PEMBAKARAN / KARBONISASI AULIA UTAMI HERAWATI 3335170023 Hello! BIOMASSA PENDAHULUAN Biomassa seperti serpihan kayu dan sisa proses produk pertanian, juga perkebunan merupakan sumber energi yang tertua didunia. Indonesia memiliki ketersediaan sisa pertanian dalam jumlah berlimpah, seperti sekam padi, ampas tebu, cangkang dan tandan kosong sawit, serbuk kayu, sabut dan cangkang kelapa. Indonesia sendiri berpotensi untuk mengelola bahan baku tersebut menjadi energi. Salah satu metode konversi bahan organik menjadi energi adalah metode pembakaran atau karbonisasi yang mengolah bahan organik menjadi arang (R.Y Nasir, 2010) Definisi PEMBAKARAN Pembakaran dapat didefinisikan sebagai proses atau reaksi oksidasi yang sangat cepat antara bahan bakar (fuel) dan oksidator dengan menimbulkan panas atau nyala dan panas. Bahan bakar (fuel) merupakan segala substansi yang melepaskan panas ketika dioksidasi dan secara umum mengandung unsurunsur karbon (C) , hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N), dan sulfur (S). Sementara oksidator adalah segala substansi yang mengandung oksigen (misalnya udara) yang akan bereaksi dengan bahan bakar (fuel). Pada semua jenis pembakaran, kondisi campuran udara dan bahan bakar merupakan faktor utama yang harus diperhatikan untuk mendapatkan campuran yang sempurna, pada reaksi pembakaran pada unsur – unsur yang dapat terbakar menghasilkan pembebasan energi yang tergantung pada produk pembakaran. KONDISI PEMBAKARAN STOIKIOMETRIK (TEORITIS) Kondisi pembakaran stoikiometrik adalah dimana relatif PROSES PEMBAKARAN jumlah bahan bakar dan udara secara teoritis dibutuhkan minimal untuk memberikan pembakaran yang sempurna, dan dapat dihitung melalui analisa pada bahan bakar gas yang bereaksi dengan oksigen. KONDISI PEMBAKARAN UDARA LEBIH (AKTUAL) Hal ini terjadi karena kegagalan aliran gas dan udara untuk bercampur secara sempurna sebelum terjadinya proses pembakaran. Terjadinya pembakaran tergantung pada tumbuhan molekul bahan bakar dengan molekul oksigen. Jika terjadi kekurangan campuran pada kedua fluida tersebut, maka oksigen harus diberikan untuk menambah terjadinya tumbukan molekul. PRE - IGNITION FASE PEMBAKARAN Pada tahap ini bahan bakar mulai terpanaskan, kering dan mulai terjadi pirolisis yaitu pelepasan uap air, karbon dioksida dan gas-gas yang mudah terbakar termasuk methane, methanol dan hydrogren. Sekali terbakar, api akan terus bergerak secara kontinyu dan melakukan dua proses termal yang bersambungan yaitu pyrolisis dan pembakaran (Thoha, 2008). FLAMING COMBUSTION Flaming combustion adalah fase pembakaran yang paling efisien, yang menghasilkan paling sedikit jumlah asap per unit bahan bakar yang dikonsumsi. Fase ini merupakan fase transisi dari proses pembakaran yang endotermik menjadi proses pembakaran yang eksotermik. Pada umumnya, fase ini terjadi pada saat temperatur mencapai 300°C. SMOLDERING COMBUSTION FASE PEMBAKARAN Fase ini berjalan lambat <3 cm/jam, dimana pembakaran yang kurang penyalaan menjadi proses pembakaran dominan dalam fase ini. Smoldering biasanya terjadi pada fuel bed dengan bahan bakar yang tersusun dengan baik dan aliran oksigen terbatas seperti kayu yang membusuk dan tanah gambut (Thoha, 2008). GLOWING COMBUSTION Glowing combustion adalah fase pembakaran, dimana hanya bara dari bahan bakar yang dapat diamati. Glowing combustion menandakan proses oksidasi bahan padat hasil pembakaran yang terbentuk pada fase sebelumnya. Produk utama yang dihasilkan dari fase pembakaran ini adalah gasgas tak tampak, seperti gas karbon monoksida dan gas karbon dioksida. EXTINCTION Extinction merupakan proses dimana pembakaran akhirya FASE PEMBAKARAN berhenti setelah semua bahan bakar telah dikonsumsi, atau bila panas yang dihasilkan melalui oksidasi yang baik dalam fase smoldering maupun glowing tidak cukup untuk menguapkan uap air yang dibutuhkan (Thoha, 2008). Extinction merupakan proses pemadaman api ketika reaksi pembakaran tidak lagi berlangsung dan segitiga api telah terputus. Segitiga api mengilustrasikan hubungan antara tiga elemen dasar yang diperlukan untuk membangkitkan api. NILAI KALOR Nilai kalor merupakan ukuran panas atau energi yang dihasilkan, dan diukur sebagai nilai kalor kotor (gross calorific value) atau nilai kalor netto (net calorific value) SPESIFIKASI BAHAN BAKAR KADAR AIR Kadar air merupakan kandungan air pada bahan bakar padat. Semakin besar kadar air yang terdapat pada bahan bakar padat maka nilai kalornya semakin kecil, KANDUNGAN ABU Abu yang terkandung dalam bahan bakar padat adalah mineral yang tidak dapat terbakar tertinggal setelah proses pembakaran. Abu berperan menurunkan mutu bahan bakar padat karena dapat menurunkan nilai kalor (Williams, 2001 dikutip oleh Widiarti 2011) Mekanisme pembakaran biomassa terdiri dari tiga tahap yaitu pengeringan (drying), devolatilisasi (devolatilization), dan pembakaran arang (char combustion). (Himawanto, 2005 dikutip oleh Widarti, 2011) PEMBAKARAN BAHAN BAKAR PADAT PENGERINGAN (DRYING) Dalam proses ini bahan bakar mengalami proses kenaikan temperatur yang akan mengakibatkan menguapnya kadar air di permukaan. Untuk Kadar air didalam menguap melalui pro-pori bahan bakar padat tersebut. Devolatilisasi (devolatilization). Kemudian bahan bakar mulai mengalami dekomposisi, yaitu pecahnya ikatan kimia secara termal dan zat terbang (volatile matter) akan keluar dari partikel. PEMBAKARAN ARANG PEMBAKARAN BAHAN BAKAR PADAT (CHAR COMBUSTION) Sisa dari pirolisis adalah arang (fixed carbon) dan sedikit abu, kemudian partikel bahan bakar mengalami tahapan oksidasi arang yang memerlukan 70% - 80% dari total waktu pembakaran. Laju pembakaran arang tergantung pada konsentrasi oksigen, temperature gas, bilangan Reynolds, ukuran, dan porositas arang. Arang mempunyai porositas yang tinggi. UKURAN PARTIKEL Dengan partikel yang lebih kecil ukurannya, maka suatu bahan bakar padat akan lebih cepat terbakar. FAKTOR–FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PEMBAKARAN BAHAN BAKAR PADAT (Sulistyanto, 2006 dikutip oleh Widarti 2011) KECEPATAN ALIRAN UDARA Laju pembakaran biobriket akan naik dengan adanya kenaikan kecepatan aliran udara dan kenaikan temperature. JENIS BAHAN BAKAR Jenis bahan bakar akan menentukan karekteristik bahan bakar, yaitu kandungan volatile matter (zat-zat yang mudah menguap) dan kandungan moisture (kadar air). Semakin banyak kandungan volatile matter pada suatu bahan bakar padat maka akan semakin mudah bahan bakar padat tersebut untuk terbakar dan menyala. FAKTOR–FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PEMBAKARAN BAHAN BAKAR PADAT (Sulistyanto, 2006 dikutip oleh Widarti 2011) TEMPERATUR UDARA PEMBAKARAN Kenaikan menyebabkan temperature udara pembakaran semakin pendeknya waktu pembakaran. KARAKTERISTIK BAHAN BAKAR PADAT Terdiri dari kadar karbon, kadar air (moisture), kadar abu (ash), dan nilai kalori. Karbonisasi merupakan metode atau teknologi untuk memperoleh arang sebagai produk utama dengan memanaskan biomassa padat seperti kayu, kulit kayu, bambu, sekam padi, dan lain-lain pada suhu 400 – 600 ℃ dengan tidak menggunakan udara atau oksigen. Definisi KARBONISASI Proses karboniasi atau pengarangan dilakukan dengan memasukkan bahan organik kedalam lubang atau ruangan yang dindingnya tertutup seperti didalam tanah atau tangki yang terbuat dari plat baja dan nyala api dikontrol. Tujuan pengendalian tersebut agar bahan yang dibakar tidak menjadi abu, tetapi menjadi arang yang masih terdapat energi didalamnya sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Prinsip Proses KARBONISASI Prinsip proses karbonisasi adalah pembakaran biomassa tanpa adanya kehadiran oksigen. Sehingga yang terlepas hanya bagian volatile matter, sedangkan karbonnya tetap tinggal di dalamnya. Temperatur karbonisasi akan sangat berpengaruh terhadap arang yang dihasilkan sehingga penentuan temperatur yang tepat akan menentukan kualitas arang. (Pari dkk, 1983 dikutip oleh Junaedi, 2013). Karbonisasi yang memiliki keunggulan dalam industri, yaitu peralatannya yang murah dan pengoperasian yang mudah untuk memproduksi bahan bakar padat murah dengan nilai pemanasan tinggi. Pengarangan Terbuka Pengarangan dalam drum METODE KARBONISASI Pengarangan dalam silo Pengarangan Semi Modern Pengarangan Super Cepat (Sinurat, 2011 dikutip oleh Junaedi, 2013). Tar Produk KARBONISASI Asam Pyroligneous Gas mudah terbakar Arang (Produk Utama) PRODUK SAMPING Reaksi Karbonisasi sama dengan reaksi pirolisis dalam suatu gas yang lembam seperti nitrogen. Contohnya untuk kayu, setelah hampir semua air diuapkan pada suhu dibawah 200 ℃, tiga komponen utamanya yaitu selulosa, hemiselulosa, dan lignin terdekomposisi untuk menghasikan fraksi cair dan gas terutama terdiri dari CO dan CO2 pada suhu 200 – 500 ℃. Reaksi KARBONISASI Berikut ini adalah Skema Keseluruhan Karbonisasi Skema KARBONISASI Skema tersebut menjelaskan bahwa distribusi produk bergantung pada kedua langkah, yaitu dekomposisi dari “meleleh” yang dihasilkan dari partikel kayu menjadi gas, cairan dan fraksi padat (tahap pertama) dan dekomposisi lanjutan dari fraksi cair (tahap kedua), dan rasio dari laju konstan untuk tahap pertama ke tahap kedua. Distribusi juga dipengaruhi oleh kelembaman dan ukuran dari bahan, laju pemanasan, suhu operasi, dll. KARBON AKTIF Karbon aktif merupakan padatan berpori yang mengandung 85% - 95% karbon yang konfigurasi atom karbonnya dibebaskan dari ikatan dengan unsur lain, serta pori dibersihkan dari senyawa lain sehingga permukaan dan pusat aktif menjadi luas akibatnya daya adsorbsi terhadap cairan atau gas akan meningkat. Luas permukaan berkisar antara 300-3500 m2/gram, dengan luas yang besar dari struktur dalam poripori karbon aktif dapat dikembangkan, struktur ini memberikan kemampuan karbon aktif menyerap (adsorb) gas-gas dan uapuap dari gas dan dapat mengurangi zat-zat dari liquida (Elly,2008). Berdasarkan ukuran pori-porinya karbon aktif dikelompokkan menjadi dua jenis yaitu: 1. Mikropori, dengan ukuran pori-pori 10-1000 Angstrom. 2. Makropori, dengan ukuran pori-pori lebih besar dari 1000 Angstrom. (Paul NC and Fred, 1980). KEGUNAAN KARBON AKTIF Menurut Tryana dan Sarma (2003), berdasarkan penggunaannya karbon aktif terbagi menjadi dua tipe yaitu karbon aktif sebagai pemucat dan karbon aktif sebagai penyerap uap. Karena hal tersebut maka karbon aktif banyak digunakan oleh kalangan industri dan hampir 60% produksi karbon aktif di dunia dimanfaatkan industri pembersihan minyak dan lemak, industri kimia dan farmasi. Karbon aktif komersial sebagian besar dimanfaatkan sebagai bahan penyerap (adsorben) dalam berbagai aplikasi seperti digunakan pada pembersihan tumpahan minyak, penyaring air minum, penyaring udara, dan perbaikan tanah. PROSES PEMBUATAN KARBON AKTIF Proses pembuatan karbon aktif secara umum terdiri dari tiga tahap yaitu tahap dehidrasi, karbonisasi dan aktivasi. Tahap dehidrasi yaitu tahap pengurangan kadar air pada bahan yang akan digunakan dengan menggunakan metode pemanasan hingga suhu 170⁰C. Tahap ini bertujuan untuk mengurangi kadar air pada bahan sehingga proses selanjutnya menjadi lebih mudah. Proses karbonisasi dilakukan dengan pembakaran dari material yang mengandung karbon dan dilakukan tanpa adanya kontak langsung dengan udara (Marsh, 2006). BIOMASSA Karbonisasi SKEMA PROSES PEMBUATAN KARBON AKTIF ARANG Proses Aktivasi (ZnCl2, NaOH,H3PO4, dll) Penyaringan, pencucian, pengeringan KARBON AKTIF ARANG Proses pengontrolan Panas (CO2, Uap, Oksigen, Nitrogen) KARBON AKTIF WAKTU KARBONISASI FAKTOR–FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PROSES KARBONISASI Bila waktu karbonisasi diperpanjang maka reaksi pirolisis semakin sempurna sehingga hasil arang semakin turun tetapi cairan dan gas makin meningkat.Waktu karbonisasi berbedabeda tergantung pada jenis-jenis dan jumlah bahan yang diolah (Joni TL ,1995). SUHU KARBONISASI Semakin tinggi suhu, karbon yang diperoleh makin berkurang tapi hasil cairan dan gas semakin meningkat. Hal ini disebabkan oleh makin banyaknya zat-zat terurai dan yang teruapkan.
