Proposal tesis ini membahas pengaruh penambahan dry scrubber terhadap unjuk kerja downdraft gasifier dengan feedstock biomassa. Tujuannya adalah mengetahui pengaruh dry scrubber terhadap karakteristik dan unjuk kerja gasifier. Dry scrubber diharapkan dapat menurunkan temperatur syngas dan mengurangi kandungan tar."
Metode numerik Bidang Teknik Sipil perencanaan.pdf
Proposal Tesis Nashrul Chanief Hidayat.pptx
1. PROPOSAL TESIS
PENGARUH PENAMBAHAN DRY SCRUBBER TERHADAP UNJUK
KERJA DOWNDRAFT GASIFIER DENGAN FEEDSTOCK BIOMASSA
Oleh:
Nashrul Chanief Hidayat
19/452088/PTK/13116
16 Juni 2021
2. BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Indonesia merupakan negara tropis yang meiliki sumber energi melimpah. Sumber energi baru terbarukan (EBT)
merupakan solusi untuk menggantikan peran energi fosil.
Potensi biomassa untuk tenaga listrik mencapai 13.662 MWe, energi termanfaatkan 1.364 Mwe dengan 75,5 MWe yang
terpasang ke grid atau 10% dari produksi energi nasional (Program Strategis EBTKE dan Ketenagalistrikan tahun, 2016).
Sekam padi dan kulit buah kakao merupakan salah satu jenis biomassa yang memiliki potensi sebagai sumber energi baru
terbarukan melalui proses gasifikasi.
Downdraft gasifier merupakan jenis fixed bed gasifier dengan konstruksi sederhana dengan produksi tar < 1 g/Nm³.
Temperatur syngas ketika keluar dari downdraft gasifier dengan feedstock sekam padi dan serbuk gergaji
berkisar 200-400°C (Susastriawan, 2019). Batas kandungan tar pada syngas pada internal combustion engine
yaitu berkisar 50-100 mg/Nm³.
Upaya yang dapat dilakukan untuk menurunkan temperatur syngas dan mengurangi produksi tar yaitu dengan penambahan
dry scrubber.
3. BAB I
PENDAHULUAN
1.2. Rumusan Masalah
Bagaimana pengaruh penambahan dry scrubber terhadap karakteristik downdraft gasifier?
Bagaimana pengaruh penambahan dry scrubber terhadap unjuk kerja downdraft gasifier?
4. BAB I
PENDAHULUAN
1.3. Batasan Masalah
Gasifier yang digunakan adalah jenis downdraft skala kecil, kapasitas <100 kWth.
Media gasifikasi yang digunakan adalah udara.
Variasi equivalence ratio yang digunakan adalah 0,15, 0,20, dan 0,25.
Feedstock yang digunakan pada untuk proses gasifikasi adalah sekam padi.
Media dry scrubber yang digunakan adalah kulit kakao dengan ukuran 1 cm, 2 cm, dan 3 cm.
Karakteristik gasifier yang diteliti adalah temperatur aksial zona gasifikasi dan dry scrubber, temperatur syngas saat masuk
dan keluar dry scrubber, komposisi gas mampu nyala, nilai kalor dan kandungan tar pada syngas sebelum dan setelah dry
scrubber.
Unjuk kerja gasifier dinyatakan dalam nilai kalor syngas dan cold gas efficiency.
5. BAB I
PENDAHULUAN
1.4. Tujuan Penelitian
Mengetahui pengaruh penambahan dry scrubber terhadap karakteristik downdraft gasifier.
Mengetahui pengaruh penambahan dry scrubber terhadap unjuk kerja downdraft gasifier.
6. BAB I
PENDAHULUAN
1.5. Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat membantu mengembangkan teknologi gasifikasi dengan pemanfaatan biomassa
sebagai sumber energi terbarukan.
Penelitian mengenai pengaruh penambahan dry scrubber terhadap karakteristik dan unjuk kerja gasifier dengan feedstock
biomassa, diharapkan dapat menjadi salah satu sumber referensi untuk penelitian lebih lanjut.
7. BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Tinjauan Pustaka
Salisu (2019), melakukan studi dan eksperimen pada downdraft gasifier dengan feedstock sekam padi, dan media gasifikasi
udara. Berdasarkan metode perhitungan didapatkan bahwa temperatur optimum gasifikasi 800°C dan equivalence ratio
0,42. Komposisi syngas 18,72% CO, 16,68% H2, 13,05% CO2, 0,39% CH4, dan nilai kalor 4,47 MJ/m3. Peningkatan laju
aliran udara (0,7, 3,0 dan 6,4 l/min) selama gasifikasi dapat meningkatkan suhu oksidasi, equivalence ratio, komposisi
syngas, dan nilai kalor.
Gunasekaran (2021), melakukan kajian numerik dan eksperimen tentang potensi kulit kakao pada open-core gasifier. Kulit
kakao yang digunakan memiliki kandungan moisture 5-20%. Investigasi performa gasifier dilakukan dengan variasi
equivalence ratio 0,20-0,40. Hasil penelitian menunjukan bahwa komposisi CO, H₂, dan CH₄ pada syngas sebesar 20-24%,
12,0-16,5%, dan 2,0-3,2%. Kondisi pengujian terbaik didapatkan dengan menggunakan equivalence ratio 0,25 dengan
kandungan moisture pada kulit kakao 5%. Nilai kalor, efisiensi konversi, dan cold gas efficiency sebesar 6,13 MJ/Nm³,
82%, dan 68%.
8. BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Tinjauan Pustaka
Pranolo (2019), melakukan penelitian tentang recycle system pada downdraft gasifier dengan feedstock kulit kakao dan
media udara. Recycle system memanfaatkan temperatur syngas untuk dimasukan kembali kedalam gasifier dengan tujuan
mengurangi produksi tar. Recycle system berhasil mengurangi produksi tar sebanyak 97,19% pada laju kecepatan aliran
syngas 0,139l/min, dan ukuran partikel kulit kakao 0,75”. Komposisi CO, H₂, CO₂, dan CH₄ pada syngas sebesar 23,29%,
2,66%, 13,30%, dan 14,18%. Berdasarkan penelitian ini diketahui bahwa cold gas efficiency sebersar 65,24%.
Allesina (2014), melakukan penelitian tentang dry scrubber sebagai penghilang tar dan impurities pada syngas downdraft
gasifier. Media dry scrubber yang digunakan meliputi woodchips, corncobs, dan zeolite, dengan kandungan moisture 10%,
9,4%, dan 0%. Ukuran diameter woodchips, corncobs 10 mm. Hasil pengujian syngas pada dry scrubber dengan media
corncob memiliki kandungan N2 62,8%, O2 9,2%, CH4 4,0%, H2 8,9%, CO2 5,2%, dan CO 8,3%. Higher Heating Value
(HHV) dari masing-masing media dry scrubber yaitu 3,69, 3,77, dan 4,44 MJ/Nm3, dengan kandungan tar 1,97, 1,32, dan
1,60 g/Nm3.
9. BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Tinjauan Pustaka
Thapa (2017), melakukan penelitian tentang penggunaan dry scrubber sebagai pendingin syngas dan penghilang
kandungan tar. Penelitian ini dilakaukan pada downdraft gasifier. Equivalence ratio yang digunakan dalam penelitian ini
adalah 0,20. Media scrubber yang digunakan dalam peneltian ini adalah serutan kayu dengan ukuran 2 mm. Hasil
penelitian menunjukan bahwa temperatur syngas masuk dan keluar dry scrubber adalah 135°C dan 70°C. Hasil pengujian
menunjukan bahwa komposisi syngas terdiri dari N2 52,7%, O2 2,6%, CH4 2,9%, H2 8,9%, CO2 15,6%, dan CO
12,8%. Konsentrasi tar pada syngas tanpa dry scrubber sebesar 78 g/Nm3. Setelah penggunaan dry scrubber sebesar 70
g/Nm3.
10. BAB III
LANDASAN TEORI
3.1. Biomassa
Biomassa mencakup segala sepesies hidup meliputi hewan dan tumbuhan atau yang telah mati dalam jangka waktu singkat.
Setiap tahun, tumbuhan tumbuh dalam sekala besar melalui proses fotosintesis dengan menyerap CO₂ di atmosfir. Ketika
dibakar, tumbuhan akan melepaskan CO₂ yang telah diserap selama tumbuhan tersebut hidup. Setiap pembakaran biomassa
tidak menambah kadar karbon dioksida ke bumi. Hal itu merupakan alasan kenapa biomassa disebut sebagai sumber bahan
bakar dengan kandungan karbon netral (Basu, 2010).
11. BAB III
LANDASAN TEORI
3.2. Sekam Padi
Sekam padi merupakan salah satu jenis biomassa yang diperoleh dari penggilingan biji padi. Sekam padi merupakan
lapisan paling luar dari biji padi dengan tekstur keras. Sekam padi merupakan biomassa yang sering digunakan untuk
berbagai kebutuhan seperti bahan baku industri, bahan baku peternakan, dan energi atau bahan bakar. Dari proses
penggilingan biji padi akan diperoleh 25% sekam, 8% dedak, 2% bekatul, dan 65% beras (Haryadi, 2006). Sekam padi
terdiri dari 33% selulosa, 26% hemiselulosa, dan 7% lignin (Jackson, 1977).
Gambar Sekam Padi (Susastriawan, 2019).
12. BAB III
LANDASAN TEORI
3.3. Kulit Kakao
Kulit kakao merupakan limbah biomassa padat yang didapatkan dari sisa pengolahan buah kakao atau yang memiliki nama
latin Theobroma cocoa L. Kulit kakao selama ini banyak dimanfaatkan sebagai bahan campuran pakan ternak. Kulit kakao
kaya akan kandungan protein, serat, lemak kasar, dan mineral. Pemanfaatan kulit kakao yang lain adalah sebagai pupuk
organik, atau digunakan sebagai bahan bakar dengan cara dibakar langsung (Syamsiro, 2018). Pada setiap buah kakao, 70-
80% dari berat buah utuh merupakan kulit. Kulit kakao mengandung 23,36 % hemiselulosa, 24,51 % selulosa, dan 30,46 %
lignin (Rambat, 2015).
Gambar Kulit Kakao (Syamsiro, 2018).
13. BAB III
LANDASAN TEORI
3.4. Gasifikasi
Gasifikasi merupakan suatu teknologi konversi biomassa melalui proses thermochemical untuk menghasilkan senyawa gas
maupun berbagai senyawa kimia. Gas yang dihasilkan melalui proses gasifikasi secara umum terdiri dari CO, CO2, N2, O2,
H2, dan CH4. Gasifikasi terjadi pada kondisi yang terisolasi dari udara sekitar (oksigen terbatas), dan berada pada tekanan
yang relatif terhadap tekanan ambient. Gas produk dari gasifikasi ini dinamakan syngas atau synthetic gas.
Menurut McKendry (2001), reaksi yang terjadi selama proses gasifikasi dapat dirangkum sebagai berikut:
Oksidasi parsial 2C + CO2 ↔ 2CO dH = -268 MJ/kg mole
Oksidasi sempurna C + O2 ↔ CO2 dH = -406 MJ/kg mole
Reaksi gas dan air C + H2O ↔ CO + H2 dH = +118 MJ/kg mole
14. BAB III
LANDASAN TEORI
3.4.1. Proses Gasifikasi
1. Drying/pengeringan
Pengeringan merupakan proses penguapan uap air yang terkandung dalam bahan bahan bakar padat.
Proses ini berlangsung dengan cepat sebelum tahap pelepasan kandungan volatile dilepas pada bahan bakar ukuran
halus.
2. Pyrolysis
Pyrolysis disebut juga devolatilization (penguapan unsur volatile). Proses ini terjadi pada bahan bakar padat karena
peningkatan temperatur.
Unsur volatile akan mengalir keluar sehingga menghambat aliran oksigen ke dalam bahan bakar.
Laju devolatilization dan produksi produk pyrolysis tergantung pada temperatur dan jenis bahan bakar.
Produk pyrolysis akan menyala dan membentuk api yang menempel dan memanaskan butiran bahan bakar padat,
sehingga terjadi pyrolysis lebih lanjut.
15. BAB III
LANDASAN TEORI
3.4.1. Proses Gasifikasi
3. Char gasification reaction
Char gasification melibatkan reaksi kimia antara hidrokarbon dalam bahan bakar, uap, karbon dioksida, oksigen, dan
hidrogen di dalam reaktor, serta reaksi kimia di antara gas yang dihasilkan.
Char + O2 → CO₂ dan CO
Char + CO2 → CO
Char + HO2 → CH₄ dan CO
Char + H2 → CH₄
4. Proses car burnout (pembakaran arang)
Pada proses ini kandungan pada bahan bakar padat hanya berupa arang dan abu. Pada proses ini terjadi ini terjadi reaksi
karbon dan oksigen dan menghasilkan CO. Sementara itu CO akan bereaksi di luar lapis batas dan menghasilkan CO2.
2C + CO2 → 2CO
C + CO2 → 2CO
C + H2O → CO + H2
16. BAB III
LANDASAN TEORI
3.4.2. Produk Gasifikasi Biomassa
1. Fase padat
Fase padat berupa abu yang terdiri dari kalsium, magnesium, potassium, dan fosfor. Bahan-bahan tersebut terkandung
dalam bahan baku dan tidak bereaksi dengan karbon.
2. Fase gas
Fase gas tidak terkondensasi (syngas)
Syngas tidak terkondensasi terdiri dari CO, H2, CO2, hidrokarbon ringan, CH4 dan beberapa C2-C3.
Fase terkondensasi (tar)
Tar merupakan campuran kompleks dari hidrokarbon yang dapat terkondensasi. Tar mengandung oksigen, cincin
aromatik 1 sampai 5, dan hidrokarbon polyaromatik kompleks.
17. BAB III
LANDASAN TEORI
3.4.3. Jenis Gasifier
1. Fixed bed gasifier
Fixed bed gasifier biasanya berupa tungku vertikal dan tahapan proses dapat diidentifikasi.
Updraft gasifier
Updraft gasifier dikenal dengan produksi tar terbanyak yaitu 10-20% dari massa umpan biomassa.
Downdraft gasifier
Downdraft gasifier dikenal dengan produksi tar rendah (< 1 g/Nm3)
Crossdraft gasifie
Gasifier jenis ini mampu mencapai temperatur tinggi 1500⁰C.
19. BAB III
LANDASAN TEORI
3.4.3. Jenis Gasifier
2. Entrained-flow bed gasifier
Gasifier jenis ini menggunakan siklus gabungan sehingga menghasilkan produksi syngas yang bersih dengan kandungan tar
rendah. Gasifier jenis ini menggunakan bahan dengan ukuran paling kecil dibandingkan dengan jenis gasifier lain yaitu <75
mikro meter. Entrained-flow bed gasifier dibedakan menjadi dua jenis berdasarkan cara memasukan bahan bakar.
Side-feed entrained flow
Top-feed entrained flow.
21. BAB III
LANDASAN TEORI
3.4.3. Jenis Gasifier
3. Flluidized bed gasifier
Fluidized bed merupakan jenis gasifier dengan kombinasi udara dan bahan bakar yang bailk, serta keseragaman temperatur di
dalam reaktor. Bed terbuat dari material butiran padat yang disebut bed material yang diletakan pada kondisi semi tersuspensi
(keadaan terfluidasi).
Fast fluidized bed (circulating fluidized bed)
Bubbling fluidized bed
23. 3.5. Faktor Yang Mempengaruhi Produk Gasifikasi
1. Media gasifikasi
Media gasifikasi yang banyak digunakan antara lain adalah oksigen, udara, dan uap air.
2. Ukuran biomassa
Ukuran biomassa yang lebih kecil dan seragam dapat mempercepat proses gasifikasi dan meningkatkan produksi syngas.
3. Komposisi biomassa
Komposisi biomasa meliputi moisture, volatile matter, fixed carbon, dan ash.
4. Equivalence ratio (ER)
Equivalence ratio merupakan perbandingan udara aktual dan stoichiometric air.
5. Temperatur gasifier
Temperatur gasifier menjadi penentu dari beberapa parameter unjuk kerja dari reaktor gasifikasi, seperti tingkat keadaan
abu, kandungan tar, dan komposisi syngas.
24. BAB III
LANDASAN TEORI
3.6. Tar
Tar merupakan campuran kompleks dari hidrokarbon yang dapat terkondensasi diantaranya mengandung oksigen, cincin
aromatik 1 sampai 5, dan hidrokarbon polyaromatik kompleks (Devi, 2003).
Tar dapat menimbulkan masalah sebagai berikut:
1. Kondensasi dan penyumbatan peralatan hilir
2. Pembentukan aerosol tar
3. Polimerisasi menjadi struktur yang lebih kompleks
25. BAB III
LANDASAN TEORI
3.6.1. Pembentukan Tar
Biomasa yang dimasukan kedalam gasifier akan mengalami proses pyrolysis pertama yang terjadi pada temperatur relatif
rendah dari 200°C sampai dengan 500°C. Dalam kisaran suhu ini komponen selulosa, hemiselulosa, dan lignin dari
biomassa terurai menjadi tar primer.
Pada temperatur di atas 500°C komponen tar primer mulai terbentuk kembali menjadi gas tak terkondensasi yang disebut
dengan tar skunder. Gas tidak terkondensasi termasuk CO2, CO, dan H2O.
Pada temperatur yang lebih tinggi, produk tar primer dihancurkan dan menghasilkan produk tar tersier.
26. BAB III
LANDASAN TEORI
3.6.2. Komposisi Tar
Tar primer
Tar primer terdiri dari senyawa asam, gula, alkohol, keton, aldehida, fenol, guaiakol, syringol, furan, dan oksigenat
campuran.
Tar sekunder
Tar sekunder tersusun dari senyawa fenol dan olefin
Tar tersier
Tar tersien terdiri dari senyawa metyl aromatic seperti, acenaphthylene, methylnaphthalene, tolune, dan indine.
27. BAB III
LANDASAN TEORI
3.6.3. Batas Kandungan Tar Pada Syngas
Tar akan bercampur dan ikut terbawa aliran syngas sebelum akhirnya terkondensasi pada temperatur rendah. Pembatasan
kandungan tar pada syngas bertujuan untuk menghindari kerusakan komponen mesin
28. BAB III
LANDASAN TEORI
3.6.4. Metode Reduksi Tar
In-situ tar reduction
Hal-hal yang dapat dilakukan dengan metode In-situ tar reduction meliputi modifikasi kondisi operasi gasifier,
penambahan katalis, dan modifikasi desain gasifier. Karena proses ini dilakukan di gasifier, maka akan mempengaruhi
kualitas syngas.
Post-gasification-secondary reduction of tar
Metode post-gasification-secondary reduction of tar yaitu dengan physical removal. Physical removal meliputi penggunaan
cyclone, barrier filters, wet electrostatic, precipitators, scrubber, atau alkali salts.
29. BAB III
LANDASAN TEORI
3.7. Dry Scrubber
Syngas yang keluar dari gasifier dialirkan menuju dry scrubber yang diisi dengan kulit kakao. Proses tersebut menyebabkan
penurunan temperatur syngas dan kondensasi tar pada kulit kakao. Pada sisi lain, kandungan moisture kakao akan menurun
karena menerima panas dari syngas.
Keterangan:
Material dry scrubber menggunakan pipa steel
Diameter saluran masuk dan keluar syngas 2”
Tinggi dan diameter dry scrubber 725 mm, dan 300
mm.
30. BAB III
LANDASAN TEORI
3.8. Unjuk Kerja Gasifier
Temperatur aksial zona gasifikasi dapat diketahui dengan membaca thermocouple yang terpasang pada setiap
zona gasifikasi.
Temperatur syngas saat masuk dan keluar dry scrubber dapat diketahui dengan membaca thermocouple yang
terpasang pada saluran masuk dan keluar dry scrubber
Komposisi gas mampu nyala diketahui dengan menganalisa komposisi syngas menggunakan gas
chromatography (GC)
31. BAB III
LANDASAN TEORI
Nilai kalor syngas dapat diketahui dengan menghitung nilai higher heating value (HHV) dari persentase gas mampu bakar
meliputi CO, H₂, dan CH₄.
HHV dihitung menggunakan persamaan, (Susastriawan, 2017):
32. BAB III
LANDASAN TEORI
Cold gas efficiency (CGE) dapat dicari dengan melakukan perhitungan seperti yang telah dilakukan oleh
(Prasad et al., 2015). Urutan perhitungan untuk mencari cold gas efficiency adalah sebagai berikut:
(1) Menghitung produksi syngas per kilogram feedstock
33. BAB III
LANDASAN TEORI
Jika formula kimia feedstock dinyatakan dalam CxHyOzNk, maka x, y, k, dan z didapat dari:
dimana AWC, AWH, AWO, dan AWN adalah berat atom karbon, hidrogen, oksigen,
dan nitrogen.
(2) menghitung massa jenis syngas
34. BAB III
LANDASAN TEOR
(3) Menghitung energi syngas per kilogram
(4) Menghitung cold gas efficiency (CGE)
35. BAB III
LANDASAN TEORI
3.9. Pertanyaan Penelitian
Berdasarkan tinjauan pustaka dan landasan teori diatas maka diperoleh pernyataan penelitian sebagai berikut:
1. Bagaimana pengaruh penambahan dry scrubber terhadap karakteristik downdraft gasifier?
2. Bagaimana pengaruh penambahan dry scrubber terhadap unjuk kerja downdraft gasifier?
36. BAB III
LANDASAN TEORI
3.10. Hipotesis
Penggunaan dry scrubber pada downdraft gasifier akan memnurunkan produksi tar dan temperatur syngas.
Penggunaan dry scubber akan menurunkan kandungan moisture pada kulit kakao dan meningkatkan kualitas syngas.
37. BAB IV
METODE PENELITIAN
4.1. Lokasi Penelitian
Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Konversi Energi, Departemen Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik,
Universitas Gadjah Mada.
4.2. Alat dan Bahan
38. BAB III
LANDASAN TEORI
4.3. Prosedur Penelitian
Prosedur penelitian meliputi Analisa bahan baku, persiapan bahan baku, dan proses gasifikasi.
4.3.1. Analisa Bahan Baku
Proximate analysis dilakukan untuk mengetahui kandungan volatile matter, karbon, abu, dan moisture, serta nilai kalor.
Ultimate analysis dilakukan untuk mengetahui persen berat dari kandungan C, H, N, Cl, S, dan O.
39. BAB III
LANDASAN TEORI
4.3.2. Persiapan Bahan Bakar
Persiapan bahan baku meliputi proses:
Pengeringan sekam padi dan kulit kakao dengan cara dijemur dibawah terik sinar matahari selama 3 hari.
Kulit kakao yang telah dijemur kemudian dihancurkan dengan ukuran 1 cm, 2 cm, dan 3 cm.
Sekam padi dan kulit kakao selanjutnya dimasukan kedalam oven dengan temperatur 50 ˚C selama lima jam.
40. BAB III
LANDASAN TEORI
4.3.3. Prosedur Gasifikasi
1. Set lokasi udara inlet dan atur laju udara gasifikasi dengan valve dan diukur dengan rotameter sesuai dengan variasi
equivalence ratio.
2. Masukkan feedstock ke dalam gasifier dan ukur tinggi level load yang berada di atas tutup gasifier.
3. Nyalakan blower, suction fan, data logger, dan vacuum pump.
4. Setelah keluar asap dari flare, mulai lakukan flaring.
5. Lakukan perbandingan temperatur syngas sebelum dan setelah keluar dry scrubber.
6. Lakukan pengambilan sampel tar sebelum dan setelah keluar dry scrubber.
7. Isopropanol dalam botol impinger diuapkan dengan oven pada temperatur 50°C selama 2 jam dan lakukan penimbangan
tar.
8. Sampel syngas diuji komposisi CO, CO2, H2, dan CH4 dengan gas chromatograph.
41. BAB III
LANDASAN TEORI
4.4. Analisa Produk
Produk syngas dianalisa dengan menggunakan Gas Chromatography (GC). Analisa syngas dilakukan di Laboraturium
Analisis Instrumental, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada.