PENGEMBANGAN RANCANG BANGUN GASIFIER BATUBARA SKALA IKM DAN PEMANFAATANNYA. Yenny Sofaeti, Nurhadi, Ikin Sodikin

(1)

Mineral dan Batubara

PENGEMBANGAN RANCANG BANGUN

GASIFIER

BATUBARA

SKALA IKM DAN PEMANFAATANNYA

Yenny Sofaeti, Nurhadi, Ikin Sodikin

Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Mineral dan Batubara “

tek

MIRA”

ysofaeti@yahoo.com

S A R I

Ide pembuatan rancang bangun gasifier skala industri kecil dan menengah berawal dari permasalahan di masyarakat pengguna batubara/briket batubara yang menginginkan energi yang praktis, efisien, dan ramah lingkungan. Rancangan pertama gasifier batubara dibuat dengan laju pengumpanan 4-10 kg/jam, terdiri dari reaktor (ruang bakar), ruang abu, ruang pengumpan dengan efisiensi energi gas mampu bakar <30%. Pada tahun 2012 telah dilakukan pengembangan rancangan gasifier melalui modifikasi dinding reaktor dengan menambahkan water jacket sehingga dihasilkan uap kering yang dimanfaatkan sebagai pereaksi pada proses gasifikasi batubara di dalam reaktor. Setelah melalui rangkaian pengujian, maka diperoleh efisiensi energi gas mampu bakar sebesar 52,2%, sedangkan efisiensi pembakar termal dan tungku pembakar mencapai 41,2%.

Kata kunci : gasifier, batubara, industri kecil dan menengah

1. PENDAHULUAN

Beberapa dekade yang lalu, Indonesia masuk ke dalam jajaran negara dengan sumber daya energi fosil yang melimpah khususnya migas, namun saat ini cadangannya sudah mulai berkurang. Menurut Kepala SKK Migas Rudi Rubiandini yang dilansir oleh koran Tempo, pada awal 2013, cadangan terbukti minyak bumi Indonesia turun menjadi 3,59 miliar barel, sedangkan pada 1 Januari 2012 cadangan terbukti minyak bumi Indonesia 3,74 miliar barel (Tempo.co.2013). Antisipasi pemerintah untuk konservasi energi telah dilakukan sejak tahun 1993 melalui pencanangan program energi alternatif pengganti bahan bakar minyak (BBM). Karena Indonesia mempunyai sumber daya batubara yang melimpah (>100 milyar ton), maka jenis energi alternatif yang diperkenalkan

adalah briket batubara. Bahan bakar tersebut sangat tepat digunakan sebagai bahan bakar pada industri kecil padat energi. Penggunaan briket batubara di industri sebetulnya mampu menghemat biaya energi sampai 50% dibandingkan dengan menggunakan BBM, khususnya yang nonsubsidi (Sofaeti, 2007). Namun, faktor kenyamanan pengguna dan masalah lingkungan selalu menjadi kendala. Kedua faktor tersebut erat kaitannya dengan sifat batubara dengan karakteristik yang sangat kompleks.

Ada tiga unsur utama di dalam batubara yang berpengaruh terhadap pembakaran, yakni karbon, hidrogen dan sulfur. Karbon dan hidrogen adalah dua unsur yang dapat menghasilkan energi. Pada batubara, energi tersimpan dalam bentuk senyawa kimia dengan rantai yang

(2)

Mineral dan Batubara

sangat kompleks. Ketika senyawa kimia

tersebut bereaksi dengan oksigen, maka terjadi pelepasan atom dan elektron dari unsur karbon dan hidrogen menghasilkan energi dengan satuan kalori per gram batubara. Sedangkan sulfur relatif tidak menghasilkan energi, namun dapat menjadi hal yang sangat penting sebagai penghasil dampak terhadap lingkungan melalui emisi gas. Dari pengukuran SO₂ pada emisi briket batubara di pesantren dan industri bandeng presto, hasilnya masih di atas standar emisi kompor berbahan bakar briket batubara yang tertuang dalam Permen ESDM No. 47 tahun 2006 (Sofaeti, 2007). Oleh karena itu, diperlukan pengembangan teknologi untuk menghasilkan jenis bahan bakar yang efisien dan ramah lingkungan. Dari hasil penelitian di berbagai negara disebutkan bahwa teknologi gasifikasi adalah solusi tepat untuk menghasilkan energi yang ramah lingkungan (Baozhao, and Yicheng, 1994).

2. TINJAUAN PUSTAKA a. Proses Gasifikasi

Gasifikasi adalah pemutusan ikatan rantai karbon, yang semula bermolekul kompleks menjadi gas yang sederhana, yakni hidrogen dan karbon monoksida (H₂dan CO) serta sedikit gas metana (CH₄) atau disebut juga gas mampu bakar. Proses gasifikasi berlangsung di dalam reaktor gasifier pada suhu 1.000o_{C (Rajvanshi,} 1986). Sifat kedua gas tersebut mudah terbakar dan bersih, karena pada proses pembakaran hanya memerlukan satu atom oksigen untuk menghasilkan karbon dioksida dan air (CO₂, H₂O). Inilah yang menyebabkan pembakaran melalui proses gasifikasi menghasilkan emisi yang sangat bersih. Dalam prosesnya, gasifikasi merupakan rangkaian proses termal hingga terbentuk gas. Tujuan dari gasifikasi adalah untuk mengendalikan proses termal secara terpisah yang biasanya tercampur dalam proses pembakaran sederhana, sehingga menghasil-kan produk yang diinginmenghasil-kan. Untuk melangsung-kan proses gasifikasi dibutuhmelangsung-kan suatu reaktor yang dinamakan dengan gasifier.

Proses gasifikasi terdiri dari empat tahapan terpisah, yaitu pengeringan, pirolisis, oksidasi/ pembakaran dan reduksi. Keempat tahapan ini terjadi secara alamiah dalam proses pembakaran. Dalam gasifikasi keempat tahapan ini dilalui secara terpisah, hingga dapat menginterupsi "api" dan mempertahankan gas mudah terbakar dalam bentuk gas serta mengalirkan produk gasnya ke tempat lain (Suprapto, 2005). Salah satu cara untuk mengetahui proses yang berlangsung pada gasifier jenis ini adalah dengan mengetahui rentang temperatur masing-masing proses, sebagai berikut:

–

Pengeringan: T > 150 °C

–

Pirolisis/Devolatilisasi: 150 < T < 700 °C

–

Oksidasi/pembakaran: 700 < T < 1500 °C

–

Reduksi: 800 < T < 1000 °C b. Tipe Gasifier

Ada tiga tipe gasifier yang umum dikenal, yakni tipe downdraft , updraft dan crossdraft. Tipe

down-draft gasifier dikembangkan untuk mengubah bahan bakar volatile (kayu, biomassa) menjadi gas dengan kandungan tar

rendah. Up-draft gasifier umumnya digunakan untuk gasifikasi batubara dan bahan bakar non-volatil seperti arang batubara. Namun demikian, karena tingginya kandungan tarnya (5-20%) membuatnya tidak praktis untuk bahan bakar motor. Crossdraft gasifier merupakan gasifier

yang paling sederhana dan paling ringan (Rajvanshi, 1986).

2. METODOLOGI

Tipe gasifier yang dibuat untuk kegiatan uji coba adalah tipe updraft, terdiri dari tiga bagian, yakni pengumpan bahan bakar, reaktor untuk proses gasifikasi dan ruang penampung abu. Gasifier

tersebut telah diuji coba pada petani tembakau di Nusa Tenggara Barat (NTB) dengan bahan kombinasi batubara dan biomassa. Di dalam pelaksanaan uji coba, gasifier diintegrasikan dengan oven pengering berukuran 4mx4mx7m. Pengeringan tembakau dilakukan secara tidak langsung melalui pipa penukar panas yang

(3)

Mineral dan Batubara

berfungsi untuk memanaskan udara di dalam

oven. Sisa gas panas di dalam pipa penukar

panas dibuang melalui cerobong.

Percobaan pemanfaatan gas mampu bakar telah berhasil mengeringkan 2,5 ton tembakau basah selama 110 jam secara terus-menerus. Selama percobaan tersebut, bahan bakar yang digunakan berupa kombinasi batubara dan cangkang sawit (biomassa) dengan perbandingan 600 kg batubara dan 200 kg cangkang sawit.

Dari hasil evaluasi uji coba penerapan gasifier pada pengeringan tembakau di NTB, telah dilakukan modifikasi gasifier melalui penambahan water jacket di sekeliling reaktor. Fungsi water jacket adalah untuk

memanfaatkan panas pembakaran di dalam reaktor. Oleh karena itu, gasifier hasil modifikasi mampu menghasilkan uap kering yang selanjutnya dialirkan ke dalam reaktor. Uap kering bereaksi dengan karbon di dalam reaktor, sehingga akan meningkatkan nilai kalor gas mampu bakar, karena ada peningkatan kuantitas gas H₂. Gambar 1 adalah kondisi

gasifier sebelum dan setelah modifikasi.

Drum Water

Produksteamkering

Gambar 1a. Reaktor gasifier sebelum

modifikasi

Gambar 1b. Reaktor gasifier setelah

modifikasi

Gas mampu bakar dari kedua gasifier ( sebelum dan sesudah dilakukan modifikasi) telah dianalisis menggunakan GC portable, sehingga kualitas gas dapat diketahui. Untuk mengetahui kinerja gasifier, khususnya kemampuan gas mampu bakar sebagai bahan bakar, maka telah dilakukan pengujian efisiensi bahan bakar.

Gambar 2 adalah tata-letak gasifier dan proses gasifikasi. Prosedur kerja dimulai dengan pengumpanan batubara melalui hopper. Agar batubara yang masuk ke dalam reaktor tidak mengganggu proses gasifikasi, maka antara

hopper dan reaktor dilengkapi dengan double valve. Sebelum proses gasifikasi, water jacket

diisi air melalui drum water/penampung air. Pada awal proses, pereaksi yang digunakan hanya udara dari blower yang dialirkan melalui pipa menuju reaktor. Steam/uap air akan terbentuk apabila suhu di dalam reaktor telah mencapai >400o_{C. Uap air sebagai pereaksi, digunakan} apabila telah terbentuk uap air kering. Gas yang terbentuk secara draf akan tertarik ke lubang

output gas, selanjutnya dianalisis ataupun

langsung digunakan sebagai bahan bakar melalui proses penyaringan terlebih dahulu. Proses penyaringan bertujuan untuk mengurangi air, partikulat dan tar yang ikut dalam aliran gas.

(4)

Mineral dan Batubara

Produk gas

Main hole

Gambar 2. Skema gasifier setelah modifikasi

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Untuk memperoleh hasil yang optimal, gasifier skala industri kecil telah melewati beberapa kali modifikasi, mulai dari sistem pengumpanan, reaktor sampai dengan sistem pembuangan abu. Namun yang paling berpengaruh penting pada proses konversi dari bahan bakar padat menjadi gas adalah desain reaktor.

Masih rendahnya nilai kalor gas mampu bakar yang dihasilkan dari percobaan pertama, menjadi dasar dilakukannya modifikasi, yakni dengan menambahkan water jacket di antara bagian dalam dan bagian luar reaktor.

Tabel 2 adalah hasil analisis komposisi gas mampu bakar setelah modifikasi. Dari data

Tabel 1. Komposisi gas pembakar sebelum

modifikasi Komposisi Gas Volume Gas (%) Percobaan ke-1 Percobaan ke-2 CO 15,96 10,20 CH4 1,30 2,16 H2 3,83 1,50 CO2 6,28 9,02 CnHm 0,05 0,05 O2 6,02 6,71

Kalori 676 kcal/m3 _{517 kcal/m}3

Komposisi gas

% Volume

CO

2

4,29

4,43

C

2

H

4

0,09

0,14

C

2

H

6

0,12

0,04

C

2

H

2

0,00

C

3

H

8

0,00

C

3

H

6

0,00

O

2

0,72

0,12

N

2

62,22

62,83

CH

4

4,59

5,90

CO

19,35

18,45

H

2

8,62

8,08

100,00

Tabel 2. Komposisi gas hasil proses

gasifikasi batubara pada gasifier mini setelah modifikasi

tersebut dapat dibandingkan dengan hasil gasifikasi sebelum dilakukan modifikasi, bahwa terjadi peningkatan gas mampu bakar, khususnya gas CO, H₂ dan CH₄. Peningkatan gas CO dari 10,2-15,96% menjadi 18,45-19,35% ; gas H₂ dari 1,5-3,8% menjadi 8,62-8,08% dan gas CH₄ dari 1,3-2,16% menjadi 4,59-5,90%. Peningkatan presentasi gas disebabkan adanya

(5)

Mineral dan Batubara

pengaruh penambahan pereaksi uap kering

yang bereaksi dengan karbon/kokas hasil produk samping proses gasifikasi. Reaksinya adalah

C + H

2

O

CO + H

2

Tabel 3 adalah hasil pengukuran nilai kalor gas mampu bakar batubara dari gasifier hasil modifikasi. Dibandingkan dengan nilai kalor gas standar, nilai kalor gas mampu bakar relatif lebih kecil. Standar kalori, seperti CH₄ = 32,7938 MJ/ m3_{, C}

2H2=51,3228 MJ/m3, C2H4= 54,0840 MJ/ m3_{dan C}

2H6= 58,3627 MJ/m

3_{. Sedangkan nilai} kalor gas mampu bakar dari proses gasifikasi di dalam reaktor gasifier batubara hasil rancangan Puslitbang tekMIRA yang terbesar hanya pada unsur gas CO=2,2381 MJ/m3_{, H}

2= 0,8520 MJ/m3 _{dan CH}

4 = 1,9348 MJ/m

3_{, yang} lainnya sangat kecil.

Secara visual, perbedaan kualitas gas mampu bakar dapat dilihat pada Gambar 3 di mana nyala gas mampu bakar sebelum modifikasi terlihat warnaya masih kuning. Sedangkan setelah dilakukan modifikasi warna api menjadi lebih terang ke biru-biruan.

Gambar 3a. Nyala api sebelum uap air

difungsikan

Gambar 3b. Lidah api setelah uap air

difungsikan sebagai pereaksi

Seiiring dengan meningkatnya kuantitas dan kualitas gas mampu bakar dari gasifier hasil modifikasi, sehingga kalorinya pun meningkat hampir 93,76% dari rata-rata 596,5 kkal/m3 menjadi 1.155,82 kkal/m3_.

Untuk mengetahui efisiensi produk gas hasil proses gasifikasi dihitung melalui persamaan di bawah ini.

Nilai kalor gas hasil Nilai kalor bahan bakar η Gas =

x 100%= 22,22% 1155,87/m3

5200 kal/kg η Gas =

Pada percobaan pertama, efisiensi total gas pembakar (CO, H₂dan CH₄) hanya mencapai 22,22%. Pada percobaan berikutnya, proses gasifikasi dilakukan secara terus-menerus selama 17 jam berturut-turut. Parameter yang diukur adalah laju konsentrasi gas bakar, nilai kalor serta laju suhu di dalam reaktor gasifier dan laju suhu output produk gas bakar. Hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 4.a sedangkan laju konsentrasi gas pada Gambar 4.b.

(6)

Mineral dan Batubara

Dibandingkan dengan percobaan sebelumnya, percobaan ketiga memperlihatkan perubahan yang lebih baik lagi, dengan rata-rata CO dicapai minimal 13,72% maksimal 21,91%, rata-rata 19,21% ; CH₄ minimal 3,01% maksimal 5,63% dan rata-rata 4,658%; H₂ minimal 2,93% maksimal 16,04% dan rata-rata 10,67%, sedangkan nilai kalor minimal 769 kkal/m3 maksimal 1.440 kkal/m3_{dan rata-rata 1.271.926} kkal/m3_.

Dari hasil pengujian tersebut diperoleh nilai efisiensi reaktor yang dihitung dari nilai rata-rata nilai kalor sebagai berikut:

Nomor Komposisi Gas LHV (MJ/m

3₎ pada 25o_C Gas Bakar (MJ/m3₎ 1 2 1 CO 11,5668 2,2381 2,1340 2 H2 9,8846 0,8520 0,7986 3 CH4 32,7938 1,5052 1,9348 4 C2H2 51,3228 0,00 0,0000 5 C2H4 54,0840 0,0486 0,0757 6 C2H6 58,3627 0,0700 0,0233 7 Jumlah 4,7139 4,9664

8 Konversi ke kkal/m3 _{1125,67 Kkal/m}3 _{1185,97 Kkal/m}3

Tabel 3. LHV gas pada temperatur 25o_{C pereaksi}

Nilai kalor gas hasil Nilai kalor bahan bakar η reaktor=

x 100%= 24,44% 1271/m3

5200 kal/kg η reaktor rata-rata =

Dengan demikian efisiensi total gas pembakar (CO, H₂dan CH₄) mencapai 24,44%.

Gambar 4.a adalah laju suhu reaktor selama proses gasifikasi berlangsung mulai dari

preheating sampai proses gasifikasi

berlangsung selama 17 jam.

Gambar 4a. Grafik laju suhu reaktor dan

output gas bakar

Gambar 4b. Grafik laju konsentrasi gas

(7)

Mineral dan Batubara

Dari sisi biaya energi, walaupun waktu proses

gasifikasi dilalui selama 17 jam seperti yang terlihat pada gambar di atas, namun bahan bakar batubara yang digunakan hanya mencapai 85 kg atau 5 kg/jam atau Rp.5500/jam. Total kalori batubara selama proses gasifikasi adalah 442.000 kkal. Sedangkan volume gas bakar yang dihasilkan adalah 0,5 m3_{/mx60 menitx17} jam = 510 m3_{. Jumlah kalori gas bakar yang} digunakan adalah 1.271 kal/m3_{x510 m3x35,62%} = 230.762,76 kkal/m3_{. Dengan demikian,} walaupun efisiensi reaktor rendah, efisiensi bahan bakar gasnya cukup tinggi seperti perhitungan di bawah ini.

Nilai kalor gas hasil Nilai kalor bahan bakar η bahan bakar =

x 100%= 52,20%

230.762,76 kal

442.000 kal

η

bahan bakar =

Dengan demikian efisiensi bahan bakar gas atau gas bakar mencapai 52,20 %.

Hasil modifikasi telah memberikan kemajuan peningkatan yang signifikan dengan kalori gas mampu bakar tertinggi sebesar 1440 kkal/m3_. Efisiensi gas mampu bakar yang dihasilkan sebesar 52,20%. Sedangkan efisiensi pembakar termal dan tungku pembakar mencapai 41,20%, emisi SO₂ : 0 ppm (tidak terdeteksi), NO_x : 15,07 ppm, CO : 11 ppm, dan CO₂ : 1,33 ppm.

Setelah menganalisis karakterisasi gas bakar dan uji coba untuk mengeringkan tembakau di NTB, maka pada penelitian berikutnya gas mampu bakar akan diuji coba untuk mengeringkan komoditas hasil pertanian dan sebagai bahan bakar pengganti BBM pada genset.

4. KESIMPULAN

Proses gasifikasi merupakan teknologi yang menawarkan energi bersih yang berwawasan lingkungan. Melalui pemotongan rantai karbon dari yang sangat kompleks (khususnya pada batubara), menjadi unsur gas yang sederhana (CO, H₂dan CH₄), menghasilkan emisi karbon yang jauh lebih rendah.

Setelah melalui proses modifikasi dengan memanfaatkan panas sekeliling reaktor, sehingga menghasilkan uap kering, maka gasifier batubara skala industri akan mampu bersaing sebagai alat penghasil energi yang efisien dan ramah lingkungan untuk menggantikan BBM.

DAFTAR PUSTAKA

Abdullah, K, AK Irwanto, N Siregar, E Agustina, AH Tambunan, M Yamin, E Hartulistyoso, YA Purwanto, D Wulandari, LO Nelwan, 1998,

Energi dan Listrik Pertanian; JICA-DGHE /

IPB Project / ADAET.

Anonim; 1999; Small Modular Biopower Project;

Phase 1 Project Report; Community Power

Corporation; Aurora, Colorado

Baozhao, Z., and X. Yicheng; 1994; Study On

Performance Of Biomass Gasifier-Engine Sistems And Their Environmental Aspects;

dalam Nan et al (eds.); Integrated Energi Sistems In China - The Cold Northeastern Region Experience; Food And Agriculture Organization Of The United Nations; Rome. DOE - Department of Energi, 2010, Coal

Gasification Database. United State of

America.

Elliot, M.A. (ed.), 1981, Chemistry of Coal

Utilization, Second Suppl. Vol., John Wiley

(8)

Mineral dan Batubara

Francis, W., 1965, Fuels and Fuel Technology.

Vol II, Section C: Gaseous Fuels. Pergamon Press, Oxford.

Heriansyah, I, 2005, Potensi Pengembangan Energi dari Biomassa Hutan di Indonesia,

INOVASI Vol.5/XVII/November 2005; http:/

/io.ppi-jepang.org/article.php?edition=5 Knoef, H.A.M, 2005, Biomass Gasification; BTG

Biomass Technology Group; http://

www.btgworld.com/2005/html/technologies/ gasifica tion.html

Rajvanshi,A.K., 1986, Biomas Gasification;

Alternative Energy in Agriculture, Vol. II, Ed.

D. Yogi Goswani, CRC Press, pgs. 83 - 102 Reed, T. B., R. Walt, S. Ellis, A. Das, S. Deutch, 1999, Superficial Velocity - The Key To Downdraft Gasification; Presented at 4th

Biomass Conference of the Americas,

Oakland, California, 29 August 1999

Turare, C., 1997, Biomass Gasification Technology and Utilisation; http://

members.tripod.com/~cturare/bio.htm

Simpson, D.H., 2001, Biomass Gasification for Sustainable Development; http://

w w w . s a f a r i s e e d s . c o m / b o t a n i c a l / biodigestion/ Biodigestion.htm

Sofaeti,Y., 2007, Laporan Teknik Sosialisasi

Briket Batubara untuk Industri Kecil,

Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara. Sofaeti,Y., 2011, Laporan Teknik Rancang

Bangun Tungku Pengering Tembakau dan Tungku Rendah Emisi untuk UMKM Padat Energi, Puslitbang Teknologi Mineral dan

Batubara.

Suprapto,S., 1995. Gasifikasi Batubara Peringkat Rendah Dengan Pereaksi Udara.

Prosiding Seminar Ilmiah Hasil Penelitian dan Pengembangan Bidang Fisika Terapan,