bab ii landasan teori - perpustakaan digital...

BAB II

LANDASAN TEORI

5

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 SEKAM PADI

Sekam padi adalah hasil dari penggilingan padi. Sekam padi merupakan lapisan

keras yang membungkus kariopsis butir gabah, sekam terdiri dari dua belahan yang disebut

lemma dan palea yang saling bertautan. Pada proses penggilingan gabah, sekam akan

terpisah dari butir beras dan menjadi bahan sisa atau limbah penggilingan. Dari proses

penggilingan gabah akan dihasilkan 16,3% - 28% sekam (Balai Penelitian Pascapanen

Pertanian, 2001). Sekam dikategorikan sebagai biomassa yang dapat digunakan untuk

berbagai kebutuhan seperti bahan baku industri, pakan ternak, dan pupuk tanaman.

Ditinjau dari komposisi kimiawinya, sekam mengandung beberapa unsur penting

seperti terlihat pada tabel 2.1 Dengan komposisi kandungan kimia tersebut, sekam dapat

dimanfaatkan untuk bahan baku industri kimia terutama kandungan zat kimia furfural,

bahan baku industri bahan bangunan terutama kandungan silika (SiO2) yang dapat

digunakan untuk campuran pada pembuatan semen portland, bahan isolasi, husk-board dan

campuran pada industri bata merah sebagai sumber energi panas karena kadar selulosanya

cukup tinggi sehingga dapat memberikan pembakaran yang merata dan stabil.

Sekam memiliki kerapatan jenis (bulk density) 125 kg/m3, dengan nilai kalori 3.300

kkal/kg (Van Ruiten, 1981) dan konduktivitas panas 0,068 kkal (houston, 1972).

2.2. SERBUK GERGAJI

Serbuk gergaji merupakan limbah dari proses pengolahan kayu. Serbuk gergaji ini

belum termanfaatkan secara optimal padahal sangat berguna untuk dijadikan bahan bakar

hemat energi dan alternatif.

Nilai kalor dari serbuk gergaji itu sendiri berbeda beda sesuai jenis dan kadar

airnya. Rata rata serbuk gergaji mempunyai nilai kalori antara 3000 sampai dengan 6000

kkal/kg. Kerapatan jenis dan konduktivitas panasnya berada pada 125 kg/m3

dan 0,059

W/M oC. Sumber (J.P. Holman,1993:6-10)

6

2.3. GASIFIKASI

Gasifikasi merupakan suatu teknologi proses yang mengubah bahan padat

menjadi gas. Bahan padat ini seperti biomassa dan batu bara juga termasuk didalamnya.

Gas gas yang dimaksud adalah gas yang keluar dari proses gasifikasi. Adapun gas gas yang

keluar pada umumnya berbentuk CO, CO2, CH4 dan H2. Gasifikasi berbeda dengan

pirolisis dan pembakaran biasa. Ketiganya dibedakan berdasarkan perbandingan udara dan

bahan bakarnya (AFR). Jika jumlah udara dibagi bahan bakarnya sama dengan 0 maka

proses ini disebut pirolisis. Jika AFR yang dihasilkan selama proses operasi lebih dari 1,5

maka ini disebut pembakaran biasa, adapun apabila nilai perbandingan udara dan bahan

bakarnya lebih dari nol dan kurang dari 1,5 maka proses inilah yang disebut gasifikasi.

Tabel 2.1 Komposisi kimiawi sekam. Tabel 2.2 Kalor jenis serbuk gergaji

Sumber: Balai Penelitian Pascapanen Pertanian

Gambar 2.1 Sekam padi Gambar 2.2 Penggilingan sekam padi

7

Tabel 2.3 serbuk gergaji

2.2 TUNGKU

2.2.1 Pengertian Tungku

Tungku adalah suatu alat yang dapat menghasilkan kalor, kalor tersebut dapat

disalurkan pada peralatan lain yang memerlukanya. Menurut hukum kekekalan energi

bahwa energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan energi dapat

berubah bentuk dari suatu bentuk energi satu kebentuk energi lainya.

2.2.2 Klasifikasi Tungku

Tungku dapat dibagi menjadi dua jenis berdasarkan metoda pembangkitan panasnya

yaitu tungku pembakaran yang menggunakan bahan bakar dan tungku listrik yang

menggunakan listrik. Tungku pembakaran dapat dikalsifikasikan atau digolongkan menjadi

beberapa bagian seperti ditunjukkan dalam tabel 2.3 yaitu jenis bahan bakar yang

digunakan, cara pemuatan bahan baku, cara perpindahan panas dan cara pemanfaatan

kembali limbah panasnya. Dalam prakteknya tidak mungkin menggunakan penggolongan

ini sebab tungku dapat menggunakan berbagai jenis bahan bakar dan cara pemuatan bahan

ke tungku yang berbeda.

8

Tabel 2.3 Klasifikasi tungku

Metode klasifikasi Jenis dan contoh

Jenis bahan bakar yang digunakan

Dibakar dengan minyak

Dibakar dengan gas

Dibakar dengan batubara

Dibakar dengan biomassa

Cara pengisian bahan

Berselang (intermittent)/ Batch

Berkala

Penempaan

Penggulungan ulang/ re-rolling (batch/pusher)

Pot

Kontinyu

Pusher

Balok berjalan

Perapian berjalan

Tungku bogie dengan sirkulasi ulang kontinyu

Tungku perapian berputar/ rotary hearth furnace

Cara perpindahan panas Radiasi (tempat perapian terbuka)

Konveksi (pemanasan melalui media)

Cara pemanfaatan kembali limbah panas Rekuperatif

Regeneratif

Sumber: United Nations Environment Programme, 2006

2.2.3 Tungku Sekam Padi

Tungku sekam padi yaitu alat masak yang menggunakan bahan bakar berupa suatu

bio massa dari penggilingan padi yaitu sekam. Perancangan tungku sekam padi yang ada di

dunia hanya sedikit, salah satu negara yang mengembangkan tungku sekam padi ini adalah

Filipina. Indonesia juga mengembangkan tungku sekam padi yang tepatnya di daerah

Karawang, tungku ini dinamakan Kompor Sekam Segar Karawang (KOMSEKAR) yang

merupakan hasil penelitian instalasi penelitian Karawang yang mulai dikembangkan pada

tahun 1990 (Rachmat et.al, 1991) dengan nama tungku sekam untuk rumah tangga

diperlihatkan pada gambar 2.4. Kompor sekam tersebut pernah disosialisasikan kepada

para petani di daerah pengrajin makanan tradisional (opak) di Desa Cibuaya Kabupaten

Karawang dan bahkan telah dikirimkan satu unit ke IRRI Los Banos. Namun pada saat itu

kurang mendapat respon karena pada waktu tersebut harga minyak tanah masih sangat

terjangkau. Instalasi Laboratorium Pascapanen Karawang mengembangkan lebih lanjut

desain kompor sekam tersebut pada tabel 2.4 merupakan hasil pengujian dan perbandingan

9

kompor sekam dengan bahan bakar lain dan pada tabel 2.5 merupakan perbandingan biaya

mendidihkan 6 liter air dengan berbagai bahan bakar.

Tabel 2.4 Hasil uji pemanasan dengan kompor sekam


Tabel 2.5 Perbandingan biaya mendidihkan 6 liter air dengan berbagai bahan bakar

Bahan bakar Waktu (menit) bahan Biaya (Rp)

Gas (elpiji) 11 0,3 kg 1500

Minyak tanah 25 150 ml 1000

Sekam & serbuk

gergaji

30 1 kg 200

Harga gas 15.000/3 kg

Harga minyak tanah 7000/ liter


Gambar 2.4 Kompor Sekam Segar Karawang (KOMSEKAR)

10

Gambar 2.5 DA-IRRI Rice Husk

Gasifier Stove

Gambar 2.6 Gambar skematis DA-IRRI Rice

Husk Gasifier Stove

2.2.3.1 Jenis-Jenis Tungku Sekam Padi

1. DA-IRRI Rice Husk Gasifier Stove

DA-IRRI rice husk gasifier stove dapat dilihat pada gambar 2.5 dan

2.6, alat ini telah dikembangkan pada tahun 1986. Pembuatan alat ini

dikolaborasi dengan peralatan kebun di Filipina oleh Dr. Robert Stickney

dan Engr. Vic Piamonte. Tungku ini menggunakan double-core

downdraft reaktor dimana sekam padi di bakar agar dapat menjadi gas.

Sepanjang proses, udara dari reaktor dialirkan ke pembakar/burner

dengan mengunakan suatu peniup/penghembus elektrik yang

ditempatkan antara reaktor dan pembakar/burner.

2. CPU Single-Burner Batch-Type Rice Husk Gasifier Stove

Tungku gas sekam padi jenis ini mulai di kembangkan pada tahun

1989, tungku ini dibuat sebagai pemenuhan kebutuhan memasak rumah

tangga. CPU single-burner batch-type rice husk gasifier stove di

tunjukan pada gambar 2.7 dan reaktor gas tungku di tunjukan secara

skema pada gambar 2.8. Jenis tungku ini 1 tingkat diatas DA-IRRI rice

husk gasifier stove dengan menggunakan prinsip yang sama yaitu

menggunakan suatu double-core downdraft reaktor dimana pembakaran

dimulai dari bawah reaktor. Tungku ini menggunakan pembakar/burner

dari LPG-TYPE agar pembuatannya lebih sederhana. Pengaturan jumlah

gas diatur dengan mengunakan suatu katup gerbang. Cerobong

digunakan sebagai pembuangan gas lebih yang tidak terpakai dalam

pembakaran.

11

Gambar 2.7 Cpu Single-Burner Batch-Type Rice

Husk Gasifier Stove

Gambar 2.8 Skema Cpu Single-Burner Batch-Type Rice Husk Gasifier Stove

3. CPU Proto-Type IDD/T-LUD Rice Husk Gas Stove

Model tungku ini yang ditunjukan pada gambar 2.9 dan 2.10 yang

merupakan prototipe dari tungku gas sekam padi IDD/T LUD yang

terdapat pada rice husk gas stove handbook karangan Alexis T. Belonio.

Model tungku ini berbeda dengan desain dari sri lanka, perbedaan tungku

ini terdapat pada segi desain pembakar/burner, penyekat sekam padi, dan

mekanisme pengendalian kecepatan kipas. Reaktornya memiliki diameter

dalam 15 cm dan tinggi 25 cm. Ruang saluran udara terletak di bawah

reaktor. Kipas terletak menempel pada pintu ruangan saluran udara dan

sebagai pengendali laju aliran udara dibuat satu pintu disisi belakang.

Dalam desain awalnya tungku ini memiliki kapasitas 600 gram sekam

padi, untuk itu kami memodifikasi tungku ini dengan kapasitas bahan

12

Gambar 2.10 CPU Proto-Type IDD/T-LUD Rice

Husk Gas Stove, Model 2

bakarnya menjadi lebih dari 1 kg sekam padi. Waktu yang dibutuhkan

dalam sekali pembakaran sekam padi untuk menghasilkan gas adalah 1

sampai 2 menit dan total waktu pemakaian sekam selama pembakaran

adalah 15 sampai 30 menit tergantung pada masukan udara dari kipas ke

reaktor pada saat memasak. Setelah semua sekam padi terbakar maka

menghasilkan 125 sampai 500 gram abu sekam. Selama proses tungku ini

tidak menghasilkan asap. Tungku tipe inilah yang kemudian akan dibuat.

4. CPU Cross-Flow Type Rice Husk Gasifier Stove

CPU Cross-Flow Type Rice Husk Gasifier Stove dapat dilihat pada

gambar 2.11 diciptakan setelah tungku kayu AIT. Tungku ini dirancang

untuk mengubah sekam padi menjadi gas. Penggunaan tungku ini

menggunakan motor DC 3 watt sebagai penyedia udara untuk proses

perubahan menjadi gas. Sekam padi yang berada didalam reaktor

bergerak vertikal sedangkan udara yang membakar sekam padi bergerak

horizontal. Pembakar/burner ditempatkan disebelah tungku, pembakaran

sekam padi dan memasak dilakukan disini.

Gambar 2.9 CPU Proto-Type IDD/T-LUD Rice

Husk Gas Stove, Model 1

13

2.2.3.2 Pemilihan tungku CPU Proto-Type IDD/T-LUD Rice Husk Gas Stove

CPU proto type IDD/T-LUD Rice Husk Gas Stove merupakan tipe tungku

berbahas biomassa dalam hal ni sekam padi dan serbuk gergaji. Tungku ini terdapat

pada rice husk gas stove handbook karangan Alexis T. Belonio.. Konsumsi bahan

bakar antara 0.33 sampai 0.43 kg permenit. Waktu yang di perlukan untuk

pembakaran sekam padi 1.74 sampai 2.27 cm permenit. Effisiensi panas yang

dihasilkan diperkirakan 12 sampai 20 %. Tungku ini dapat mendidihkan air dalam

waktu 9 sampai 9,5 menit dari temperatur awal 32° C sampai 100° C. tungku ini

mempunyai keunggulan dari tungku type yang lain karena lebih sederhana dan

ekonomis, sedangkan tungku type yang lain merupakan tungku dengan skala

industri.

2.2.4 Prinsip Operasi Tungku Sekam Padi

Tungku gas sekam padi prinsipnya yaitu memproduksi gas, terutama

karbonmonoksida yang dihasilkan dari pembakaran sekam padi dengan

pengkondisian udara. Sekam padi yang dibakar cukup untuk mengkonversi bahan

bakar menjadi abu, oksigen, dan gas lain yang dihasilkan sepanjang proses sehingga

dapat bereaksi dengan karbon yang terdapat pada abu yang temperaturnya lebih

tinggi, maka akan menghasilkan karbon monoksida yang mudah menyala (CO),

hidrogen (H2), dan metana (CH4). Gas lain seperti gas asam-arang (CO2) dan uap air

Gambar 2.11 CPU Cross-Flow Type Rice Husk Gasifier

Stove

14

(H2O) yang sulit menyala juga diproduksi selama proses perubahan menjadi gas.

Dengan pengendalian masukan udara dengan menggunakan kipas, jumlah udara

yang dibutuhkan untuk membakar sekam padi akan berubah menjadi gas yang

diinginkan.

Gambar 2.12 merupakan gambar prinsip kerja dari tungku sekam padi, sekam

padi dibakar didalam reaktor dengan awal penyalaan dibakar dengan menggunakan

potongan-potongan kertas. Nyala api ini akan terus membakar sekam padi 1 cm

hingga 2 cm per menit, kecepatan pembakaran tergantung pada putaran kipas.

Semakin cepat putaran kipas maka akan semakin banyak pula udara yang masuk dan

mengakibatkan sekam padi didalam reaktor cepat habis. Sisa pembakaran terbuang

kebawah dan akan menghasilkan abu karbon, abu karbon ini bercampur dengan

udara dari kipas dan masuk kembali ke dalam reaktor sehingga berubah menjadi gas.

Hasil pembakaran ini menghasilkan gas, gas yang dihasilkan pada pembakaran akan

menuju ke ruang bakar atau burner.

Ruang bakar adalah bagian terpenting dari tungku, pada ruang ini gas yang

dihasilkan dari pembakaran direaktor bercampur dengan udara alami dan terjadi

proses gasifikasi. Prinsip kerja dari ruang bakar yang dapat dilihat pada gambar 2.13

menjelaskan proses gasifikasi yang terjadi, gas diarahkan pada lubang ujung ruang

Gambar 2.12 Prinsip kerja reaktor tungku sekam padi

15

bakar/burner dan bercampur dengan udara alami yang ada pada sekeliling ruang

bakar/burner sehingga menghasilkan warna api kebiru-biruan.

2.2.5 Parameter Kinerja Tungku Sekam Padi

Pengujian kinerja dari sebuah tungku sekam padi membutuhkan parameter

agar tungku dapat diidentifikasi. Parameter-parameter berikut digunakan untuk

mengevaluasi kemampuan tungku sekam padi, parameter yang akan dipakai untuk

melihat kinerja tungku sekam padi adalah sebagai berikut:

1. Waktu penyalaan

Waktu penyalaan adalah waktu yang digunakan untuk pembakaran awal

sekam padi, waktu dimulai dari pembakaran potongan-potongan kertas

hingga sekam terbakar sempurna dan menghasilkan gas.

2. Waktu operasi

Waktu operasi adalah waktu yang digunakan mulai gas dihasilkan oleh

tungku hingga gas tidak ada lagi atau api sudah padam dan tungku sudah

tidak beroperasi.

3. Waktu operasi total

Gambar 2.14 Prinsip kerja ruang bakar /burner tungku sekam padi

16

Waktu operasi total adalah waktu yang digunakan mulai dari pembakaran

kertas hingga tungku tidak beroperasi atau sudah tidak ada gasifikasi lagi,

pada dasarnya waktu ini merupakan penjumlahan waktu penyalaan dan waktu

operasi.

4. Konsumsi bahan bakar (FCR)

Konsumsi bahan bakar (FCR) adalah jumlah dari bahan bakar yang

digunakan dalam operasi dibagi dengan waktu operasi tungku. FCR dapat

dihitung dengan menggunakan rumus berikut: (A. T. Belonio,1985)

(2.1)

5. Spesifikasi gas rata-rata (SGR)

Spesifikasi gas rata-rata (SGR) adalah beratbahan bakar yang digunakan

dibagi dengan perkalian antara luas reaktor dan waktu operasi. SGR dapat

dihitung dengan menggunakan rumus berikut: (A. T. Belonio,1985)

(2.2)

6. Waktu untuk mendidihkan air

Ini adalah waktu yang dihasilkan dari pertama panci berisi air

ditempatkan diatas burner hingga air tersebut mendidih, temperatur yang di

hasilkan dari air tersebut mendekati 100 oC.

7. Massa uap air

Massa uap air didapatkan dari pengurangan antara volume air sebelum di

masak (2 liter) dengan sisa air setelah tungku tidak beroperasi lagi.

8. Energi yang dibutuhkan untuk menaikan temperatur air (SH)

17

Ini adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikan temperatur air,

pengukuran energi ini dilakukan dengan pengambilan data temperatur air

sebelum dan sesudah mendidih. Perhitungan energi ini dapat dihitung dengan

menggunakan rumus berikut: (A. T. Belonio,1985)

SH = Mw x Cp x (Tf – Ti) (2.3)

Di mana:

Sensible Heat (SH) = Energi yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur

air [kkal]

Mw = Massa jenis air [kg/liter]

Cp = Kalor jenis air (0,9993) [kkal/kg°C]

Tf = Temperatur air mendidih pada tekanan 1 atm, +/- 100°C

Ti = Temperatur air awal +/- 25°C

9. Kalor Laten (LH)

Kalor laten adalah jumlah energi panas yang digunakan untuk

menguapkan air (A. T. Belonio,1985)

LH = We x Hfg (2.4)

Di mana:

LH = Kalor laten [kkal]

We = Massa uap air [kg]

Hfg = Kalor laten air (540) [kkal/kg]

10. Efisiensi Termal (TE)

(2.5)

Di mana:

TE = Efisiensi termal [%]

SH = Energi yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur air [kkal]

18

LH = Kalor laten [kkal]

HVF = Kalor jenis bahan bakar [kkal/kg]

WFU = Berat bahan bakar yang digunakan [kg]

11. Energi Panas Masuk (QF)

Energi panas masuk adalah jumlah energi panas yang tersedia di bahan

bakar. Energi panas masuk dapat dihitung dengan menggunakan rumus

berikut: (A. T. Belonio,1985)

` QF= WFU x HVF (2.6)

Di mana:

QF = Energi panas bahan bakar [kkal]

WFU = Massa bahan bakar yang digunakan dalam pengoperasian [kg]

HVF = Kalor jenis bahan bakar (3300) [kkal/kg]

12. Energi input (Pi)

Ini adalah energi masukan yang digunakan untuk mengkonsumsi bahan

bakar. Berikut ini rumus yang digunakan untuk menghitung energi input: (A.

T. Belonio,1985)

Pi = FCR x HVF (2.7)

Di mana:

Pi = Energi input [kkal/jam]

FCR = Konsumsi bahan bakar [kg/jam]


13. Energi Output (Po)

Energi output adalah jumlah energi yang dilepaskan oleh tungku untuk

memasak. Energi output dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:

(A. T. Belonio,1985)

Po= FCR x HVF x TE (2.8)

Di mana:

19

Po = Energi output [kkal/jam]



TE = Efisiensi yang berhubungan dengan panas [%]

14. Abu yang dihasilkan

Ini adalah rasio jumlah abu yang dihasilkan selama proses

pembakaran sekam padi berlangsung. Abu yang dihasilkan dapat dihitung

dengan menggunakan rumus berikut :

(2.9)

15. AFR (Air Fuel Ratio)

Merupakan perbandingan antara udara dan bahan bakarnya. Nilai

AFR ini dapat dicari dengan menggunakan rumus :

(2.10)

Di mana:

AFR = Perbandingan udara dan bahan bakar

= Perbandingan rasio [0.3 sampai 0.4]


SA = Stoichiometric udara dari sekam padi 4,5 [kkal/kg]

= Densitas udara 1.25 [kg/m3]

bab ii landasan teori - perpustakaan digital...

Documents