https://dx.doi.org/10.20961/mekanika.v19i1.40039
Pembakaran Bersama Biomassa dan Batu Bara: Pengaruh Rasio Biomassa-Batu Bara dan Excess Air
Heru Sutarto 1 , Tito Gusti Nurrohim 1 , Albert Xaverio Ilyas 1 , Suyitno 1*
*1 Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret e-mail address : suyitno@uns.ac.id
Keywords:

## Abstrak:
Pemanfaatan  batu  bara  dan  biomassa  untuk  menghasilkan  panas  dan  daya semakin  meningkat  seiring  dengan  kebutuhan  energi  yang  semakin  tinggi. Cadangan  batu  bara  Indonesia  yang  sebagian  besarnya  adalah  batu  bara kualitas  rendah,  menarik  untuk  diteliti  bersamaan  dengan  pemanfaatan biomassa.  Sehingga  tujuan  dari  studi  ini  adalah  melakukan  investigasi pengaruh perbandingan udara bahan bakar suatu tungku pembakaran bersama antara biomassa dan batu bara. Penelitian dilakukan secara simulasi computer menggunakan  perangkat  lunak  ASPEN  PLUS.  Hasil  dari  penelitian menunjukkan  pemodelan  termodinamika  dengan  ASPEN  PLUS  mampu menyimulasikan  pembakaran  bersama  antara  biomassa  dan  batu  bara. Penambahan  biomassa  menurunkan  temperatur  gas  pembakaran  dari  900  C menjadi 400  C sehingga menurunkan kadar NOx dan SOx. Pengaruh excess air menurunkan  temperatur  pembakaran.  Efisiensi  tungku  pembakaran bersama  antara  biomassa  dan  batu  bara  diatas  60%  dan  dipengaruhi  oleh komposisi campuran.

## 1 PENDAHULUAN
Pembakaran  atau  oksidasi  merupakan proses  reaksi  kimia  antara  bahan  bakar  dengan oksidator  yang  menghasilkan  panas  yang diperlukan  untuk  kebutuhan  sehari-hari.  Reaksi kimia  pada  proses  oksidasi  umumnya  adalah reaksi  eksoterm.  Proses  pembakaran  biomassa dan  batu  bara  termasuk  reaksi  kimia  yang kompleks  dimana  unsur-unsur  pembentuk  dari biomassa dan batu bara bereaksi dengan oksigen [1].  Dari  analisis  ultimate dan  proximate,  dapat diketahui  bahwa  kandungan  dari  unsur-unsur pembentuk  batu  bara  dan  biomassa  sangatlah berbeda,  sehingga  juga  mempunyai  nilai  kalor yang  berbeda.  Penelitian  tentang  pembakaran bersama antara batu bara dan biomassa menjadi topik  menarik  dari  berbagai  peneliti  terbukti setiap tahun rata-rata terdapat publikasi sebanyak 1100 artikel pada google scholar.
Penelitian secara eksperimen telah dilakukan  pada  campuran  biomassa  batu  bara yang  mengandung  10%,  20%,  dan  30%  berat pelet  biomassa.  Peningkatan  konten  biomassa dalam campuran mampu menurunkan kadar NO
dan  NO₂.  Tidak  ada  korelasi  yang  jelas  antara emisi partikel (PM) dan konten biomassa dalam campuran  yang  diamati  [2].  Studi  eksperimen tentang  pembakaran  bersama  antara  batu  bara bituminous dengan kayu telah dilakukan sampai penambahan biomassa sebanyak 40%.
Perubahan  emisi  gas  buang  tidak  drastis  dan penggunaan  campuran  biomassa  sampai  40% dengan batu bara dapat menjadi alternatif sumber bahan bakar untuk combustor [3].
Selain penelitian eksperimen, terdapat juga penelitian menggunakan simulasi  CFD  ANSYS untuk pembakaran bersama antara batu bara dan biomassa [4]. Keuntungan nyata dari penambahan  biomassa  pada  pembakaran  batu bara  adalah  terdapatnya  volatile  dalam  jumlah yang banyak yang mampu meningkatkan tingkat penyalaan.
Sementara  itu,  kualitas  pembakaran  sangat dipengaruhi oleh jumlah udara dan jumlah bahan bakar  yang  masuk  ke  ruang  bakar.  Besaran  ini diwakili  dengan  AFR  ( air  fuel  ratio ).  Untuk pembakaran  sempurna  memerlukan  sejumlah udara  yang  cukup  yang  disebut  dengan  AFR stoikiometri, sehingga seluruh unsur bahan bakar
Biomassa, Batu bara, Pembakaran Bersama, Perbandingan Udara Bahan Bakar.
akan  berubah  menjadi  gas  CO₂  dan  H₂O  tanpa ada bahan bakar yang tersisa [5]. Udara berlebih seringkali juga diperlukan untuk menyempurnakan pembakaran.
Dengan demikian, kualitas pembakaran dan kualitas gas hasil pembakaran sangat dipengaruhi oleh AFR. Sayangnya,  masih  terbatas  penelitian  yang membahas  pengaruh  AFR  pada  kualitas pembakaran  dan  kualitas  gas  hasil  pembakaran camuran  biomassa  dan  batu  bara  khususnya menggunakan pemodelan termodinamika.
Tujuan dari penelitian adalah validasi model termodinamika  pembakaran  bersama  antara biomassa  dan  udara.  Tujuan  lainnya  adalah melihat  pengaruh excess  air pada  kualitas pembakaran  dan  kualitas  gas  buang  hasil pembakaran.

## 2 METODOLOGI PENELITIAN
Bahan yang digunakan adalah biomassa dan batu  bara  dengan  spesifikasi  dapat  dilihat  pada Tabel  1.  Analisis  proksimat  dilakukan  untuk mengetahui  kadar air, volatile, karbon tetap, dan abu. Analisis ultimate dilakukan untuk mengetahui  unsur  penyusun  batu  bara  dan biomassa  seperti  carbon,  hidrogen,  oksigen, nitrogen,  sulfur,  dan  klorin.  Kadar  ultimat  dan proksimat  biomassa  dan  batu  bara  ini  dalam pemodelan diimplementasikan ke dalam padatan non  conventional (NC)  [6].  Besarnya  laju biomassa dan batu bara dijaga konstan sebesar 14 kg/h [7].
Tabel 1. Spesifikasi batu bara dan biomassa [7] Bahan Baku Proximate (%) HHV Kadar Air Volatil Karbon Tetap Abu (MJ/kg) Biomassa 8,4 65,5 13,7 12,4 13,2 Batu bara 12,7 47,8 27,4 12,1 20,9 Bahan Baku Ultimate Karbon  Hidrogen  Oksigen  Nitrogen  Sulfur Biomassa 36,9 5,2 43,7 0,5 0,1 Batu bara 66,2 6,1 12,3 1,0 0,6
Untuk  pemodelan  pembakaran  dapat  dilakukan melalui tiga tahap.  Tahap pertama  adalah tahap pengeringan,  dimana  kadar  air  dalam  biomassa maupun batu bara dikeluarkan. Pada pemodelan ASPEN,  proses  pengeringan  menggunakan
reaktor stiokiometri dengan mengikuti persamaan:
Biomassa  Basah → αH₂O  +  Biomassa  kering (1)
Batu  bara  Basah → αH₂O  +  Batu  bara  kering (2)
Dimana  α  adalah  koefisien  reaksi  H₂O  yaitu 0,0555084 dan besarnya panas reaksi adalah 43,9 kJ/mol.
Tahap  kedua  dari  pembakaran  adalah devolatilisasi,  dimana  unsur  batu  bara  dan biomassa  selain  abu  dikonversi  menjadi  gas. Pemodelan  devolatilisasi  menggunakan  reactor RYield  yang  dilengkapi  dengan  kalkulator konversi. Penggunaan RYield untuk pemodelan devolatilisasi  lebih  sederhana  dibandingkan dengan  pemodelan  devolatilisasi  menggunakan reaksi  kinetik  [8-11].  Tahap  ketiga  adalah pembakaran  gas  yang  dimodelkan  di  dalam reactor RGibbs. Pada studi sebelumnya, RGibbs mampu  menyimulasikan  pembakaran  biogas dengan baik [12]. Selanjutnya, energi panas yang dihasilkan  oleh  RGibbs  sebagiannya  digunakan untuk  memanaskan  reactor  pengeringan  dan reactor pirolisis.
Pembakaran  bersama  antara  biomassa  dan batu  bara  dilakukan  pada  berbagai  variasi  laju biomassa  dan  batu  bara  dimana  jumlah  total bahan  baku  yang  masuk  sebesar  14  kg/jam. Sedangkan  udara  yang  masuk  divariasikan  dari excess  air 0%,  10%,  20%,  dan  30%.  Parameter yang  diamati  adalah  perubahan  temperatur  gas buang, kadar gas-gas penyusun dalam gas buang, dan  efisiensi  pembakaran.  Adapun  efisiensi pembakaran dihitung dengan rumus:
Efisiensi pembakaran =
laju gas hasil x nilai kalor gas hasil laju bahan bakar masuk x nilai kalor bahan bakar masuk (3)

## 3 HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Validasi Model
Simulasi model termodinamika pembakaran bersama  antara  biomassa  dengan  batu  bara dilakukan  menggunakan  ASPEN  PLUS.  Model ini  dilakukan  validasi  dengan  hasil  eksperimen
yang  dilakukan  oleh  Unchaisri  [7]  pada pembakaran bersama dengan circulating fluidized bed . Hasil perbandingan antara simulasi
dan eksperimen difokuskan pada temperatur dan gas hasil pembakaran sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Validasi hasil simulasi dengan eksperimen Parameter Temperatur pembakaran CO (ppm) NOx (ppm) SO₂ (ppm) Simulasi 687  C 3468  11.121  221 Eksperimen 650-690  C 3403 100 110
Terlihat bahwa model pembakaran bersama antara batu bara dan biomassa cukup valid yang ditandai  dengan  nilai  berbagai  parameter  yang dekat  dengan  hasil  eksperimen.  Temperatur pemodelan  sebesar  687  C  berada  dalam jangkauan temperatur hasil pembakaran sebesar 650-690  C. Konsentrasi CO antara hasil simulasi dengan  hasil  pembakaran  juga  cukup  dekat nilainya. Pada NOx dan SO₂, hasil simulasi lebih tinggi dibandingkan dengan hasil dari eksperimen  yang  menunjukkan  bahwa  RGibbs cenderung  menghasilkan  kadar  NOx  dan  SO₂ yang  lebih  tinggi  karena  temperatur  yang dihasilkan juga cenderung lebih tinggi dibandingkan dengan eksperimen.

## 3.2 Pengaruh Perbandingan Biomassa/Batu bara dan Excess Air
Temperatur  gas  hasil  pembakaran  sangat dipengaruhi  oleh  komposisi  biomassa  dan  batu bara.  Batu  bara  yang  mempunyai  kandungan karbon  lebih  tinggi  dan  juga  mempunyai  nilai kalor  lebih  tinggi  menghasilkan  gas  dengan temperatur  sampai  mendekati  900  C.  Hasil  ini sejalan dengan penelitian eksperimental sebelumnya yang menyatakan bahwa temperatur tertinggi yang mampu dicapai pada pembakaran
bersama  batu  bara  dengan olive  cake adalah 860  C [13].
Penggunaan  biomassa  yang  berlebihan sampai 13:1 menyebabkan temperatur gas turun menjadi sekitar  400  C.  Hal ini  disebabkan  oleh rendahnya  nilai  kalor  biomassa  dibandingkan dengan nilai kalor dari batu bara. Sementara itu, penambahan  udara  berlebih  juga  menurunkan temperatur  gas.  Setiap  penambahan excess  air 10%,  mengakibatkan  turunnya  temperatur  gas sebesar 30-40  C sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 2. Penurunan temperatur gas pembakaran  karena  penambahan  biomassa dikarenakan  biomassa  mempunyai  nilai  kalor yang  lebih  rendah  dan  memiliki  kandungan volatile  yang  lebih  tinggi.  Kandungan  volatile yang  lebih  besar  menyebabkan  penurunan temperatur  penyalaan  dan  temperatur  akhir  gas pembakaran  karena  volatile  lebih  mudah menyala  dan  terbakar  lebih  cepat  dibandingkan karbon [14].
Gambar 3, 4, dan 5 menunjukkan komposisi gas    hasil  pembakaran  campuran  biomassa  dan batu  bara.  Seiring  dengan  bertambahnya biomassa  dalam  campuran  menyebabkan  kadar CO₂  menurun,  kadar  O₂  meningkat  sedangkan kadar H₂O cenderung tetap. Penyebabnya adalah karena  biomassa  yang  mempunyai  kandungan oksigen lebih tinggi .
Gambar  2.  Temperatur  gas  hasil  pembakaran campuran biomassa dan batu bara.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1:13 2:12 3:11 4:10 5:9 6:8 7:7 8:6 9:5 10:4 11:3 12:2 13:1 T em p er at u re (  C) Biomass/Coal Excess Air = 0% Excess Air = 10% Excess Air = 20% Excess Air = 30%
Gambar 1. Skema pemodelan pembakaran bersama biomassa dan batu bara dalam ASPEN PLUS
Gambar 3. Komposisi CO dan NOx dalam gas hasil pembakaran
Komposisi  gas  CO,  NOx,  H₂,  dan  SOx cenderung mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya  biomassa  dalam  campuran.  Laju penurunan CO lebih besar dibandingkan dengan
laju penurunan NOx. Besarnya kadar CO dalam gas  pembakaran  adalah  0,7-1,3%.  Pengaruh excess air mampu menurunkan kadar CO dalam gas  buang.  Hal  ini  sesuai  dengan  penelitian sebelumnya  tentang  kandungan  CO  dari  gas pembakaran batu bara dan Olive cake [13].
Penambahan  biomassa  dalam  campuran menurunkan kadar NOx sesuai dengan penelitian sebelumnya  [2].  Sebagaimana  diketahui  bahwa NOx cenderung terbentuk pada reaksi pembakaran  pada  temperatur  tinggi.  Semakin tinggi temperatur  dalam  gas  pembakaran,  maka NOx  akan  meningkat  [15].  Prediksi  NOx  lebih dari 7000 ppm hasil simulasi ini masih jauh lebih tinggi  dibandingkan  dengan  kenyataan  sebesar 300  ppm.  Model  RGibbs  untuk  pembakaran, pada  awalnya  menghasilkan  rekasi  pembakaran dengan temperatur gas yang tinggi sehingga NOx yang  dihasilkan  terlalu  tinggi.  Pada  sisi  lain, dengan  penambahan  biomassa  dan excess  air , temperatur  pembakaran  menurun  dan  akan berakibat  pada  menurunnnya  kadar  NOx  dalam gas pembakaran.
Gambar 4. Komposisi CO₂, H₂O, dan O₂ dalam gas hasil pembakaran
0 0,005 0,01 0,015 1 :1 3 2 :1 2 3 :1 1 4 :1 0 5 :9 6 :8 7 :7 8 :6 9 :5 1 0 :4 1 1 :3 1 2 :2 1 3 :1 Ma ss f rac tio n Biomass/Coal CO saat excess air = 0% NOx saat excess air = 0% CO saat excess air = 10%
NOx saat excess air = 10% CO saat excess air = 20% NOx saat excess air = 20% CO saat excess air = 30% NOx saat excess air = 30% 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 1:13 2:12 3:11 4:10 5:9 6:8 7:7 8:6 9:5 10:4 11:3 12:2 13:1 Fra k si m ass a Biomass/Coal
CO₂ saat excess air = 0%
H₂O saat excess air = 0%
O₂ saat excess air = 0% CO₂ saat excess air = 10% H₂O saat excess air = 10% O₂ saat excess air = 10% CO₂ saat excess air = 20% H₂O saat excess air = 20% O₂ saat excess air = 20% CO₂ saat excess air = 30% H₂O saat excess air = 30% O₂ saat excess air = 30%
Gambar 5. Komposisi H₂ dan SOx dalam gas hasil pembakaran
Kadar  H₂  dan  SOx  dalam  gas  pembakaran sebagaimana  dapat  dilihat  pada  Gambar  5, konsentrasinya  kecil.  Menurunnya  kadar  SOx seiring  dengan  penambahan  biomassa  karena kadar sulfur  dalam  biomassa  yang lebih  rendah dibandingkan  dengan  kadar  sulfur  dalam  batu bara.  Salah  satu  ciri  dari  gas  pembakaran  batu bara adalah adanya SO₂. Sulfur dalam batu bara utamanya berada dalam fasa pyrite , thiopene , dan thiols dan  hampir  semua  sulfur  tersebut  diubah menjadi  SO₂  (g)  pada  kondisi  pembakaran miskin  [16].  Hasil  simulasi  ini  sejalan  juga dengan  studi  sebelumnya  yang  menyatakan bahwa semakin tinggi temperatur menyebabkan SO₂ mengalami peningkatan [16].
Gambar 6. Efisiensi pembakaran
Gambar
6 menunjukkan efisiensi pembakaran  bersama  biomassa  dan  batu  bara. Secara umum, efisiensi pembakaran di atas 60%. Semakin  besar  penambahan  biomassa  mampu meningkatkan efisiensi pembakaran pada excess air 10 dan 20%, sedangkan pada excess air 0 dan 30%,  penambahan  biomassa  tidak  berpengaruh pada efisiensi pembakaran. Penambahan biomassa,  walaupun  menurunkan  temperatur pembakaran  yang  berarti  turun  juga  jumlah energi  yang  dihasilkan,  tetapi  karena  dibagi dengan  energi  input  yang  sedikit  lebih  rendah menyebabkan efisiensi pembakaran total meningkat. Pada excess air 30%, sejumlah energi yang dihasilkan juga digunakan untuk pemanasan udara yang tidak ikut terbakar. Dalam hal  ini,  nitrogen  dan  oksigen  yang  tidak  ikut bereaksi mengambil energi dan dibuang bersama gas buang.

## KESIMPULAN
Pemodelan  pembakaran  bersama  antara biomassa dan batu bara telah berhasil dilakukan dengan  menggunakan  ASPEN  PLUS  dan hasilnya  tidak  jauh  berbeda  dengan  hasil  dari eksperimen. Komposisi biomassa dan batu bara sangat  berpengaruh  pada  temperatur  gas, komposisi gas, dan efisiensi pembakaran. Rasio biomassa/udara yang semakin besar menyebabkan temperatur menurun dan efisiensi yang  meningkat.  Temperatur  gas  pembakaran yang  tinggi  menyebabkan  kadar  NO,  CO₂  dan SO₂ mengalami peningkatan.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Para  penulis  mengucapkan  terima  kasih kepada UNS atas fasilitasi pendanaan riset PNBP UNS tahun 2020.

## REFERENSI
[1]  C. P. Mahandari, "Fenomena flame lift-up pada pembakaran premixed gas propana," Universitas Indonesia. Fakultas Teknik, 2010.
[2]  N.  Maciejończyk,  G.  Pełka,  W.  Luboń,  and  D. Malik,  "Analysis  of  the  Flue  Gas  Produced During the Coal and Biomass Co-combustion in
0,00E+00 2,00E-04 4,00E-04 6,00E-04 8,00E-04 1,00E-03 1 :1 3 2 :1 2 3 :1 1 4 :1 0 5 :9 6 :8 7 :7 8 :6 9 :5 1 0 :4 1 1 :3 1 2 :2 1 3 :1 Ma ss f rac tio n Biomass/Coal H₂ saat excess air = 0% SOx saat excess air = 0% H₂ saat excess air = 10%
SOx saat excess air = 10% H₂ saat excess air = 20%
SOx saat excess air = 20% H₂ saat excess air = 30% SOx saat excess air = 30%
0,0% 20,0% 40,0% 60,0% 80,0% 100,0% 1 :1 3 2 :1 2 3 :1 1 4 :1 0 5 :9 6 :8 7 :7 8 :6 9 :5 1 0 :4 1 1 :3 1 2 :2 1 3 :1 Eff ici ency Biomass/Coal Efficiency at excess air 0% Efficiency at excess air 10%
Efficiency at excess air 20% Efficiency at excess air 30%
a  Solid  Fuel  Boiler,"  Cham,  pp.  239-246: Springer International Publishing, 2020.
[3]  T.  L.  Yelverton et  al. ,  "Characterization  of emissions from a pilot-scale combustor operating on coal blended with woody biomass," vol. 264, p. 116774, 2020.
[4]  M. Issac, A. De Girolamo, B. Dai, T. Hosseini, and  L.  J.  J.  o.  t.  E.  I.  Zhang,  "Influence  of biomass blends on the particle temperature and burnout  characteristics  during  oxy-fuel  co- combustion  of  coal," Journal  of  the  Energy Institute , vol. 93, no. 1, pp. 1-14, 2020.
[5]  I.  G.  Wiratmaja,  "Analisa  Unjuk  Kerja  Motor Bensin  Akibat  Pemakaian  Biogasoline," Jurnal Energi Dan Manufaktur, 2010.
[6]  A.  Khuriati,  P.  Purwanto,  H.  S.  Huboyo,  S. Suryono, and A. B. Putro, "Application of aspen plus  for  municipal  solid  waste  plasma gasification simulation: case study of Jatibarang Landfill  in  Semarang  Indonesia,"  in Journal  of Physics: Conference Series , vol. 1025, no. 1, p. 012006: IOP Publishing , 2018.
[7]  T.  Unchaisri,  S.  Fukuda,  A.  Phongphipat,  S. Saetia,  and  B.  J.  I.  E.  J.  Sajjakulnukit, "Experimental Study on Combustion Characteristics  in  a  CFB  during  Co-firing  of Coal with Biomass Pellets in Thailand," vol. 19, no. 2, 2019.
[8]  X. Zhang, M. Xu, R. Sun, and L. Sun, "Study on biomass pyrolysis kinetics," 2006.
[9]  S.  Suyitno  and  F.  Lettner,  "CFD-Modelling  of External  Heated  Pyrolysis  of  Wood  Chips,"  in 14th  European  Conference  &  Exhibition: Biomass  for  Energy,  Industry  and  Climate Protection , 2005.
[10]  S.  Suyitno,  F.  Lettner,  H.  L.  Timmerer,  and  P. Haselbacher,  "Devolatilisation  in  Biomass Pyrolysis:  Influence  of  solid  size,  Moisture content,  and  Heat  Radiation,"  in International
Energy Conference , 2005.
[11]  R. Radmanesh, Y. Courbariaux, J. Chaouki, and C.  J.  F.  Guy,  "A  unified  lumped  approach  in
kinetic modeling of biomass pyrolysis," vol. 85, no. 9, pp. 1211-1220, 2006.
[12]  Z. Arifin and S. Pranolo, "The Effect of Biogas Pressure  in  the  Performance  and  Emission  of Spark  Ignition  Engine,"  in IOP  Conference Series: Materials Science and Engineering , vol. 694, no. 1, p. 012022: IOP Publishing, 2019.
[13]  A. T. Atimtay and M. J. F. Varol, "Investigation of  co-combustion  of  coal  and  olive  cake  in  a bubbling  fluidized  bed  with  secondary  air injection," vol. 88, no. 6, pp. 1000-1008, 2009.
[14]  C.  Chen,  Q.  N.  Chan,  P.  R.  Medwell,  and  G. Heng  Yeoh,  "Co-Combustion  Characteristics and  Kinetics  of  Microalgae  Chlorella  Vulgaris and  Coal  through  TGA," Combustion  Science and Technology, vol. 192, no. 1, pp. 26-45, 2020.
[15]  Z. Xue, Z. Zhong, and X. Lai, "Investigation on gaseous  pollutants  emissions  during  co- combustion  of  coal  and  wheat  straw  in  a fluidized  bed  combustor," Chemosphere, vol. 240, p. 124853, 2020.
[16]  F. Kazanc, R. Khatami, P. Manoel Crnkovic, Y. A. J. E. Levendis, and fuels, "Emissions of NO x and SO2 from Coals of Various Ranks, Bagasse, and Coal-Bagasse Blends Burning in O2/N2 and O2/CO2 Environments," vol. 25, no. 7, pp. 2850- 2861, 2011.