Studi Eksperimen Pemanfaatan Sekam Padi sebagai Bahan Bakar Gasifikasi

Penghasil Syngas

Samsudin Anis, Karnowo, Wahyudi

*

Wara Dyah PR**

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang, E-mail: samsudin_ anis@yahoo.com

*

Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang

Abstrak Updraft fluidized bed gasifier untuk gasifikasi sekam padi telah didesain dengan tujuan

mengembangkan energi terbarukan sebagai substitusi bahan bakar minyak. Desain gasifier

dilakukan berdasarkan kajian teoritik dan eksperimen dari berbagai pustaka serta berdasar

hasil-hasil penelitian sebelumnya. Proses desain dilakukan secara bertahap mulai dari

penentuan karakteristik bahan bakar, perhitungan dimensi gasifier beserta komponen

pendukungnya hingga energi gas yang dihasilkan. Dimensi utama gasifier masing-masing

diperoleh diameter 0,20 m dan tinggi total gasifier 1,5 m. Sebagai pengumpan bahan bakar

digunakan model ulir tunggal dengan kapasitas 30 kg/h. Hasil rancang bangun ini diharapkan

dapat digunakan untuk penelitian lanjutan dalam mengembangkan teknologi bersih dan ramah

lingkungan khususnya pemanfaatan teknologi gasifikasi.

Kata kunci: Sekam padi, gasifier, updraft fluidized bed.

Pendahuluan

Harga bahan bakar minyak (BBM) yang tidak menentu dan cenderung naik

menyebabkan krisis energi di Indonesia. Kondisi ini membuat sektor industri menjadi lesu,

khususnya industri kecil dan menengah. Industri meubel, salah satu contoh industri yang

ikut merasakan dampak dari kenaikan harga BBM dan program konversi minyak tanah ke

gas. Saat ini, pelaku usaha industri meubel mulai melakukan penghematan BBM agar

industri meubel mereka tetap berjalan dengan cara mengganti bahan bakar minyak tanah

pada tungku pengering kayu dengan bahan bakar biomassa seperti sekam padi, limbah

gergajian kayu, dan lain-lain. Hal ini memang menarik karena berdasarkan data yang ada

pada tahun 2006-2008, rata-rata panen padi setiap tahun di Indonesia sebesar 57,288 juta

ton [2]. Jika setiap satu kilogram padi dihasilkan 280 gram sekam, maka total produksi

sekam padi mencapai 16 juta ton. Jika produksi sekam yang jumlahnya sangat besar ini

tidak termanfaatkan dengan baik maka sekam tersebut hanya akan menjadi sampah yang

mengganggu lingkungan. Untuk itu, berbagai penelitian telah dilakukan untuk

mengungkap potensi sekam padi di Indonesia seperti Juwarno [1] mengutarakan untuk

setiap enam kilogram sekam menghasikan satu liter solar. Sehingga potensi sekam padi

Indonesia setara dengan 2,7 juta kiloliter solar atau senilai 12 triliun rupiah (asumsi harga

satu liter solar subsidi Rp.4500,00). Data ini menunjukkan bahwa sekam padi memiliki

potensi sebagai sumber energi alternatif yang sangat besar.

Sebagai sumber energi, pemanfaatan sekam padi dengan cara membakar secara

langsung memiliki banyak kelemahan sehingga tidak efisien. Kesulitan utama membakar

langsung terletak pada pengontrolan laju dan suhu pembakaran. Untuk itu, metode

pembakaran tak langsung atau gasifikasi menjadi pilihan alternatif. Gasifikasi adalah

metode mengkonversi secara termokimia bahan bakar padat menjadi bahan bakar gas

(syngas) dalam wadah gasifier dengan menyuplai agen gasifikasi seperti uap panas, udara

dan lainnya. Metode gasifikasi dinilai lebih menguntungkan seperti menghemat biaya

sekitar 8% dan juga menghemat bahan bakar sekitar 12% dibandingkan dibakar langsung

[6]. Selain lebih mudah mengontrol laju dan suhu pembakaran, juga hasil pembakaran

lebih bersih dan cenderung tidak menimbulkan efek merusak pada lingkungan. Gas CO2

hasil pembakaran biomassa mudah terurai melalui proses fotosintesis pada tumbuhan.

Bahan bakar biomassa juga sedikit mengandung unsur S dan N sehingga gas pembakaran

mengandung sedikit emisi gas SO2 dan NOx [8]. Selain itu, kandungan O2 yang besar

sekitar 45% mengurangi kebutuhan O2 untuk proses pembakaran [10]. Namun, untuk

menghasilkan syngas dari gasifikasi, teknologi gasifikasi masih harus dikembangkan.

Efisiensi tertinggi proses gasifikasi saat ini masih sekitar 65%.

Mengingat besarnya potensi energi sekam padi dan pentingnya penggunaan energi

bersih, dilakukan rancang bangun gasifikasi sekam padi jenis updraft fluidized bed

gasifier. Dipilihnya jenis ini karena memiliki efisiensi konversi karbon dan termal yang

tinggi.

Metode Penelitian

Perancangan gasifier dilakukan berdasarkan kajian teoritik dan eksperimen dari

berbagai pustaka serta berdasar hasil-hasil penelitian sebelumnya. Proses desain dilakukan

secara bertahap mulai dari penentuan karakteristik bahan bakar, perhitungan dimensi

gasifier beserta komponen pendukungnya hingga energi gas yang dihasilkan.

Reaktor Gasifikasi

Reaktor merupakan ruang pembakaran yang terdiri dari tabung silindris, isolator,

grid dan tuyer. Untuk memudahkan proses desain, sifat fisis sekam padi harus ditentukan

terlebih dahulu seperti ditunjukkan pada tabel 1 [11].

Tabel 1. Sifat fisis sekam padi

Property Rice husk

Mean particle size (m) 856 Apparent density (kg.m

-3) 389

Porosity 0.64

Sphericity 0.49

Hasil penelitian gasifikasi biomassa sebelumnya [9] menunjukkan bentuk dan

ukuran reaktor sangatlah bervariasi. Penampang reaktor dapat berbentuk segiempat,

bujursangkar atau silindris. Sedangkan diameter dalam berada pada rentang 150 mm 400

mm dan tinggi reaktor dapat mencapai 4,8 m.

Berdasar hasil penelitian di atas, ukuran diameter bagian dalam reaktor untuk zona

fluidisasi ditentukan sebesar 200 mm. Dari data ini, tinggi reaktor dapat ditentukan melalui

perhitungan parameter hidrodinamik yang meliputi kecepatan minimum fluidisasi,

kecepatan maksimum fluidisasi, kecepatan fluidisasi selama gasifikasi, dan tinggi total

reaktor. Perhitungan-perhitungan ini dilakukan berdasar pustaka [5] dan [7]. Penentuan

tinggi total reaktor sangat dipengaruhi oleh threshold disengaging height (TDH) seperti

terlihat pada gambar 1 [7]. Hasil perhitungan selengkapnya ditunjukkan pada tabel 2.

Gambar 1. Grafik hubungan TDH dengan diameter dalam reaktor berdasar

kecepatan fluidisasi

Tabel 2. Kecepatan fluidisasi dan tinggi reaktor

Parameter Hasil perhitungan Nilai untuk desain

Kecepatan minimum fluidisasi (m/s) 0,094 -

Kecepatan maksimum fluidisasi (m/s) 2,143 -

Kecepatan fluidisasi selama gasifikasi (m/s) 0,334 0,5

Tinggi total reaktor (m) 1,5 1,5

Distributor Udara

Untuk mendistribusikan udara ke dalam reaktor digunakan plat distributor jenis

tuyer yang terdiri dari plat dan nosel yang diletakkan secara vertikal. Lubang untuk saluran

keluar udara (orifice) ditempatkan disisi-sisi nosel agar terdistribusi secara seragam ke

dalam reaktor. Jenis ini dipilih karena mampu digunakan pada temperatur tinggi dan dapat

mereduksi terjadinya aliran balik ke plenum. Tabel 3 merupakan hasil desain plat

distributor.

Tabel 3. Parameter hasil desain plat distributor udara

Parameter Nilai

Jumlah orifice pada tuyer 6

Tinggi minimum fluidisasi (m) 0,3

Pressure drop (kPa) 0,42

Diameter orifice (mm) 5

Diameter dalam tuyer (mm) 16

Kecepatan udara pada orifice (m/s) 21

Jumlah tuyer 16

Tinggi tuyer (mm) 20

Pengumpan Bahan Bakar

Pengumpan bahan bakar digunakan untuk memasukkan sekam padi ke dalam

reaktor. Sistem ini terdiri dari hopper sebagai tempat penyimpanan sekam padi dan ulir

pengumpan pada bagian bawah hopper untuk mendorong bahan bakar masuk ke reaktor.

Ulir pengumpan digerakkan dengan motor listrik 1 HP. Pengaturan kecepatan

menggunakan puli dan rasio roda gigi untuk mendapatkan laju massa bahan bakar dalam

gasifier sesuai perancangan.

Perhitungan dimensi ulir didasarkan pada hubungan antara laju aliran sekam padi

dengan diameter, pitch, tinggi pengisian, dan putaran ulir [11]. Hasil perhitungan

selengkapnya ditunjukkan pada tabel 4.

Tabel 4. Parameter hasil desain pengumpan bahan bakar

Parameter Nilai

Dimensi hopper (mm) 500 x 470 x 500

Feeding point (m) 0,6

Diameter luar ulir (inchi) 3

Diameter poros ulir (inchi) 1

Picth (inchi) 4

Tinggi pengisian (inchi) 7/8

Putaran poros (rpm) 20

Kesetimbangan Massa dan Equivalence Ratio

Untuk menghitung kesetimbangan massa, perlu diketahui sifat fisis dan kimia

bahan bakar sekam padi yang digunakan. Sifat-sifat tersebut terangkum dalam tabel 5 yang

diambil dari berbagai referensi. Sedangkan energi pembakaran dalam persen volume

ditunjukkan pada tabel 6.

Tabel 5. Analisis proximate dan ultimate sekam padi

Parameter Nilai (% berat)

Moisture 9,3

Volatile matter 57,7

Fixed carbon 15,4

Ash 17,6

Carbon 36,6

Hydrogen 5,83

Nitrogen 3,31

Oxygen 36,65

Tabel 6. Energi gas hasil pembakaran sekam padi

Parameter Nilai (% vol)

CO 12,0

H2 4,0

CH4 3,0

Berdasar data-data di atas, dapat dihitung aliran massa sekam padi, udara, residu

karbon, dan laju massa gas yang dihasilkan serta equivalence ratio menggunakan

persamaan-persamaan dari pustaka [11]. Hasil perhitungan selengkapnya ditampilkan pada

tabel 7.

Tabel 7. Aliran massa gasifikasi sekam padi

Parameter Nilai (kg/jam)

Aliran massa sekam padi 30,03

Aliran massa udara 42,04

Aliran massa residu 7,27

Aliran massa gas yang dihasilkan 67,80

Equivalence ratio 0,27

Hasil dan Pembahasan

Proses rancang bangun gasifier jenis fluidized bed memerlukan perhatian khusus

karena banyak faktor yang berpengaruh terhadap geometri dan kondisi operasional

gasifier. Faktor tersebut antara lain temperatur, tekanan, equivalence ratio, kecepatan

fluidisasi, dan sifat fisis dan kimia bahan bakar. Masing-masing faktor tersebut memberi

kontribusi tersendiri terhadap keseluruhan proses gasifikasi.

Perbandingan konstruksi gasifier yang dirancang dengan beberapa hasil penelitian

lain ditunjukkan pada tabel 8 [9]. Dari tabel terlihat bahwa bentuk dan ukuran reaktor skala

kecil biasanya berbentuk silindris dengan diameter bagian dalam 150 mm 400 mm.

Demikian pula dengan tinggi reaktor sangat bervariasi sesuai dengan hasil perhitungan

yang didasarkan pada gambar 1. Komponen untuk mendistribusikan udara di dalam reaktor

sebagian besar menggunakan jenis tuyer dan perforated plate. Demikian pula dengan

komponen pengumpan bahan bakar, para peneliti banyak memilih jenis ulir untuk

memudahkan pengaturan laju aliran massa bahan bakar. Sedangkan informasi tentang

komponen isolator sangat terbatas.

Tabel 8. Perbandingan konstruksi fluidized bed gasifier dari berbagai penelitian

Referensi

Bentuk dan

ukuran

reaktor (mm)

Tinggi

reaktor

(m)

Bahan

isolator

Plat

distribusi

udara

Pengaturan umpan

bahan bakar

Van den

Aarsen dkk.

Silindris 300 - - - Ulir

Hiler 300 - - Perforated

plate

Ulir dan roda gigi

Xu dkk. Silindris 152 2,4 - - Masukkan bahan bakar

45 cm dari bawah

Hartiniati

dkk.

Silindris 400 3,66 - - Ulir, di atas plat

distribusi

Flanigan

dkk.

Silindris 150 3,60 - - Masukkan bahan bakar

1,8 m di atas plat

distribusi

Ramirez

dkk

Silindris 300 3,0 - Tuyer Ulir ganda

Bingyan

dkk

Silindris 150 3,7 - - -

Sanchez

dan Lora

Silindris 200 2 Mineral

wood

Perforated

plate

Konveyor ulir, 50 mm

di atas plat distribusi

Studi ini Silindris 200 1,5 Batu api Tuyer

dengan

Nosel

Ulir tunggal, posisi

masukkan bahan bakar

60 cm di atas plat

distribusi

Faktor temperatur membedakan gasifikasi dengan proses lainnya. Temperatur

gasifikasi yang dibutuhkan minimal 6500C. Di bawah temperatur tersebut biasanya

merupakan fase pembakaran dan pirolisis. Selain temperatur, tekanan juga merupakan

faktor yang penting dalam proses gasifikasi. Tekanan berdampak pada kebutuhan suplai

udara. Jika kerugian tekanan dalam reaktor gasifikasi terlalu tinggi maka energi yang

dibutuhkan untuk mensuplai udara pun semakin besar.

Faktor kecepatan fluidisasi akan berdampak terhadap dimensi gasifier dan jenis

fluidisasi yang digunakan. Sebagaimana diketahui bahwa gasifier yang dioperasikan pada

kecepatan di atas kecepatan minimum fluidisasi temasuk kategori circulating fluidized bed

sedangkan jenis lainnya yaitu bubbling fluidized bed beroperasi pada kecepatan minimal

fluidisasi. Faktor lain adalah equivalence ratio dan sifat bahan bakar. Kedua faktor ini

menentukan kualitas gas atau syngas yang dihasilkan. Beberapa hasil penelitian

menunjukkan bahwa equivalence ratio optimum berada pada rentang 0,2 0,4. Tabel 9

menunjukkan perbandingan parameter operasi gasifier yang dirancang dengan penelitian

lainnya [9].

Tabel 9. Perbandingan parameter operasi fluidized bed gasifier dari berbagai penelitian

Referensi Equivalence

ratio

Kecepatan

fluidisasi (m/s)

Temperatur

Operasi (0C)

Laju bahan

bakar (kg/h)

van den Aarsen dkk. 0,27 0,34 - 750 950 50

Hiler 0,15 0,38 - 523 907 -

Xu dkk. 0,18 0,21 60 75 700 815 9 22

Hartiniati dkk. 0,30 0,48 - 721 871 75 105

Flanigan dkk. 0,21 0,29 - 500 757 14 18

Ramirez dkk 0,2 0,32 0,66 812 33

Bingyan dkk 0,26 60 100 500 800 15 20

Sanchez dan Lora 0,1 0,8 75 600 800 -

Studi ini 0,27 0,5 650 30

Simpulan

Telah dirancang alat gasifikasi jenis updraft fluidized bed gasifier untuk gasifikasi

sekam padi. Dimensi utama gasifier masing-masing diperoleh diameter 0,20 m dan tinggi

total 1,5 m. Kecepatan fluidisasi pada kolom gasifikasi 0,5 m/s dan kecepatan maksimum

fluidisasi sebesar 2,14 m/s. Kecepatan ini dilayani dengan oleh plat distributor udara model

tuyer dan nosel. Sebagai pengumpan bahan bakar digunakan model ulir tunggal dengan

kapasitas 30 kg/h. Gasifier yang dirancang memenuhi syarat gasifikasi sebagaimana

gasifier yang digunakan oleh peneliti-peneliti sebelumnya. Rancang bangun ini diharapkan

dapat digunakan untuk penelitian lanjutan dalam mengembangkan teknologi bersih dan

ramah lingkungan khususnya pemanfaatan teknologi gasifikasi.

Daftar Pustaka

[1] Anonim. (2003). www.mediaindonesia.com

[2] ---------. (2009). www.bps.org.id.

[3] Beagle, E.C. (1979). Rice Husk Convertion To Energy

[4] Belgiorno, V., De Feo, G., Delle Rocca, C., dan Napoli, R.M.A. (2003). Energi From Gasification of Solid Waste. Journal of Waste Management, Vol 23, pp 1-15.

[5] Chatterjee, P.K., Datta, A.B., dan Kundu, K.M. (1995). Fluidized Bed Gasification of Coal. The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol 73, pp 204-210.

[6] Jayah, T.H., Aye, L., Fuller, R.J., dan Stewart, D.F. (2003). Computer simulation of downdraft wood gasifier for tea drying. Journal of Biomass and Bioenergi, Vol 25,

pp 459-469.

[7] Kunii, D. dan Levenspiel, O. (1991). Fluidization Engineering. 2nd ed. Butterworth-Heinemann Publishers, Boston: 61 - 94.

[8] Mathieu, P. dan Dubuisson, R. (2002). Performance Analysis Of Biomass Gasifier. Journal of Energi Convertion and Management, Vol 43, pp 1291-1299.

[9] Natarajan, E., Nordin, A., dan Rao, A.N. (1998). An overview of combustion and gasification of rice husk in fluidize bed reactor. Journal of Biomass and Bioenergy,

Vol 14, pp 533-546

[10] Prins, M.J., Ptasinski, K.J., dan Janssen, F.J.J.G. (2007). From Coal to Biomass Gasification Comparison of Thermodyinamic Efficiency. Journal of Energi, Vol 32,

pp 1248-1259.

[11] Ramirez, J.J., Martinez, J.D., dan Petro, S.L. (2007). Basic Design of Fluidized Bed Gasifier for Rice Husk on A Pilot Scale. Latin American Applied Research, Vol 37,

pp 299-306.

[12] Sharma, A.Kr. (2007). Modeling Fluid and Heat Transport in The Reactive Porous Bed of Downdraft (Biomass) Gasifier. International Journal of Heat and Fluid

Transfer, www.elsevier.com

[13] Yin, X.L., Wu, C.Z., Zheng, S.P. dan Chen, Y. (2002). Design and Operation of CFB

Gasification and Power Generation System for Rice Husk. Journal of Biomass and

Bioenergi, Vol 23, pp 181-187.