan
downstream
Terbatasnya
pengalaman desain dan
operasional
Biaya mahal
Meningkatkan ekivalensi
rasio
Menurunkan
kandungan char dan tar Menurunkan nilai kalor
producer gas
Berkualitas atau tidaknya producer gas dipengaruhi dari beberapa faktor
seperti jenis biomassa, gasifiying agent, reaktor, dan AFR gasifikasi [6,9]. Hal
yang perlu ditekankan bahwa, AFR memegang peranan penting dalam proses
gasifikasi ini. Sedikit keluar dari standar yang ditetapkan yaitu 1,5, proses akan
mengarah ke pembakaran sempurna dimana CO2 akan semakin mendominasi
kandungan producer gas.
14
Akan tetapi, Perlu digaris-bawahi bahwa nilai tersebut bukanlah batas
mutlak untuk melangsungkan proses gasifikasi secara maksimum. Sebab disam-
ping AFR, terdapat faktor lain yaitu jenis biomassa. Berdasarkan riset terdahulu,
gasifikasi dengan bahan serpihan kayu memiliki AFR terbaik berada di titik 0,96,
dimana komposisi gas mampu bakar relatif lebih besar hingga kualitas penyalaan
api producer gas berwarna biru dengan LHV sekitar 4800 kJ/m3[20]. AFR
tersebut berbeda dengan AFR gasifikasi sekam padi yang memiliki titik terbaik
berada pada 1,25, yang menghasilkan komposisi CH4, H2, CO, dan LHV yang
terbesar senilai 3289,38 kJ/kg [21]. Disamping itu walau berasal dari bahan dasar
yang sama, briket sekam padi ternyata juga memiliki AFR gasifikasi maksimum
tersendiri yaitu 0,8, dengan LHV producer gas sebesar 9159 kJ/Nm3 [22].
Pemilihan jenis reaktor akan sangat berpengaruh terhadap karakteristik
producer gas yang diproduksi termasuk didalamnya temperatur, jumlah
kandungan tar, serta keberadaan partikulat. Maka dari itu perlu dicermati secara
seksama pemilihan jenis reaktor terhadap karakteristik penggunaan producer gas
tersebut. Representasi tingkatan tar dan partikulat untuk beberapa jenis gasifier
secara umum tersaji dalam tabel 2.3.
Tabel 2.3. Perbandingan tingkatan tar dan partikulat dari beberapa tipe gasifier
[23,24]
Tipe Gasifier
Muatan Partikulat
(g/Nm3)
Muatan Tar
(g/Nm3)
Low High Representative
Range Min. Max
Representative
Range
Fixed Bed
Downdraft 0,01 10 0,1-0,2 0,04 6,0 0,1-1,2
Updraft 0,1 3 0,1-1,0 1 150 20-100
Moving Bed
Fluidized Bed 1 100 2-20 <0,1 23 1-15
Circulating FB 8 100 10-35 <1 30 1-15
15
2.3. Bahan Baku Gasifikasi
Faktanya tidak semua biomassa dapat dikonversikan dengan proses
gasifikasi, karena ada beberapa klarifikasi dalam mendefinisikan bahan baku yang
dipakai pada sistem gasifikasi. Pendefinisian bahan baku gasifikasi tersebut,
dimaksudkan untuk memilah antara bahan baku yang baik dan yang kurang baik.
Beberapa parameter yang dipakai untuk mengklarifikasikannya yaitu :
Kandungan Energi
Bahan baku dengan kandungan energi yang tinggi akan memberikan
pembakaran gas yang lebih baik.
Kandungan Moisture
Bahan baku yang digunakan untuk proses gasifikasi umumnya diharapkan
ber-moisture rendah, sebab bahan baku tersebut menghasilkan gas
berkualitas baik, bernilai kalor tinggi, serta mampu mencapai efisiensi
optimal [20]. Kandungan moisture yang tinggi menyebabkan heat loss
yang berlebihan, dan juga membuat beban pendinginan semakin tinggi
dikarenakan pressure drop yang terjadi meningkat. Idealnya kandungan
moisture yang sesuai untuk bahan gasifikasi < 20% [25].
Kandungan Abu
Abu merupakan bahan inorganik atau kandungan mineral yang tertampung
didalam reaktor setelah bahan baku terbakar sempurna. Jumlah abu dari
berbagai jenis umpan bervariasi dari 0,1% untuk kayu hingga 15% untuk
beberapa produk pertanian, sehingga hal tersebut mempengaruhi desain
reaktor terutama dalam sistem pembuangan abu. Komposisi kimia abu
juga mempengaruhi perilaku pelelehan abu, dimana dapat menyebabkan
16
slagging dan penyumbatan di dalam reaktor [26]. Desain gasifier yang
baik setidaknya menghasilkan kandungan abu kurang dari 2-6 g/m3
[27].
Tar
Tar adalah cairan hitam kental yang terbentuk dari destilasi destruktif pada
material organik. Tar merupakan salah satu kandungan yang paling
merugikan dan harus dihindari karena sifatnya yang korosif dan
membahayakan lingkungan. Pada reaktor gasifikasi terbentuknya tar,
terjadi pada temperatur pirolisis yang kemudian terkondensasi pada suhu
200-600oC dalam bentuk asap. Namun pada beberapa kejadian tar dapat
berupa zat cair pada temperatur yang lebih rendah [28]. Producer gas yang
mengandung tar relatif tinggi jika diumpankan pada IC engine, dapat
menimbulkan deposit pada karburator dan intake valve sehingga menu-
runkan lifetime mesin [28,29]. Desain gasifier yang baik setidaknya
menghasilkan tar tidak lebih dari 1g/m3
[30].
Nilai panas bersih (LHV), kandungan moisture, kandungan abu dari
beberapa biomassa tersaji dalam tabel 2.4.
Tabel 2.4. Tipikal biomasa umpan reaktor untuk pembangkitan energi [18,19]
Jenis LHV (kJ/kg) Kandungan
moisture (%) Kandungan abu (%)
Ampas tebu 7.700-8.000 40-60 1,7-3,8
Kulit ari coklat 13.000-16.000 7-9 7-14
Kulit kelapa 18.000 8 4
Kulit ari kopi 16.000 10 0,6
Residu kapas
- Tangkai 16.000 10 0,1
- Sampah biji 14.000 9 12
Gambut 14.000 9 19
Sekam padi 12.000 10 4,4
Arang 25.000-32.000 1-10 0,5-6
17
Penyiapan umpan biomassa perlu diperhatikan karena hampir semua jenis
umpan memiliki variasi karakteristik fisik, kimia, dan morfologi yang berbeda.
Pengolahan awal bahan baku juga dipengaruhi pada karakteristik gasifier, seperti
kapasitas dan jenis reaktor. Sebagai contoh, gasifier tipe downdraft lebih meng-
haruskan keseragaman biomassa dibanding tipe updraft. Persyaratan bahan baku
untuk setiap gasifier tersaji dalam tabel 2.5.
Tabel 2.5. Persyaratan bahan bakar untuk setiap tipe gasifier [18]
Keterangan
Jenis Gasifier
Downdraft Updraft Open core Crossdraft
Ukuran (mm) 20-100 5-100 1-3 1-3
Kadar moisture (%) < 15-20 <50 <12 <7
Kadar abu (%) <5 <15 <12 <7
Morfologi Seragam Hampir seragam Seragam Seragam
Densitas bulk (kg/m3) > 500 >400 >100 >400
Titik leleh abu >1.250 >1.250 >1.000 >1.250
2.4. Gasifikasi Untuk Pembangkit Energi Listrik
Producer gas dari gasifikasi biomassa hasil dari proses pemurnian
(syngas) dapat dijadikan sebagai bahan bakar mesin pembakaran internal
penggerak (diesel maupun bensin) generator listrik. Pada mesin bensin, campuran
udara dan bahan bakar dinyalakan dengan menggunakan busi sebagai pemantik.
Dengan demikian mesin bensin dapat dioperasikan menggunakan injeksi syngas
tanpa bensin. Sedangkan pada mesin diesel, syngas tidak dapat dipakai 100%,
karena suhu dan tekanan di dalam silnder tidak dapat menyalakan campuran udara
dan syngas [1,31]. Selama injeksi campuran udara dan syngas diperlukan injeksi
solar sebagai pemantik. Pemakaian syngas pada mesin diesel mampu mensubtitusi
kebutuhan solar hampir 70% [1,31,32].
18
Gambar 2.3. a. Pembangkit listrik sekam padi thailand; b. Pembangkit listrik
gasifikasi ITB [1,32,33]
Pada kawasan Asean sebagai contoh di Thailand tepatnya di provinsi
Pathum Thani, terdapat suatu unit pembangkit listrik biomassa berkapasitas 80
kW dari three stage gasifier downdraft berbahan bakar sekam padi. Producer gas
disalurkan menuju siklon untuk memisahkan partikel solid, lalu disalurkan ke heat
exchanger pada temperatur 400-700oC kemudian diturunkan menjadi 150
oC untuk
meningkatkan densitas energinya. Selanjutnya syngas dialirkan menuju scrubber
untuk menghilangkan tar dan menurunkan temperatur syngas menjadi <40oC
sebelum diumpankan ke mesin genset [32]. Selain di Asean, di India terdapat unit
gasifikasi dengan kapasitas 500 kW yang terdiri atas lima gasifier downdraft
berbahan bakar limbah gergaji lokal, dilengkapi dengan water-sprayed gas
cooling, two stage gas cleaning system, blower, untuk setiap unitnya dan mesin
diesel 165 HP [34]. Selain di kawasan Asean, di eropa seperti Austria, Denmark,
Finlandia, Swedia juga telah mengaplikasikan teknologi seperti ini untuk
pembangkitan panas ataupun energi listrik [25,36,37,38].
a b
FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Lampung Tugas Akhir 2012
19
2.5. Parameter Kualitas Producer Gas Untuk Mesin Pembakaran Dalam
Biomassa sudah terbukti menjadi pengganti bahan bakar fosil yang
potensial dalam aplikasi pembangkitan panas maupun listrik. Akan tetapi
keberadaan beberapa pengotor didalam producer gas mengharuskannya untuk
dimurnikan sebelum diumpankan kedalam mesin.
Tabel 2.6. Parameter kualitas producer gas untuk pembangkit daya [16,39]
Komponen Satuan IC engine Gas turbine Methanol synthesis
Partikel mg/Nm3 < 50 < 30 <0,02
Ukuran partikel µm < 10 < 5
Tar mg/Nm3 < 100 < 0,1
Alkali mg/Nm3 0,24
NH3 mg/Nm3 < 0,1
H2S dan CO mg/Nm3 < 1
Cl mg/Nm3 < 0,1
CO2 Vol.% Tidak ada
batas
Tidak ada
batas
< 12
LHV gas kJ/Nm3 >2.500
Producer gas yang belum dimurnikan, didalamnya terdapat kandungan tar
diatas 50-100 mg/Nm3. Tar yang terkondensasi dapat menyumbat sistem perpi-
paan pada heat exchanger dan bisa menjadi masalah jika producer gas tersebut
dialirkan ke intake valve mesin Kemudian keberadaan partikulat seperti char dan
abu juga memiliki potensi merusak komponen yang bergerak [40]. Untuk
diaplikasikan pada mesin pembakaran internal parameter kualitas syngas tersaji
pada tabel 2.6 [16].
2.6. Pengkondisian dan Pemurnian Producer Gas
Pembersihan producer gas dari partikulat dilakukan dengan teknologi dry
gas collectors seperti siklon separator, barrier filters, dan electorstatic precipi-
tator [41]. Siklon beroperasi pada 100-900oC dan didesain untuk menangkap
20
partikel solid dengan ukuran diatas 5 μm dengan kemampuan penyaringan
mencapai 90%. Dikarenakan 60-65% komposisi gas producer merupakan partikel
dengan ukuran diatas 60 μm, maka siklon merupakan perangkat yang sangat baik
untuk sistem pembersihan partikulat [42].
Gambar 2.4. Berbagai wet scrubber untuk pembersihan tar [44,45]
Saat ini teknologi pembersihan tar dilakukan melalui proses kondensasi
gas menggunakan teknologi seperti heat exchanger dan pendinginan kontak
langsung yaitu scrubber. Pada operasi untuk pembangkit daya, producer gas yang
keluar dari gasifier downdraft pada temperatur 400-700oC, didinginkan hingga
150oC untuk meningkatkan densitas energinya menggunakan heat exchanger.
Kemudian producer gas dilewatkan kedalam scrubber untuk membersihan kan-
dungan tar dan mengkondisikan syngas pada temperatur operasi mesin berkisar
30-40oC [33,43].
Beberapa jenis wet scrubber menggunakan fluida kerja seperti air atau
minyak banyak dipakai untuk teknik kondensasi tar dan pembersihan partikulat
[41]. Beberapa diantaranya: Spray tower, centrifugal spray tower, dan venturi
FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
21
scrubber. Spray tower memiliki konstruksi paling sederhana, dan sangat baik
untuk menghilangkan partikulat besar dengan efisiensi 60-98%, serta efisiensi
reduksi tar berkisar 10-25%. Centrifugal spray tower sangat efisien untuk meng-
hilangkan partikulat berukuran 1µm dengan efisiensi 85-90%, sedangkan kemam-
puan reduksi tar mencapai 30-70%. Venturi scrubber memiliki efisiensi pem-
bersihan tar paling besar mencapai 50-90% [44,45,46].
2.7. Perancangan PLTB
Sedikit berbeda dari kebanyakan pembangkit listrik energi biomassa
yang sudah diterapkan di berbagai belahan dunia maupun di Indonesia. PLTB
dalam penelitian ini memiliki perangkat sebagai berikut: gasifier downdraft,
ditambahkan integrated gas clean-up system yang mana terdiri atas siklon dan
venturi scrubber, serta rotary separator dalam satu paket.
2.7.1. Perancangan gasifier tipe downdraft
Perancangan gasifier tipe downdraft didekati dengan metode untuk meng-
konstruksi gasifier downdraft imbert yang dikembangkan oleh pakar Swedia.
Gasifier ini dirancang berdasarkan atas laju gasifikasi spesifik yang dinamakan
juga dengan hearth load (Bh), yaitu jumlah producer gas yang diproduksi per
satuan luas throat, yang mana adalah area paling kecil dalam penampang
melintang reaktor. Hearth load diekspresikan dalam satuan Nm3/ cm
2 jam
,
dimana N mengindikasikan volume gas dihitung pada kondisi temperatur dan
tekanan normal. Dalam gasifier downdraft imbert, nilai Bh max mencapai nilai 0,9
untuk kondisi operasi kontinyu dan Bh min berada pada range 0,3 sampai 0,35.
Relasi yang diperoleh dari definisi hearth load yaitu :
22
g
h
t
VB
A
Keterangan :
Bh = Hearth load (Nm3/ cm
2 jam)
Vg = laju pemasukan campuran bahan bakar (m3/jam)
At = Luas area throat (m2)
Gambar 2.5 Parameter desain gasifier downdraft [42,47]
Pada kondisi stoikiometri dengan perbandingan udara dan producer gas
adalah 1,1 : 1, kebutuhan udara per m3 adalah 1,1. Apabila Vg adalah laju
pemasukan campuran bahan bakar, pemasukan udara + pemasukan producer gas
akan 2,1 Vg, sehingga
2
= . dan 2,1
1= . . . . .
2 4
sg
s
VV f
V rpm N D S
. . . (2)
. . . (3)
Imbert Downdraft Gasifier (Nozzle / Imbert gasifier)
FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Lampung
dt
dr1
df
dm
h
Lr
45 - 60o
Tugas Akhir 2012
. . . (1)
Lp
23
Keterangan :
Vs = Volume hisap mesin (m3/jam)
f = Efisiensi volumetrik (%)
N = Jumlah silinder
D = Diameter torak (m)
S = langkah torak (m)
Gambar 2.6. Grafik desain gasifier downdraft
a. Grafik luasan nosel sebagai fungsi variasi ukuran diameter gasifier throat
FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
At
100Am
7
6
5
4100 150 200 250 300 mm
Um
m/s
35
30
25
21
dt
Um
At
100Am
Tugas Akhir 2012
h
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
dt
100 150 200 250 300 mm
dth
4
3,5
3
2,5
2
dt
100 150 200 250 300 mm
dt
1,5
70
df
dt
dr
dt
b
a
c
24
b. Grafik ketinggian penempatan nosel diatas throat terhadap variasi ukuran
diameter throat gasifier.
c. Grafik ukuran diameter ring nosel sebagai fungsi ukuran diameter throat
gasifier [42]
Sementara itu, hubungan total luasan nosel dan diameter throat dituangkan
dalam gambar 2.6.a Lalu seperti yang terlihat pada gambar 2.6.b, penempatan
nosel ditentukan berdasarkan grafik empiris yang menunjukan ketinggian bidang
posisi nosel diatas permukaan throat. Lain halnya dengan gambar 2.6.c grafik
tersebut ditujukan untuk menentukan ukuran diameter firebox (df) beserta
diameter ring nosel yang memiliki hubungan terhadap diameter throat [42].
Berdasarkan eksperimen tinggi zona pirolisis (Lp) disarankan berkisar 45-
55 cm terhitung dari permukaan atas throat, atau 10-15 cm dari dari bidang
penempatan saluran udara. Hal ini untuk mengupayakan pembakaran tar lebih
maksimal sehingga kualitas producer gas menjadi naik [47]. Ukuran zona reduksi
(Lr) tidak boleh terlalu tinggi, sebab jika terlalu tinggi heat loss akan semakin
besar yang mana akan menurunkan temperatur arang dan membuat sebagian arang
menjadi abu. Akibatnya, reaksi pembentukan gas mampu bakar seperti yang
dijelaskan pada subbab 2.2.1 tidak berjalan. Maka dari itu tinggi zona reduksi
yang terhitung dari permukaan atas throat, ditentukan menggunakan rasio tinggi
zona reduksi terhadap diameter throat sebesar 2,5/1,25 untuk gasifier downdraft
imbert [47].
2.7.2. Perancangan Siklon Separator
Siklon separator secara umum terdiri atas komponen silindris dibagian
atas yang dikenal dengan barrel, dan komponen conical atau disebut kerucut.
Dalam memisahkan partikel dari aliran udara, udara masuk melalui bagian atas
25
barrel secara tangensial lalu bergerak turun menuju kerucut membentuk lintasan
outer vortex. Meningkatnya kecepatan udara pada outer vortex menghasilkan gaya
sentrifugal dipartikel yang memisahkannya dari aliran udara. Ketika udara men-
capai bawah kerucut, inner vortex membentuk arah terbalik dan keluar menuju
atas sebagai udara bersih, sedangkan partikulat jatuh kedalam kotak abu dibagian
bawah siklon [48].
Langkah awal perancangan siklon adalah menentukan distribusi ukuran
padatan yang diproses. Dengan mendapat data awal distribusi padatan, penentuan
efisiensi siklon dapat dilakukan.
Gambar 2.7. Grafik desain siklon [49]
a. Grafik hubungan efisiensi siklon dengan ukuran partikel
b. Grafik hubungan Ns dengan kecepatan masuk
Penentuan efisiensi yang diinginkan, menggunakan korelasi perban-
dingan pada gambar 2.7.a. Selanjutnya jumlah siklon harus ditentukan untuk
mengejar hasil akhir yang diinginkan. Semakin banyak jumlah siklon yang
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Partikel size mm
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Gra
de E
ffici
ency
(%
)
1.1 m dia. Troughput cy clone
0.5 m dia. Troughput cy clone
1.1 m dia. medium efficiency cy clone
0.4 m dia. high efficiency cy clone
Self induced spray w et collector
Particel density of dust
= 2600 kg/m3
FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Lampung Tugas Akhir 2012
b a
0 10 20 30 40 50 600
1
2
3
4
5
6
V, Maximum Velocity m/s
Ns
26
digunakan untuk menyaring producer gas, hasilnya akan semakin baik. Kecepatan
distribusi padatan (Ns) yang memasuki siklon harus diketahui. Karena kecepatan
distribusi padatan digunakan untuk menentukan jumlah putaran distribusi padatan
didalam siklon. Jumlah putaran tersebut ditentukan menggunakan korelasi pada
gambar 2.7.b.
Dalam menentukan dimensi siklon, step pertama adalah menentukan
diameter siklon. Diameter siklon bisa ditetapkan dengan perbandingan V standar
(15 m/s) = Dc standar (203 mm). Diameter partikel minimum teoritis yang dapat
terendapkan (Dp,th) bisa dihitung apabila Dc sudah ditentukan. Disamping itu,
karakteristik partikel perlu diketahui guna mencari diameter partikel minimum
yang mampu terendapkan (Dp,th), meliputi densitas padatan (ρp), densitas gas (ρf),
dan viskositas gas (μ). Persamaan yang dipakai adalah untuk menghitung Dp,th
adalah [49]:
,
9. .
. . . ( )
cp th
s in p f
BD
N V
Keterangan :
Dp,th = Diameter partikel minimum teoritas yang terendapkan (m)
Vin = Kecepatan gas masuk (m/s) (range : 8-30 m/s, diambil 15 m/s)
Ns = Jumlah putaran gas dalam siklon
Bc = Lebar inlet (m)
μ = Viskositas gas (kg/ms)
ρp = Densitas padatan (kg/m3)
ρf = Densitas gas (kg/m3)
. . . (4)
27
Dalam memudahkan proses desain, sifat fisis abu yang terkandung pada
producer gas gasifikasi biomassa (sekam padi) harus ditentukan terlebih dahulu
seperti pada tabel 2.7
Tabel 2.7. Sifat fisis abu sekam padi [50]
Properties Nilai Satuan
Mean particle size 856 Μm
Apparent density 389 kg/m3
Porosity 0,81 -
Sphericity 0,44 -
Untuk membandingkan apakah penentuan Dc sudah memenuhi efisiensi
yang diharapkan, diperlukanlah perhitungan efisiensi teoritis menggunakan
persamaan seperti dibawah ini [49] :
,
pi
th
p th
D
D
Keterangan :
Dpi = diameter partikel inlet,
Dp,th = diameter partikel minimum teoritis yang dapat terendapkan.
Gambar 2.8. Single particle collection efficiency curve [49]
. . . (5)
FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
0 10 30 50 70 90 99 99,90,1
0,2
0,4
0,8
1
2
4
0,6
6
8
10
Eo, Single particle collection Efficiency , %
dp
i /
D p
,th
Scroll
or volu
te in
let
Tangen
sial
inle
t
28
Setelah nilai efisiensi diatas didapatkan, cocokkan nilai tersebut pada
grafik yang terdapat pada gambar 2.8, untuk menguji keabsahan rancangan.
Apabila efisiensi teoritis masih lebih kecil dari efisiensi rancangan, kemungkinan
penentuan Dc terlalu besar. Supaya pembuatan siklon sesuai yang diinginkan,
maka harus kembali menentukan Dc kembali. Jika Dc sudah diketahui, bagian lain
dari siklon dapat ditentukan melalui ketetapan geometri seperti pada gambar 2.9.
Gambar 2.9. Ukuran proporsional siklon efisiensi tinggi [49]
2.7.3. Perancangan Venturi Scrubber
Venturi yang dirancang berjenis rectangular throat atau venturi persegi,
karena tipe tersebut mampu mengatasi laju aliran gas yang relatif lebih tinggi
dibandingkan venturi round throat atau venturi lingkaran. Data awal yang harus
diketahui dalam merancang venturi scrubber adalah mengetahui karakteristik
producer gas yang akan dibersihkan. Selain itu data yang harus ditentukan untuk
perancangan yaitu [51] :
FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Lampung Tugas Akhir 2012
Bc = Dc/4 Jc = Dc/4
De = Dc/2 Sc = Dc/8
Hc = Dc/2 Lc = 1 x Dc
Zc = 2 x Dc
Bc
AA
Lc
Zc
Dc
Hc
De
Jc
Dust Out
Section A-A
Gas
In
Gas out
29
3
2
.
Dimana
gas masuk (ft /min)
Kecepatan gas masuk (ft/s)
= Luas penampang saluran (ft )
Q V A
Q Flow rate
V
A
Volume flowrate (Q ) :
Flowrate dihitung dengan menentukan kecepatan producer gas masuk ke
dalam venturi dimana :
Pada bagian inlet venturi properties producer gas antara lain :
Volume flowrate (Q ) :
Flowrate pada temperatur standar dihitung dengan menggunakan hukum
gas ideal seperti yang ditunjukan dalam persamaan yaitu :
2 22 1 2 1
1 1
3
o
2
atau
Dimana :
(ft /min)
Temperatur ( F)
Kondisi luaran pada temperatur standar
T TV V Q Q
T T
Q Flow rate
T
Mass flow udara kering dan uap air
Dengan menggunakan persamaan 8, besarnya mass flow kedua data diatas
adalah :
2
2
( ) ( ) H O( )
( ) ( ) H O( )
.
. (1- )
wvwv in m in in
mole
aa in m in in
mole
MWm Q
V
MWm Q
V
Dimana
MWwv = Berat molekul uap air = 18
MWa = Berat molekul udara kering = 29
. . . (6)
. . . (7)
. . . (8)
30
Vmole = Volume lb-mol udara = 385 ft3
2H O( )in = Kandungan kelembapan (%)
Humidity ratio
Humidity ratio pada temperatur standar dihitung dengan persamaan 9
wv
a
m
m
Pada bagian outlet venturi gas sudah berada dalam keadaan jenuh (RH
100%) ,dengan bantuan psychometric chart dapat ditentukan nilai humidity ratio
untuk mengetahui besarnya air yang menguap saat berkontak dengan gas panas.
Dengan mengetahui banyaknya air yang menguap, kebutuhan makeup water dapat
disediakan guna menutupi kekurangan air (scrubbing liquid) pada venturi [51].
Mass flow uap air sisi luaran
( ) ( )
( )
( )
.
Laju aliran massa uap air (lb/min)
lb wv lb air
Laju aliran massa udara kering (lb/min)
wv out out a
wv out
out
a
m w m
m
w Humidity ratio
m
Mass flow uap air yang terevaporasi
( ) ( ) ( )
( ) Laju aliran massa uap air yang terevaporasi (lb/min)
wv evap wv out wv in
wv evap
m m m
m
Banyaknya makeup water
2
2
( )
( )
( )
3
Debit (gpm)
Densitas air (lb/ft )
wv evap
wv evap
H O
wv evap
H O
mQ
Q makeup water
Langkah berikut adalah merancang ukuran venturi, dimana metode yang
diguna-kan adalah Calvert Cut Diameter. Dengan konstanta B=2,0 untuk venturi.
. . . (9)
. . . (10)
. . . (11)
. . . (12)
31
Parameter awal yang mesti dicari yaitu ukuran partikel berikut standar deviasinya.
Ukuran rata-rata partikel dapat dilihat dari persentil diameter aerodinamis partikel
ke-50 (Disebut pula diameter partikel massa median). Standar deviasi dari
distribusi tersebut adalah rasio kumulatif fraksi massa partikel ke-84 dan ke-50
yang dihitung menggunakan persamaan 13 dimana [51]:
84
50
d
d
Keterangan :
σ = Deviasi standar
d50 = Fraksi massa dari ukuran partikel ke-50
d84 = Fraksi massa dari ukuran partikel ke-84
Nilai tersebut diketahui dengan membaca grafik pada Gambar 2.10.a.
Langkah selanjutnya menentukan dcut melalui bantuan Gambar 2.10.b, dan
efisiensi koleksi ηd untuk setiap ukuran partikel tercantum pada Tabel 2.8.
Tabel 2.8. Kebutuhan koleksi efisiensi [51]
Range ukuran
partikel (µm) Fraksi Massa
Koleksi efisiensi
yang dibutuhkan
Koleksi efisiensi
fraksional
0-1 0,005 0,900 0,0045
1-2,5 0,195 0,950 0,185
2,5-4,5 0,400 0,980 0,392
4,5-7 0,300 0,990 0,297
7-12 0,080 1,000 0,080
>12 0,020 1,000 0,020
Koleksi efisiensi keseluruhan 0,979
Nilai dcut kemudian dicocokkan terhadap garis gas atomized spray pada
grafik di Gambar 2.10. c dan 2.10.d , guna mengetahui scrubber power, pressure
. . . (13)
32
drop, dan asumsi penggunaan air atau L/G ratio. Selanjutnya menentukan luas
permukaan throat melalui persamaan [51] :
Dimana ΔP = Pressure drop venturi (in H2O),
v = Kecepatan aliran di throat (ft/s),
ρg = Densitas gas (lb/ft3), and = 1/w
L/G = Liquid to gas ratio (gal/1000 ft3)
Gambar 2.10 Grafik desain venturi scrubber [51]
a. Grafik distribusi ukuran partikel untuk gas hasil reaksi kimia
b. Grafik diameter cut terhadap standar deviasi
dcut / d50
6 5 4 3 2 = 1
OVE
RA
LL P
ENET
RA
TIO
N, P
t
0,0001
0,01
0,1
1,0
0,001 0,01 0,1 1,0
10,133
0,782
1270 .
. . g
PA
LvG
. . . (14)
a b
FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
33
Gambar 2.10 Grafik desain venturi scrubber [51]
c. Grafik scrubber power dan presure drop sebagai fungsi dia.cut
d. Hubungan presure drop, kecepatan troath, dan L/G
2.7.4 Perancangan Rotary Separator
Perangkat ini difungsikan untuk memisahkan partikel air dan partikel abu
sekam padi yang tersisa dari proses scrubbing. Prinsip kerjanya serupa dengan
siklon. Gas dengan kecepatan V, diumpankan secara tangensial kedalam vessel.
Ketika memasuki vessel, gas akan berotasi dan partikel berdiameter Dp yang
terkandung dalam gas akan menabrak dinding akibat gaya sentrifugal yang
bekerja. Fenomena gaya sentrifugal cenderung melempar partikel kearah luar
dinding, lalu partikel bergerak turun terpisah dari arus gas dan terkumpul dalam
vessel. Fenomena tersebut dituangkan dalam persamaan stokes dibawah ini [49].
0 10 20 30 40 50 600
1
2
3
4
5
6
V, Maximum Velocity m/s
NsNs
L/G = 10 gal/1000 acf
L/G = 20 gal/1000 acf
L/G = 30 gal/1000 acf
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 100 200 300 400 500 600
Pre
ss
ure
Dro
p (
in. w
.c.)
Throat Velocity (ft/sec)
52
1a
1b
3a
3b
3c
4
Gas Phase Pressure Drop, in. H2O
0,4 0,5 1,0 2 3 4 5 10 20 30
1,0 2 3 4 5 10 20 30 40 50 100
Cu
t D
iam
ete
r, m
icro
me
ter
5
4
3
2
1,0
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
c d
1.Sieve plate column with foam density of 0,4g/cm3 and 0,2 in
hole dia
1b. Same as 1.a except 0,125 in hole dia.
2. Packed column with 1in ring or saddle
3a. Fibrous packed bed with 0,012 in dia. fiber
3b. Same as 3.a except 0,0004 in dia. fiber
3c. Same as 3.a except 0,0002 in dia. fiber
4. Gas atomized spray
5. Mobile bed 1-3 stages of fluidised hollow plastic
FT UNILA Rachmat Cahaya Putra – Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung
Tugas Akhir 2012
34
12
18. .
( - )
tp
f p
Vd
g
Dimana :
dp = Diameter partikel (m)
µ = Viskositas dinamik fluida (N/sm2)
do = Diameter inlet (m)
ρp = Massa jenis padatan (kg/m3)
Vt = Kecepatan settling setrifugal (m/s)
2.8. Keseimbangan massa dan energi di dalam gasifier
` Dalam ilmu termodinamika disebutkan bahwa seluruh massa yang
memasuki control volume memiliki nilai yang sama dengan massa yang keluar.
Apabila diterapkan kedalam sistem gasifier, keseimbangan massa di dalam
gasifier seperti diilustrasikan pada gambar 2.11 dapat dituliskan sebagai berikut.
Gambar 2.11 control volume gasifier
Biomassa + arang
Daya
listrik+Udara
Producer
gas
Char dan ash
. . . (16)
biomassa + udara + arang = + +
mass input mass output
m m m m producer gas m char m ash
. . . (15)
35
persamaan keseimbangan energi berdasarkan control volume diatas adalah
.
. . . . Daya listrik .
bio udara arang electric prod gas char ash
bio udara Arang gas
energi input energi output
Q Q Q P Q Q Q heat loss
m LHV m Cp T m LHV m
.
.
char
ash
LHV m LHV
m LHV heat loss
Variabel heat loss dalam instalasi merupakan rugi energi yang diakibatkan
perpindahan panas secara konveksi alamiah dari dinding gasifier menuju udara
sekitar, karena adanya perbedaan temperatur. Besarnya heat loss dihitung dengan
persamaan laju perpindahan panas secara konveksi sebagai berikut[52].
. .( )sQ h A T T
Dimana Q = Laju perpindahan panas konveksi (W)
h = Koefisien konveksi alamiah untuk silinder tegak (W/m2. K)
A = Luas permukaan dinding gasifier (m2)
Ts = Temperatur permukaan gasifier (oC)
T∞ = Temperatur lingkungan (oC)
Pada kasus konveksi alamiah, untuk mencari besarnya nilai h dimulai dengan
menghitung bilangan Grasholf dibawah ini [52].
3
2
( )sL
g T T LGr
v
Konveksi alamiah pada reaktor gasifikasi dapat dihitung sebagai sistem silinder
tegak. Akan tetapi apabila tebal lapis batas lebih kecil dari diameter silinder atau
memenuhi persamaan 20, sistem dapat didekati dengan konveksi alamiah pada
pelat vertikal [52].
14
35
L
D
L Gr
. . . (18)
. . . (19)
. . . (20)
. . . (17)
36
Dengan demikian bilangan Nusselt untuk sistem aliran pelat vertikal pada seluruh
range bilangan Rayleigh adalah [52]:
21
4
9 16 4 9
3
0,3870,825
[1 (0,492 / Pr) ]
( )dengan ,
L
sL
RaNu
g T T LRa
v
koefisien konveksi alamiah dihitung dengan persamaan 22, seperti berikut [52]:
LNu kh
L
Keterangan :
k = Konduktifitas termal udara pada Tf ; (W/ m.K)
D = Diameter gasifier ; (m)
L = Tinggi gasifier ; (m)
β = 1/Tf , dengan Tf = (Tdinding + Tudara) / 2 ; (oK
-1)
v = viskositas kinematik pada Tf ; (m2/s)
α = viskositas dinamik pada Tf ; (m2/s)
g = Percepatan gravitasi ; (m/s2)
. . . (21)
. . . (22)
top related