5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Batu bara

Batu bara merupakan sisa tumbuhan dari jaman prasejarah yang berubah

bentuk yang awalnya berakumulasi di rawa dan tanah gambut. Pembentukan

batubara dimulai sejak Carboniferous Period (Periode Pembentukan Karbon atau

Batu Bara) dikenal sebagai zaman batu bara pertama yang berlangsung antara 360

juta sampai 290 juta tahun yang lalu. Mutu dari setiap batubara ditentukan oleh suhu

dan tekanan serta lamanya waktu pembentukan yang disebut sebagai “maturitas

organik” (World Coal Institute, 2009). Indonesia dikenal sebagai negara yang

memiliki potensi sumber daya alam melimpah. Produksi batubara Indonesia akan

mengalami kenaikan di masa yang akan datang. Prediksi kenaikan produksi batubara

di Indonesia didominasi oleh batubara peringkat rendah (lignit) yaitu sekitar (60-

70)% dari total cadangan batubara. Batubara kualitas rendah belum banyak

dieksploitasi karena masih mengalami kendala dalam transportasi dan pemanfaatan.

Batubara peringkat rendah mempunyai kandungan air total cukup tinggi sehingga

nilai kalor menjadi rendah. Oleh karena itu diperlukan teknologi khusus, salah

satunya adalah menggunakan teknologi gasifikasi dengan sistem fluidizedbed untuk

memanfaatkan batu bara peringkat rendah agar dapat digunakan sebagai pengganti

batubara peringkat tinggi yang cadangannya sudah mulai menipis.

Gambar 2.1 Batu Bara

6

2.1.1 Sifat-sifat Kimia Batubara

Sifat kimia dari batubara dapat digambarkan dari unsur yang terkandung di

dalam batubara, antara lain sebagai berikut:

a. Karbon

Jumlah karbon yang terdapat dalam batubara bertambah sesuai dengan

peningkatan derajat batubaranya, kenaikan derajatnya dari 60% hingga 100%.

Persentase akan lebih kecil daripada lignit dan menjadi besar pada antrasit dan

hampir 100% dalam grafit. Unsur karbon dalam batubara sangat penting peranannya

sebagai sumber panas. Karbon dalam batubara tidak berada dalam unsurnya tetapi

dalam bentuk senyawa. Hal ini ditunjukkan dengan jumlah karbon yang besar yang

dipisahkan dalam bentuk zat terbang.

b. Hidrogen

Hidrogen yang terdapat dalam batubara berangsur-angsur habis akibat evolusi

metan. Kandungan hidrogen dalam liginit berkisar antara 5%, 6% dan 4.5% dalam

batubara berbitumin sekitar 3% hingga 3,5% dalam antrasit.

c. Oksigen

Oksigen yang terdapat dalam batubara merupakan oksigen yang tidak reaktif.

Sebagaimana dengan hidrogen kandungan oksigen akan berkurang selama evolusi

atau pembentukan air dan karbondioksida. Kandungan oksigen dalam lignit sekitar

20% atau lebih. Sedangkan dalam batubara berbitumin sekitar 4% hingga 10% dan

sekitar 1,5% hingga 2% dalam batubara antrasit.

d. Nitrogen

Nitrogen yang terdapat dalam batubara berupa senyawa organik yang

terbentuk sepenuhnya dari protein bahan tanaman asalnya dan jumlahnya sekitar

0,55% hingga 3%. Batubara berbitumin biasanya mengandung lebih banyak nitrogen

daripada lignit dan antrasit.

e. Sulfur

Sulfur dalam batubara biasanya dalam jumlah yang sangat kecil dan

kemungkinan berasal dari pembentuk dan diperkaya oleh bakteri sulfur. Sulfur dalam

batubara biasanya kurang dari 4%, tetapi dalam beberapa hal sulfurnya bisa

mempunyai konsentrasi yang tinggi. Sulfur terdapat dalam tiga bentuk, yaitu :

7

Sulfur Piritik (Piritic Sulfur), Sulfur Piritik biasanya berjumlah sekitar 20%

hingga 80% dari total sulfur yang terdapat dalam makrodeposit (lensa, urat,

kekar, dan bola) dan mikrodeposit (partikel halus yang menyebar).

Sulfur Organik, Sulfur Organik biasanya berjumlah sekitar 20% hingga 80%

dari total sulfur, biasanya berasosiasi dengan konsentrasi sulfat selama

pertumbuhan endapan.

Sulfat Sulfur, Sulfat terutama berupa kalsium dan besi, jumlahnya relatif

kecil dari seluruh jumlah sulfurnya.

2.2 Biomassa

Biomassa merupakan sumber energi terbarukan yang mengacu pada bahan

biologis yang berasal dari organisme yang belum lama mati (dibandingkan dengan

bahan bakar fosil). Sumber-sumber biomassa yang paling umum adalah bahan bakar

kayu, limbah dan alcohol. Biomassa sangat efektif sebagai energi alternatif yang

ramah lingkungan. Biomassa membentuk bagiannya sendiri melalui proses

fotosintesis. Energi yang menggantikan bahan bakar fosil dapat diperoleh dari siklus,

yaitu pembakaran biomassa, emisi kabondioksida, dan karbondioksida. Oleh karena

itu, emisi karbondioksida dapat direduksi dengan cara mengganti bahan bakar fosil

dengan biomassa.

Sumber energi biomassa pun mempunyai beberapa kelebihan antara lain

merupakan sumber energi yang dapat diperbaharui (renewable) sehingga dapat

menjadi sumber energi dalam jangka waktu yang sangat lama dan berkesinambungan

(sustainable).

2.2.1 Pemanfaatan Energi Biomassa

Dalam penelitian ini teknologi yang akan digunakan untuk mengkonversikan

biomassa adalah teknologi konversi termokimia co-gasifikasi batubara dan biomassa

pada sistem fluidized bed. Saat ini ada beberapa proses yang biasanya dipakai untuk

memanfaatkan sumber energi berupa biomassa, berikut adalah contohnya.

1) Biobriket

Briket adalah salah satu cara yang digunakan untuk mengkonversi sumber

energi biomassa ke bentuk biomassa lain dengan cara dimampatkan sehingga

bentuknya menjadi lebih teratur.

8

Gambar 2.2 Biobriket (Anonim,2013)

2) Pirolisis

Pirolisis adalah penguraian biomassa karena adanya panas pada suhu

yang lebih dari 5000 C. Pirolisis juga diartikan sebagai dekomposisi kimia bahan

organik melalui proses pemanasan tanpa atau sedikit oksigen atau reagen lainnya,

di mana material mentah akan mengalami pemecahan struktur kimia menjadi fase

gas.

Gambar 2.3 Proses pirolisis ( Anonim,2012)

3) Liquefaction

Liquefaction merupakan proses perubahan wujud dari gas ke cairan

dengan proses kondensasi, biasanya melalui pendinginan, atau perubahan dari

padat ke cairan dengan peleburan, bisa juga dengan pemanasan atau penggilingan

dan pencampuran dengan cairan lain untuk memutuskan ikatan. Pada bidang

energi liquefaction tejadi pada batu bara dan gas menjadi bentuk cairan untuk

menghemat transportasi dan memudahkan dalam pemanfaatan.

Gambar 2.4 Direct Coal Liquefaction (US Department of Energy ,2001)

4) Biokimia

9

Pemanfaatan energi biomassa yang lain adalah dengan cara proses

biokimia. Contoh proses yang termasuk ke dalam proses biokimia adalah

hidrolisis, fermentasi dan an-aerobic digestion. An-aerobic digestion adalah

penguraian bahan organik atau selulosa menjadi CH4 dan gas lain melalui proses

biokimia. Adapun tahapan proses an-aerobic digestion adalah diperlihatkan pada

Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Skema Pembentukan Biogas

Selain anaerobic digestion, proses pembuatan etanol dari biomassa

tergolong dalam konversi biokimiawi. Biomassa yang kaya dengan karbohidrat

atau glukosa dapat difermentasi sehingga terurai menjadi etanol dan CO2. Akan

tetapi, karbohidrat harus mengalami penguraian (hidrolisis) terlebih dahulu

menjadi glukosa. Etanol hasil fermentasi pada umumnya mempunyai kadar air

yang tinggi dan tidak sesuai untuk pemanfaatannya sebagai bahan bakar

pengganti bensin. Etanol ini harus didestilasi sedemikian rupa mencapai kadar

etanol di atas 99.5%.

10

2.2.2 Kandungan dalam Biomassa

Kandungan utama biomassa adalah karbon, oksigen, dan hidrogen. Ini

ditunjukkan dalam Tabel 2.3. Pada tabel tersebut diperlihatkan komposisi dari

berbagai jenis biomassa. Rumus kimia dari biomassa diwakili oleh CxHyOz, nilai

koefisien dari x, y, dan z ditentukan dari jenis biomassa.

Tabel 2.3 Analisis Proximate dan Ultimate Beberapa Jenis Biomassa (Anonim,2007)

Sample

Proximate analysis

(wt,%, dry basis)

Ultimate analysis

(wt,%, dry basis) HHV

(MJ/kg) Ash

Volatile

matter

Fixed

Carbon C H N S O

Pine 0,2 86,3 13,5 45,2 6,3 0,1 0 48,2 20,0

Chestnut 0.4 82,1 17,5 45,5 5,7 0,2 0 48,2 19,1

11

Untuk menentukan sistem energi biomassa, kandungan energi setiap jenisnya

harus ditentukan terlebih dahulu. Nilai kalor seringkali digunakan sebagai indikator

kandungan energi yang dimiliki setiap jenis biomassa. Nilai kalor adalah jumlah

panas yang dihasilkan saat bahan menjalani pembakaran sempurna atau dikenal

sebagai kalor pembakaran. Nilai kalor ditentukan melalui rasio komponen dan

jenisnya serta rasio unsur di dalam biomassa itu sendiri (terutama kadar karbon).

2.2.3 Biomassa Bambu

Di Bali Tanaman bambu hidup di seluruh pedesaan, kadang-kadang ditemui

berbaris membentuk suatu garis pembatas dari suatu wilayah desa yang identik

dengan batas desa di Bali. Penduduk desa sering menanam bambu disekitar

rumahnya untuk berbagai keperluan. Bermacam-macam jenis bambu bercampur

ditanam di pekarangan rumah. Pada umumnya yang sering digunakan oleh

masyarakat di Indonesia adalah bambu tali, bambu petung, bambu andong dan

bambu hitam.Seperti halnya tebu, bambu mempunyai ruas dan buku. Pada setiap ruas

tumbuh cabang-cabang yang berukuran jauh lebih kecil dibandingkan dengan

buluhnya sendiri. Pada ruas-ruas ini pula tumbuh akar-akar sehingga pada bambu

dimungkinkan untuk memperbanyak tanaman dari potongan-potongan setiap

ruasnya, disamping tunas-tunas rimpangnya.

Eucalyptus 0,5 84,,6 14,9 46,8 6,1 0,1 0 46,5 19,5

Cellulose residue 1,3 87,7 11,0 41,0 6,4 0,3 0 51,0 17,6

Coffee husks 4,5 79,4 16,1 43,2 6,3 2,6 0,2 43,2 20,1

Grape waste 7,5 67,9 24,6 50,0 6,0 2,0 0,1 34,4 22,1

Almond shells 1,2 79,3 19,5 49,2 6,0 0,2 0 43,4 19,7

Olive stones 0,6 81,4 18,0 50,6 6,1 0,1 0 42,6 19,0

Olive oil waste 7,1 77,3 15,7 48,9 6,2 1,4 0,2 36,2 21,6

Pet coke 0,6 12,6 86,8 87,2 4,1 1,5 5,4 1,2 35,2

High-volatile

bituminous coal 7,6 37,7 54,7 77,9 5,1 1,7 1,5 6,2 32,4

12

Gambar 2.6 Salah Satu Contoh Limbah Bambu Dari Sarana upakara

1. Sifat Dasar Bambu

a. Anatomi

Kolom bambu terdiri atas sekitar 50% parenkim, 40% serat dan 10% sel

penghubung (pembuluh dan sieve tubes) Dransfield dan Widjaja (1995). Sel

penghubung lebih banyak ditemukan pada bagian dalam dari kolom, sedangkan serat

lebih banyak ditemukan pada bagian luar. Sedangkan susunan serat pada ruas

penghubung antar buku memiliki kecenderungan bertambah besar dari bawah ke atas

sementara parenkimnya berkurang.

b. Sifat Fisis dan Mekanis

Sifat fisis dan mekanis merupakan informasi penting guna memberi petunjuk

tentang cara pengerjaan maupun sifat barang yang dihasilkan. Hasil pengujian sifat

fisis dan mekanis bambu telah diberikan oleh Ginoga (1977) dalam taraf

pendahuluan. Pengujian dilakukan pada bambu apus (Gigantochloa apus Kurz.) dan

bambu hitam (Gigantochloa nigrocillata Kurz.). Beberapa hal yang mempengaruhi

sifat fisis dan mekanis bambu adalah umur, posisi ketinggian, diameter, tebal daging

bambu, posisi beban (pada buku atau ruas), posisi radial dari luas sampai ke bagian

dalam dan kadar air bambu.

Sifat fisis dan mekanis jenis bambu lainnya telah diinformasikan Hadjib dan

Karnasudirdja (1986). Pengujian dilakukan pada tiga jenis bambu, yaitu bambu

andong (Gigantochloa verticillata), bambu bitung (Dendrocalamus asper Back.) dan

bambu ater (Gigantochloa ater Kurz.) Hasilnya menunjukkan bahwa bambu ater

mempunyai berat jenis dan sifat kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan bambu

bitung dan bambu andong.

c. Sifat Kimia

Penelitian sifat kimia bambu telah dilakukan oleh Gusmailina dan

Sumadiwangsa (1988) meliputi penetapan kadar selulosa, lignin, pentosan, abu,

13

silika, serta kelarutan dalam air dingin, air panas dan alkohol benzen. Hasil pengujian

menunjukkan bahwa kadar selulosa berkisar antara 42,4% – 53,6%, kadar lignin

bambu berkisar antara 19,8% – 26,6%, sedangkan kadar pentosan 1,24% – 3,77%,

kadar abu 1,24% – 3,77%, kadar silika 0,10% – 1,78%, kadar ektraktif (kelarutan

dalam air dingin) 4,5% – 9,9%, kadar ekstraktif (kelarutan dalam air panas) 5,3% –

11,8%, kadar ekstraktif (kelarutan dalam alkohol benzene) 0,9% – 6,9%. Hasil

analisis kimia 5 jenis bambu terdapat pada tabel dibawah.

Tabel 2.4 Analisis kimia bambu (Gusmailina dan Sumadiwangsa (1988)

No Jenis Bambu Selulsa (%)

Lignin (%)

Pentosan (%)

Abu (%) Silica (%)

Kelarutan dalam (%) Air

dingin

Air

pans

Alkoh

benzen

NaO

H

1 Phyllostachys recticulata (bambu madake)

48,3 22,2 21,2 1,24 0,54 5,3 9,4 4,3 24,5

2 Dendrocalamus asper (bamboo petung)

52,9 24,8 18,8 2,63 0,20 4,5 6,1 0.9 22,3

3 Gigantocloa nigrocilata

(bambu batu)

52,1 24,9 19,3 2,75 0,37 5,2 6,4 1,4 25,1

4 Gigantochloa verticillata

(bambu peting )

49,5 23,9 17,8 1,87 0,51 9,9 10,7 6,9 28,0

5 Ggigantochloa apus

(bamboo batu)

52,1 24,9 19,3 2,75 0,37 5,2 6,4 1,4 25,1

2.1.2 Analisis proximate (karbon tetap)

Terdapat dua metode untuk menganalisis batubara: analisis proximate. Untuk

menganalisis seluruh elemen komponen batubara, padat atau gas dan analisis

proximate menganalisis hanya fixed carbon, bahan yang mudah menguap, kadar air

dan persen abu. Analisis ultimate harus dilakukan oleh laboratorium dengan

peralatan yang lengkap oleh ahli kimia yang terampil, sedangkan analisis proximate

dapat dilakukan dengan peralatan yang sederhana.

a. Analisis proximate

Analisis proximate menunjukan persen berat dari fixed carbon, bahan mudah

menguap, abu, dan kadar air dalam batubara. Analisis proximate untuk jenis

batubara Indonesia diberikan dalam Tabel 2.5 dibawah.

Tabel 2.5 Analisis Proximate untuk Jenis Batu Bara Indonesia (Anonim,2002)

14

Parameter Batubara

Indonesia

Kadar air 9,43

Abu 13,99

Bahan mudah menguap

(volatile matter) 29,79

Fixed Carbon 46,79

Bahan yang mudah menguap (volatile matter)

Bahan yang mudah menguap dalam batubara adalah metan, hidrokarbon,

hydrogen, karbon monoksida, dan gas-gas yang tidak mudah terbakar, seperti

karbon dioksida dan nitrogen. Bahan yang mudah menguap merupakan indeks

dari kandungan bahan bakar bentuk gas di dalam batubara. Kandungan bahan

yang mudah menguap berkisar antara 20% hingga 35%. Bahan yang mudah

menguap:

Berbanding lurus dengan peningkatan panjang nyala api, dan membantu

dalam memudahkan penyalaan batubara.

Mengatur batas minimum pada tinggi dan volume tungku.

Mempengaruhi kebutuhan udara sekunder dan aspek-aspek distribusi.

Mempengaruhi kebutuhan minyak bakar sekunder.

Untuk mencari kandungan volatile matter dilakukan dengan memanaskan sampel

bahan bakar pada temperatur 950 OC + 20 OC selama 12 menit. Jumlah

kandungan volatile dapat dihitung dengan persamaan:

%�������� =��������������������

���������− %�������� ……………. (2.2)

Kadar abu

Abu merupakan kotoran yang tidak akan terbakar. Kandungannya

berkisar antara 5% hingga 40%. Efek dari abu adalah:

Mengurangi kapasitas handling dan pembakaran.

15

Meningkatkan biaya handling.

Mempengaruhi efisiensi pembakaran dan efisiensi boiler.

Menyebabkan penggumpalan dan penyumbatan.

Sampel bahan bakar dari pengujian moisture dipanasakan kembali pada

temperatur 700-750 OC selama 1,5 jam untuk mendapatkan nilai kandungan

abu/ash. Jumlah kandungan abu dapat dihitung dengan persamaan:

��ℎ =����������

����������������������������100(%)………………… (2.3)

Kadar air

Kadar air (moisture) adalah kandungan air pada bahan bakar padat.

Semakin besar kandungan air yang terdapat pada bahan bakar padat, maka nilai

kalornya semakin kecil, begitu juga sebaliknya. Kadar air akan menurunkan

kandungan panas per kg batubara, dan kandungannya berkisar antara 0,5 hingga

10%. Kadar air menyebabkan:

Meningkatkan kehilangan panas, karena penguapan dan pemanasan berlebih

dari uap.

Membantu pengikatan partikel halus pada tingkatan tertentu.

Membantu radiasi transfer panas.

Cara pengujian kadar air adalah dengan cara memanaskan sampel bahan bakar

pada temperatur 105-110 OC selama 1 jam. Agar mendapatkan nilai kandungan

moisture digunakan persamaan:

%�������� =��������������������

����������100(%)………………. (2.4)

Kadar Sulfur

Pada umumnya berkisar pada 0,5 hingga 0,8%. Efek dari kadar sulfur antara lain:

Mempengaruhi kecenderungan teradinya penggumpalan dan penyumbatan.

Mengakibatkan korosi pada cerobong dan peralatan lain seperti pemanas

udara dan economizers.

16

Membatasi suhu gas buang yang keluar.

b. Analisis ultimate

Analsis ultimate menentukan berbagai macam kandungan kimia unsur-

unsur seperti karbon, hidrogen, oksigen, sulfur, dll. Analisis ultimate untuk berbagai

jenis batubara diberikan dalam tabel berikut.

Tabel 2.6 Analisis Ultimate Batubara (Anonim,2002)

Parameter Batubara Indonesia, %

Kadar Air 9,43

Bahan Mineral (1,1 x Abu) 13,99

Karbon 58,96

Hidrogen 4,16

Nitrogen 1,02

Sulfur 0,56

Oksigen 11,88

2.3 Analisis Nilai Kalor Batu Bara dan Biomassa

Analisis ini bertujuan untuk mengetahui nilai kalor yang mampu

dibangkitkan dari setiap sampel bahan bakar yang diuji menggunakan bom kalori

meter. Hasil pengukuran diperoleh dari selisih pengukuran T1 dan T2 antara asam

benzoat (benzoid acid). Nilai kalor dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan

� =�����������(��� ��� )

��(��)�∆��( �)� = ⋯(������)….……..................……………………….(2.5)

Dimana :

c = kalor jenis

��= Massa sampel

∆��= Selisih suhu asam benzoate

17

Tabel 2.7 Analisis Khusus dan Nilai Kalor dari Biomassa, Batubara, dan Gambut (Anonim,2007)

Kategori Biomassa Kadar air*

(% bobot)

Bahan organik

(% berat

kering)

Abu**

(% bobot)

Besar nilai

kalor

(MJ/kg-kering)

Limbah

Pupuk kandang sapi 20-70 76,5 23,5 13,4

Padatan bio (biosolid)

teraktivasi 90-97 76,5 23,5 18,3

Bahan bakar yang diperoleh

dari sampah, Refuse-derived

fuel (RDF)

15-30 86,1 13,9 12,7

Serbuk gergaji 15-60 99,0 1,0 20,5

Tanaman

perairan

Rumput laut cokelat

Raksasa 85-97 54,2 45,8 10,3

Eceng gondok 85-97 77,3 22,7 16,0

Tanaman

kayu

Kayu putih 30-60 97,6 2,4 18,7

Hibrid poplar 30-60 99,0 1,0 19,5

Sycamore 30-60 99,8 0,2 21,0

Turunan

Kertas 3-13 94,0 6,0 17,6

Kulit pinus 5-30 97,1 2,9 20,1

Jerami 5-15 80,8 19,2 15,2

Batu bara Bitumen Illinois 5-10 91,3 8,7 28,3

Gambut Teki reed 70-90 92,3 7,7 20,8

* Kadar air ditentukan dari kehilangan bobot setelah pengeringan pada suhu 105o C

di bawah tekanan atmosfer.

** Kadar abu ditentukan dari bobot residu (oksida logam) stelah pemanasan pada

suhu 800 oC.

18

Gambar 2.8 Bom Kalorimeter

2.4 Pasir Silika

Pasir silika adalah salah satu mineral yang umum ditemukan di kerak

kontinen bumi. Mineral ini memiliki struktur kristal heksagonal yang terbuat dari

silika trigonal terkristalisasi (silikon dioksida, SiO2), dengan skala kekerasan Mohs 7

dan densitas 2,65 g/cm³. Bentuk umum kuarsa adalah prisma segi enam yang

memiliki ujung piramida segi enam.

Pasir kuarsa Atau Pasir Silika mempunyai komposisi gabungan dari SiO2,

Fe2O3, Al2O3, TiO2, CaO, MgO, dan K2O, berwarna putih bening atau warna lain

bergantung pada senyawa pengotornya, kekerasan 7 (skala Mohs), berat jenis 2,65,

titik lebur 17150 oC, bentuk kristal hexagonal, panas sfesifik 0,185, dan

konduktivitas panas 12 – 1000 oC.

Material hamparan (bed material) yang digunakan pada gasifikasi sirkulasi

fluidized bed sangat berpengaruh terhadap berhasil tidaknya proses fluidisasi yang

dihasilkan. Material hamparan adalah suatu jenis bahan yang digunakan pada sistem

gasifikasi sirkulasi fluidized bed sebagai media fluidisasi dan media penyimpanan

panas. Pada gasifikasi sirkulasi fluidized bed, material hamparan ini akan difluidisasi

dengan menggunakan dorongan agen gasifikasi seperti udara, oksigen, uap atau

campurannya.

19

Pasir silika memiliki titik lebur yang tinggi sampai mencapai 18000 �� ,

sehingga sangat cocok digunakan untuk aplikasi gasifikasi sirkulasi fluidized bed.

Disamping untuk material hamparan pada gasifikasi sirkulasi fluidized bed, pasir

silika banyak digunakan dalam industri semen, gelas, pengecoran besi baja, keramik

dan lain-lain.

Gambar 2.9 Pasir Silika

2.5 Co-firing

Co-firing merupakan suatu proses pembakaran dua material yang berbeda

secara bersamaan. Dengan menggunakan co-firing, emisi dari pembakaran suatu

bahan bakar fosil dapat dikurangi. Co-firing merupakan salah satu metode alternatif

untuk mengubah biomassa menjadi tenaga listrik, yaitu dengan cara subsitusi

sebagian batubara dengan biomassa di dalam suatu coal boiler. Biomassa dikenal

sebagai zero CO2 emssion, dengan kata lain tidak menyebabkan akumulasi CO2 di

atmosfer dan biomassa juga mengandung lebih sedikit sulfur jika dibandingkan

dengan batubara. Oleh karena itu, co-firing batubara dan biomassa menyebabkan

menurunnya emisi CO2 dengan jumlah polutan NOx dan SOx dari bahan bakar fosil.

2.6 Co-gasifikasi

Co-gasifikasi adalah suatu proses konversi bahan bakar padat menjadi gas

menggunakan dua material yang berbeda, dimana udara yang diperlukan lebih

rendah dari udara yang digunakan untuk proses pembakaran. Selama proses

gasifikasi reaksi kimia utama yang terjadi adalah endotermis (diperlukan panas luar

selama proses berlangsung). Produk yang dihasilkan dapat dikategorikan menjadi

tiga bagian utama, yaitu padatan, cairan (termasuk gas yang dapat dikondensasikan)

dan gas permanen.

20

Beberapa keunggulan dari teknologi co-gasifikasi yaitu :

Mampu memproses dua bahan bakar sekaligus

Mampu menghasilkan produk gas yang konsisten yang dapat

digunakan sebagai gas bahan bakar untuk pembangkit listrik dan

sebagainya.

Mampu mengubah sampah yang bernilai rendah menjadi produk yang

bernilai tinggi

Mampu mengurangi jumlah sampah padat.

Gas yang dihasilkan tidak mengandung furan dan dioxin yang

berbahaya.

Untuk melangsungkan gasifikasi diperlukan suatu reaktor. Reaktor tersebut

dikenal dengan nama gasifier. Ketika gasifikasi dilangsungkan, terjadi kontak antara

bahan bakar dengan agen penggasifikasi di dalam gasifier. Kontak antara bahan

bakar dengan medium tersebut menentukan jenis gasifier yang digunakan. Secara

umum pengontakan bahan bakar dengan agen penggasifikasi pada gasifier dibagi

menjadi tiga jenis, yaitu entrained bed, fluidized bed dan fixed/moving bed(Badeau

dan Levi, 2009)

Gambar 2.11 Gasifikasi (Anonim,2007)

21

2.6.1 Parameter–Parameter Penting dalam Proses Gasifikasi

Parameter–parameter penting yang harus dipertimbangkan dalam proses

gasifikasi, yaitu :

1) Temperatur gasifikasi

Temperatur gasifikasi harus tinggi karena dalam tahap pertama gasifikasi

adalah pengeringan untuk menguapkan kandungan air dalam batu bara dan

biomassa agar menghasilkan gas yang bersih. Temperatur yang tinggi juga dapat

berpengaruh dalam menghasilkan gas yang mudah terbakar. Sehingga untuk

mempertahankan temperatur, maka tangki reaktor diisolasi dengan bata tahan api

agar tidak ada panas yang keluar ke lingkungan sehingga efisiensi reaktor

menjadi baik.

2) Spesific Gasification Rate (SGR)

SGR mengidikasikan banyaknya biomassa rata-rata yang dapat

tergasifikasi dalam gasifier. Jika SGR semakin besar maka proses gasifikasi tidak

berjalan secara sempurna, sebaliknya jika SGR semakin kecil maka proses

gasifikasi berjalan lambat. SGR dapat dihitung dengan cara :

SGR =������������������������

���������� …………………………………(2.6)

3) FCR (Fuel Consumtion Rate)

Biomassa yang dibutuhkan pada proses gasifikasi dapat dihitung

menggunakan rumus:

FCR =��������������������������

��������������� …………………………………(2.7)

= ������������������������

��������������� ………..……………….………(2.8)

4) GFR (Gas Fuel Ratio).

GFR (Gas Fuel Ratio) dapat dihitung menggunakan rumus sebagai

berikut:

GFR =���������������������

��� ..……………………………………...(2.9)

22

5) % Char

% char adalah perbandingan banyaknya arang yang dihasilkan dengan

banyaknya biomassa yang dibutuhkan. % char dapat dihitung menggunakan

rumus :

% char =�����

��������������100% ……...……….……………….........(2.10)

6) Waktu konsumsi bahan bakar

Hal ini mengacu pada total waktu yang dibutuhkan untuk benar-benar

mengubah gas dari bahan bakar padat di dalam reaktor, termasuk waktu untuk

menyalakan bahan bakar dan waktu untuk menghasilkan gas, ditambah waktu

untuk membakar semua bahan bakar dalam reaktor. Kepadatan dari bahan bakar

padat(ρ), volume reaktor (Vr), dan konsumsi bahan bakar (FCR) adalah faktor

yang digunakan dalam menentukan total waktu untuk mengkonsumsi bahan

bakar padat dalam reaktor. Seperti ditunjukkan di bawah, ini dapat dihitung

menggunakan rumus :

T= ����

��� …………………………………………………………...……..(2.11)

dimana:

FCR =Fuel Consumption Rate (kg/hr)

T = Waktu konsumsi bahan bakar (hr)

� = Massa jenis Bahan bakar (kg/m3)

7) Jumlah udara dibutuhkan untuk gasifikasi

Hal ini mengacu pada laju aliran udara yang diperlukan untuk mengubah

bahan bakar padat menjadi gas . Hal ini sangat penting dalam menentukan ukuran

kipas angin atau blower yang dibutuhkan untuk reaktor digasifying. Seperti

ditunjukkan, ini dapat hanya ditentukan dengan menggunakan tingkat konsumsi

bahan bakar (FCR), udara stoikiometri dari bahan bakar, dan rasio ekuevalensi(Ɛ)

untuk gasifying 0,3 sampai 0,4. Seperti ditunjukkan, ini dapat dihitung dengan

menggunakan rumus :

AFR= ��������

��….….…………………………………………………..(2.12)

23

dimana:

AFR = Air Fuel Rate (tingkat aliran udara) (m3/jam)

FCR = Fuel Consumption Rate (kg/jam)

�� = Massa jenis udara (1,25 kg/m3)

ε = Rasio ekuivalensi (0,3-0,4)

SA = Udara stoikiometri dari bahan bakar padat

2.6.2 Jumlah Udara Pembakaran

Jika susunan bahan bakar diketahui, maka dapat dihitung jumlah kebutuhan

udara pembakaran. Sebelum menghitung kebutuhan udara pembakaran, terlebih

dahulu menghitung oksigen yang diperlukan untuk setiap kandungan C dan H yang

mengikat oksigen dalam pembakaran.

Karbon (C) terbakar sempurna menjadi CO2 menurut persamaan:

C + O2 → CO2

12 kg C + 32 kg O2 →44 kg CO2

1kg C + 32/12 O2 → 44/12 CO2

1kg C + 2,67 O2 →3,67 CO2…………………………………………….(2.15)

Hidrogen (H) terbakar menjadi H20 menurut persamaan:

4 H + O2 → 2H2O

4 kg H + 32 O2 → 36 kg H2O

1kg H + 8kg O2 → 9 kg H2O ……………………………………………(2.16)

Belerang (S) terbakar berdasarakan persamaan:

S + O2 → SO2

32 kg S + 32 kg O2 → 64 kg SO2

1 kg S + 1 kg O2 → 2 kg SO2 ………………………………………….(2.17)

24

2.6.3 Efisiensi Proses Gasifikasi

Parameter-parameter yang mempengaruhi efisiensi gasifier antara lain,

kandungan moisture, temperatur udara masuk, dan heat loss. Dapat disimpulkan

bahwa kandungan moisture bahan bakar semakin tinggi, nilai kalor syngas semakin

rendah, dengan kata lain efisiensi gasifikasi semakin kecil dengan tingginya

kandungan moisture bahan bakar. Untuk pengaruh temperatur udara masuk, semakin

tinggi temperatur udara masuk gasifier akan menaikkan efisiensi gasifikasi.

Sedangkan pengaruh besarnya heat loss, semakin kecil heat loss semakin besar

pengaruhnya terhadap efisiensi gasifikasi.

Pengaruh temperatur dan besarnya nilai dari equivalen ratio gasifikasi juga

mempengaruhi efisiensi gasifikasi. Untuk bahan bakar biomassa dengan nilai

persentase karbon yang rendah, temperatur gasifikasi dikondisikan pada 782oC -

927oC pada ekuivalen ratio 0,244 - 0,295. Pada equivalen ratio yang lebih rendah,

jumlah udara menjadi berlimpah menjadikan panas banyak terbuang, efisiensi

gasifikasi turun. Untuk memastikan semua karbon bereaksi, temperatur harus tinggi

> 927oC dan equivalen ratio 0,4. Pada kondisi tersebut persentase tar yang dihasilkan

sangat tinggi. Ada dua cara untuk mengatasi hal tersebut, yaitu memanaskan udara

masuk gasifier dan memperlama waktu tinggal (residence time) produk gas.

Efisiensi bahan bakar tergasifikasi (ɳbb ) dapat dihitung dengan persamaan:

ɳbb= beratbahanbakartergasi�ikasi

beratbahanbakarawalx100%…............................................(2.23)

Efisiensi gas hasil gasifikasi dapat dihitung dengan cara dan persamaan berikut:

Mencari N2 yang disupply dari udara yang mana mengandung sekitar 78%:

Supply N2 Udara = 0,769 x SA …………………………………………...(2.24)

Mencari total nitrogen yang diproduksi udara dan bahan bakar :

Total Nitrogen = ����������������������������������������������

��������������…(2.25)

Mencari jumlah gas nitrogen yang diproduksi:

Produksi Nitrogen = �������������

��������������������������������������� ……...(2.26)

Mencari energi output dari gas mampu bakar:

Energi output gas =Produksi Nitrogen x gas pada hasil gasifikasi x HHVgas...(2.27)

25

Mencari total energi output dari gas mampu bakar (CO, H2 dan CH4)

Energi output= energi output CO + energi output H2 + energi output CH4…….(2.28)

Mencari total energi input dari bahan bakar:

Energi Input = nilai kalor bahan bakar ……………………………..(2.29)

Mencari effisiensi gas hasil gasifikasi (ηg )

ηg =

������������

����������� x 100% ………………………………………….(2.30)

Tabel 2.5 Higher Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV) Gas mampu Bakar

Gas Higher Heating Value (MJ/kg mol) Lower Heating Value (MJ/kg mol)

CO 282,99 282,99

H2 285,84 241,83

CH4 890,36 802,34

2.6.4 Pembakaran Bahan Bakar Pada Proses Gasifikasi

Bila di dalam 1 kg bahan bakar yang terdiri dari C kg karbon, H kg Hidrogen,

O kg Oksigen, S kg Belerang, N kg Nitrogen, A kg abu, W kilogram air maka dapat

dihitung nilai pembakaran atau heating value dari bahan bakar tersebut, yaitu jumlah

panas yang dihasilkan dari pembakaran yang sempurna dari 1kg bahan bakar yang

dimaksud. Berdasarkan buku ketel uap (Djokosetyardjo, 1989

2.7 Fluidisasi

Fluidisasi merupakan salah satu teknik pengontakan fluida baik gas maupun

cairan dengan butiran padat. Pada fluidisasi, kontak antara fluida dengan partikel

padat dapat terjadi dengan baik karena permukaan kontak yang luas.

Bila cairan atau gas dilewatkan pada hamparan partikel padat dengan

kecepatan yang rendah, maka hamparan tidak akan bergerak, apabila kecepatan

fluida yang melewati hamparan dinaikan maka perbedaan tekanan disepanjang

hamparan akan meningkat pula. Pada saat perbedaan tekanan sama dengan berat

hamparan dibagi luas penampang. Pada saat itu hamparan mulai bergerak dan

melayang-layang keatas. Partikel-partikel padat ini akan bergerak-gerak dan

26

mempunyai perilaku seperti fluida. Keadaan seperti ini dikenal dengan hamparan

terfluidisasikan (fluidized bed).

2.7.1 Jenis-Jenis Fluidisasi

1. Fluidisasi Partikulat (Particulate Fluidization)

Fluidisasi partikulat adalah jenis fluidisasi yang menggunakan zat cair

sebagai fluidanya. Proses ini bercirikan ekspansi hamparan yang cukup besar tetapi

seragam pada kecepatan yang tinggi.

Ketika fluida cairan seperti air dan padatannya berupa kaca, gerakan partikel

pada saat terfluidisasi terjadi dalam ruang sempit dalam hamparan. Seiring dengan

bertambahnya kecepatan fluida dan penurunan tekanan, maka hamparan akan

terekspansi dan gerakan dan pergerakan partikel semakin cepat. Jalan bebas rata-rata

suatu partikel diantara tubrukan-tubrukan dengan partikel akan bertambah besar

dengan meningkatnya kecepatan fluida, dan akibatnya porositas hamparan akan

meningkat pula. Ekspansi dari hamparan ini akan di ikuti dengan meningkatnya

kecepatan fluida sampai setiap partikel bertindak sebagai suatu individu.

Gambar 2.12 Particulate Fluidization ( Anonim,2007)

1. Fluidisasi Gelembung (Bubbling Fluidization)

Fluidisasi gelembung adalah jenis gasifikasi yang menggunakan udara

sebagai fluidanya. Hamparan zat padat yang terfluidisasi di dalam udara biasanya

menunjukan fluidisai yang dikenal sebagia fluidisasi agregative. Fluidisasi ini terjadi

jika kecepatan superficial gas diatas kecepatan fluidisasi minimum. Bila kecepatan

superficial gas diatas kecepatan jauh lebih besar dari Umf kebanyakan gas itu

mengalir melalui hamparan dalam bentuk gelembung, dan hanya sebagian kecil gas

itu mengalir dalam saluran-saluran yang terbentuk diantara partikel. Partikel itu

bergerak tanpa aturan dan didukung oleh fluida tetapi diruang-ruang antara

gelembung fraksi kosong kira-kira sama dengan kondisi awal fluidisasi. Gelembung

yang terbentuk berperilaku hampir seperti gelembung udara dalam air, atau

gelembung uap dalam zat cair yang mendidih (hamparan didih).

Ukuran rata-rata gelembung itu bergantung pada jenis dan ukuran partikel,

jenis plat distributor, kecepatan superficial, dan tebalnya hamparan. Gelembung-

gelembung yang beriringan lalu bergerak ke puncak terpisah oleh zat padat yang

27

seakan-akan sumbat. Peristiwa tersebut di kenal peristiwa “penyumbatan” (slugging)

dan biasanya hal ini tidak dikehendaki karena mengakibatkan karena adanya

fluktuasi tekanan dalam hamparan, meningkatkan zat padat yang terbawa ikut dan

menimbulkan kesulitan jika kita ingin memperbesar skalanya di unit-unit yang lebih

besar.

Gambar 2.13 Bubbling Fluidization (anonim,2007)

2.7.2 Gasifikasi Fluidized Bed

Gasifikasi fluidized bed merupakan konversi bahan bakar padat menjadi gas

dengan menggunakan gasifikasi sebagai pencampur bahan bakar dan biomassa

sehingga kedua bahan tersebut berperilaku seperti fluida. Gasifikasi fluidized bed

dioperasikan dengan cara memfluidisasi partikel bahan bakar dengan gas pendorong

yang berupa udara/oksigen, Pada gasifikasi fluidized bed, gas pendorong yang umum

digunakan adalah udara. Pada gasifier jenis ini, udara dan bahan bakar tercampur

pada hamparan yang terdiri dari padatan inert berupa pasir. Keberadaan padatan

inert tersebut sangat penting karena berfungsi sebagai medium penyimpan panas.

Gasifikasi fluidized bed dioperasikan dengan suhu yaitu 800-1000 �� . Suhu

operasi tersebut berada di bawah suhu leleh abu, sehingga penghilangan abu yang

dihasilkan pada gasifikasi jenis ini lebih mudah. Hal inilah yang menyebabkan

gasifikasi fluidized bed dapat digunakan pada pengolahan bahan bakar dengan abu

tinggi sehingga rentang penerapan gasifikasi fluidized bed lebih luas daripada

gasifikasi jenis lainnya.

28

2.7.3 Circulation Fluidized Bed

Cyclone merupakan unit utama yang digunakan untuk meningkatkan

efisiensi gasifikasi dengan jalan membakar kembali melalui proses sirkulasi. Gas

panas dan tar, debu bercampur kembali ke reaktor. Siklon ini menggunakan gaya

sentrifugal untuk memisahkan padatan dari gas dengan mengarahkan aliran gas

menuju jalur melingkar. Karena pengaruh gaya inersia, partikel tidak akan

mampu mengikuti jalur tersebut sehingga akan terpisahkan dari aliran gas.

Meskipun secara fisik pemisahan partikel cukup kompleks, filter cyclone dengan

kinerja yang sudah diprediksikan sebelumnya dapat dirancang menggunakan

teknologi teoritis dan empiris yang sudah dikembangkan selama ini.

Pada penggunaannya, Circulation Fluidized Bed (CFB) lebih unggul

daripada Bubbling Fluidized Bed (BFB). Hal ini disebabkan oleh :

Adanya saluran sirkulasi (cyclonic) yang memungkinkan pengolahan

kembali bahan bakar yang belum terkonversi. Dengan adanya saluran

sirkulasi tersebut, waktu tinggal bahan bakar di dalam gasifier lebih lama

sehingga memungkinkan bahan bakar terkonversi sempurna.

Laju alir udara yang digunakan pada CFB lebih besar, dibandingkan

dengan kecepatan yang digunakan pada BFB. Hal ini menyebabkan

kecepatan kontak antara gas dengan padatan yang terjadi pada CFB

tinggi sehingga pencampuran massa dan perpindahan panas yang terjadi

lebih baik daripada BFB.

Gambar 2.14 Skema Reaktor Circulated Fulidized Bed (Sumber:Klein, 2003)

2.7.4 Gasifier berdasarkan Mode Fluidisasi

29

Berdasarkan mode fluidisasinya, jenis gasifier dapat dibedakan menjadi 4

jenis, yakni gasifier hamparan tetap (fixed bed gasifier), gasifier hamparan bergerak

(moving bed gasifier), gasifier hamparan terfluidakan (fluidized bed gasifier), dan

entrained flow gasifier, pada penelitian yang saya lakukan jenis gasifier yang

digunakan adalah fluidized bed gasifier.

Updraft Gasifier

Pada gasifier jenis ini, udara masuk melalui bawah gasifier melalui grate.

Aliran udara ini berlawanan arah (counter current) dengan alilran bahan bakar yang

masuk dari bagian atas gasifier. Gas produser yang dihasilkan keluar melalui bagian

atas gasifier sedangkan abu diambil pada bagian bawah gasifier. Reaksi pembakaran

pada gasifier ini terjadi di dekat grate kemudian diikuti reaksi kemudian diikuti

reaksi reduksi (proses gasifikasi). Reaksi reduksi akan menghasilkan gas

bertemperatur tinggi. Gas hasil reaksi (gas produser) tersebut bergerak ke bagian atas

gasifier menembus hbahan bakar menuju daerah yang bertemperatur lebih rendah.

Pada saat menembus hamparan bahan bakar, gas produser akan kontak dengan bahan

bakar yang turun sehingga terjadi proses pirolisis dan pertukaran panas antara gas

dan bahan bakar. Panas sensible yang diberikan gas digunakan bahan bakar untuk

pemanasan awal dan pengeringan bahan bakar. Proses pirolisis dan pengeringan

tersebut terjadi pada bagian atas gasifier. Updraft gasifier mencapai efisiensi

tertinggi ketika gas panas yang dihasilkan meninggalkan gasifier pada temperatur

rendah.

Updraft gasifier memiliki kekurangan dan kelebihan. Kekurangan yang

dimiliki oleh updraft gasifier adalah tingginya jumlah uap tar yang terkandung

didalam gas keluaran dan kemampuan gas produser membawa muatan rendah. Selain

itu ada kemungkinan terjadinya channeling. Sedangkan keuntungan menggunakan

updraft gasifier adalah mekanismenya sederhana, arang (charcoal) habis terbakar,

suhu keluaran rendah dan efisiensi tinggi.

30

Gambar 2.14 Updraft Gasifier

2.7.5 Dasar Proses Gasifikasi Fluidized Bed

1 . Zona Pengeringan

Bahan bakar padat dimasukan ke dalam gasifier di atas. Hal ini tidak perlu

menggunakan peralatan pengumpanan bahan bakar yang kompleks, karena sejumlah

kecil kebocoran udara dapat ditoleransi di tempat ini. Sebagai akibat dari

perpindahan panas dari bagian bawah gasifier, pengeringan bahan bakar biomassa

terjadi di bagian bungker. Uap air akan mengalir ke bawah dan menambah uap air

yang terbentuk di zona oksidasi. Bagian dari itu dapat direduksi menjadi hidrogen

dan sisanya akan berakhir sebagai kelembaban dalam gas.

2 . Zona Pirolisis

Tidak seperti pembakaran, pirolisis terjadi pada tempat yang tidak terdapat

oksigen, kecuali dalam kasus di mana oksidasi parsial diperbolehkan untuk

menyediakan energi termal yang dibutuhkan untuk proses gasifikasi. Terdapat tiga

variasi pirolisis.

1) mild pyrolysis

2) slow pyrolysis

3) fast pyrolysis

31

Pada pirolisis melokel besar hydrocarbon dipecah menjadi partikel kecil

hydrocarbon. Fast pyrolysis hasil utamanya adalah bahan bakar cair, slow pyrolysis

menghasilkan gas dan arang. Mild pyrolysisyang saat ini sedang dipertimbangkan

untuk pemanfaatan biomassa yang efektif. Pada proses ini biomssa dipanaskan 200-

300 0C tanpa kontak dengan oksigen. Struktur kimia dari biomssa diubah, dimana

menghasilakn carbon dioksida, carbon monoksida, air, asam asetat, dan methanol.

Mild pyrolysis meningkatkan densitas energi dari biomssa.

Pada suhu di atas 250°C, bahan bakar biomassa dimulai pyrolysing. Rincian

pirolisis ini reaksi yang tidak dikenal, tetapi bisa menduga bahwa molekul-molekul

besar (seperti selulosa, hemi - selulosa dan lignin ) terurai menjadi molekul

berukuran sedang dan karbon (char) selama pemanasan bahan baku. Produk pirolisis

mengalir ke bawah ke zona pemanasan pada gasifier. Beberapa akan dibakar di zona

oksidasi, dan sisanya akan memecah bahkan molekul yang lebih kecil dari hidrogen,

metana, karbon monoksida, etana, etilena, dll jika tetap berada dizona panas cukup

lama. Jika waktu di zona panas terlalu pendek atau suhu terlalu rendah, maka

molekul berukuran menengah dapat melarikan diri dan akan mengembun sebagai tar

dan minyak, dalam suhu rendah bagian dari sistem. Secara umum reaksi yang terjadi

pada pirolisis beserta produknya adalah:

biomassa char + tar + gases (CO2; CO; H2O; H2; CH4; CxHy)

3. Zona Oksidasi

Zona pembakaran (oksidasi) dibentuk pada tingkat di mana oksigen (udara)

dimasukkan. Reaksi dengan oksigen mengakibatkan kenaikan tajam suhu sampai

1200-1500°C. Sebagaimana disebutkan di atas, fungsi penting dari zona oksidasi,

selain penghasil panas, adalah untuk mengkonversi dan mengoksidasi hampir semua

produk terkondensasi dari zona pirolisis. Untuk menghindari titik-titik dingin di zona

oksidasi, kecepatan udara masuk dan geometri reaktor harus dipilih dengan baik.

Umumnya dua metode yang digunakan untuk mendapatkan suhu distribusi:

mengurangi luas penampang pada ketinggian tertentu dari reaktor

penyebaran nozel inlet udara di atas lingkar mengurangi cross-sectionalarea,

atau alternatif menggunakan inlet udara sentral dengan perangkat

penyemprotan.

32

Adapun reaksi kimia yang terjadi pada proses oksidasi ini adalah sebagai berikut :

C + O2 CO2 + 406 (MJ/kmol)

H2 + ½ O2 H2O +242 (MJ/kmol)

4. Zona Reduksi

Produk reaksi dari zona oksidasi (gas panas dan bara arang ) bergerak turun

ke zona reduksi. Di zona ini masuk panas sensible dari gas dan arang dikonversi

sebanyak mungkin menjadi energi kimia dari gas produser. Produk akhir dari reaksi

kimia yang terjadi di zona reduksi adalah gas mudah terbakar yang dapat digunakan

sebagai bahan bakar gas dalam pembakar dan setelah pembuangan abu dan

pendinginan.

Abu yang dihasilkan dari gasifikasi biomassa kadang-kadang harus dibuang

dari gasifier. Karena biasanya timbul perapian di dasar peralatan. Dan dengan

demikian membantu untuk mencegah penyumbatan yang dapat menyebabkan

obstruksi aliran gas. Berikut adalah reaksi kimia yang terjadi pada zona tersebut :

Boudart reaction:

C + CO2 2 CO – 172 (MJ/kmol) ...........................................................(2.19

Steam-carbon reaction :

C + H2O CO + H2 – 131 (MJ/kmol) ......................................................(2.20)

Water-gas shift reaction:

CO + H2O CO2 + H2 + 41 (MJ/kmol) .....................................................(2.21)

CO methanation :

CO + 3 H2 – 206 (MJ/kmol) = CH4 + H2O...............................................(2.22)

Boudouard reaction

Boudouard reaction merupakan reaksi antara karbon dioksida

yang terdapat di dalam gasifier dengan arang untuk menghasilkan CO.

Shift conversion

33

Shift conversion merupakan reaksi reduksi karbon monoksida

untuk memproduksi hidrogen. Reaksi ini dikenal sebagai water-gas

shift yang menghasilkan peningkatan perbandingan hidrogen terhadap

karbon monoksida pada gas produser. Reaksi ini digunakan pada

pembuatan gas sintetik.

Methannation

Methannation merupakan reaksi pembentukan gas metan.

2.7.6 Rumus-Rumus Umum Fluidisasi

Rumus – Rumus Umum Fluidisasi

1) Volume dan Luas Permukaan Padatan

Volume padatan:

Vs = ����

�������(m3) .………………………………….…………………..(2.23)

Luas permukaan padatan:

As= ���

��� (m2) …..……………………………………………………..(2.23)

dimana:

As = luas permukaan padatan (m2)

Vs = volume padatan (m3)

φ = sphericity (faktor kebolaan)

dm = diameter rata-rata (m)

2) Fraksi Ruang Kosong (voidage)

�������(�) = ���������������������

���������

= 1 −�����������

���������

� = 1 −��

��

= 1 −��/��

��/��

(ms~mb)

�������(�) = 1 −��

��............................................................................(2.23)

3) Kecepatan Minimum Fluidisasi (Umf)

34

Langkah pertama adalah menentukan fraksi ruang kosong (εmf) yang

terjadi di dalam bed (hamparan) dengan mengunakan persamaan sebagai

berikut:

��� = ��,���

��

�

�……………………………………….………………….(2.24)

dimana: φ = faktor kebolaan pasir silika

Selanjutnya adalah menentukan bilangan Archimedes (Ar) dengan

menggunakan persamaan sebagai berikut:

Ar = ����

�����(�����)

(�)�………………………………………..…….(2.25)

dimana: Ar = bilangan Archimedes

g = percepatan gravitasi bumi (m/detik)

dp = diameter partikel pasir silika (m)

ρg = densitas udara (kg/m3)

ρp = densitas pasir silika (kg/m3)

μ = viskositas udara (kg/m.detik)

Bilangan Archimedes (Ar) ini akan digunakan untuk menentukan bilangan

Reynolds (Remf) dengan menggunakan Ergun equation sebagai berikut:

�� = 150

(�����)

������ ���� +

�,��

����� ��

���………………………...……...(2.26)

Setelah bilangan Reynolds dapat dihitung dengan rumus di atas, maka

kecepatan minimum fluidisasi (Umf) dapat ditentukan dengan menggunakan

rumus sebagai berikut:

Umf = ������

����� (m/s) …...……..…………………………………..……..(2.27)

4) Ekspansi Ketinggian Hamparan Fluidisasi (ΔHa)

Kecepatan bubble (Ub) :

�� = ��� − ���� + 0,71����…………………………………...….(2.28)

35

dimana: Ub = kecepatan bubble (m/detik)

U = kecepatan fluidisasi

k = konstanta (1)

Umf = kecepatan minimum fluidisasi (m/detik)

g = percepatan gravitasi bumi (9,81 m/s2)

dB = diameter bubble (meter)

Ekspansi ketinggian hamparan fluidisasi (ΔHa) :

������� = ��

�������

ΔHa = Ha – Hmf = (U – Umf) tbubble …….…………………………………….….(2.29)

2.8 Resikulasi/ Cyclonic

Cyclonic merupakan unit utama yang digunakan untuk meningkatkan

efisiensi gasifikasi dengan jalan membakar kembali melalui proses sirkulasi. Gas

panas dan debu bercampur kembali ke reaktor. Siklon ini menggunakan gaya

sentrifugal untuk memisahkan padatan dari gas dengan mengarahkan aliran gas

menuju jalur melingkar. Karena pengaruh gaya inersia, partikel tidak akan mampu

mengikuti jalur tersebut sehingga akan terpisahkan dari aliran gas. Meskipun secara

fisik pemisahan partikel cukup kompleks, filter cyclon dengan kinerja yang sudah

diprediksikan sebelumnya dapat dirancang menggunakan teknologi teoritis dan

empiris yang sudah dikembangkan selama ini.

Cyclon (seringkali dirancang sebagai tube berbentuk U) umumnya digunakan

sebagai langkah pembersihan gas yang paling pertama di sebagian besar sistem

gasifikasi karena unit ini dipandang cukup efektif dan relatif murah untuk dibangun

dan dioperasikan. Di dalam gasifier hamparan terfluidakan ataupun entrained bed,

siklon merupakan bagian terintegrasi dalam perancangan reaktor yang digunakan

untuk memisahkan material hamparan dan partikel lainnya dari aliran gas.

Partikel ini efektif untuk memisahkan partikel yang ukurannya lebih besar

dan dapat dioperasikan pada rentang temperatur yang cukup besar. Batasan utamanya

hanya pada segi bahan konstruksi. Siklon, seringkali dirancang dalam bentuk

beberapa unit yang dipasang seri (multi-clones), dapat memisahkan >90% partikel

berdiameter 5 Cm dengan penurunan tekanan minimum 0,01 atm. Pemisahan partikel

dengan diameter 1-5 cm secara parsial juga masih memungkinkan, namun Siklon

36

menjadi tidak efektif untuk memisahkan partikel sub-micron. Karena siklon dapat

dioperasikan pada temperatur tinggi, panas sensible dalam produk gas dapat

dipertahankan.

Siklon juga dapat memisahkan tar yang terkondensasi dan material alkali dari

aliran gas, namun bentuk uap dari kedua jenis kontaminan tersebut masih akan

terbawa oleh aliran gas.

Gambar 2.15 Cyclonic (Anonim, 2007)

2.9 Fuel Feeder

Di dalam teknik pembakaran, bahan-bahan atau partikel padat yang

digunakan kadangkala merupakan bahan padat yang berbahaya bagi manusia. Untuk

itu diperlukan alat pemasukan bahan-bahan tersebut mengingat keterbatasan

kemampuan manusia baik itu berupa kapasitas bahan yang akan diangkut maupun

terhadap keselamatan kerja. Salah satu jenis alat pengangkut yang sering digunakan

adalah conveyor yang berfungsi untuk mengangkut bahan-bahan industri yang

berbentuk padat, sedangkan fuel feeder itu sendiri merupakan pengaplikasian dari

konveyor dalam bentuk yang lebih kecil. Pemilihan alat pemasukan bahan bakar

material padatan antara lain tergantung pada :

Kapasitas material yang ditangani

Jarak perpindahan material

Kondisi pengangkutan : horizontal, vertikal atau

inklinasi

Ukuran (size), bentuk (shape) dan sifat material

(properties)

Harga peralatan tersebut.

Feeder adalah sebuah konveyor yang berukuran pendek yang berfungsi untuk

memasukkan bahan bakar menuju ruang bakar. Konveyor sekrup (screw conveyor)

adalah jenis konveyor yang paling tepat untuk mengangkut bahan padat berbentuk

kecil dan ringan. Pengunaanya dalam kapasitas pemindahan bahan bakar padat yang

berukuran kecil dapat dimodifikasi dimensinya yang disebut screw conveyer feeder.

Alat ini pada dasarnya terbuat dari pisau yang mengelilingi suatu sumbu sehingga

bentuknya mirip sekrup. Pisau berpilin ini disebut

adalah:

- Sectional flight

- Helicoid flight

- Special flight, terbagi:

3.0 Laju Aliran Masa

Laju alir massa

waktu. Satuan SInya adalah

pound per detik. Simbol yang digunakan adalah

didefinisikan (Fluid Mechanics, M. Potter, D.C. Wiggart, Schuam's o

McGraw Hill (USA), 1982

atau aliran massa m melalui permukaan per satuan waktu

menunjukkan notasi Newton

skalar.

ya terbuat dari pisau yang mengelilingi suatu sumbu sehingga

bentuknya mirip sekrup. Pisau berpilin ini disebut flight. Macam

Sectional flight

Special flight, terbagi:

Ribbon flight

Cut flight

Cast iron flight

Gambar 2.16 Screw Feeder

Laju Aliran Masa

aju alir massa adalah massa suatu substansi yang mengalir per

adalah kilogram per sekon, sedangkan di Amerika digunakan

per detik. Simbol yang digunakan adalah (disebut "m-dot")

(Fluid Mechanics, M. Potter, D.C. Wiggart, Schuam's o

McGraw Hill (USA), 1982)

……..................................................(2.30)

melalui permukaan per satuan waktu t. Overdot pada

notasi Newton untuk turunan waktu. Karena massa merupakan besaran

37

ya terbuat dari pisau yang mengelilingi suatu sumbu sehingga

. Macam-macam flight

suatu substansi yang mengalir per satuan

, sedangkan di Amerika digunakan

dot") Laju alir massa

(Fluid Mechanics, M. Potter, D.C. Wiggart, Schuam's outlines,

.................................................(2.30)

. Overdot pada m

massa merupakan besaran