Peningkatan Kualitas Pelet Tandan Kosong Kelapa Sawit melalui Torefaksi Menggunakan Reaktor Counter-Flow Multi Baffle (COMB) PDF

Preview

Summary

JURNAL REKAYASA PROSES Research article / Vol. 14, No. 2, 2020, hlm. 169-181 Journal homepage: http://journal.ugm.ac.id/jrekpros Peningkatan Kualitas Pelet Tandan Kosong Kelapa Sawit melalui Torefaksi Menggunakan Reaktor Counter-Flow Multi Baffle (COMB) Wahyu Hidayat1, Irma Thya Rani1, Tri Yulianto1...

Description

JURNAL REKAYASA PROSES Research article / Vol. 14, No. 2, 2020, hlm. 169-181 Journal homepage: http://journal.ugm.ac.id/jrekpros

Peningkatan Kualitas Pelet Tandan Kosong Kelapa Sawit melalui Torefaksi Menggunakan Reaktor Counter-Flow Multi Baffle (COMB) Wahyu Hidayat1, Irma Thya Rani1, Tri Yulianto1, Indra Gumay Febryano1, Dewi Agustina Iryani2, Udin Hasanudin1, Sihyun Lee3, Sangdo Kim3, Jiho Yoo3, dan Agus Haryanto1* 1 Fakultas Pertanian, Universitas Lampung Jl. Sumantri Brojonegoro 1, Bandar Lampung, 35145 2 Fakultas Teknik, Universitas Lampung Jl. Sumantri Brojonegoro 1, Bandar Lampung, 35145 3 Climate Change Research Division, Korean Institute of Energy Research Daejon, 34129, Republic of Korea *Alamat korespondensi: [email protected] (Submisi: 11 Juni 2020; Revisi: 23 Agustus 2020; Penerimaan: 30 Agustus 2020)

ABSTRACT Oil palm (Elaeis guineensis) empty fruit bunches (EFB) have not been utilized optimally. Currently, it is considered as a resource with low economic value. This biomass can be converted into bioenergy through a torrefaction process. Torrefaction is a mild pyrolysis at temperatures ranging between 200 and 300 °C, and it is generally performed under an inert atmosphere. The objective of this study was to evaluate the effects of torrefaction using Counter-Flow Multi Baffle (COMB) on the properties of oil palm EFB pellets. Torrefaction was conducted at 280 °C temperature with a residence time of 4 minutes. The results showed a decrease in the equilibrium moisture content and an increase in hydrophobicity after torrefaction using the COMB reactor. The change in the hygroscopic property could make the oil palm EFB pellet more stable against chemical oxidation and microbial degradation, hence self-heating and auto-ignition during storage could be prevented. The heating value of biomass increased after torrefaction. Torrefaction with the COMB reactor resulted in a heating value of 17.90 MJ/kg, which is comparable with the results of oxidative torrefaction (with longer residence time) of 18.28 MJ/kg. The results suggested that torrefaction using the COMB reactor could provide a great improvement in the quality of the bioenergetic properties of oil palm EFB pellets. However, the high ash content of the EFB pellets implied that the EFB pellets suitable for a small-scale application, but not yet for cofiring in power plants or as a feedstock for gasification. Keywords: Counter-Flow Multi Baffle; oil palm empty fruit bunches; renewable; torrefaction

DOI: 10.22146/jrekpros.59172 Copyright © 2020 THE AUTHOR(S). This article is distributed under a Creative Commons Distribution-ShareAlike 4.0 International license.

Published online : 31 Desember 2020 e-ISSN 2549-1490 p-ISSN 1978-287X

Jurnal Rekayasa Proses, Vol. 14, No. 2, 2020, hlm. 169-181

170

ABSTRAK Tandan kosong kelapa sawit (Elaeis guineensis) belum dimanfaatkan secara optimal. Saat ini bahan tersebut masih dianggap sebagai sumber daya bernilai ekonomi rendah. Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) dapat dikonversi menjadi bioenergi melalui proses torefaksi. Torefaksi merupakan proses pirolisis ringan pada suhu berkisar antara 200 dan 300 °C dan umumnya dilakukan di bawah kondisi inert. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh torefaksi dengan reaktor Counter-Flow Multi Baffle (COMB) terhadap sifat-sifat pelet TKKS. Torefaksi dilakukan pada suhu 280 °C dengan waktu tinggal 4 menit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa torefaksi menyebabkan penurunan kadar air kesetimbangan dan menjadi hidrofobik setelah torefaksi dengan reaktor COMB. Perbaikan sifat higroskopis dapat membuat pelet TKKS lebih stabil terhadap oksidasi kimia dan degradasi mikroba, sehingga pemanasan sendiri dan pembakaran spontan selama penyimpanan dapat dicegah. Nilai kalor biomassa meningkat setelah torefaksi. Torefaksi dengan reaktor COMB menghasilkan nilai kalor 17,90 MJ/kg, yang sebanding dengan hasil torefaksi oksidatif dengan waktu tinggal lebih lama, sebesar 18,28 MJ/kg. Hasil penelitian menunjukkan bahwa torefaksi dengan reaktor COMB dapat meningkatkan kualitas energi pelet TKKS. Tetapi pelet TKKS masih memiliki kadar abu yang tinggi sehingga biomassa hasil torefaksi belum sesuai untuk cofiring di pembangkit listrik atau sebagai bahan baku untuk gasifikasi. Kata kunci: Counter-Flow Multi Baffle; tandan kosong kelapa sawit; terbarukan; torefaksi

diperkirakan mencapai 67,75 juta barel setara

1. Pendahuluan

minyak (barrel of oil equivalent/BOE) atau Biomassa memainkan peranan penting dalam pemenuhan energi terbarukan di Indonesia. Hal ini sejalan dengan Peraturan

7,24% dari konsumsi energi keseluruhan sebesar 936,33 juta BOE. Salah satu biomassa yang melimpah di

Pemerintah Republik Indonesia Nomor 79

Indonesia

tahun

Energi

guineensis). Luas perkebunan kelapa sawit

Nasional yang menargetkan 23% bauran

semakin meningkat dari tahun ke tahun. Pada

energi Indonesia pada tahun 2025 berasal

tahun 2018, luas perkebunan kelapa sawit di

dari sumber-sumber terbarukan termasuk

Indonesia meningkat menjadi 14,33 juta ha

dari biomassa. Biomassa dapat dianggap

dibandingkan tahun 2012 seluas 10,13 juta ha

sebagai solusi yang menarik dan komponen

(BPS,

penting dalam diversifikasi sumber energi,

sebagai penghasil minyak sawit mentah atau

karena relatif murah (terutama bila berasal

crude palm oil (CPO) terbesar di dunia

dari limbah pertanian atau kayu) dan tersedia

(Mellyanawaty dkk., 2019). Peningkatan luas

secara luas (Szwaja dkk., 2019). Pemenuhan

perkebunan kelapa sawit diiringi dengan

energi

Indonesia

bertambahnya pabrik kelapa sawit (PKS) dari

menunjukkan jumlah yang cukup signifikan.

604 PKS pada tahun 2014 (Hambali dan Rivai,

Kementerian

Daya

2017) menjadi 742 pada tahun (Irvan dkk.,

(2019)

2017), sehingga potensi limbah biomassa dari

Mineral

2014

dari

tentang

Kebijakan

biomassa Energi

Republik

di

dan

Sumber

Indonesia

adalah

2019)

dan

kelapa

sawit

menjadikan

(Elaeis

Indonesia

melaporkan bahwa konsumsi energi yang

PKS

berasal

biomassa dari PKS terdiri dari Tandan Kosong

dari

biomassa

di

tahun

2018

juga

semakin

meningkat.

Limbah

Jurnal Rekayasa Proses, Vol. 14, No. 2, 2020, hlm. 169-181

171

Kelapa Sawit (TKKS), serat, dan cangkang

peningkatan

sawit. Limbah TKKS mencapai 22% dari berat

(grindability) yang lebih baik dibandingkan

tandan buah segar (TBS) dan merupakan

dengan biomassa yang tidak melalui proses

limbah padat dengan persentase terbesar

torefaksi (Nunes dkk., 2014).

karakteristik

penggilingan

(Hasanudin dkk., 2015). Selain dikembalikan

Penelitian ini mengkaji torefaksi pelet

ke lahan sebagai mulsa, TKKS masih belum

tandan kosong kelapa sawit dengan reaktor

banyak dimanfaatkan. Limbah TKKS memiliki

Counter-Flow Multi Baffle (COMB). Reaktor

banyak potensi pemanfaatan, di antaranya

COMB memiliki kolom reaktor dengan plat

sebagai bahan pupuk kompos (Haryanto dkk.,

pengarah aliran panas yang sederhana dan

2019; Sentana dkk., 2013), bahan media

fleksibel, serta perbedaan suhu yang konstan

budidaya jamur merang (Triyono dkk., 2019),

di sepanjang kolom (Rubiyanti dkk., 2019).

hingga sumber asam laktat (Sitompul dkk.,

Kelebihan utama dari reaktor COMB adalah

2019).

dapat melakukan torefaksi biomassa dengan

Komponen kimia TKKS terdiri dari selulosa

waktu tinggal singkat, sekitar 3-5 menit (Iryani

(23,70–65,00%), hemiselulosa (20,58–33,52%),

dkk., 2019; Rani dkk., 2020; Sulistio dkk.,

lignin (14,10–30,45%), dan ekstraktif (3,21–

2020).

3,70%) sehingga memiliki potensi sebagai

mengetahui karakteristik pelet TKKS yang

sumber energi yang cukup besar (Chang,

diproduksi melalui proses torefaksi dengan

2014). Namun, pemanfaatan limbah biomassa

reaktor COMB.

Penelitian

ini

bertujuan

untuk

sebagai sumber energi menghadapi kendala karena biomassa dalam kondisi mentah (tanpa perlakuan) pada umumnya memiliki kepadatan energi yang lebih rendah, serta kadar air dan kadar zat terbang yang tinggi

2. Bahan dan Metode 2.1 Bahan Penelitian Bahan utama yang digunakan dalam

bila dibandingkan dengan bahan bakar fosil

penelitian

ini

adalah

pelet

TKKS

yang

seperti batubara (Azhar dan Rustamaji, 2012;

diperoleh dari PT. Toba Hijau Sinergi, Medan,

Mamvura dan Danha, 2020). Oleh karena itu,

Sumatera Utara.

biomassa membutuhkan perlakuan untuk meningkatkan sifat-sifatnya sebelum dapat digunakan bersama atau sebagai pengganti batubara.

Di

antara

berbagai

metode

2.2 Metode Penelitian Penelitian dilakukan pada bulan Desember 2019 hingga Maret 2020. Persiapan bahan

perlakuan, torefaksi adalah teknik yang

dan

menjanjikan untuk meningkatkan kualitas

Laboratorium

biomassa

2019).

Pertanian, Universitas Lampung. Pengukuran

Torefaksi merupakan proses termokimia yang

nilai kalor dan analisis proksimat dilakukan di

melibatkan pemanasan biomassa pada suhu

Laboratorium Daya dan Alat Mesin Pertanian,

200–300 °C dalam kondisi sedikit atau tanpa

Fakultas Pertanian, Universitas Lampung.

oksigen (Mamvura dan Danha, 2020). Ketika

Analisis

dikombinasikan dengan peletisasi, torefaksi

Laboratorium Biofuel Fakultas Teknik dan

menghasilkan pelet dengan nilai kalor tinggi

analisis FTIR dilakukan di Laboratorium

dan sifat-sifat lain seperti sifat hidrofobik dan

Inovasi,

padat

(Barskov

dkk.,

proses

torefaksi Lapang

komposisi

Fakultas

dilakukan

Terpadu,

kimia

di

Fakultas

dilakukan

Matematika

dan

di

Ilmu

Pengetahuan Alam, Universitas Lampung.

Jurnal Rekayasa Proses, Vol. 14, No. 2, 2020, hlm. 169-181

172

Bahan

baku

TKKS

diayak

halus yang masih menempel pada pelet TKKS

kawat

untuk

masuk ke bagian penyaring partikel halus

memisahkan serbuk dan debu halus. Pelet

(fine dust collector) melalui cyclone dengan

kemudian

ukuran

panjang pipa 2,90 m. Gas panas dari

panjangnya. Pelet TKKS yang digunakan

pembakar (burner) dialirkan oleh induction

memiliki diameter rata-rata 8,71 mm, panjang

drag fan (ID fan) dari bagian bawah ke bagian

pelet berkisar 10-20 mm, kerapatan 0,58

atas kolom reaktor dengan kecepatan aliran

menggunakan

pelet saringan

disortir

berdasarkan

g/cm , dan kadar air 11,54%. Sebelum

4,76 m3/menit. Suhu selama proses pada

dilakukan torefaksi, sampel pelet kemudian

kolom reaktor bagian atas (column-top)

disimpan dalam kontainer plastik untuk

sekitar 280 °C dan pada kolom bagian bawah

menjaga kadar airnya.

(column-in) sekitar 230 °C. Waktu tinggal

3

Torefaksi pelet TKKS dilakukan dengan

(residence time) sekitar 5 menit. Reaktor

menggunakan reaktor Counter-Flow Multi

COMB juga memiliki bagian pendinginan gas

Baffle (COMB) dengan kapasitas proses 20

(heat exchanger) untuk mencegah suhu

kg/jam (Gambar 1). Pelet TKKS dimasukan ke

proses yang terlalu tinggi dengan panjang

dalam pengumpan biomassa (feeder) dengan

pipa 3,00 m.

frekuensi putaran 17,60 Hz. Pelet kemudian

Pelet TKKS sebelum dan setelah torefaksi

menuju ke kolom reaktor (column) tempat

diuji karakteristiknya meliputi kadar air,

biomassa mengalami proses torefaksi. Pelet

analisis komposisi kimia, karakterisasi gugus

kemudian turun ke kolom reaktor sepanjang

fungsional, nilai kalor, dan analisis proksimat.

3,85 m yang terdiri dari pelat metal ( baffle) dengan

kemiringan

45°.

Partikel-partikel

Gambar 1. Skema reaktor Counter-Flow Multi Baffle (COMB) (Sulistio dkk., 2020)

Jurnal Rekayasa Proses, Vol. 14, No. 2, 2020, hlm. 169-181

173

Pengujian kadar air dilakukan berdasarkan

Kadar karbon terikat dihitung menggunakan

Standar Nasional Indonesia (SNI) 8675:2018

rumus berikut:

(BSN, 2018). Kadar air sampel sebelum dan

Kadar karbon terikat (%) = 100% - (Kadar air (%) + Kadar zat terbang (%) + Kadar abu (%))

setelah torefaksi dilakukan dengan mengukur berat kering udara dan berat kering oven. Komposisi

kimia

lignoselulosik

dianalisis

menggunakan modifikasi metode Chesson (Datta, 1981). Karakterisasi gugus fungsional dilakukan

dengan

menggunakan

spektrometer

Fourier-Transform

3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Kadar Air

Infrared

Kadar air pelet TKKS sebelum perlakuan

(FTIR) (Scimitar 2000 FT-IR, Varian Inc., USA).

(11,54%) menurun setelah proses torefaksi

Sampel pelet TKKS sebanyak 2 g (kering oven)

dengan reaktor COMB (7,86%). Penelitian

bersama padatan KBr digerus dalam mortar

sebelumnya (Yulianto dkk., 2020) melakukan

kecil, lalu dicetak dengan cara dipres dalam

torefaksi

cetakan

rata.

oksidatif menggunakan electric furnace pada

Sampel kemudian dimasukan ke dalam

suhu 280 °C dengan waktu tinggal (residence

spektrometer FTIR untuk kemudian dianalisis.

time) 20 menit dan melaporkan kadar air

Semua spektrum dicatat pada suhu kamar.

pelet setelah torefaksi yang lebih rendah

Pengukuran

dilakukan

(6,66%). Hal sejalan dengan pernyataan

menggunakan 5 g sampel kering oven dari

Álvarez dkk., (2017) bahwa penurunan kadar

pelet yang dihancurkan menjadi serbuk.

air

Pengukuran nilai kalor dilakukan dengan

dipengaruhi

menggunakan bomb calorimeter (PARR 1341

ketersediaan oksigen (torefaksi oksidatif dan

Calorimeter,

non-oksidatif).

berbentuk

cincin

nilai

Parr

dengan

kalor

Instrument,

USA)

pelet

biomassa

TKKS

dalam

setelah oleh

lingkungan

proses

waktu

Parameter

torefaksi

tinggal proses

dan yang

memengaruhi hasil torefaksi lainnya meliputi

berdasarkan SNI 8675:2018 (BSN, 2018). dengan

suhu reaksi, waktu tinggal, laju pemanasan,

mengukur kadar air, kadar abu, kadar zat

tekanan atmosfer, serta kelembaban dan

terbang,

terikat

ukuran bahan baku (Mamvura dan Danha,

berdasarkan SNI 8675:2018 (BSN, 2018).

2020; Nunes dkk., 2014; Tumuluru dkk., 2011).

Sebelum dilakukan pengujian, sampel pelet

Secara keseluruhan, kadar air pelet TKKS hasil

TKKS dijadikan serbuk dengan cara digerus di

torefaksi

dalam

abu

memenuhi nilai yang disyaratkan standar SNI

menggunakan 2 g sampel. Sampel tersebut

8675:2018 (BSN, 2018) sebesar 10% untuk

kemudian dimasukkan ke dalam cawan

penggunaan rumah tangga dan 12% untuk

porselen dan diabukan dalam tanur listrik

penggunaan industri.

Analisis

proksimat dan

mortar.

kadar

dilakukan karbon

Pengujian

kadar

dengan

reaktor

COMB

masih

pada suhu 550 ºC selama 2 jam. Pengujian

Pelet TKKS hasil torefaksi dengan reaktor

kadar zat terbang (volatile matter) dilakukan

COMB lebih tahan terhadap air (hidrofobik)

dengan memasukkan cawan porselen berisi 2

dibandingkan dengan pelet kontrol yang

g sampel ke dalam dalam tanur listrik dan

bersifat

dipirolisis pada suhu 950 ºC selama 7 menit.

menunjukkan bahwa pelet TKKS kontrol mulai

hidrofilik.

Hasil

uji

rendam

pecah setelah perendaman selama 5 menit

Jurnal Rekayasa Proses, Vol. 14, No. 2, 2020, hlm. 169-181

174

dan

mengalami

bertambahnya

disintegrasi waktu

seiring

batubara dan biomassa yang ditumpuk

perendaman,

(disimpan) dalam volume dan durasi tertentu

sedangkan pelet hasil torefaksi dengan

bisa

reaktor COMB tidak menunjukkan perubahan

pembakaran

bentuk

setelah

combustion) yang dipicu oleh panas yang

perendaman selama 12 jam (Gambar 2).

dihasilkan dari reaksi kondensasi dan oksidasi

Penyerapan uap air setelah torefaksi sangat

biokimia (Ashman dkk., 2018; Ünal, 1995).

terbatas

Peristiwa

yang

dan

berarti,

ini

bahkan

menyiratkan

bahwa

mengalami

kebakaran

(spontaneous

spontan

kebakaran

akibat

biomassa

dalam

degradasi biologis tidak terjadi lagi (Nunes

penyimpanan yang terjadi pada periode

dkk., 2014). Deng dkk. (2009) menyatakan

2000-2018 telah dilaporkan oleh Krigstin dkk.

bahwa torefaksi menyebabkan biomassa

(2018) yang mencatat 69 kasus di benua

menjadi benar-benar kering dan merubah

Amerika

sifat