materi gasifikasi batubara

Gasifikasi Batubara

Gasifikasi Batubara adalah suatu teknologi proses yang mengubah batubara dari bahan bakar padat menjadi bahan bakar gas. Berbeda dengan pembakaran batubara, gasifikasi adalah proses pemecahan rantai karbon batubara ke bentuk unsur atau senyawa kimia lain. Secara sederhana, batubara dimasukkan ke dalam reaktor dan sedikit dibakar hingga menghasilkan panas. Sejumlah udara atau oksigen dipompakan dan pembakaran dikontrol dengan uap agar sebagian besar batubara terpanaskan hingga molekul-molekul karbon pada batubara terpecah dan dirubah menjadi ”coal gas”.

Gasifikasi melibatkan reaksi sumber karbon, kemungkinan bergabung dengan hidrogen, dengan sumber hidrogen (biasanya steam) dan/atau oksigen untuk yield gas yang terdiri dari hidrogen, karbonmonoksida, karbondioksida, dan metana. Proporsi komponen gas ini bergantung pada rasio reaktan yang digunakan dan kondisi reaksi.

Feedstock diubah menjadi bentuk gas, substan yang tidak diinginkan seperti senyawa sulfur dan partikel solid di entrained dapat dipisahkan dari gas dengan beberapa teknik. Syngas bersih  (khususnya campuran karbonmonoksida dan hidrogen) dapat diubah menjadi bahan bakar gas, bahan bakar likuid, bahan kimia, electric power (daya listrik) atau kombinasinya.

2.             

2.2.             

2.3.            Mesin Gasifikasi Batubara

Mesin gasifikasi dapat dibedakan berdasarkan:

-          Berdasarkan mode fluidisasi.

-          Berdasarkan arah aliran.

-          Berdasarkan gas yang diperlukan untuk proses gasifikasi.

a.      Berdasar mode fluidisasi

Mesin gasifikasi dapat dibedakan menjadi gasifikasi unggun tetap (fixed bed gasification), gasifikasi unggun bergerak (moving bed gasification), gasifikasi unggun terfluidisasi (fluidized bed gasification), dan entrained bed serta molten bath.

Jenis gasifikasi tersebut dapat digambarkan sebagai berikut.

Gambar 2. Perbedaan Moving Bed, Fluid Bed, dan Entrained Bed Gasifier.

Terdapat 4 jenis penggas (gasifier) yang banyak digunakan untuk gasifikasi batubara, yaitu tipe moving bed (lapisan bergerak), fluidized bed (lapisan mengambang), dan entrained flow (aliran semburan) serta Molten bath.

1.    Fixed / Moving Bed

Untuk model moving bed, batubara yang digasifikasi adalah yang berukuran agak besar, sekitar beberapa sentimeter (lump coal). Batubara dimasukkan dari bagian atas, sedangkan oksidan berupa oksigen dan uap air dihembuskan dari bagian bawah alat. Mekanisme ini akan menyebabkan batubara turun pelan – pelan selama proses, sehingga waktu tinggal (residence time) batubara adalah lama yaitu sekitar 1 jam, serta menghasilkan produk sisa berupa abu. Karena penggas model ini beroperasi pada suhu relatif rendah yaitu maksimal sekitar 6000C, maka batubara yang akan digasifikasi harus memiliki suhu leleh abu (ash fusion temperature) yang tinggi. Hal ini dimaksudkan agar abu tidak meleleh yang akhirnya mengumpul di bagian bawah alat sehingga dapat menyumbat bagian tersebut. Disamping produk utama yaitu gas hidrogen dan karbon monoksida, gasifikasi pada suhu relatif rendah ini akan meningkatkan persentase gas metana pada produk gas. Karena gas metana ini dapat meningkatkan nilai kalor gas sintetik yang dihasilkan, maka penggas moving bed sesuai untuk produksi SNG (Synthetic Natural Gas) maupun gas kota (town gas).Contoh alat tipe ini adalah penggas Lurgi, yang digunakan oleh Sasol di Afrika Selatan untuk produksi BBM sintetis dan Dakota Gasification di AS untuk produksi SNG.

Gambar 3. Tipikal Penggas Jenis Moving Bed

Pada konfigurasi ini, batubara diumpankan  dari atas kemudian perlahan-lahan turun kebawah dan dipanaskan oleh gas panas dari arah bawah. Batubara melewati zona karbonisasi kemudian zona gasifikasi, akhirnya sampai pada zona pembakaran pada bagian bawah gasifier tempat reaktan gas diinjeksi. Sistem ini diilustrasikan pada Gambar 4. berikut ini :

Gambar 4. Fixed Bed Gasifier

Pada proses gasifikasi dengan fixed bed gasifier

Ada 4 zona reaksi yaitu :

a.       Zona devolatilisasi

Pada zona ini terjadi penguapan uap air dan zat-zat volatil yang terkandung dalam batubara.

b.      Zona Gasifikasi

Pada zona ini uap air yang dialirkan dan CO₂ yang terbentuk dari pembakaran sempurna bereaksi dengan batubara pada suhu tinggi membentuk gas sintesis yang terdiri dari CO, H₂ dan N₂.

c.       Zona Pembakaran

Pada zona ini oksigen yang masuk bereaksi dengan sebagian batubara membentuk CO₂ dan H₂O yang diperlukan dalam reaksi gasifikasi.

d.      Zona abu

Zona ini adalah tempat penampungan abu yang dihasilkan, baik hasil reaksi pembakaran maupun reaksi gasifikasi.

Reaksi kimia yang terjadi dalam fixed bed gasifier, yaitu :

 

Gambar 5. Reaksi Kimia yang Terjadi dalam Fixed Bed Gasifier

2.    Fluidized Bed

Pada tipe fluidized bed, batubara yang digasifikasi ukurannya lebih kecil dibandingkan pada moving bed, yaitu beberapa milimeter sampai maksimal 10 mm saja. Tipikal penggas ini memasukkan bahan bakarnya dari samping (side feeding) dan oksidan dari bagian bawah. Oksidan disini selain sebagai reaktan pada proses, juga berfungsi sebagai media lapisan mengambang dari batubara yang digasifikasi. Dengan kondisi penggunaan oksidan yang demikian maka salah satu fungsi tidak akan dapat maksimal karena harus melengkapi fungsi lainnya, atau bersifat komplementer. Hal ini mengakibatkan tingkat konversi karbon pada tipe ini maksimal hanya sekitar 97% saja, tidak setinggi pada tipe moving bed dan entrained flow yang dapat mencapai 99% atau lebih. [Higman, van der Burgt, 2003]. Karena penggas ini beroperasi pada suhu sekitar 600~1000⁰C, maka batubara yang akan diproses harus memiliki temperatur melunak abu (softening temperature) di atas suhu operasional tersebut. Hal ini bertujuan agar abu yang dihasilkan selama proses tidak meleleh, yang dapat mengakibatkan terganggunya kondisi lapisan mengambang. Dengan suhu operasi yang relatif rendah, penggas ini banyak digunakan untuk memproses batubara peringkat rendah seperti lignit atau peat yang memiliki sifat lebih reaktif dibanding jenis batubara yang lain. Pengembangan lebih lanjut teknologi penggas jenis ini sangat diharapkan untuk dapat mengakomodasi secara lebih luas penggunaan batubara peringkat rendah, biomassa, dan limbah seperti MSW (Municipal Solid Waste). Contoh alat model ini adalah penggas Winkler yang merupakan pionir penggas fluidized bed, penggas HTW (High Temperature Winkler), dan KBR (Kellog Brown Root) Transport Gasifier.

Gambar 6. Tipikal Penggas Jenis Fluidized Bed

Dalam fluidized bed gasifier, reaktor gas digunakan untuk membuat fluidisasi material batubara. Untuk menghindari sintering dari abu, fluidized bed gasifier dibatasi beroperasi pada temperatur non-slagging. 

Gambar 7.  Fluidized Bed Gasifier

Batubara dimasukkan dari bagian samping sedangkan oksidannya dari arah bawah. Oksidan (O₂ dan uap) selain berperan sebagai reaktan pada proses, juga berfungsi sebagai media lapisan mengambang dari batubara yang digasifikasi. Dengan kondisi penggunaan oksidan yang demikian maka salah satu fungsi tidak akan dapat  maksimal karena harus melengkapi fungsi lainnya atau bersifat komplementer.

3.    Entrained Flow

Kemudian untuk tipe entrained flow, penggas ini sekarang mendominasi proyek – proyek gasifikasi baik yang berbahan bakar batubara maupun minyak residu. Pada alat ini, batubara yang akan diproses dihancurkan dulu sampai berukuran 100 mikron atau kurang. Batubara serbuk ini disemburkan ke penggas bersama dengan aliran oksidan, dapat berupa oksigen, udara, atau uap air. Proses gasifikasi berlangsung pada suhu antara 1200~18000C, dengan waktu tinggal batubara kurang dari 1 detik. Dengan suhu operasi sedemikian tinggi, pada dasarnya tidak ada batasan jenis batubara yang akan digunakan karena abunya akan meleleh membentuk material seperti gelas (glassy slag) yang bersifat inert. Gasifikasi suhu tinggi pada penggas ini menyebabkan kandungan metana dalam gas sintetik sangat sedikit, sehingga gas sintetik berkualitas tinggi dapat diperoleh.

Terdapat beberapa tipe penggas entrained flow berdasarkan kondisi dan cara mengumpan bahan bakarnya. Penggas Koppers-Totzek yang merupakan pionir jenis ini mengumpan batubara serbuk dalam kondisi kering dari bagian bawah, atau disebut dry up. Gas sintetik akan keluar dari bagian atas alat. Tipe dry up ini juga dijumpai pada penggas Shell dan Mitsubishi (CCP). Untuk arah umpan dari bawah, selain terdapat bahan bakar dalam kondisi kering, terdapat pula bahan bakar dalam kondisi basah atau disebut slurry up. Tipikal jenis ini adalah penggas E-Gas dari Conoco Phillips. Selain slurry up, terdapat pula metode slurry down, yang dijumpai pada penggas Chevron – Texaco.

Secara umum, bahan bakar berupa batubara kering mengkonsumsi energi yang lebih sedikit dibandingkan dengan dalam keadaan basah (slurry) sehingga lebih menguntungkan.

Gambar 8. Tipikal Penggas Jenis Entrained Flow (Dry Down)

Batubara dialirkan kedalam gasifier secara cocurrent atau bersama-sama dengan agen gasifikasi atau oksidan berupa uap air dan oksigen, bereaksi pada tekanan atmosfer. Pada entrained gasifier, batubara dihaluskan sampai ukuran kurang dari 0,1 mm diumpankan dengan reaktan gas ke dalam chamber dimana reaksi gasifikasi terjadi seperti halnya sistem pembakaran bahan bakar berbentuk serbuk.

Residence time  partikel padatan yang singkat dalam sistem fase entrained memerlukan kondisi operasi dibawah slagging untuk mencapai laju reaksi dan konversi karbon yang tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa operasi non-slagging pada entrained gasifier baik sekali hanya untuk proses hidrogasifikasi.

Gambar 9.  Entrained Gasifier

4.    Molten Bath

Molten bath  mirip dengan sistem fluidized bed dimana reaksi terjadi dalam medium yang tercampur merata dari inersia panas tinggi. Temperatur operasi tergantung pada  tipe bath : untuk slag dan molten metal bath diperlukan temperatur tinggi (1400–1700^oC), tetapi temperatur 1000^oC dapat digunakan molten salt. Reaktan gas dapat diinjeksi dari atas seperti jet kemudian berpenetrasi kedalam permukaan bath, seperti ditunjukkan pada gambar 10, atau dapat diumpankan ke bottom bath.

Gambar 10. Molten Bath  Gasifier

Fixed bed gasifier termasuk dalam kategori sistem aliran counter current, fluidized bed dan molten bath gasifier dapat dianggap sebagai reaktor tanki pengaduk kontinyu dan entrained gasifier sebagai sistem aliran co-current.

b.   Berdasar arah aliran

Mesin gasifikasi dapat dibedakan menjadi gasifikasi aliran searah (downdraft gasification) dan gasifikasi aliran berlawanan (updraft gasification). Pada gasifikasi downdraft, arah aliran gas dan arah aliran padatan adalah sama-sama ke bawah. Pada gasifikasi updraft, arah aliran padatan ke bawah sedangkan arah aliran gas ke atas.

Gambar 11. Konvensional Gasifikasi Sistem Updraft dan Downdraft.

c.    Berdasar gas yang diperlukan untuk proses gasifikasi

Terdapat gasifikasi udara dan gasifikasi uap. Gafisikasi udara, dimana gas yang digunakan untuk proses gasifikasi adalah udara. Gasifikasi uap, gas digunakan untuk proses adalah uap.

2.4.            Proses Gasifikasi Batubara

Gasifikasi umumnya terdiri dari empat proses, yaitu pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi. Pada proses gasifikasi ada suatu proses juga yang tidak kalah pentingnya adalah proses desulfurisasi yang mana sebagai penghilang hidrogen sulfurisasi yang merupakan gas beracun.

Pada gasifier jenis tipe gasifikasi unggun tetap (fixed bed gasification), kontak yang terjadi saat pencampuran antara gas dan padatan sangat kuat sehingga perbedaan zona pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi tidak dapat dibedakan.

Salah satu cara untuk mengetahui proses yang berlangsung pada gasifier jenis ini adalah dengan mengetahui rentang temperatur masing-masing proses, yaitu:

-          Pengeringan: T > 150 °C

-          Pirolisis/Devolatilisasi: 150 < T < 550 °C

-          Oksidasi: 70 < T < 550 °C

-          Reduksi: 50 < T < 120 °C

Proses pengeringan, pirolisis, dan reduksi bersifat menyerap panas (endotermik), sedangkan proses oksidasi bersifat melepas panas (eksotermik).

-          Pada pengeringan, kandungan air pada bahan bakar padat diuapkan oleh panas yang diserap dari proses oksidasi.

-          Pada pirolisis, pemisahan volatile matters (uap air, cairan organik, dan gas yang tidak terkondensasi) dari arang atau padatan karbon bahan bakar juga menggunakan panas yang diserap dari proses oksidasi.

-          Pembakaran mengoksidasi kandungan karbon dan hidrogen yang terdapat pada bahan bakar dengan reaksi eksotermik,

-          Sedangkan  gasifikasi mereduksi hasil pembakaran menjadi gas bakar dengan reaksi endotermik.

4 proses utama dalam gasifikasi yaitu

Gambar 12. Proses Gasifikasi Batubara

a.      Pirolisis

Pirolisis atau devolatilisasi disebut juga sebagai gasifikasi parsial. Suatu rangkaian proses fisik dan kimia terjadi selama proses pirolisis yang dimulai secara lambat pada T < 100 °C dan terjadi secara cepat pada T > 200 °C. Komposisi produk yang tersusun merupakan fungsi temperatur, tekanan, dan komposisi gas selama pirolisis berlangsung. Proses pirolisis dimulai pada temperatur sekitar 230 °C, ketika komponen yang tidak stabil secara termal, seperti volatile matters pada batubara, pecah dan menguap bersamaan dengan komponen lainnya. Produk cair yang menguap mengandung tar dan PAH (polyaromatic hydrocarbon). Produk pirolisis umumnya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas ringan (H2, CO, CO2, H2O, dan CH4), tar, dan arang.

b.      Oksidasi

Oksidasi atau pembakaran arang merupakan reaksi terpenting yang terjadi di dalam gasifier. Proses ini menyediakan seluruh energi panas yang dibutuhkan pada reaksi endotermik. Oksigen yang dipasok ke dalam gasifier bereaksi dengan substansi yang mudah terbakar. Hasil reaksi tersebut adalah CO₂ dan H₂O yang secara berurutan direduksi ketika kontak dengan arang yang diproduksi pada pirolisis. Reaksi yang terjadi pada proses pembakaran adalah:

            C         +          O₂         à       CO₂          +393.77 kJ/mol karbon    

Reaksi pembakaran lain yang berlangsung adalah oksidasi hidrogen yang terkandung dalam bahan bakar. Reaksi yang terjadi adalah:

H₂        +          ½ O₂    à        H₂O                + 742 kJ/mol H₂

c.       Reduksi (Gasifikasi)

Reduksi atau gasifikasi melibatkan suatu rangkaian reaksi endotermik yang disokong oleh panas yang diproduksi dari reaksi pembakaran. Produk yang dihasilkan pada proses ini adalah gas bakar, seperti H₂, CO, dan CH₄. Reaksi berikut ini merupakan empat reaksi yang umum telibat pada gasifikasi.

-          Water-gas reaction

Water-gas reaction merupakan reaksi oksidasi parsial karbon oleh steam yang dapat berasal dari bahan bakar padat itu sendiri (hasil pirolisis) maupun dari sumber yang berbeda, seperti uap air yang dicampur dengan udara dan uap yang diproduksi dari penguapan air.

Reaksi yang terjadi pada water-gas reaction adalah:

C   +         H₂O     à        H₂       +          CO      – 131.38 kJ/kg mol karbon

Pada beberapa gasifier, steam dipasok sebagai medium penggasifikasi dengan atau tanpa udara/oksigen.

-          Boudouard reaction

Boudouard reaction merupakan reaksi antara karbondioksida yang terdapat di dalam gasifier dengan arang untuk menghasilkan CO. Reaksi yang terjadi pada Boudouard reaction adalah:

CO₂           +          C         à       2CO                – 172.58 kJ/mol karbon

-          Shift conversion

Shift conversion merupakan reaksi reduksi karbonmonoksida oleh steam untuk memproduksi hidrogen. Reaksi ini dikenal sebagai water-gas shift yang menghasilkan peningkatan perbandingan hidrogen terhadap karbonmonoksida pada gas produser. Reaksi ini digunakan pada pembuatan gas CO. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

CO            +          H₂O    à   CO₂          +          H₂       – 41.98 kJ/mol karbon

-        Methanation

Methanation  merupakan  reaksi pembentukan gas metan. Reaksi yang terjadi pada methanation adalah:

C               +          2H₂      à       CH₄                 + 74.90 kJ/mol karbon

Pembentukan metan dipilih terutama ketika produk gasifikasi akan digunakan sebagai bahan baku indsutri kimia. Reaksi ini juga dipilih pada aplikasi IGCC (Integrated Gasification Combined-Cycle) yang mengacu pada nilai kalor metan yang tinggi.