5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Batubara

2.1.1 Pengertian Batubara

Batubara 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)

2.1.2 Analisa Batubara

Ada dua metode untuk menganalisa batubara, yaitu dengan cara analisa ultimate dan

analisa proximate. Analisa ultimate adalah menganalisis seluruh elemen komponen batubara,

padat atau gas. Sedangkan analisa proximate adalah meganalisa hanya fixed carbon, bahan yang

mudah menguap, kadar air dan persen abu. Analisa ultimate harus dilakukan dilaboratorium

dengan peralatan yang lengkap dan oleh para ahli kimia yang terampil, sedangkan analisa

proximate dapat dilakukan dengan peralatan yang sederhana.(Indonesian Science & Teknologi

digital Library 2010)

1) Pengukuran kadar air

Cara untuk mengukur kadar air dilakukan dengan menempatkan sampel bahan baku

batubara yang dihaluskan sampai ukuran 200-mikron dalam krus terbuka, kemudian

dipanaskan dalam oven pada suhu 108 + 20 C dan diberi penutup. Sampel kemudian

didinginkan hingga suhu kamar dan ditimbang lagi. Kehilangan berat merupakan kadar

airnya.

2) Pengukuran bahan yang mudah menguap (volatile matter)

6

Sampel batubara halus yang masih baru ditimbang, ditempatkan pada krus tertutup,

kemudian dipanaskan dalam tungku pada suhu 900 + 150 C. Sampel kemudian didinginkan

dan ditimbang. Sisanya berupa kokas (fixed carbon dan abu).

3) Pengukuran karbon dan abu

Tutup krus dari dari uji bahan mudah menguap dibuka, kemudian krus dipanaskan

dengan pembakar Bunsen hingga seluruh karbon terbakar. Abunya ditimbang, yang

merupakan abu yang tidak mudah terbakar. Perbedaan berat dari penimbangan sebelumnya

merupakan fixed carbon. Dalam praktek, Fixed Carbon atau FC dihitung dari pengurangan

nilai 100 dengan kadar air, bahan mudah menguap dan abu.

a) Analisis proximate

Analisis proximate menunjukan persen berat dari fixed carbon, bahan mudah

menguap, abu, dan kadar air dalam batubara. Jumlah fixed carbon dan bahan yang mudah

menguap secara langsung turut andil terhadap nilai panas batubara. Fixed carbon bertindak

sebagai pembangkit utama panas selama pembakaran. Kandungan bahan yang mudah

menguap yang tinggi menunjukan mudahnya penyalaan bahan bakar. Kadar abu merupakan

hal penting dalam perancangan grate tungku, volum pembakaran, peralatan kendali polusi

dan sistim handling abu pada tungku. Analisis proximate untuk berbagai jenis batubara

diberikan dalam Tabel 2.1

Tabel 2.1 Analisa Proximate Batubara

Parameter Batubara

India

Batubara

Indonesia

Batubara Afrika

Selatan

Kadar air 5,98 9,43 8,5

Abu 38,63 13,99 17

Bahan mudah menguap

(volatile matter) 20,70 29,79 23,28

Fixed Carbon 34,69 46,79 51,22

Sumber: Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia-www.energyefficiencyasia.org

7

Parameter-parameter tersebut digambarkan dibawah.

1. Fixed carbon

Fixed carbon adalah bahan bakar padat yang tertinggal dalam tungku setelah bahan yang

mudah menguap didestilasi. Kandungan utamanya adalah karbon. Selain mengandung

karbon, fixed carbon juga mengandung hidrogen, oksigen, sulfur dan nitrogen yang tidak

terbawa gas. Fixed carbon memberikan perkiraan kasar terhadap nilai panas batubara.

2. 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

didalam 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 volum tungku.

Mempengaruhi kebutuhan udara sekunder dan aspek-aspek distribusi.

Mempengaruhi kebutuhan minyak bakar sekunder.

3. Kadar abu dan akibatnya

Abu merupakan kotoran yang tidak akan terbakar. Kandungan abunya berkisar antara 5%

hingga 40%:

Mengurangi kapasitas handling dan pembakaran.

Meningkatkan biaya handling.

Mempengaruhi efisiensi pembakaran dan efisiensi boiler.

Menyebabkan penggumpalan dan penyumbatan.

4. Kadar air dan akibatnya

8

Kandungan air dalam batubara harus diangkut, di-handling dan disimpan bersama-sama

batubara. Kadar air akan menurunkan kandungan panas per kg batubara, dan kandungannya

berkisar antara 0,5% hingga 10%. Kadar air:

Meningkatkan kehilangan panas, karena penguapan dan pemanasan berlebih dari uap.

Membantu pengikatan partikel halus pada tingkatan tertentu.

Membantu radiasi transfer panas

5. Kadar Sulfur dan akibatnya

Pada umumnya berkisar pada 0,5 % hingga 0,8%. Sulfur:

Mempengaruhi kecenderungan terjadinya penggumpalan dan penyumbatan

Mengakibatkan korosi pada cerobong asap,peralatan lain seperti preheater/pemanas udara

awal dan sekitar economizers

Membatasi suhu gas buang yang keluar dengan jalan memanfaatkan sisa gas buangnya

b) Analisa ultimate

Analisa ultimate menentukan berbagai macam kandungan kimia unsur- unsur seperti

karbon, hidrogen, oksigen, sulfur, dll. Analisis ini berguna dalam penentuan jumlah udara

yang diperlukan untuk pembakaran dan volume serta komposisi gas pembakaran. Informasi

ini diperlukan untuk perhitungan suhu nyala dan perancangan saluran gas buang dll. Analisis

ultimate untuk berbagai jenis batubara diberikan dalam tabel di bawah.

Tabel 2.2 Analisa Ultimate Batu Bara

Parameter Batubara India, % Batubara Indonesia, %

Kadar Air 5,98 9,43

Bahan Mineral (1,1 x Abu) 38,63 13,99

Karbon 41,11 58,96

Hidrogen 2,76 4,16

Nitrogen 1,22 1,02

9

Sulfur 0,41 0,56

Oksigen 9,89 11,88

Sumber: Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia-www.energyefficiencyasia.org

2.2 Biomassa

2.2.1 Pengertian Biomassa

Biomassa adalah sebuah nama yang diberikan untuk material yang tersisa dari suatu

tanaman atau hewan seperti serbuk kayu dari hutan, sekam padi dan jerami padi dari pertanian

serta limbah organik manusia dan hewan. Energi yang terkandung dalam biomassa berasal dari

matahari. Melalui fotosintesis, karbondioksida di udara ditransformasikan menjadi molekul

karbon lain misalnya, gula dan selulosa dalam tumbuhan. Energi kimia yang tersimpan dalam

tanaman dan hewan diakibatkan karena memakan tumbuhan atau hewan lain maka dari itu

didalam kotorannya terdapat suatu energi yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi

dengan kata lain energi ini dikenal dengan nama bio-energi.

Ketika biomassa dibakar maka energi akan terlepas, umumnya energi yang dilepaskan

dalam bentuk panas. Karbon pada biomassa bereaksi dengan oksigen diudara sehingga

membentuk karbondioksida. Apabila dibakar sempurna jumlah karbondioksida yang dihasilkan

akan sama dengan jumlah yang diserap dari udara saat tanaman tersebut tumbuh. Biomassa yang

terdapat di alam bebas bila dibiarkan begitu saja di tanah maka akan terurai dalam waktu yang

lama, melepaskan karbondioksida dan energi yang tersimpan secara perlahan – lahan. Dengan

membakar biomassa, energi yang tersimpan akan dengan cepat terlepas dan dapat dimanfaatkan.

Oleh karena itu proses konversi biomassa sangat bagus untuk menjadikan energi yang berguna

meniru proses alam dengan laju yang lebih cepat. Biomassa dapat digunakan langsung misalnya

membakar kayu digunakan untuk pemanasan, memasak, dan dapat juga digunakan untuk

produksi biofuel cair (biodiesel dan alkohol), atau biogas yang dapat digunakan sebagai

pengganti bahan bakar fosil. Misalnya alkohol dari tebu dapat digunakan sebagai pengganti

bahan bakar bensin atau biogas dari kotoran hewan yang dapat digunakan sebagai bahan

pengganti gas alam.

10

2.2.2 Serbuk Kayu

Salah satu alternatif yang dapat dilakukan dalam menggantikan bahan bakar fosil adalah

dengan mengkonversikan biomassa menjadi bio-oil yaitu dengan cara pirolisis. Sebagai contoh

bahan yang dapat digunakan adalah limbah serbuk gergaji. Bahan serbuk gergaji, mudah

diperoleh dan dapat terbarukan. Bahan ini juga banyak terdapat di Indonesia sebagai negara yang

kaya akan kayu hutan (Alfathoni, 2002). Besar limbah serbuk gergaji yang berasal dari industri

penggergajian adalah 15% yang terdiri dari 1,5% serbuk dari unit utama, 13% serbuk dari unit

kedua dan 0,5% dari unit trimmer (Martono, 2003).

Berdasarkan Direktorat Jenderal Bina Produksi Kehutanan (2006) produksi kayu

gergajian di Sumatera Utara pada tahun 2006 mencapai 66.616 m3. Dengan asumsi bahwa

produksi limbah kayu gergajian sebesar 50% dan serbuk gergajian sebesar 15% (Departemen

Kehutanan 1998/1999, dalam Pari, 2002) maka besarnya limbah kayu gergajian yang dihasilkan

adalah sebesar 9.992,4m3. Besarnya produksi kayu gergajian yang terjadi pada industri

penggergajian, ditunjukkan pada Tabel 2.3

Tabel 2.3 Perkembangan produksi gergaji

2.2.3 Komposisi Biomassa

Pada tabel ultimate analysis kandungan utama yang terdapat pada biomassa adalah

carbon, oksigen, dan hidrogen. Pada tabel ultimate analysis memperlihatkan komposisi dari 13

biomassa. Rumus kimia dari biomassa umumnya diwakili oleh CxHyOz. nilai koefisien dari x,y

dan z ditentukan oleh masing-masing biomassa. Nilai x, y, dan z ditunjukan pada tabel berikut.

Table 2.3 Ultimate analysis of Biomass

11

Sumber K Raveendran et.al, Influence of Mineral Matter on Biomass

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).

1) Nilai kalor tertinggi dan terendah

Biomassa terdiri atas senyawa karbon, hidrogen, dan oksigen dan saat dibakar secara

sempurna akan menghasilkan air dan karbon dioksida. Air dan uap air yang dihasilkan

mengandung kalor laten yang terbebas saat kondensasi. Nilai kalor yang meliputi kalor laten

disebut sebagai nilai kalor tinggi atau high heating value (HHV), sedangkan untuk nilai kalor

dimana kalor laten tidak termasuk dalam sistem tersebut disebut sebagai nilai kalor rendah

atau low heating value (LHV).

...……………………………………..……(2.1)

Dengan sampel bahan uji seperti persamaan :

S.N Biomassa Ultimate Analysis (wt %) HHVa

(MJ/kg)

Density

(kg/m3)

X Y Z %

conversi

on of

carbon

C H N O

1 Ampas tebu 43.8 5.8 0.4 47.1 16.29 111 3.65 5.8 2.94 81

2 Sabut kelapa 47.6 5.7 0.2 45.6 14.67 151 3.97 5.7 2.85 72

3 Batok kelapa 50.2 5.7 0.0 43.4 20.50 661 4.18 5.7 2.71 65

4 sabut empulur 44.0 4.7 0.7 43.4 18.07 94 3.67 4.7 2.71 74

5 Bonggol jagung 47.6 5.0 0.0 44.6 15.65 188 3.97 5.0 2.79 70

6 tangkai jagung 41.9 5.3 0.0 46.0 16.54 129 3.49 5.3 2.88 82.3

7 Limbah kapas 42.7 6.0 0.1 49.5 17.48 109 3.56 6.0 3.10 87

8 Kulit kacang 48.3 5.7 0.8 39.4 18.65 299 4.03 5.7 2.46 61.2

9 Jerami padi 42.7 6.0 0.1 33.0 17.48 201 3.56 6.0 2.063 58

10 Sekam padi 38.9 5.1 0.6 32.0 15.29 617 3.24 5.1 2.0 62

11 Tangkai padi 36.9 5.0 0.4 37.9 16.78 259 3.08 5.0 2.37 82.4

12 Serbuk kayu 48.2 5.9 0.0 45.1 19.78 259 4.02 5.9 2.82 70.2

13 Jerami gandum 47.5 5.4 0.1 35.8 17.99 222 3.96 5.4 2.24 56.5

Average 44.6 5.5 0.3 41.8 17.32 253.84 3.72 5.49 2.61 70.89

12

…….........………………………………… (2.2)

2.2.4 Pemanfaatan Energi Biomassa.

Agar biomassa ini dapat digunakan sebagai bahan bakar maka diperlukan teknologi untuk

mengkonversi biomassa tersebut. Ada beberapa teknologi untuk mengkonversikan biomassa,

dijelaskan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Teknologi Biomassa

Sumber : Jurnal Teknik Kimia Unsri,no 2 Vol 5, April 200

Pirolisis

Gasifikasi

Indirect

liquefaction

Direct liquefaction

Esterifikasi/

transesterifikasi

Syngas/gas fuel

Pembakaran

langsung Panas

Pengarangan Bahan bakar padat

Bahan bakar

cair

Biodiese

l

Biomassa

non-thermal

Pencernaan

anaerobik

Fermentasi

hidrolisis

Gas metan

Etanol

thermal

13

Secara umum teknologi konversi biomassa menjadi bahan bakar dapat dibedakan menjadi

tiga yaitu pembakaran langsung, konversi termokimiawi dan konversi biokimiawi. Berikut

adalah proses yang biasanya dipakai untuk memanfaatkan biomassa.

1. Biobriket.

Briket adalah cara yang digunakan untuk mengkonversikan energi biomassa ke bentuk

biomassa lain dengan cara dimampatkan atau dipadatkan sehingga bentuknya menjadi lebih

teratur. Briket yang terkenal adalah briket batubara namun tidak hanya batubara saja yang

bisa dibuat menjadi brike namun biomassa lain seperti sekam padi, arang sekam, serbuk

kayu, dan limbah-limbah biomassa lainnya dapat dijadikan briket.

2. Pirolisa.

Pirolisa adalah penguraian biomassa (lysis) karena panas (pyro) pada suhu yang

lebih dari 150oC. Pada proses pirolisa terdapat beberapa tingkatan proses, yaitu pirolisa

primer dan pirolisa sekunder. Pirolisa primer adalah pirolisa yang terjadi pada bahan baku

(umpan), sedangkan pirolisa sekunder adalah pirolisa yang terjadi atas partikel dan gas/uap

hasil pirolisa primer. Penting diingat bahwa pirolisa adalah penguraian karena panas,

sehingga keberadaan O2 dihindari pada proses tersebut karena akan memicu reaksi

pembakaran, dengan kata lain oksigen tidak diperlukan dalam proses pirolisa.

3. Liquification

Liquification merupakan proses perubahan wujud dari gas ke cair dengan proses

kondensasi, biasanya melalui pendinginan, atau perubahan dari padat ke cair dengan

peleburan, bisa juga dengan pemanasan atau penggilingan dan pencampuran dengan cairan

lain untuk memutuskan ikatan. Pada bidang energi liquification tejadi pada batubara dan gas

berubah bentuk menjadi cair untuk menghemat transportasi dan memudahkan dalam

pemanfaatannya.

4. Biokimia

Pemanfaatan energi biomassa yang lain adalah dengan cara proses biokimia. Contoh

proses yang termasuk ke dalam proses biokimia adalah hidrolisis, fermentasi dan anaerobic

14

digestion. Anaerobic digestion adalah penguraian bahan organik atau selulosa menjadi CH4

dan gas lain melalui proses biokimia. Adapun tahapan proses anaerobik digestion adalah

diperlihatkan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Skema Pembentukan Biogas

Sumber : Jurnal Teknik Kimia Unsri,no 2 Vol 5, April 2004

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 (hidrolisa) 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 untuk mencapai kadar

etanol di atas 99.5%.

5. Transesterifikasi

Transesterifikasi adalah proses kimiawi yang mempertukarkan grup alkoksi pada

senyawa ester dengan alkohol.

15

2.2.5 Produk Biomassa

Terdapat tiga tipe bahan bakar yang dihasikan dari pengolahan bahan biomassa yang biasa

digunakan untuk berbagai macam kebutuhan, yaitu :

1. Cairan (ethanol, biodiesel, dan methanol)

2. Gas (biogas (CH4, CO2), producer gas (CO, H2, CH4, CO2), syngas (CO, H2)

3. Padat (Arang)

Penggunaan etanol dan biodiesel sebagai bahan bakar kendaraan tranportasi dapat

mengurangi emisi gas CO2. Oleh karena itu biomassa bukan hanya energi terbarukan tapi juga

bersih atau ramah lingkungan, dan dapat digunakan sebagai sumber energi secara global.

Biomassa merupakan sumber energi tertua yang dikenal oleh manusia, kontribusinya

terhadap total pemanfaatan energi di Indonesia bahkan di dunia masih sangat kecil. Pemahaman

akan keterbatasan cadangan sumber energi fosil dan kepedulian terhadap keberlangsungan

penyediaan sumber energi tersebut menyebabkan munculnya ketertarikan peneliti terhadap

pemanfaatan biomassa pada tahun 1970an. Akan tetapi harga energi yang terus menurun saat itu

menyebabkan perkembangan teknologi biomassa tidak begitu pesat. Hingga pada tahun 1980an

kepedulian terhadap emisi CO2 yang disebabkan oleh penggunaan energi fosil mengakibatkan

dikeluarkannya peraturan Kyoto Protocol untuk membatasi emisi CO2 yang boleh dilepas ke

udara.

2.3 Pasir silika

Material hamparan (bed material) yang digunakan pada gasifikasi fluidized bed sangat

berpengaruh terhadap berhasil tidaknya proses fluidisasi yang dihasilkan. Material hamparan

adalah suatu jenis bahan yang digunakan pada sistem gasifikasi fluidized bed sebagai media

fluidisasi dan media penyimpan panas. Pada gasifikasi fluidized bed, material hamparan ini akan

difluidisasi dengan menggunakan dorongan angin gasifikasi seperti udara, oksigen, uap atau

campurannya. Jenis material hamparan yang sering digunakan pada gasifikasi adalah pasir silika,

limestone dan dolomite.

Dalam studi ini akan digunakan pasir silika (quartz sand) sebagai material hamparan,.

karena memiliki kalor jenis (specific heat), merupakan material yang sangat baik dalam

16

menyimpan kalor. Semakin kecil nilai kalor jenis suatu material, maka akan semakin mudah

untuk menaikkan suhu material tersebut. Pasir silika memiliki titik lebur yang tinggi sampai

mencapai 1800oC, sehingga sangat cocok digunakan untuk aplikasi gasifikasi fluidized bed.

Disamping untuk material hamparan pada gasifikasi fluidized bed, pasir silika banyak digunakan

dalam industri semen, gelas, pengecoran besi baja, keramik dan lain-lain.

2.4 Gasifikasi

Gasifikasi adalah proses yang merubah biomassa menjadi gas yang dapat dibakar. Secara

umum, proses gasifikasi melibatkan empat tahapan proses berupa drying, pyrolisis, oksidasi

parsial dan reduksi. Drying merupakan tahapan pertama dari proses gasifikasi, yaitu proses

penguapan kandungan air didalam biomassa melalui pemberian sejumlah panas pada interval

suhu 100 ~ 3000C. Pada drying ini, biomassa tidak mengalami penguraian unsur-unsur kimianya

(dekomposisi kimia), tetapi hanya terjadi pelepasan kandungan air dalam bentuk uap air. Proses

drying dilanjutkan dengan dekomposisi termal kandungan volatile matter berupa gas dan

menyisakan arang karbon, dimana proses ini biasa disebut sebagai pirolisis. Proses pirolisis

merupakan proses eksoterm yang melepas sejumlah panas pada interval suhu 300 ~ 600 0C.

Selanjutnya sisa arang karbon akan mengalami proses oksidasi parsial, dimana proses ini

merupakan proses eksoterm yang melepas sejumlah panas pada interval suhu diatas 6000C.

Panas yang dilepas dari proses oksidasi parsial ini digunakan untuk mengatasi kebutuhan panas

dari reaksi reduksi endotermis dan untuk memecah hidrokarbon yang telah terbentuk selama

proses pirolisis. Proses reduksi gas CO2 dan H2O ini terjadi pada interval suhu 400 ~ 900 0C.

Reduksi gas CO2 melalui reaksi kesetimbangan Boudouard equilibrium reaction dan reduksi gas

H2O melalui reaksi kesetimbangan water-gas reaction, dimana reaksi-reaksi tersebut secara

dominan dipengaruhi oleh suhu dan tekanan.

Produk gas terdiri atas karbonmonoksida (CO), karbondioksida (CO2), hidrogen (H2),

metan (CH4), sedikit hidrokarbon berantai lebih tinggi (etena, etana), air, nitrogen (apabila

menggunakan udara sebagai oksigen), dan berbagai kontaminan seperti partikel arang, debu, tar,

hidrokarbon rantai tinggi, alkali, amoniak, asam, dan senyawa-senyawa sejenisnya.

17

2.4.1 Teknologi Co-Gasifikasi

Teknologi co-gasifikasi adalah proses gasifikasi bersama antara dua jenis bahan bakar,

dalam hal ini adalah bahan bakar utama berupa batu bara dan biomassa sampah organik

pertanian, perkebunan, dan rumah tangga. Teknologi ini diterapkan untuk menghasilkan

karakteristik gas yang ramah lingkungan. Sampah/biomassa memiliki kandungan sulfur dan

nitrogen yang sangat rendah sehingga pembakarannya menghasilkan SO2 dan NOx yang rendah

pula

2.4.2 Reaktor Gasifikasi

Saat ini terdapat 3 (tiga) jenis utama reaktor gasifikasi yaitu reaktor unggun bergerak

(moving bed), reaktor unggun terfluidakan (fluidized bed), dan reaktor entrained flow. Ketiga

jenis reaktor tersebut memiliki keunggulan dan kelemahan masing-masing yang akan diuraikan

pada sub bab berikutnya.

Tabel 2.4 Kelebihan dan Kelemahan Gasifier

Jenis gasifier Kelebihan Kelemahan

Updraft

Gasifier

a. menghasilkan pembakaran yang

sangat bersih

b. lebih mudah dioperasikan

c. arang yang dihasilkan lebih sedikit

a. menghasilkan sedikit

metan

b. tidak dapat beroperasi

secara kontinyu

c. gas yang dihasilkan

tidak kontinyu

Dwondraft

Gasifier a. dapat beroperasi secara kontinyu

b. suhu gas tinggi

a. tar yang dihasilkan lebih

banyak

b. produksi asap terlalu

banyak selama operasi

c. menghasilkan arang

lebih banyak

Crossdraft

Gasifier

a. suhu gas yang keluar tinggi

b. reduksi CO2 rendah

a. komposisi gas yang

dihasilkan kurang bagus

18

c. kecepatan gas tinggi

d. tempat penyimpanan,

pembakaran dan zona reduksi

terpisah

e. kemampuan pengoperasiannya

sangat bagus

f. waktu mulai lebih cepat

b. gas CO yang dihasilkan

tinggi, gas H rendah

c. gas metan yang

dihasilkan juga rendah

Fluidized bed

Gasifier

a. reaktor mempunyai kemampuan

untuk memproses fluida dalam

jumlah yang besar

b. pengendalian temperatur lebih

baik

c. pencampuran (mixing) yang

bagus untuk katalis dan reaktan

a. rancang bangunannya

kompleks sehingga

biaya pembuatannys

mahal

b. jarang digunakan di

dalam laboratorium

1. Updraft Gasifier

Pada tipe ini udara masuk melalui arah bawah dan mengoksidasi arang secara parsial untuk

Gambar 2.3 Updraft gasifier

Sumber : Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004

menghasilkan CO dan H2 (jika digunakan uap) dan ditambah N2 (jika digunakan udara).

Gas ini kemudian bertemu dengan biomassa. Gas yang sangat panas tersebut mempirolisa

19

biomassa, menghasilkan karbon padatan (arang), uap air dan 10 - 20% uap minyak pada

temperatur 100 - 400 oC, tergantung pada kadar air biomassa. Selanjutnya arang akan dioksidasi

parsial oleh udara dan menghasilkan gas.

2. Downdraft Gasifier

Udara masuk menyebabkan pirolisis (flaming pyrolisis) biomassa. Proses ini

mengkonsumsi uap-uap minyak dan menghasilkan gas reduksi partial CO, CO2, H2 dan H20,

serta sedikit metan sekitar 0,1%. Gas panas bereaksi dengan arang untuk mereduksi gas lebih

lanjut dan meninggalkan sekitar 2-5% abu arang. Berdasar gas yang perlukan untuk proses

gasifikasi, terdapat gasifikasi udara dan gasifikasi uap. Gafisikasi udara, dimana gas yang

digunakan untuk proses gasifikasi adalah udara. Gasifikasi uap, gas digunakan untuk proses

adalah uap.

Gambar 2.4 Downdraft Gasifier

Sumber : Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004

3. Crossdraft Gasifier

Mungkin gasifikasi tipe cross-draft lebih menguntungkan dari pada updraft dan down-draft

gasifier. Keuntungannya seperti suhu gas yang keluar tinggi, reduksi CO2 yang rendah dan

kecepatan gas yang tinggi yang dikarenakan desainnya. Tidak seperti down-draft dan up-drat

gasifier, tempat penyimpanan, pembakaran, dan zona reduksi pada cross-draft gasifier terpisah.

20

Untuk desain bahan bakar yang terbatas untuk pengoperasian rendah abu bahan bakar seperti

kayu, batu bara, limbah pertanian. Kemampuan pengoperasiannya sangat bagus, menyebabkan

konsentrasi sebagian zona beroperasi diatas suhu 200oC. Waktu mulai (start up) 5-10 menit jauh

lebih cepat daripada down-draft dan up-draft gasifier. Pada cross-draft dapat menghasilkan

temperatur yang relatif tinggi, komposisi gas yang dihasilkan kurang baik seperti tingginya gas

CO dan rendahnya gas hidrogen serta gas metana.

Gambar 2.5 Crossdraft Gasifier

Sumber : Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004

4. Fluidised bed gasifiers

Gasifikasi fluidised bed ini awalnya dikembangkan untuk mengatasi masalah operasional

pada gasifikasi moving bed yang menghasilkan kadar abu yang tinggi, tetapi sangat cocok untuk

kapasitas lebih besar (lebih besar dari 10 MWth) pada umumnya. Fitur dari gasifikasi fluidised

bed dapat dibandingkan dengan pembakaran fluidised bed. Dibandingkan dengan moving bed

gasifiers yang temperatur gasifikasinya relatif rendah sekitar 750-900°C. Dalam moving bed

gasifiers suhu di zona perapian mungkin setinggi 1200°C, dalam gasifiers arang suhunya bahkan

1500°C. Bahan bakar ini dimasukkan ke dalam pasir panas yang dalam keadaan suspensi

(fluidised bed gelembung) atau sirkulasi (sirkulasi fluidised bed). Bed berperilaku kurang lebih

seperti fluida dan ditandai dengan turbulensi yang tinggi. Pencampuran partikel bahan bakar

21

yang sangat cepat dengan material bed, sehingga dalam pirolisis cepat dan jumlah gas pirolisis

yang relatif besar. Karena suhu rendah konversi tar tidak terlalu tinggi.

Gambar 2.6 Fluidized bed gasifiers

Sumber : Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004

Tabel 2.5 Aspek-aspek Teknis Gasifikasi menggunakan Fluidized Bed

Gasifikasi bertekanan

(+) Peralatan disisi hilir lebih kecil dan secara

umum lebih murah terutama untuk peralatan

berskala kecil

(-) Reaktor gasifikasi (gasifier) memakan biaya

yang lebih besar apabila skala proses lebih

kecil

(-) Sulit menjaga laju massa di dalam gasifier

agar tetap konstan, sehingga pengalaman

operasi masih terbatas pada proyek-proyek

demo

Gasifikasi atmosferik

(-) Ukuran peralatan di sisi hilir lebih besar

(+) Reaktor gasifikasi (gasifier) memakan biaya

yang lebih murah apabila skala proses lebih

kecil

(+) Terdapat banyak pengalaman komersial

menggunakan udara sebagai agen gasifikasi

Oksigen

(-) Dibutuhkan pabrik pemisahan udara, sehingga

skala kecil kurang ekonomis

(+) Tidak terjadi pelarutan gas sintesis oleh N2

Udara

(+) Proses lebih murah

(+) Gas sintesis larut dalam N2, berpengaruh

pada selektivitas C5+

Pemanasan langsung

(+) Produksi tar lebih sedikit

Pemasan Tidak Langsung

(-) Produksi tar lebih banyak

22

Sumber: Exploration of the possibelities for production of Ficher Tropsch liquids and power via biomass

gasification, Tijmensu, 2002

5. Recirculasi/ Cyclonic

Cyclonic merupakan unit utama yang digunakan untuk meningkatkan efisiensi gasifikasi

dengan jalan membakar kembali melalui proses sirkulasi. Gas panas dan tar,debu bercampur

kembali ke reactor. 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 siklon dengan kinerja yang sudah

diprediksikan sebelumnya dapat dirancang menggunakan teknologi teoritis dan empiris yang

sudah dikembangkan selama ini.

Siklon (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

unggun terfluidakan ataupun entrained bed, siklon merupakan bagian terintegrasi dalam

perancangan reaktor yang digunakan untuk memisahkan material unggun 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 micron dengan penurunan

tekanan minimum 0,01 atm. Pemisahan partikel dengan diameter 1-5 micron secara parsial juga

masih memungkinkan, namun Siklon 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.

Dalam praktiknya, pemisahan sejumlah tar secara signifikan dapat dilakukan secara sekuensial

dengan cara memisahkan partikel.

23

Teknologi siklon merupakan teknologi yang sudah matang dan pengembangannya di

masa depan akan terus dikembangkan untuk mendapatkan hasil yang lebih maximal.

Gambar 2.7 cyclone CFB

Konsep gasifikasi CFB di Finland, dilengkapi dengan cyclone sistem.

Sumber: Technical Research Centre of Finland 2002

6. Reaktor Entrained Flow

Reaktor entrained flow dapat dibagi menjadi 2 (dua) jenis yaitu slagging dan non slagging.

Di dalam gasifier slagging, komponen-komponen yang terbentuk dari parikel debu dapat meleleh

di dalam gasifier, mengalir turun di sepanjang dinding reaktor, dan meninggalkan reaktor dalam

bentuk slag cair. Secara umum, laju alir massa slag sekurang-kurangnya 6 % dari laju alir bahan

bakar untuk memastikan proses berjalan dengan baik. Di dalam gasifier non slagging, dinding

reaktor tetap bersih dari slag. Jenis gasifier ini cocok untuk umpan yang kandungan partikel debu

nya tidak terlalu tinggi.

24

Gambar 2.8 reaktor entrained flow

Sumber : Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004

Kelakuan partikel debu yang dihasilkan oleh biomassa diteliti secara detail oleh

Boerrigter H., dkk (2004). Hasil eksperimen menunjukkan bahwa partikel debu yang dihasilkan

oleh biomassa, khususnya biomassa kayu, sulit meleleh pada temperatur operasi gasifier

entrained flow (1300-1500 oC). Hal tersebut disebabkan kenyataan bahwa partikel debu tersebut

banyak mengandung CaO. Oleh karena itu gasifier non slagging sepertinya menjadi pilihan

utama untuk proses gasifikasi, juga dengan pertimbangan bahwa jenis gasifier ini lebih murah.

Akan tetapi gasifier entrained flow jenis slagging lebih disukai untuk operasi gasifikasi dengan

umpan biomassa. Alasan yang paling penting adalah (1) pelelehan sebagian kecil komponen

partikel debu tidak akan pernah dapat dihindari dan (2) gasifier entrained flow jenis slagging

lebih fleksibel terhadap jenis biomassa yang akan digunakan.

Fleksibilitas jenis umpan ini bahkan dapat diperluas hingga ke batu bara. Penambahan

agen fluks seperti silica atau clay diperlukan. Selain itu recycle slag juga diperlukan.

Penggunaan reaktor entrained flow jenis slagging untuk batu bara sudah dapat diaplikasikan.

Oleh karena itu, penambahan material fluks menyebabkan slag yang dihasilkan melalui

gasifikasi biomassa menjadi mirip dengan slag yang dihasilkan oleh gasifikasi batu bara.

Sehingga tidak terdapat permasalahan untuk proses gasifikasi itu sendiri apabila umpan yang

digunakan bukan batu bara, melainkan biomassa.

25

Akan tetapi tantangan utama yang timbul adalah dalam hal pengumpanan biomassa.

Sebagaimana telah dikaji oleh peneliti-peneliti di seluruh dunia, proses gasifikasi dapat terjadi

pada tekanan yang berbeda, melalui proses pemanasan langsung ataupun tidak langsung, serta

menggunakan udara atau oksigen.

2.4.3 Dasar Proses Gasifikasi

1. Zona Pengeringan

Bahan bakar padat dimasukkan 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.

a. mild pyrolysis

b. slow pyrolysis

c. fast pyrolysis

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 pyrolysis yang 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 menghasilkan carbon dioksida, carbon monoksida, air, asam

asetat, dan methanol. Mild pyrolysis meningkatkan densitas energi dari biomssa.

26

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

reaksi yang tidak dikenal, tetapi orang 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 di

zona panas cukup lama. Jika waktu tinggal 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 sangat eksotermik dan 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:

1) mengurangi luas penampang pada ketinggian tertentu dari reaktor (konsep

"tenggorokan").

2) penyebaran nozel inlet udara di atas lingkar mengurangi cross-sectional area, atau

alternatif menggunakan inlet udara sentral dengan perangkat penyemprotan.

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

27

zona reduksi adalah gas mudah terbakar yang dapat digunakan sebagai bahan bakar gas dalam

pembakaran dan setelah pembuangan abu dan pendinginan cocok untuk motor bakar dalam.

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 :

Bourdouar reaction:

C + CO2 = 2 CO – 172 (MJ/kmol)

Steam-carbon reaction :

C + H2O = CO + H2 – 131 (MJ/kmol)

Water-gas shift reaction:

CO + H2O = CO2 + H2 + 41 (MJ/kmol)

CO methanation :

CO + 3 H2 – 206 (MJ/kmol) = CH4 + H2O

2.4.4 Parameter – Parameter Penting dalam Proses Gasifikasi

Menurut Belonio (2005), 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.

28

2) Spesific Gasification Rate (SGR)

SGR mengindikasikan 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 = .…………………………………………….....(2.1)

3) FCR (Fuel Consumtion Rate)

Biomassa yang dibutuhkan pada proses gasifikasi dapat dihitung menggunakan

rumus:

FCR = ……………………………………………….(2.2)

= ……………………………………………….(2.3)

4) GFR (Gas Fuel Ratio).

GFR (Gas Fuel Ratio) dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:

GFR = .......……………………………………………….…(2.4)

5) Prosentase (%) Char

Prosentase (%) char adalah perbandingan banyaknya arang yang dihasilkan dengan

banyaknya biomassa yang dibutuhkan.Prosentase( %) char dapat dihitung menggunakan

rumus :

% char = .........…...……….………………...…………….….(2.5

29

6) Waktu konsumsi bahan bakar

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

menjadi gas dari bahan bakar padat di dalam reaktor. Ini termasuk waktu untuk menyalakan

bahan bakar dan waktu untuk menghasilkan gas, ditambah waktu untuk benar-benar

membakar semua bahan bakar dalam reaktor. Kepadatan dari bahan bakar padat (ρ), volume

reaktor (Vr), dan konsumsi bahan bakar tingkat (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 = ………………………………………………………………………………....(2.6)

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 di gasifying serbuk kayu. Seperti ditunjukkan, ini dapat hanya

ditentukan dengan menggunakan tingkat konsumsi serbuk kayu bahan bakar (FCR), udara

stoikiometri dari bahan bakar (SA), dan rasio ekuevalensi (ε) untuk gasifying 0,3 sampai 0,4.

Seperti ditunjukkan, ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

AFR = .....…….……………………………………………………………..(2.7)

Dimana:

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

30

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

2.4.5 Efisiensi gasifikasi

Penelitian parameter-parameter yang mempengaruhi efisiensi gasifier dilakukan oleh

Jayah, dkk (2003). Parameter-parameter tersebut yaitu kandungan moisture, temperatur udara

masuk, dan heat loss. Mereka menyimpulkan bahwa kandungan moistur bahan-bakar semakin

tinggi, nilai kalor syngas semakin rendah, dengan kata lain efisiensi gasifikasi semakin kecil

dengan tingginya kandungan moisture bahan-bakar. Nilai tertinggi dari kandungan moistur dari

bahan-bakar tidak boleh lebih dari 33%. Untuk pengaruh temperatur udara masuk, semakin

tinggi temperatur udara masuk gasifier akan menaikan efisiensi gasifikasi. Disamping itu,

pemanasan udara masuk bisa

menurunkan air fuel ratio. Sedangkan pengaruh besarnya heat loss, semakin kecil heat loss

semakin besar pengaruhnya terhadap efisiensi konversi gasifikasi.

Prins, dkk., (2007) menjabarkan beberapa parameter penting yang mempengaruhi efisien

gasifikasi. Khususnya pengaruh temperatur dan besarnya nilai dari equivalen ratio gasifikasi.

Untuk bahan-bakar biomassa dengan nilai prosentasi karbon yang rendah, temperatur gasifikasi

dikondisikan pada 7820 C - 927

0 C pada equivalen 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, temperature harus tinggi > 9270C

dan equivalen ratio 0,4. Tetapi, pada kondisi tersebut prosentase tar yang dihasilkan sangat

tinggi. Untuk mengatasi hal tersebut, ada dua cara yaitu memanaskan udara masuk gasifier dan

memperlama waktu tinggal (residence time) produk gas.

Efisiensi gasifikasi didapat dengan perbandingan energi input dan energi output dari

carbon convertion rate (CCR). Dalam hal ini yaitu apabila gas sebuah proses gasifikasi

dimanfaatkan untuk proses pembakaran dalam maka efisiensi gasifikasi merupakan efisiensi

cold-gas dimana gas yang dihasilkan akan didinginkan sampai temperature ambient sebelum

dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Untuk cold-gas efisiensi dapat dijabarkan sebagai berikut:

31

………………………………………………………………………..…….…(2.8)

Dimana:

Mb = Fuel consumption ( kg/sec)

Cb = Heating value of fuel ( kJ/m3)

Vg= Gas generation rate (m3/sec)

qg = Heating value of the gas (kJ/m3)

2.5 Fluidisasi

Bila suatu zat cair atau gas dilewatkan melalui lapisan hamparan partikel padat pada

kecepatan rendah, partikel-partikel itu tidak bergerak. Jika kecepatan fluida berangsur-angsur

dinaikan partikel-partikel itu akhirnya akan mulai bergerak dan melayang di dalam fluida. Istilah

“fluidisasi” (fluidization) dan “hamparan fluidisasi” (fluidized bed) bisa digunakan untuk

memeriksa keadaan partikel yang seluruhnya dalam keadaan melayang (suspensi), karena

suspense ini berlaku seakan-akan fluida rapat. Jika hamparan itu dimiringkan, permukaan

atasnya akan tetap horizontal. Dan benda-benda besar akan mengapung atau tengelam di dalam

hamparan itu tergantung pada perbandingan densitasnya terhadap suspense zat padat yang

terfluidisasi dapat dikosongkan dari hamparannya melalui pipa dan katup sebagaimana halnya

suatu zat cair dan sifat fluidisasi ini merupakan keuntungan utama dari penggunaan fluidisasi

menangani zat padat.

2.5.1 Karakteristik Fluidisasi

Bila zat cair atau gas dilewatkan melalui lapisan hamparan partikel pada kecepatan

rendah, partikel-partikel itu tidak bergerak (diam). Jika kecepatan fluida berangsur-angsur

dinaikkan, partikel-partikel itu akhirnya akan mulai bergerak dan melayang di dalam fluida, serta

berperilaku seakan-akan seperti fluida rapat.

Jika hamparan itu dimiringkan, permukaan atasnya akan tetap horizontal, dan benda-

benda besar akan mengapung atau tengelam di dalam hamparan itu tergantung pada

perbandingan densitas dari partikel tersebut.

32

2.5.2 Jenis-Jenis Fluidisasi

1. Fluidisasi Partikulat (Particulate Fluidization)

Fluidisasi partikulat adalah jenis fluidisasi yang menggunakan zat cair sebagai fluidanya.

Ekspansi hamparan yang terjadi cukup besar dan seragam pada kecepatan tinggi. Partikel-

partikel itu bergerak menjauh satu sama lain dan gerakannya bertambah hebat dengan

meningkatnya kecepatan, tetapi densitas hamparan rata-rata pada kecepatan tinggi.

2. Fluidisasi Gelembung (Bubbling Fluidization)

Fluidisasi gelembung adalah jenis fluidisasi yang menggunakan udara sebagai fluidanya.

Pada fluidisasi ini kebanyakan gas akan mengalir melalui hamparan dalam bentuk gelembung

atau rongga-rongga yang tidak berisikan zat padat dan hanya sebagian kecil gas itu mengalir

dalam saluran-saluran yang berbentuk diantara partikel. Gelembung yang terbentuk berprilaku

hampir seperti gelembung udara didalam air atau gelembung uap didalam zat cair yang

mendidih. Karena itu fluidisasi jenis ini kadang-kadang dinamai dengan istilah hamparan didih

(boiling bed)

2.5.3 Rumus-rumus Umum Fluidisasi

Volume dan Luas Permukaan Padatan

Volume padatan:

Vs = (m3) ..……………………………………………………….…(2.10)

Luas permukaan padatan:

As = (m2) ……………………………………………….,………...…(2.11)

dimana: As = luas permukaan padatan (m2)

Vs = volume padatan (m3)

φ = sphericity (faktor kebolaan)

33

dm = diameter rata-rata (m)

2.5.4 Fraksi Ruang Kosong (voidage)

(ms mb)

.................................................................(2.12)

2.5.5 Kecepatan Minimum Fluidisasi (Umf)

Langkah pertama adalah menentukan fraksi ruang kosong (εmf) yang terjadi di dalam bed

(hamparan) dengan mengunakan persamaan sebagai berikut:

dimana: φ = faktor kebolaan pasir silika

Selanjutnya adalah menentukan bilangan Archimedes (Ar) dengan menggunakan

persamaan sebagai berikut:

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)

34

Bilangan Archimedes (Ar) ini akan digunakan untuk menentukan bilangan Reynolds

(Remf) dengan menggunakan Ergun equation sebagai berikut:

Setelah bilangan Reynolds dapat dihitung dengan rumus di atas, maka kecepatan

minimum fluidisasi (Umf) dapat ditentukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

Umf = (m/s) …………………………………………………………...(2.13)

2.5.6 Ekspansi Ketinggian Hamparan Fluidisasi (ΔHa)

Kecepatan bubble (Ub) :

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) t bubble ……...…………………….(2.14)

2.6 Pembakaran Bahan bakar

2.6.1 Nilai Pembakaran

35

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) tentang pembakaran bahan bakar rumus untuk mentukan heating

value adalah sebagai berikut:

Qhigh = 33915 C + 144033 ( H - O/8 ) + 10648 S (kJ/kg) ………..………....……………...(2.15)

Qlow = 33915 C + 121423 ( H - O/8 ) + 10648 S – 2512(W + 9 x O/8) (kJ/kg)…………….(2.16)

Qhigh = nilai pembakaran tertinggi atau highest heating value, yang dalam hal ini uap air

yang terbentuk dari hasil pembakaran dicairkan terlebih dahulu, sehingga panas

pengembunannya turut dihitung serta dinilai sebagai panas pembakaran yang terbentuk.

Qhigh = nilai pembakaran tertinggi atau lowest heating value, yang dalam hal ini uap air

yang terbentuk dari hasil pembakaran tidak perlu dicairkan terlebih dahulu, sehingga panas

pengembunannya tidak turut dihitung serta tidak dinilai sebagai panas pembakaran yang

terbentuk.

2.6.2 Jumlah Udara Pembakaran

Jika susunan bahan bakar diketahui, maka dapat dihitung jumlah kebutuhan udara

pembakaran untuk pembakaran sempurna. 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 ………………………………………………………….(2.17)

Hidrogen (H) terbakar menjadi H20 menurut persamaan:

36

4 H + O2 = 2H2O

4 kg H + 32 O2 = 36 kg H2O

1kg H + 8kg O2 = 9 kg H2O …………………………………………………………(2.18)

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 ………………………………………………………….(2.19)