Puslitbang tekMIRA
Jl. Jend. Sudirman No. 623 Bandung 40211
Telp : 022-6030483 Fax : 022-6003373
E-mail :[email protected]
LAPORAN AKHIR TAHUN ANGGARAN 2011
OPTIMALISASI PENGEMBANGAN
COLD MODEL FLUIDIZED BED
Oleh :
Dahlia Diniyati dkk.
PUSLITBANG TEKNOLOGI MINERAL DAN BATUBARA - tekMIRA
i
KATA PENGANTAR
Kegiatan Optimalisasi Pengembangan Cold Model Fludized Bed merupakan salah satu kegiatan pada Kelompok Program Litbang Teknologi Pengolahan dan Pemanfaatan Batubara yang dibiayai oleh DIPA Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara tahun anggaran 2011.
Kegiatan ini meliputi modifikasi alat cold model fluidized bed, studi karakterisasi gasifikasi batubara Indonesia peringkat rendah dan koordinasi dengan pihak terkait dalam persiapan rencana pembangunan prototype plant gas sintesis di Indonesia. Tujuan kegiatan penelitian dan pengembangan ini adalah untuk mengembangkan gas sintesis melalui proses gasifikasi dengan teknologi circulating fluidized bed gasifier. Alat yang digunakan adalah cold model fluidized bed sebagai alat simulasi dari
circulating fluidized bed yang digunakan sebagai sarana untuk mempelajari
hidrodinamika partikel pada suhu kamar. Selain itu, sebagai kegiatan pendukung dalam persiapan pembangunan prototype plant gas sintesis skala 50 ton/hari di Indonesia yang akan dibangun oleh IHI Corp., Jepang.
Semoga hasil kegiatan penelitian dan pengembangan ini bermanfaat dan dapat digunakan sebagai bahan rujukan pengembangan gas sintesis selanjutnya.
Bandung, Desember 2011 Kepala Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara
Ir. Hadi Nursarya, M.Sc. NIP. 19540306 17803 1 001
ii
Sari
Kegiatan Optimalisasi Pengembangan Cold Model Fluidized Bed dimaksudkan untuk mendukung rencana pembangunan prototype plant gas sintesis di PT. Indonesia. Pada tahun 2009, telah dibuat alat cold model fluidized bed sebagai alat simulasi dari circulating fluidized bed untuk mempelajari hidrodinamika partikel pada suhu kamar. Pada tahun 2010, telah dilakukan modifikasi alat tersebut, namun hasil menunjukkan kinerja alat yang belum sempurna.
Oleh karena itu, pada tahun anggaran 2011, dilakukan kembali kegiatan modifikasi alat cold model fluidized. Hasil kegiatan menunjukkan bahwa hasil modifikasi yang telah dilakukan menghasilkan kinerja alat cold model fluidized bed yang cukup baik, dimana loopseal dapat berfungsi mensirkulasikan pasir dengan baik. Kecepatan superficial udara ke loopseal dan riser sangat dipengaruhi oleh frekuensi blower masing-masing. Kecepatan superficial udara ke loopseal meningkat, jika frekuensi blower ke loopseal lebih tinggi dari frekuensi blower ke riser. Hasil menunjukkan, apabila frekuensi blower ke loopseal dan ke riser sama menyebabkan adanya tekanan balik dari riser ke loopseal. Hasil lain menunjukkan, kecepatan udara minimum di riser untuk mengangkat unggun pasir adalah 4,79 m/s, yang tercapai pada kecepatan superficial udara ke riser dan loopseal 8,90 dan 10,55 m/s.
Percobaan gasifikasi batubara dilakukan terhadap 5 (lima) batubara Indonesia, yaitu batubara Peranap, Wara, PKN, Lahat dan Aceh dengan pereaksi steam, oksigen/steam dan oksigen. Hasil percobaan menunjukkan produk gas utama yang dihasilkan dari proses gasifikasi batubara tersebut adalah gas H2, CO dan sedikit CH4. Komposisi gas hasil gasifikasi batubara dengan pereaksi steam, menunjukkan perolehan gas H2 yang relatif tinggi, berkisar antara 22,51 – 39,52%. Sementara, perolehan gas CO 4,86 – 10,86% dan untuk gas CH4 adalah 0,87 – 7,30%. Sementara dengan pereaksi steam/oksigen, perolehan gas CO terlihat meningkat. Perolehan gas H2, CO dan CH4 adalah 28,21 – 39,17%, 4,40-19,21% dan 0,95 – 6,33%. Sementara hasil gasifikasi batubara dengan pereaksi oksigen menunjukkan mulai terbentuk gas dengan rantai C > 1. Lebih jauh, pada percobaan gasifikasi batubara Aceh dengan menggunakan katalis, hasil menunjukkan perolehan gas CO meningkat. Katalis mentah terbukti lebih aktif dibandingkan dengan katalis yang mengalami proses pemanasan.
Pembicaraan rencana pembangunan pilot plant gas sintesis oleh IHI Corp. di Indonesia masih terus berlanjut, namun rapat-rapat koordinasi dengan pihak terkait belum menemukan titik terang, disebabkan belum tercapai kesepakatan antara pihak-pihak yang berkepentingan.
iii
DAFTAR ISI
Halaman
Kata Pengantar i
Sari ii
DAFTAR ISI iii
DAFTAR GAMBAR v
DAFTAR TABEL vii
1. PENDAHULUAN 1
1.1 Latar belakang 1
1.2 Ruang lingkup kegiatan 5
1.3 Tujuan 6
1.4 Sasaran 6
1.5 Lokasi/tempat pelaksanaan kegiatan 6
2. TINJAUAN PUSTAKA 7
2.1 Produksi gas sintesis dari batubara 7
2.1.1. P
roses dan teknologi
7
2.2 Teknologi gasifikasi batubara 8
2.2.1 Gasifier moving-bed (Lurgi – dry ash dan BGL – slagging) 8 2.2.2 Gasifier fluidized bed (Winkler, HTW, CFB – dry ash;
KRW, U-Gas –Agglomerating)
9
2.2.3 Gasifier entrained-flow (Shell, Texaco, E-gas, Noell, KT - Slagging)
9
2.3 Teknologi gasifikasi TIGAR® 10
3. PROGRAM KEGIATAN 12
4. METODOLOGI 12
4.1 Modifikasi dan ujicoba kinerja alat cold model fluidized bed 4.2 Karakterisasi gasifikasi batubara Indonesia peringkat rendah
13
14
4.2 Koordinasi dengan instansi terkait 17
iv
5.1 Modifikasi dan ujicoba kinerja alat cold model fluidized bed 17
5.1.1 Modifikasi desain distributor 17
5.1.2 Ujicoba kinerja alat cold model fluidized bed 22 5.2 Karakterisasi Gasifikasi Batubara Indonesia Peringkat
Rendah
22
5.2.1 Pengambilan contoh batubara 22
5.2.1.1 Pengambilan Contoh Batubara Lahat 23
5.2.1.2 Pengambilan Contoh Mineral 25
5.2.2 Hasil Analisis Batubara 26
5.2.3 Hasil percobaan gasifikasi batubara 27
5.2.3.1 Hasil percobaan gasifikasi batubara dengan pereaksi
steam
27
5.2.3.2 Hasil gasifikasi batubara dengan pereaksi campuran
steam/oksigen
28
5.2.3.3 Hasil gasifikasi batubara dengan pereaksi oksigen 29 5.3 Hasil Kegiatan Koordinasi dengan Instansi 34 5.3.1 Perkembangan rencana pembangunan pilot plant gas
sintesis teknologi TIGAR®
34
5.3.2 Hasil Kunjungan/Koordinasi ke PT. Pupuk Kalimantan Timur (PKT) dan Dinas Pertambangan dan Energi Propinsi Kalimantan Timur
36
6. KESIMPULAN 38
DAFTAR PUSTAKA 39
v
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 1.1 Road map pengembangan gas sintesis dari
batubara
4
Gambar 1.2 Rencana Pengembangan Gas Sintesis oleh Pihak Jepang
5
Gambar 2.1 Proses pembuatan gas sintesis dengan teknologi TIGAR®
12
Gambar 4.1 Skema alat cold model fluidized bed 14
Gambar 4.2 Skema reaktor unggun tetap dengan sistem penyuplai gas dan pembangkit steam
16
Gambar 5.1 Skema alat cold model fluidized bed 18
Gambar 5.2 Tampak atas distributor udara pada riser sebelum modifikasi (hasil TA 2010)
19
Gambar 5.3 Distributor udara pada riser setelah modifikasi pertama tampak atas; (b) tampak samping (modifikasi pada TA 2011)
20
Gambar 5.4 Tampak atas distributor udara pada recycle
chamber sebelum modifikasi (hasil TA 2010)
21
Gambar 5.5 Distributor udara pada recycle chamber (a) setelah modifikasi pertama; (b) setelah modifikasi kedua (modifikasi pada TA 2011)
21
Gambar 5.6 Keadaan jalan menuju lokasi pengambilan contoh batubara
25
Gambar 5.7 Peta Sebaran Batubara Kabupaten Lahat 25 Gambar 5.8 Keadaan jalan menuju lokasi pengambilan
contoh mineral
27
Gambar 5.9 Komposisi gas hasil gasifikasi batubara dengan pereaksi steam
29
vi
dengan pereaksi campuran steam/oksigen Gambar 5.11 Komposisi gas hasil gasifikasi batubara
dengan pereaksi oksigen
32
Gambar 5.12 Komposisi gas hasil gasifikasi batubara Aceh tanpa dan menggunakan katalis dengan pereaksi
steam
33
Gambar 5.13 Suasana diskusi dengan Bidang Litbang PT. Pupuk Kaltim
vii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1.1 Kegiatan Pengembangan Gas Sintesis oleh
Puslitbang tekMIRA
2
Tabel 1.2 Tabel 1.2 Rencana pengembangan gas sintesis dari batubara peringkat rendah
4
Tabel 2.1 Perbandingan beberapa teknologi gasifikasi batubara
11
Tabel 5.1 Hasil modifikasi distributor udara pada riser dan
recycle chamber
20
Tabel 5.2 Penentuan parameter operasi ujicoba alat cold
model fluidized bed
22
Tabel 5.3 Penentuan kecepatan udara minimum ke riser 24
Tabel 5.4 Potensi Batubara di Kabupaten Lahat 26
Tabel 5.5 Hasil analisis proksimat batubara 28
Tabel 5.6 Hasil analisis ultimat batubara 28
Tabel 5.7 Hasil analisis mineral medium grade saprolit 29 Tabel 5.8 Komposisi gas produk hasil percobaan gasifikasi
batubara dengan pereaksi steam
29
Tabel 5.9 Komposisi gas produk hasil percobaan gasifikasi batubara dengan pereaksi campuran steam/oksigen
30
Tabel 5.10 Komposisi gas produk hasil percobaan gasifikasi batubara dengan pereaksi oksigen
32
Tabel 5.11 Komposisi gas produk hasil percobaan gasifikasi batubara Aceh tanpa dan dengan menggunakan katalis (pereaksi steam)
1
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Sejalan dengan Undang-Undang Republik Indonesia Nomor 4 tahun 2009 tentang Pertambangan Mineral dan Batubara, khususnya perihal kewajiban peningkatan nilai tambah, pengolahan dan pemurnian mineral dan batubara, pemanfaatan bahan tambang Indonesia diwajibkan mengalami proses peningkatan nilai tambah. Selain itu dalam Peraturan Presiden Nomor No. 5 tahun 2006, Bab II, Pasal 2, Ayat 2 tentang Sasaran Kebijakan Energi Nasional disebutkan bahwa sasaran kebijakan energi nasional pada tahun 2025 adalah tercapai bauran energi primer yang optimal, dimana batubara mendapat porsi 33%. Dalam Perpres tersebut, yaitu pada Bab I, Pasal I, Ayat 4 juga disebutkan bahwa gas hidrogen dan gas hasil gasifikasi batubara termasuk kategori energi baru. Hal ini berarti bahwa peningkatan nilai tambah batubara melalui proses gasifikasi, khususnya batubara peringkat rendah merupakan hal yang mendesak untuk dilakukan.
Proses gasifikasi batubara menghasilkan produk gas yang dapat digunakan sebagai sumber energi dan bahan baku industri kimia. Sebagai bahan baku industri kimia yaitu berupa gas sintesis (gas H2 dan CO), yang dapat digunakan sebagai pengganti gas alam dalam pembuatan ammonia di pabrik pupuk urea. Seperti diketahui bahwa saat ini industri pupuk mengalami kelangkaan pasokan gas alam. Salah satu teknologi gasifikasi yang sedang dikembangkan oleh Ishikawajima-Harima Heavy Industries (IHI) Co. Ltd. Jepang adalah teknologi TIGAR® yang terdiri dari 2 reaktor yaitu reaktor
fluidized bed untuk proses pembakaran dan reaktor gasifikasi. Keuntungan teknologi
fluidized bed adalah fleksibilitas penggunaan berbagai jenis bahan bakar seperti batubara peringkat rendah, biomassa dan limbah buangan seperti plastik dan lain-lain.
Sementara itu, Indonesia memiliki sumber daya batubara sebesar 104,75 milyar ton (Badan Geologi, 2008), sebagian besar merupakan batubara peringkat rendah dan tersebar di Pulau Sumatera dan Pulau Kalimantan. Hal ini merupakan aset ekonomi
2
dan aset energi yang sampai saat ini belum dimanfaatkan secara optimal. Kegiatan pengembangan teknologi gasifikasi batubara peringkat rendah untuk pembuatan gas sintesis telah dimulai sejak tahun 2006 seperti dapat dilihat pada Tabel 1.1. Untuk melanjutkan pengembangan gas sintesis dari batubara, Puslitbang tekMIRA telah menyusun road map seperti terlihat pada Gambar 1.1. Hal tersebut disesuaikan dengan program kerja pihak Jepang yang dapat dilihat pada Gambar 1.2.
Kegiatan yang dilakukan pada tahun anggaran 2011 adalah “Optimalisasi pengembangan cold model fluidized bed”. Kegiatan ini meliputi penyempurnaan desain distributor dan ujicoba kinerja cold model fluidized bed. Sementara itu, untuk mendukung pengembangan gasifikasi batubara peringkat rendah juga dilakukan karakterisasi gasifikasi batubara peringkat rendah yang diambil dari beberapa lokasi tambang.
Tabel 1.1 Kegiatan Pengembangan Gas Sintesis oleh Puslitbang tekMIRA
No. Tahun Hasil Kegiatan Keterangan
1. 2006
Pembuatan gas sintesis skala laboratorium dengan teknik
fluidized bed menggunakan
pereaksi oksigen dan steam telah berhasil dilakukan pada skala laboratorium
2. 2007
Batu gamping sebagai campuran bed material dapat meningkatkan kinerja pembuatan gas sintesis pada skala laboratorium
Studi Kelayakan (FS) integrasi Gasifikasi Batubara pada Industri Pupuk layak secara teknik dan ekonomi
Kerjasama dengan PT Pusri (Holding), PT. Pupuk Kujang dan Pihak Jepang (IHI dan Sojitz)
3. 2008
Pasir sungai berhasil digunakan sebagai bed
material pembuatan gas
sintesis pada skala laboratorium
Telah berhasil dibuat simulasi proses pembuatan gas sintesis dari batubara dengan software
Dengan Bantuan Tenaga Ahli dan Software Komputer dari ITB
3
Aspen Plus
Telah dilakukan pembuatan draf kerjasama pembangunan
prototype plant Kerjasama
dengan PT Pusri (Holding), PT. Pupuk Kujang dan Pihak Jepang (IHI dan Sojitz)
Terbentur pada sharing utilitas listrik dan bahan baku batubara. Biaya untuk listrik dan batubara diharapkan oleh IHI dapat dibantu oleh Pemerintah Jepang dan akan dibahas dalam Coal Dialogue di Jepang oleh Kapus tanggal 26 Maret 2009.
4. 2009
Kajian Pemurnian Gas
Telah dilakukan kajian pustaka terhadap berbagai aspek pengotor dalam gas sintesis dan berbagai jenis teknologi komersial yang telah ada untuk pemurnian gas sintesis.
Kajian Awal Lingkungan
Hasil kajian lingkungan menunjukkan bahwa kualitas udara ambien masih berada di bawah BML. Kualitas air IPAL cukup baik, sedangkan air sungai sudha tercemar.
Secara umum, masyarakat dapat menerima rencana pembangunan prototype plant gas sintesis di PT. Pupuk Kujang
Pembuatan Cold Model
Fluidized Bed Telah peralatan berhasil cold model fluidized beddibuat 1 unit
5. 2010
Penyempurnaan Cold Model
Fluidized Bed
Kinerja cold model fluidized bed belum baik, sehingga dilakukan modifikasi terhadap loopseal dan ada penambahan unit bag filter untuk menyaring gas yang masih mengandung pengotor berupa debu. Uji coba kinerja Cold Model
Fluidized Bed dengan unggun pasir
Kajian karakteristik gasifikasi batubara Indonesia yang akan digunakan pada prototype
4
Gambar 1.1 Road map pengembangan gas sintesis dari batubara
Tabel 1.2 Rencana pengembangan gas sintesis dari batubara peringkat rendah
Tahun s/d 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Target Penguasaan teknik perancangan dan pengoperasian alat cold model fluidized bed dengan unggun pasir kapasitas 1 ton batubara/hari Penguasaan teknik perancangan dan pengoperasian alat cold model fluidized bed dengan berbagai jenis unggun pasir kapasitas 1 ton batubara/hari Penguasaan teknik perancangan alat hot model fluidized bed kapasitas 1 ton batubara/hari Penguasaan teknik perancangan dan pengoperasian alat hot model fluidized bed kapasitas 1 ton batubara/hari Penguasaan teknik perancangan dan pengoperasian alat hot model fluidized bed dengan berbagai jenis unggun pasir kapasitas 1 ton batubara/hari Penguasaan teknik perancangan dan pengoperasian alat hot model fluidized bed dengan berbagai jenis unggun pasir kapasitas 1 ton batubara/hari Kegiatan Pengembangan cold model fluidized bed pada pembuatan gas sintesis dari batubara Optimalisasi pengembangan cold model fluidized bed Pembuatan hot model fluidized bed reactor Pengembangan hot model fluidized bed Lanjutan pengembangan hot model fluidized bed Optimalisasi pengembanga n hot model fluidized bed Rincian kegiatan - Pembuatan alat cold model fluidized bed reactor - Ujicoba alat cold model fluidized bed reactor dengan media unggun batubara dan pasir - Percobaan karakterisasi gasifikasi batubara Indonesia peringkat rendah pada skala lab - Modifikasi alat cold model fluidized bed - Ujicoba kinerja cold model fluidized bed dengan berbagai media unggun - Membuat desain hot model fluidized bed reactor - Melakukan karakterisasi gasifikasi dan gasifikasi katalitik batubara Indonesia peringkat rendah pada - Pengadaan/ra ncang bangun alat hot model fluidized bed - Commissionin g dan ujicoba pengoperasia n alat hot model fluidized bed reactor - Modifikasi alat hot model fluidized bed - Ujicoba kinerja hot model fluidized bed dengan berbagai media unggun pasir - Modifikasi alat hot model fluidized bed - Ujicoba kinerja hot model fluidized bed dengan berbagai media unggun - Modifikasi alat hot model fluidized bed - Ujicoba kinerja hot model fluidized bed dengan berbagai media unggun s/d 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Penguasaan teknik perancangan dan pengoperasian alat
coal model fluidized bed dengan unggun pasir kapasitas 1 ton batubara/hari
Penguasaan teknik perancangan alat
hot model fluidized bed dengan unggun pasir kapasitas 1 ton batubara/hari
Penguasaan teknik perancangan dan pengoperasian alat
hot model fluidized bed dengan unggun pasir kapasitas 1 ton batubara/hari
Penguasaan teknik perancangan dan pengoperasian alat
coal model fluidized bed dengan berbagai jenis unggun pasir kapasitas 1 ton batubara/hari Penguasaan teknik perancangan dan pengoperasian
alat hot model fluidized bed kapasitas 1 ton batubara/hari Penguasaan teknik perancangan dan pengoperasian alat
hot model fluidized bed dengan berbagai jenis unggun pasir kapasitas 1 ton batubara/hari Penguasaan Teknologi gasifikasi reaktor ganda pada pembuatan gas sintetis dari batubara kapasitas 1 ton batubara/hari Sasaran
5
skala lab Indikator
keberhasilan
-Terbangun alat cold model fluidized bed
-Teroperasikan alat cold model fluidized bed dengan batubara dan pasir -Data hasil ujicoba kinerja alat cold model fluidized bed -Data karakterisasi gasifikasi batubara - Data optimal kinerja alat cold model fluidized bed dengan berbagai jenis media unggun
- Desain alat hot model fluidized bed - Data karakterisasi gasifikasi batubara dengan dan tanpa katalis - Terpasang alat hot model fluidized bed - Teroperasikan alat hot model fluidized bed reactor -Teroperasika n alat hot model fluidized bed reactor dengan unggun pasir -Data hasil ujicoba pengoperasia n alat hot model fluidized bed reactor - Teroperasika n dengan baik alat hot model fluidized bed reactor dengan berbagai media unggun - Data hasil ujicoba pengoperasia n alat hot model fluidized bed reactor - Data optimal kinerja alat hot model fluidized bed dengan berbagai jenis media unggun
Gambar 1.2 Rencana Pengembangan Gas Sintesis oleh Pihak Jepang
1.2 Ruang lingkup kegiatan
- Melakukan modifikasi dan uji coba kinerja cold model fluidized bed dengan berbagai media unggun dan jenis batubara;
- Melakukan pengujian karakteristik gasifikasi batubara Indonesia peringkat rendah pada skala laboratorium dengan pereaksi steam, campuran steam/oksigen dan oksigen;
- Melakukan pengujian aktivitas katalis pada proses gasifikasi batubara Indonesia peringkat rendah pada skala laboratorium;
- Melakukan koordinasi dengan PT. Pupuk Kujang, PT. Pusri (Holding) dan IHI Jepang dalam rencana pembangunan prototype plant gas sintesis di Indonesia;
6
1.3 Tujuan
- Mendapatkan data-data teknis dan kondisi optimal kinerja cold model fluidized
bed;
- Mengetahui karakteristik gasifikasi batubara Indonesia peringkat rendah;
- Mengetahui aktivitas katalis untuk proses gasifikasi batubara Indonesia peringkat rendah.
1.4 Sasaran
- Diperoleh data optimal kinerja alat cold model fluidized bed dengan berbagai jenis media unggun
- Diperoleh data karakterisasi gasifikasi batubara dengan dan tanpa katalis
1.5 Lokasi/tempat pelaksanaan kegiatan
Pelaksanaan kegiatan percobaan cold model fluidized bed dan percobaan gasifikasi batubara peringkat rendah akan dilakukan di laboratorium Puslitbang tekMIRA. Sementara itu pengambilan contoh batubara akan dilaksanakan di provinsi Sumatera Selatan dan Nanggroe Aceh Darussalam, sedangkan pengambilan contoh mineral di provinsi Maluku Utara.
Kegiatan rapat dan koordinasi yang berkaitan dengan rencana pembangunan prototype plant gas sintesis di PT. Pupuk Kujang akan dilaksanakan secara bergantian tergantung kesepakatan beberapa pihak. Kegiatan tersebut dilaksanakan di Bandung (Puslitbang tekMIRA) ataupun di Jakarta (di kantor PT. Pusri, Kemenko Perekonomian dan lain-lain. Kegiatan koordinasi lainnya adalah kunjungan ke industri pupuk dan dinas terkait dalam pengambilan data akan dilakukan di provinsi Kalimantan Timur.
7
2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Produksi gas sintesis dari batubara 2.1.1 Proses dan status teknologi
Produksi gas sintesis dari bahan bakar fosil adalah tahapan pertama dari sintesis bahan kimia. Proses utama produksi gas sintesis adalah melalui gasifikasi batubara dan methane reforming. Dalam reaktor gasifikasi, bahan baku/feedstock dikonversi menjadi gas sintesis, yaitu campuran gas H2, CO dan CO2.
Sejarah perkembangan teknologi gasifikasi batubara, pertama kali digunakan dalam pembuatan gas kota yang dimulai pada awal tahun 1792, teknologi gasifikasi
fluidized-bed temperatur tinggi dipatenkan pada 1921 oleh Winkler, produksi gas sintesis dari batubara telah dilakukan di Jerman selama Perang Dunia II. Berdasarkan data dari Dewan Teknologi Gasifikasi, pada tahun 2007, terdapat 144 plant gasifikasi dan 427 gasifier beroperasi di dunia, yang setara dengan kapasitas termal 56 GWth, dimana sekitar 31 GWth berasal dari gasifikasi batubara.
Dalam aplikasinya, gas sintesis dapat digunakan sebagai bahan bakar dalam teknologi IGCC atau sebagai bahan baku/feedstock untuk memproduksi gas H2 atau SNG. Bergantung pada perbandingan CO/H2, gas sintesis dapat digunakan sebagai bahan baku untuk berbagai proses kimia, termasuk sintesis Fischer-Tropsch, konversi menjadi metana melalui proses metanasi, metanol dan produksi amonia. Proses yang menghasilkan berbagai produk, seperti bahan bakar, bahan kimia dan listrik dari gasifikasi batubara dinamakan poli-generasi.
Proses gasifikasi berlangsung dalam jumlah oksigen tidak mencukupi. Batubara dipanaskan dalam suatu ruang dimana proses pirolisis berlangsung di atas temperatur 400°C. Selama proses pirolisis, zat terbang yang kaya akan hidrogen keluar bersama dengan tar, fenol, dan berbagai gas hidrokarbon. Kemudian char mengalami proses gasifikasi, mengeluarkan gas, uap tar, dan residu padatan. Reaksi yang dominan adalah oksidasi parsial char, yang memproduksi gas sintesis dengan
8
fraksi H2 dan CO yang tinggi. Proses berlangsung pada temperatur antara 800 – 1800°C. Kondisi operasi bergantung pada tipe batubara, abu yang dihasilkan dan teknologi gasifikasi.
Hal yang penting dalam proses gasifikasi adalah oksidan. Oksidan ini dapat berupa udara (campuran dengan gas nitrogen) atau oksigen murni. Penggunaan oksigen murni akan memerlukan instalasi ASU (air separation unit). Penggunaan oksigen murni memungkinkan pembakaran parsial batubara, tetapi hal ini memerlukan biaya investasi yang tinggi karena adanya tambahan peralatan. Gasifikasi berlangsung pada keadaan stoikiometri kekurangan oksigen, sehingga mekanisme reaksi perlu disesuaikan dengan neraca energi. Oksidasi parsial karbon menjadi CO, merupakan reaksi yang sangat eksotermik, yang mengeluarkan banyak energi dalam bentuk energi sensibel. Sebaliknya, gasifikasi dengan steam yang membentuk gas CO dan H2 adalah sangat endotermik. Sebagai konsekuensi, campuran steam/oksigen banyak digunakan. Dalam praktik, ada tiga tipe umum gasifier batubara, yaitu tipe gasifier
moving-bed, fluidized-bed dan entrained-flow.
2.2 Teknologi gasifikasi batubara
2.2.1 Gasifier moving-bed (Lurgi – dry ash dan BGL – slagging)
Dikenal juga sebagai gasifier unggun tetap, merupakan peralatan gasifikasi tertua. Lurgi mengembangkan reaktor atmosferik pada tahun 1927 dan reaktor bertekanan pada 1932. Dalam proses gasifikasi Lurgi, batubara digasifikasi pada tekanan tinggi dengan mereaksikan batubara dengan steam bertekanan tinggi dan dengan kemurnian oksigen tinggi untuk menghasilkan gas sintesis yang sesuai, untuk produksi bahan bakar dan bahan kimia. Gasifier Lurgi beroperasi pada suhu di bawah titik leleh abu sehingga abu batubara dapat dikeluarkan dari gasifier sebagai padatan, oleh karena itu proses gasifikasi Lurgi memerlukan jumlah oksigen yang jauh di bawah keperluan untuk proses gasifikasi entrained-flow, dimana abu batubara meleleh. Gas sintesis yang keluar dari gasifier masih bersuhu tinggi, kotor dan masih mengandung pengotor berupa komponen gas yang tidak tereduksi. Pada bagian hilir dari proses gasifikasi ini, gas sintesis dimurnikan dan komponen-komponen yang
9
tidak diinginkan dihilangkan, sebagian besar komponen tersebut adalah hasil samping yang masih memiliki nilai jual yang dapat digunakan sebagai bahan baku petrokimia. Karakteristik lain yang penting dari gasifier Lurgi adalah : 1) Ukuran batubara untuk gasifier moving-bed tidak terlalu kecil, sekitar 6 – 50 mm; 2) Tidak cocok untuk batubara mengkokas.
Hasil pengembangan dari gasifier asli Lurgi telah dikembangkan oleh British Gas dan Lurgi selama tahun 1950-an dan 1960-an. Gasifier hasil pengembangan ini adalah
molten slag bath. Dengan mengkonsumsi lebih sedikit steam dan oksigen, gasifier ini dapat menghasilkan produksi gas sintesis yang lebih tinggi per unit batubara (coal
intake) dan lebih sedikit hasil produk pirolisis dibandingkan dengan unit dry bottom. Selain itu, kadar CO2 menurun dan kadar metana menjadi setengahnya.
2.2.2 Gasifier fluidized bed (Winkler, HTW, CFB – dry ash; KRW, U-Gas – Agglomerating)
Teknologi ini mempunyai karakteristik sebagai berikut :
- Pencampuran yang baik antara bahan bakar dan oksidan menyebabkan perpindahan massa dan panas yang sangat baik;
- Waktu tinggal partikel individual dalam unggun berbeda-beda;
- Partikel halus akan terbawa gas sintesis sehingga perlu sistem pemurnian;
- Perpindahan panas dan massa yang sangat baik sehingga karbon yang tidak bereaksi akan tinggal bersama abu (karbon yang tidak bereaksi dikeluarkan dari unggun bersama abu);
- Teknologi terbaik yang ada saat ini menawarkan konversi karbon setinggi 97%. Sebagai perbandingan, untuk moving-bed dan entrained-flow adalah sekitar 99%.
2.2.3 Gasifier entrained-flow (Shell, Texaco, E-gas, Noell, KT - Slagging)
Teknologi ini memiliki karakteristik sebagai berikut :
- Bahan bakar/batubara disiapkan dalam bentuk halus untuk perpindahan massa yang baik;
10
- Waktu tinggal yang sangat singkat;
- Batubara dan oksigen dialirkan secara co-current sehingga dapat dicapai temperatur tinggi;
- Dengan perpindahan panas yang baik, akan memanaskan karbon menghasilkan metana dan tar;
- Temperatur tinggi dan sumber karbon yang sangat minim membuat proses ini ideal untuk gasifikasi batubara; Temperatur tinggi tanpa proses charring; tidak terjadi aglomerasi karena ukuran partikel yang sangat kecil
- Kemampuan menangani berbagai bahan baku/feedstock batubara; - Memproduksi gas bersih dan bebas tar;
- Abu yang diproduksi dalam bentuk abu inert atau frit. Hal ini dapat dicapai dengan usaha tambahan dalam preparasi batubara dan konsumsi oksigen yang tinggi, terutama menyangkut batubara dengan kadar air atau abu tinggi;
- Mayoritas proses gasifikasi batubara yang dikembangkan setelah tahun 1950 berdasarkan pada entrained-flow, slagging gasifier yang beroperasi pada 20 – 70 bar dan temperatur tinggi di atas 1400°C;
- Teknologi entrained-flow telah menjadi teknologi untuk batubara keras (hard
coal) dan telah dipilih terutama untuk IGCC skala komersial.
2.3 Teknologi gasifikasi TIGAR®
Berdasarkan pemisahan reaksi endoterm dan eksoterm, teknologi gasifikasi dibedakan menjadi dua, yaitu teknologi yang menggabungkan semua proses reaksi (reaksi endoterm dan eksoterm) dalam sebuah reaktor dan teknologi gasifikasi batubara yang memisahkan proses reaksi endoterm dan eksoterm. Reaktor tempat terjadi reaksi endoterm biasanya disebut gasifier, sedangkan reaktor tempat terjadi reaksi eksoterm biasanya disebut combustor.
Teknologi gasifikasi batubara yang memisahkan proses reaksi endoterm dan eksoterm menjadi fokus pengembangan teknologi gasifikasi batubara saat ini. Dengan memisahkan reaksi eksoterm dari reaksi endoterm, maka pereaksi dapat berupa udara yang melimpah dan murah. Dengan demikian tidak diperlukan pabrik oksigen
11
yang akan menurunkan biaya investasi dan kapasitas komersial minimum pabrik gasifikasi menjadi lebih kecil.
Gasifikasi batubara teknologi TIGAR® merupakan salah satu contoh teknologi gasifikasi batubara yang memisahkan tahapan proses eksoterm dan endoterm. Teknologi TIGAR® cocok diterapkan untuk batubara peringkat rendah. Perbandingan kondisi operasi dan unjuk kerja dari beberapa sistem gasifier batubara dapat dilihat pada Tabel 2.1 (Kubota, 2006). Skema proses pembuatan gas sintesis dengan teknologi TIGAR® dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Tabel 2.1. Perbandingan beberapa teknologi gasifikasi batubara
Teknologi
Variabel TIGAR
® Texaco Shell Lurgi
Tipe Gasifier Fluidized bed Entrained bed Entrained bed Moving bed Tekanan Operasi 0,1 – 0,5 MPa > 3 MPa > 3 MPa 1 - 3 MPa
Suhu Operasi Rendah Tinggi Tinggi Rendah
Reaktan Uap air Oksigen Oksigen Oksigen
Input Batubara Partikel lolos 1 cm Slurry Serbuk Bongkah
Residu Abu kering Terak Terak Abu kering
Efisiensi (untuk batubara
peringkat rendah)
Tinggi Sangat
12
Gambar 2.1. Proses pembuatan gas sintesis dengan teknologi TIGAR®
3. PROGRAM KEGIATAN
Program kegiatan terdiri dari :
Kegiatan yang akan dilaksanakan meliputi beberapa kegiatan, yaitu : - melakukan pengambilan contoh batubara peringkat rendah; - melakukan pengambilan contoh mineral;
- melakukan percobaan gasifikasi batubara Indonesia peringkat rendah pada skala laboratorium;
- melakukan percobaan gasifikasi batubara Indonesia peringkat rendah dengan menggunakan mineral alam;
- melakukan modifikasi alat cold model fluidized bed;
- uji coba kinerja cold model fluidized bed dengan berbagai jenis unggun;
- melakukan koordinasi dengan PT. Pupuk Kujang, PT. Pusri (Holding) dan IHI Jepang untuk membahas rencana pembangunan prototype plant gas sintesis;
4. METODOLOGI
Kegiatan pada penelitian ini terbagi dalam 2 kategori utama, yaitu : - modifikasi dan ujicoba kinerja alat cold model fluidized bed
13
- penelitian gasifikasi batubara Indonesia dengan berbagai pereaksi dan penelitian gasifikasi batubara dengan menggunakan katalis mineral alam.
4.1 Modifikasi dan ujicoba kinerja alat cold model fluidized bed Kegiatan ini meliputi :
- modifikasi desain distributor udara pada riser dan loopseal
Modifikasi alat cold model fluidized bed dilakukan terhadap desain distributor udara pada riser dan loopseal, khususnya pada bagian recycle chamber. Modifikasi desain distributor udara pada riser dan recycle chamber dilakukan dua kali, karena hasil modifikasi pertama dinilai kurang sempurna.
- ujicoba kinerja alat cold model fluidized bed
Kegiatan ujicoba alat cold model fluidized bed dilakukan masing-masing terhadap alat hasil modifikasi pertama maupun kedua. Bagian distributor udara yang telah dimodifikasi dipasangkan kembali pada tempatnya masing-masing sehingga menghasilkan satu rangkaian alat yang dapat dioperasikan. Alat ukur tekanan (pressure indicator) dipasang pada bagian-bagian tertentu, yaitu pada inlet udara masuk riser dan supply chamber, pada bagian loopseal, yaitu pada supply dan
recycle chamber. Sementara pada riser bagian atas dihubungkan dengan
manometer. Sebelum melakukan operasi, dilakukan pengecekan kebocoran pada sambungan-sambungan. Kebocoran-kebocoran tersebut ditambal, hingga tidak ada lagi kebocoran tersebut. Kemudian, media unggun dimasukkan melalui
supply chamber hingga memenuhi sebagian besar unit tersebut. Udara dialirkan ke bagian riser dan supply chamber dengan menyalakan dan mengatur frekuensi
14
Gambar 4.1 Skema alat cold model fluidized bed
4.2 Karakterisasi gasifikasi batubara Indonesia peringkat rendah
Metode yang digunakan dalam percobaan gasifikasi meliputi survei lokasi dan pengambilan contoh batubara dan mineral, preparasi dan karakterisasi contoh batubara dan mineral serta pengumpulan data melalui percobaan gasifikasi. Data-data hasil percobaan dikompilasi, diolah dan dianalisis serta disajikan dalam bentuk tabulasi dan grafik. Tahapan dalam kegiatan karakterisasi gasifikasi batubara Indonesia adalah sebagai berikut :
3 4 5 6 Cyclone Filter Riser Supply chamber Loopseal Recycle chamber
15
1. Tahapan kegiatan persiapan contoh batubara meliputi : a. Pengambilan contoh batubara
b. Preparasi batubara untuk analisis dan percobaan gasifikasi
Preparasi batubara meliputi penghilangan air bebas dan penggerusan hingga mencapai ukuran < 250 µm untuk analisis proksimat dan ultimat dan 250 – 500 µm untuk percobaan gasifikasi batubara.
2. Tahapan kegiatan persiapan contoh mineral katalis meliputi : a. Pengambilan contoh mineral
b. Preparasi contoh mineral untuk percobaan gasifikasi
Contoh mineral yang digunakan adalah medium grade saprolit. Preparasi contoh tersebut adalah sebagai berikut : Pertama-tama mineral dikeringkan dalam oven pada suhu 105°C selama semalam. Kemudian contoh mineral tersebut digerus dengan roll crusher sampai berukuran butir seperti pasir. Katalis berukuran kasar ini, kemudian dihaluskan hingga ukuran 105 µm. Setelah dikeringkan dan dihaluskan, kemudian katalis tersebut dibentuk pelet berukuran ± 1 cm. Proses peletasi ini dilakukan dengan 2 cara, yaitu : 1) katalis halus dan kering yang telah dicampur sedikit air, kemudian langsung dibentuk pelet; 2) katalis halus dan kering kemudian dipanaskan/dibakar terlebih dahulu. Proses ini dilakukan dalam furnace selama 2 jam. Pada permulaan, suhu furnace dinaikkan sampai suhu 300°C, kemudian contoh mineral dimasukkan. Suhu furnace kemudian dinaikkan hingga 500°C dan contoh mineral ditahan dalam suhu tersebut selama 2 jam. Setelah itu, contoh katalis didinginkan dan dipeletasi setelah sebelumnya dicampur dengan sedikit air. Setelah proses peletasi, kedua contoh baik yang langsung dibentuk maupun contoh yang dipanaskan terlebih dahulu, dikeringkan pada suhu 105°C selama semalam untuk menghilangkan kadar air.
3. Tahapan kegiatan percobaan gasifikasi batubara tanpa katalis meliputi :
Percobaan gasifikasi dilakukan dengan menggunakan reaktor kuarsa unggun tetap dengan diameter dalam 3 cm dan tinggi 80 cm. Gambar 4.2 menunjukkan skema reaktor unggun tetap yang dihubungkan dengan sistem penyuplai gas dan pembangkit steam.
16
Gambar 4.2 Skema reaktor unggun tetap dengan sistem penyuplai gas
dan pembangkit steam
Dalam setiap percobaan gasifikasi, 20 gram pasir kuarsa digunakan sebagai media unggun, kemudian 20 gram batubara kering ditempatkan ke dalam reaktor. Gas nitrogen dialirkan selama 15 menit, selanjutnya suhu reaktor ditingkatkan secara perlahan sampai mencapai suhu 800°C. Percobaan dilakukan dengan laju alir total 250 ml/menit dengan variasi pereaksi, yaitu steam, campuran steam/oksigen serta oksigen. Gas nitrogen digunakan sebagai balance. Laju alir steam dan oksigen masing-masing adalah 50 ml/menit. Pada suhu 800°C, laju alir gas pereaksi dan nitrogen disesuaikan dengan kondisi operasi yang ditentukan. Steam dihasilkan dengan mengalirkan akuades melalui pembangkit steam yang dipanaskan hingga 200°C. Batubara akan bereaksi dengan steam dan oksigen menghasilkan produk gas yang terdiri dari CO, H2, CH4 dan CO2. Pengambilan produk gas (sampling) dilakukan pada suhu reaksi selama 10 menit dengan menggunakan gas sampling bag. Produk gas ini kemudian dianalisis untuk mengetahui jenis gas dan komposisinya.
17
4. Tahapan kegiatan percobaan gasifikasi batubara dengan katalis mineral
Pada tahapan kegiatan ini, prosedur yang ditempuh sama dengan prosedur di atas, hanyak media unggun pasir kuarsa digantikan dengan media unggun katalis mineral. Sebanyak ± 8 gram mineral ditempatkan ke dalam reaktor, kemudian batubara kering dimasukkan ke dalam reaktor. Selanjutnya tahapannya seperti telah disebut pada tahapan 3 di atas. Pada kegiatan ini, batubara Aceh digunakan sebagai contoh dengan menggunakan pereaksi steam.
4.3 Koordinasi dengan instansi terkait
Koordinasi dengan instansi terkait dilakukan dalam membicarakan perkembangan rencana pembangunan pilot plant gas sintesis teknologi TIGAR di Indonesia. Pihak-pihak yang terlibat adalah IHI Corp. Jepang yang berencana membangun pilot plant di Indonesia, Puslitbang tekMIRA sebagai wakil Balitbang ESDM, PT. Pusri (Holding) sebagai perusahaan induk dari PT. Pupuk Kujang, di mana pilot plant gas sintesis direncanakan berdiri, Kementerian Perekonomian sebagai Koordinator dari beberapa Kementerian seperti ESDM dan Perindustrian yang berkepentingan dengan industri pupuk. Hasil-hasil dari pembicaraan ini umumnya berupa notulen-notulen dan laporan hasil rapat.
5. HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN
5.1 Modifikasi dan ujicoba kinerja alat cold model fluidized bed
5.1.1 Modifikasi desain distributor
Gambar 5.1 melukiskan skema alat cold model fluidized bed. Alat tersebut terdiri dari unit riser, cyclone, filter dan loopseal. Loopseal terdiri dari recycle dan supply chamber. Alat pengukur tekanan dipasang pada titik 1 – 4, demikian pula pada titik 5 dan 6 dihubungkan dengan manometer air. Riser memiliki diameter 25,6 cm dan sebelum modifikasi terdiri dari 22 lubang dengan diameter dalam 8 mm. Hasil kegiatan tahun anggaran 2010, diperoleh hasil sebagai berikut : hasil modifikasi desain distributor dan loopseal yang telah dilakukan menghasilkan kinerja alat cold model fluidized bed yang cukup baik, dimana loopseal dapat berfungsi mensirkulasikan pasir. Namun demikian, masih banyak pasir yang tertahan pada bagian permukaan riser. Sementara
18
itu, pembagian loopseal menjadi supply dan recycle chamber menyebabkan pasir tertumpuk di recycle chamber, sehingga pasir tidak dapat tersirkulasi dengan sempurna.
19
Oleh karena itu pada kegiatan tahun anggaran 2011, dilakukan modifikasi desain distributor udara. Untuk meningkatkan laju alir volumetrik udara pada riser dan
loopseal (recycle chamber) maka dilakukan modifikasi pada dua bagian tersebut yaitu dengan memperbesar diameter lubang udara dan memperbanyak jumlah lubang udara pada distributor udara. Pada tahun 2011, modifikasi pertama yang dilakukan pada riser adalah mengubah diameter dalam lubang dari 8 mm menjadi 12,7 mm dengan menambah jumlah lubang dari 22 lubang menjadi 58 buah. Sementara itu untuk lubang udara pada recycle chamber, diameter dalam lubang diperbesar dari 8 mm menjadi 12,7 mm, dengan jumlah lubang dari 21 menjadi 48 lubang. Kemudian, hasil modifikasi ini diujicobakan, dan hasilnya dinilai kurang memuaskan. Gambar 5.2 dan 5.3 menunjukkan distributor udara pada riser sebelum modifikasi (TA 2010) dan setelah modifikasi pertama.
Gambar 5.2 Tampak atas distributor udara pada riser
20
Gambar 5.3 Distributor udara pada riser setelah modifikasi pertama
(a)tampak atas; (b) tampak samping (modifikasi pada TA 2011)
Oleh karena itu, dilakukan kembali modifikasi. Pada modifikasi kedua ini, diameter dalam lubang tidak diubah, tetapi jumlah lubang dikurangi. Untuk riser jumlah lubang dari 58 lubang menjadi 26, sementara pada recycle chamber dari 48 lubang menjadi 33. Tabel 5.1 merekam hasil modifikasi distributor udara pada riser dan recycle
chamber. Sementara Gambar 5.4 dan 5.5 memperlihatkan hasil modifikasi kedua
distributor udara pada recycle chamber.
Tabel 5.1 Hasil modifikasi distributor udara pada riser dan recycle chamber
Tahun Riser Recycle chamber Keterangan
i.d. φ lubang pada riser (mm) Jumlah lubang i.d. φ lubang pada riser (mm) Jumlah lubang 2010 8 22 8 21 2011 12,7 58 12,7 48
Pasir tidak dapat tersirkulasi/naik. Pasir berputar-putar di atas penampang riser 12,7 26 12,7 33 Pasir dapat tersirkulasi dengan baik a b
21
Gambar 5.4 Tampak atas distributor udara pada recycle chamber
sebelum modifikasi (hasil TA 2010)
Gambar 5.5 Distributor udara pada recycle chamber (a) setelah modifikasi
pertama; (b) setelah modifikasi kedua (modifikasi pada TA 2011)
22
5.1.2 Ujicoba kinerja alat cold model fluidized bed
Media unggun yang digunakan adalah pasir sungai. Uji coba kinerja cold model
fluidized bed dilakukan dua kali. Ujicoba pertama dilakukan untuk penentuan
parameter operasi, sementara ujicoba kedua dilakukan untuk penentuan jumlah kebutuhan minimum udara ke riser sehingga pasir dapat tersirkulasi.
Penentuan parameter operasi
Pada penentuan parameter operasi, media unggun yang digunakan adalah pasir sungai sebanyak 26,6 kg dengan ukuran lolos 250 µm sebanyak 13,6 kg (51%). Pada ujicoba penentuan parameter operasi ini, dilakukan pengaturan frekuensi blower ke
riser dan loopseal seperti terlihat pada Tabel 5.2. Pada tabel tersebut terlihat bahwa dengan peningkatan frekuensi blower ke loopseal kecepatan superficial udara ke
loopseal juga meningkat, dengan catatan frekuensi blower ke loopseal lebih tinggi dari frekuensi blower ke riser. Pada saat frekuensi blower ke loopseal dan ke riser sama (yaitu frekuensi 20 dan 25), kecepatan superficial udara masuk ke riser terlihat lebih tinggi. Hal ini menunjukkan adanya tekanan balik dari riser ke loopseal sehingga udara dari blower ke loopseal tertahan.
Tabel 5.2 Penentuan parameter operasi ujicoba alat cold model fluidized bed
Frekuensi blower ke loopseal Kecepatan superficial udara ke loopseal Kecepatan volumetrik udara ke loopseal Frekuensi blower ke riser Kecepatan superficial udara ke riser Kecepatan volumetrik udara ke riser Kecepatan volumetrik udara total ke riser Kecepatan superficial udara di riser Hz m/s m3/s Hz m/s m3/s m3/s m/s 10 5,61 0,07 5 t.d. t.d. 0,07 1,38 15 8,10 0,10 10 1,09 0,01 0,12 2,26 20 9,00 0,11 15 3,15 0,04 0,15 2,99 20 5,58 0,07 20 7,85 0,10 0,17 3,31 25 12,25 0,16 20 5,36 0,07 0,22 4,33 25 8,80 0,11 25 10,25 0,13 0,24 4,69 30 14,78 0,19 25 7,74 0,10 0,29 5,54 35 15,00 0,19 30 7,80 0,10 0,29 5,61
23
Penentuan kecepatan udara minimum ke riser
Pada penentuan kecepatan udara minimum ke riser, media unggun pasir sungai yang digunakan adalah sebanyak 56,2 kg. Penentuan kecepatan udara minimum dilakukan dengan mengatur frekuensi blower ke riser dan loopseal, dimulai dengan frekuensi rendah. Pada frekuensi blower ke riser kurang dari 25 Hz, hasil observasi visual menunjukkan tidak terlihat pasir yang tersirkulasi. Pasir mulai terlihat tersirkulasi pada saat frekuensi blower ke loopseal dan riser menunjukkan angka 25 Hz, nilai ini setara dengan kecepatan superficial udara ke riser dan loopseal 8,90 dan 10,55 m/s. Nilai frekuensi terendah ini merupakan nilai yang menghasilkan kecepatan udara minimum di riser. Dari hasil perhitungan, diperoleh kecepatan udara minimum di
riser adalah 4,79 m/s. Kecepatan linier pada reaktor circulating fluidized bed berkisar antara 4 – 7 m/s. Alat cold model fluidized bed sendiri dirancang dengan kecepatan linier 5 m/s, sehingga nilai 4,79 m/s sebagai dapat dikatakan bahwa kecepatan udara minimum ke riser mendekati kecepatan yang ditetapkan dalam perancangan.
Sementara itu, dengan meningkatkan frekuensi blower ke loopseal dan menjaga frekuensi blower ke riser tetap pada 25 Hz, terlihat pada tabel bahwa kecepatan superficial udara yang masuk ke riser menurun. Bila melihat hasil pada penentuan parameter operasi, semestinya dengan peningkatan frekuensi blower ke loopseal dan frekuensi blower ke riser lebih rendah, kecepatan superficial udara ke loopseal jauh lebih tinggi dibandingkan dengan kecepatan superficial udara ke riser. Namun dalam penentuan kecepatan udara minimum ke riser ini, percobaan dimulai dengan frekuensi yang cukup tinggi yaitu 25 Hz, maka pasir yang tersirkulasi juga semakin banyak. Oleh karena itu, meskipun frekuensi blower ke loopseal lebih tinggi dari ke
riser (40 Hz berbanding 25 Hz), namun karena jumlah unggun pasir di supply
chamber yang semakin berkurang dengan cepat, telah menyebabkan tekanan udara di
riser meningkat karena jumlah udara yang masuk ke riser lebih dominan dari ke
loopseal, sehingga kecepatan superficial udara di loopseal hanya tercatat 2,98 m/s, jauh lebih rendah dari kecepatan superficial udara di riser sebesar 21,76 m/s. Semakin tinggi kecepatan udara yang masuk ke loopseal, semakin banyak pasir yang terdorong ke riser. Oleh karena itu, tinggi bed pasir di supply chamber semakin menurun. Dengan semakin menurun jumlah pasir di supply chamber, peningkatan
24
frekuensi blower ke loopseal, tidak menyebabkan peningkatan udara yang masuk ke
loopseal. Hal ini menunjukkan adanya tekanan balik dari riser ke arah loopseal (recycle
chamber). Data mengenai penentuan kecepatan udara minimum disajikan dalam
Tabel 5.3.
Tabel 5.3 Penentuan kecepatan udara minimum ke riser
Frekuensi blower ke loopseal Kecepatan superficial udara ke loopseal Kecepatan volumetrik udara ke loopseal Frekuensi blower ke riser Kecepatan superficial udara ke riser Kecepatan volumetrik udara ke riser Kecepatan volumetrik udara total ke riser Kecepatan superficial udara di riser Hz m/s m3/s Hz m/s m3/s m3/s m/s 25 10,55 0,13 25 8,90 0,11 0,25 4,79 30 13,62 0,17 25 7,32 0,09 0,27 5,15 35 19,56 0,25 25 5,35 0,07 0,32 6,13 40 2,98 0,04 25 21,76 0,28 0,31 6,09
5.2 Karakterisasi Gasifikasi Batubara Indonesia Peringkat Rendah 5.2.1 Pengambilan Contoh Batubara
Contoh batubara untuk percobaan gasifikasi di laboratorium diambil dari dua lokasi tambang, yaitu batubara Lahat yang berasal dari Desa Sukarame, Kecamatan Gumay Talang, Kabupaten Lahat, Propinsi Sumatera Selatan. Contoh batubara lain adalah batubara Aceh yang berasal dari Desa Sumber Batu, Kecamatan Meureubo, Kabupaten Aceh Barat, propinsi Nangroe Aceh Darussalam. Sementara, 3 (tiga) batubara lain yang digunakan adalah batubara Peranap dari propinsi Riau, Wara dari propinsi Kalimantan Selatan dan batubara PKN dari propinsi Kalimantan Timur. Kelima batubara tersebut dipilih karena merupakan batubara peringkat rendah. Terhadap kelima contoh batubara tersebut dilakukan percobaan gasifikasi char dengan menggunakan beberapa pereaksi.
5.2.1.1 Pengambilan Contoh Batubara Lahat 5.2.1.1.1 Kesampaian daerah
Lokasi pengambilan contoh batubara terletak di Desa Sukarame, Kecamatan Gumay Talang, Kabupaten Lahat, Provinsi Sumatera Selatan, dapat dicapai melalui perjalanan udara dari Jakarta ke Palembang dengan waktu tempuh kurang lebih 45 menit,
25
dilanjutkan dengan perjalanan dari Palembang ke kota Lahat dengan perjalanan darat dengan waktu tempuh 6 – 7 jam. Gambar 5.6 menunjukkan keadaan jalan menuju lokasi pengambilan contoh batubara.
Gambar 5.6 Keadaan jalan menuju lokasi pengambilan contoh batubara 5.2.1.1.2 Potensi Batubara di Kabupaten Lahat
Kabupaten Lahat memiliki potensi batubara yang cukup besar. Tabel 5.4 menunjukkan potensi batubara di Kabupaten Lahat, Provinsi Sumatera Selatan dengan sebaran seperti terlihat pada Gambar 5.7.
26
Tabel 5.4 Potensi Batubara di Kabupaten Lahat
No. Nama daerah (Kecamatan) Cadangan
(ribu ton)
Sumber Daya (ribu ton) 1. Muara tiga besar (Kecamatan Merapi)
- Blok MTBU 299,36 3.300
- Blok MTBS 422,43
2. Arahan (Kecamatan Merapi dan Kota Lahat)
- Blok Utara 401,55 12.000
- Blok Selatan 1.062,11
3. Banjar Sari (Kecamatan Merapi) 285,04 3.000
4. Air Serelo (Kecamatan Merapi dan Kota
Lahat) 54,39 3.000
5. Kungkilan (Kecamatan Merapi)
- Blok Barat 172,13 4.000
- Blok Timur 230,00
6. Bunian Sukamerindu (Kecamatan Merapi) 20,67 7. Tanjung Beringin (Kecamatan Gumay
Talang) 6,213 2.000
8. Muara Cawang (Kecamatan Pseksu) 6,544 3.500
9. Sungai Berau (Kecamatan Kikim Barat) 11,499 5.000 10. Talang Sawah (Kecamatan Pulau Pinang ) 18,72 2.000
11. Senabing (Kecamatan Lahat) 11,76 8.000
12. Lubuk Tuba (Kecamatan Pseksu) 4,144 6.000
13. Lubuk Mabar (Kecamatan Pseksu) 36,522 5.995
TOTAL 3.055,182 67.795
5.2.1.2 Pengambilan Contoh Mineral 5.2.1.2.1 Kesampaian daerah
Lokasi pengambilan contoh bijih nikel terletak di Desa Tanjung Buli, Kecamatan Maba, Kabupaten Halmahera Timur, Provinsi Maluku Utara, dapat dicapai melalui perjalanan udara dari Jakarta ke Ternate. Kemudian dari bandara Ternate ke bandara Buli di Desa Buli dengan waktu tempuh kurang lebih 25 menit dengan pesawat, dilanjutkan dengan perjalanan dari Desa Buli ke Tanjung Buli dengan perjalanan darat dengan waktu tempuh ± 30 menit. Gambar 5.8 menunjukkan keadaan jalan menuju lokasi pengambilan contoh mineral. Contoh mineral yang diambil adalah
27
Gambar 5.8 Keadaan jalan menuju lokasi pengambilan contoh mineral
5.2..2.1 Potensi Bijih Nikel di Kabupaten Halmahera Timur
Kabupaten Halmahera Timur memiliki potensi endapan nikel yang cukup tinggi. Endapan laterit nikel yang berasosiasi dengan cobalt dan besi ditemukan tersebar di Kecamatan Maba, dimana telah dilakukan eksplorasi dan eksploitasi dan ditemukan sebaran laterit di 8 lokasi. Salah satu daerah yang kaya akan sumber daya nikel adalah Desa Tanjung Buli dengan potensi sumber daya terkira adalah 6.500.000 ton saprolit 7.930.000, terbukti 10.600.000 ton Saprolit, 2,5% Ni, Limonit 1,5% Ni.
5.2.2 Hasil Analisis Batubara dan Mineral
Contoh batubara yang digunakan dalam percobaan gasifikasi adalah batubara Peranap, PKN, Wara, Lahat dan Aceh. Tabel 5.5 dan Tabel 5.6 menggambarkan hasil analisis proksimat dan ultimat contoh batubara yang digunakan dalam percobaan gasifikasi. Sementara Tabel 5.7 menunjukkan hasil analisis mineral medium grade
28
Tabel 5.5 Hasil analisis proksimat batubara
Sampel batubara
Analisis proksimat (%, adb) Nilai kalor (kkal/kg, adb)
Air Abu Zat
terbang Karbon tertambat* Peranap 22,8 3,9 38,7 34,6 PKN 28,7 6,2 34,5 30,6 Wara 29,0 1,1 37,3 32,6 Lahat 25,2 2,1 38,1 34,6 4876 Aceh 9,74 14,38 40,58 35,30 4890 *hasil pengurangan
Tabel 5.5 menunjukkan hasil analisis batubara Peranap, Wara, PKN, Lahat dan Aceh. Hasil analisis menunjukkan kandungan air batubara berkisar antara 9 – 29%. Batubara Aceh memiliki kadar abu dan kadar zat terbang tertinggi yaitu 14,38% dan 40,58%. Sementara, nilai kalor batubara Lahat dan Aceh hampir sama, yaitu di atas 4800 kkal/kg.
Tabel 5.6 Hasil analisis ultimat batubara
Hasil analisis ultimat, [%, adb]
C H N Total S O* Peranap 55,36 5,44 0,72 0,23 34,35 PKN 49,22 5,84 0,60 0,08 38,13 Wara 55,11 6,54 0,62 0,05 36,58 Lahat 52,02 6,38 0,84 0,49 38,17 Aceh 56,10 5,19 1,16 0,14 23,03 *hasil pengurangan
Hasil analisis ultimat pada Tabel 5.6 menunjukkan batubara PKN memiliki kadar karbon terendah, di bawah 50%, sementara batubara Aceh memiliki kadar karbon dan nitrogen tertinggi, yaitu 56,10% dan 1,16%.
29
Tabel 5.7 Hasil analisis mineral medium grade saprolit
Senyawa SiO2 Al2O3 Fetot FeO Fe2O3 CaO MgO TiO2 P2O5 Cr2O5 Komposisi
[%]
41,7 2,69 11,54 - 16,50 1,45 23,3 0,31 0,24 1,49
Senyawa Ni Co V Stot SO3
Komposisi [%]
1,67 0,037 0,015 - -
Hasil analisis mineral medium grade saprolit pada Tabel 5.7 menunjukkan komposisi mineral didominasi oleh silika dan besi. Sementara, kandungan nikelnya adalah 1,67% Ni. Adapun dari hasil analisis XRD diketahui jenis-jenis mineral yang terdapat dalam medium grade saprolit adalah kuarsa, krisotil, volkonskoit dan albit.
5.2.3 Hasil percobaan gasifikasi batubara
5.2.3.1 Hasil percobaan gasifikasi batubara dengan pereaksi steam
Percobaan gasifikasi batubara dilakukan terhadap batubara Peranap, PKN, Wara, Lahat dan Aceh dengan menggunakan pereaksi steam. Hasil percobaan gasifikasi batubara dengan pereaksi steam disajikan pada Tabel 5.8. Produk gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi batubara adalah gas H2 dan CO, dan sedikit CH4. Pada Tabel 5.8 ditunjukkan komposisi gas H2 yang dihasilkan berkisar antara 22,51 – 39,52%, gas CO antara 4,86 – 10,86% dan gas CH4 antara 0,87 – 7,30%.
Tabel 5.8 Komposisi gas produk hasil percobaan gasifikasi
batubara dengan pereaksi steam
Batubara Komposisi gas [% vol]
H2 CO CH4 CO2 N2 O2 Peranap 28,78 8,16 7,30 3,74 52,01 - PKN 38,16 10,86 1,77 0,36 48,84 - Wara 22,51 10,26 0,87 5,26 60,29 0,81 Lahat 39,31 7,84 2,16 1,79 48,77 0,12 Aceh 39,44 4,88 4,13 4,36 47,19 -
30
Dari tabel di atas terlihat bahwa batubara Aceh dan batubara Lahat merupakan batubara yang paling banyak menghasilkan gas H2 tertinggi, yaitu di atas 39%, diikuti oleh perolehan gas H2 dari gasifikasi batubara PKN, Peranap dan Wara. Sementara, batubara PKN dan Wara menghasilkan gas CO yang paling tinggi dan cukup berimbang, di atas 10%. Gambar 5.9 menunjukkan komposisi gas hasil gasifikasi berbagai batubara dengan pereaksi steam. Batubara Peranap menghasilkan gas CH4 paling tinggi diantara kelima batubara yang diujikan, yaitu 7,30%.
Gambar 5.9 Komposisi gas hasil gasifikasi batubara dengan pereaksi steam
5.2.3.2 Hasil gasifikasi batubara dengan pereaksi campuran steam/oksigen
Hasil percobaan gasifikasi batubara dengan pereaksi campuran steam/oksigen disajikan pada Tabel 5.9. Produk gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi batubara sama dengan hasil gasifikasi dengan pereaksi steam yaitu gas H2, CO dan CH4. Pada tabel ditunjukkan komposisi gas H2 yang dihasilkan berkisar antara 28,21 – 39,17%, gas CO antara 4,40 – 19,21% dan gas CH4 antara 0,95 – 6,33%.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 H2 CO CH4 CO2 N2 O2 Peranap PKN Wara Lahat Aceh
P
er
o
le
ha
n
g
as
[%
vo
l]
31
Tabel 5.9 Komposisi gas produk hasil percobaan gasifikasi
batubara dengan pereaksi campuran steam/oksigen
Batubara Komposisi gas [% vol]
H2 CO CH4 CO2 N2 O2 Peranap 31,03 17,89 1,04 3,08 46,44 0,52 PKN 33,70 19,21 1,37 3,23 42,01 0,48 Wara 28,21 10,22 0,95 6,83 53,12 0,68 Lahat 39,17 13,13 1,16 4,75 41,27 0,51 Aceh 34,64 4,40 6,33 6,21 47,32 1,09
Hasil percobaan gasifikasi berbagai batubara dengan campuran steam/oksigen cenderung meningkatkan perolehan gas CO, khususnya pada batubara Peranap, PKN dan Lahat, kecuali pada batubara Wara dan Aceh. Pada batubara Wara, hasil percobaan gasifikasi menunjukkan perolehan gas CH4 hampir tidak berubah. Sedangkan pada batubara Aceh, perolehan gas CO mengalami sedikit penuruan dari 4,88% menjadi 4,40%. Gambar 5.10 menunjukkan komposisi gas hasil gasifikasi batubara dengan pereaksi campuran steam/oksigen.
Gambar 5.10 Komposisi gas hasil gasifikasi batubara
dengan pereaksi campuran steam/oksigen
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 H2 CO CH4 CO2 N2 O2 Peranap PKN Wara Lahat Aceh
32
5.2.3.3 Hasil gasifikasi batubara dengan pereaksi oksigen
Tabel 5.10 menggambarkan komposisi gas produk hasil percobaan gasifikasi batubara dengan pereaksi oksigen. Secara umum perolehan gas hasil gasifikasi dengan pereaksi oksigen menunjukkan gas H2 menurun sedangkan gas CO meningkat. Selain itu, pada percobaan ini terlihat bahwa rantai C>1 mulai terbentuk, khususnya pada batubara Peranap dan Lahat. Gambar 5.11 menunjukkan komposisi gas hasil gasifikasi batubara dengan pereaksi campuran oksigen.
Tabel 5.9 Komposisi gas produk hasil percobaan gasifikasi batubara dengan pereaksi oksigen
Batubara Komposisi gas [%vol]
H2 CO CH4 C2H4 C2H6 CO2 N2 O2 Peranap 11,02 24,69 2,06 0,23 0,09 7,58 52,14 2,20 PKN 28,36 14,90 2,63 - - 1,97 49,53 2,61 Wara 21,86 10,90 - - - 5,0 60,61 1,62 Lahat 21,64 12,75 2,25 0,03 0,05 6,08 55,75 1,44 Aceh 26,96 10,08 5,65 - - 4,98 49,14 3,19
Pada percobaan gasifikasi batubara dengan pereaksi oksigen, perolehan gas hidrogen paling tinggi ditunjukkan oleh batubara PKN. Sementara batubara Peranap menghasilkan gas CO tertinggi disusul oleh batubara PKN dan Lahat. Batubara Wara dan Aceh menghasilkan gas CO terendah, yaitu 10%. Namun batubara Aceh menghasilkan gas CH4 tertinggi dengan 5,65%.
33
Gambar 5.11 Komposisi gas hasil gasifikasi batubara dengan pereaksi oksigen
5.2.3.4 Pengaruh penambahan katalis pada hasil gasifikasi batubara Aceh
dengan pereaksi steam
Tabel 5.11 dan Gambar 5.12 menunjukkan komposisi gas hasil gasifikasi batubara Aceh dengan pereaksi steam, dengan kondisi gasifikasi batubara tanpa penambahan katalis dan dengan menggunakan katalis mentah maupun katalis yang telah diolah. Seperti terlihat pada Tabel 5.11, penambahan katalis mentah pada hasil gasifikasi batubara Aceh menunjukkan perolehan gas hidrogen dan CH4 sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan hasil gasifikasi batubara tanpa katalis. Sementara perolehan gas CO meningkat secara signifikan, dari 4,88% menjadi 22,39%. Pengolahan katalis juga membawa pengaruh terhadap keaktifan katalis. Hasil pada Tabel 5.11 menunjukkan katalis mentah yang tidak mendapat perlakuan apapun, ternyata lebih aktif dibandingkan dengan katalis yang mendapat perlakuan panas. Hal ini kemungkinan disebabkan mineral yang terdapat dalam katalis telah mengalami sintering yang menyebabkan keaktifan berkurang. Hal ini harus dibuktikan dengan analisis lebih lanjut melalui analisis XRD ataupun analisis morfologi.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 H2 CO CH4 C2H4 C2H6 CO2 N2 O2 Peranap PKN Wara Lahat Aceh
P
er
o
le
ha
n
g
as
[%
vo
l]
34
Tabel 5.11 Komposisi gas produk hasil percobaan gasifikasi batubara Aceh
tanpa dan dengan menggunakan katalis (pereaksi steam)
Kondisi percobaan Komposisi gas [%vol]
H2 CO CH4 CO2 N2
Tanpa katalis 39,44 4,88 4,13 4,36 47,19
Katalis mentah 42,21 22,39 5,00 5,41 24,99
Katalis (treated) 33,52 11,49 3,84 2,59 48,56
Gambar 5.12 Komposisi gas hasil gasifikasi batubara Aceh tanpa dan
menggunakan katalis dengan pereaksi steam
5.3 Hasil Kegiatan Koordinasi dengan Instansi
5.3.1 Perkembangan rencana pembangunan pilot plant gas sintesis teknologi TIGAR®
Koordinasi dengan instansi terkait dilakukan dalam membicarakan perkembangan rencana pembangunan pilot plant gas sintesis teknologi TIGAR® di Indonesia. Pihak-pihak yang terlibat adalah IHI Corp. Jepang yang berencana membangun pilot plant di Indonesia, Puslitbang tekMIRA sebagai wakil Balitbang ESDM, PT. Pusri (Holding) sebagai perusahaan induk dari PT. Pupuk Kujang, di mana pilot plant gas sintesis
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 H2 CO CH4 CO2 N2 BB BB+raw catalyst BB+treated catalyst
P
er
o
le
ha
n
g
as
[%
vo
l]
35
direncanakan berdiri, Kementerian Perekonomian sebagai Koordinator dari beberapa Kementerian seperti ESDM dan Perindustrian yang berkepentingan dengan industri pupuk. Hasil-hasil dari pembicaraan ini umumnya berupa notulen-notulen dan laporan hasil rapat.
Masalah utama dalam rencana pembangunan pilot plant gas sintesis adalah lahan pabrik yang semula direncanakan di PT. Pupuk Kujang. Seiring dengan pergantian manajemen di PT. Pupuk Kujang dan PT. Pupuk Kujang juga merupakan perusahaan di bawah PT. Pusri (Holding), pengambilan keputusan mengenai kepastian lanjut tidaknya rencana pembangunan pilot plant ini berada dalam ketidakpastian. Rapat koordinasi dengan berbagai pihak termasuk dengan Kementerian Perekonomian juga tidak menemukan titik terang, karena terkendala juga dengan masalah harga batubara yang akan digunakan sebagai bahan baku pada proyek ini, apabilan nanti masuk pada tahap komersial. Apabila digunakan harga batubara acuan sebagai dasar perhitungan, maka proyek ini dinilai tidak akan menguntungkan secara ekonomis. Oleh karena itu, sampai saat ini belum ada kejelasan status rencana pembangunan pilot plant gas sintesis di Indonesia. Hasil-hasil rapat disajikan pada Lampiran.
5.3.2 Hasil Kunjungan/Koordinasi ke PT. Pupuk Kalimantan Timur (PKT) dan Dinas Pertambangan dan Energi Propinsi Kalimantan Timur
Dalam kajian pengembangan dan pengusahaan gas sintesis batubara sebagai bahan baku industri pupuk telah dilakukan survei ke PT. Pupuk Kalimantan Timur dan Dinas Pertambangan dan Energi Propinsi Kalimantan Timur. Tujuan/sasaran dari kegiatan tersebut adalah untuk memperoleh data-data kebutuhan gas alam, produksi dan konsumsi pupuk, ketersediaan batubara sebagai bahan baku gas sintesis serta masalah dan dampak penggunaannya. Menurut data dari Dinas Pertambangan dan Energi Propinsi Kalimantan Timur, sumber daya batubara di Kaltim sampai tahun 2010 adalah 28,4 milyar ton dengan cadangan 7,7 milyar ton. Lokasi cadangan batubara yang paling potensial adalah Kutai Timur dengan jumlah sumber daya (tereka+terunjuk+terukur) adalah 15,5 milyar ton dan cadangan (terkira+terbukti) adalah 4,1 milyar ton (data sampai dengan triwulan I tahun 2011). Sementara itu,
36
dalam kaitan dengan aplikasi teknologi pemanfaatan batubara seperti gasifikasi batubara, khususnya maupun kebijakan dalam menghadapi penerapan Peningkatan Nilai Tambah yang akan mulai diberlakukan pada tahun 2014 belum terlihat.
Sementara itu, dalam kunjungan ke PKT di Bontang, kami diterima oleh manajemen PKT, yaitu Manager Litbang PT. Pupuk Kaltim yaitu Bapak Ezrinal Aziz, Business Development Engineer Ir. Digna Jatiningsih, M.T., beserta para staf. Gambar 5.13 menggambarkan suasana diskusi dengan Bidang Litbang PT. Pupuk Kaltim.
Gambar 5.13 Suasana diskusi dengan Bidang Litbang PT. Pupuk Kaltim
Dijelaskan bahwa PT. Pupuk Kaltim memiliki 5 pabrik pupuk urea dengan kapasitas total 2,9 – 3 juta ton urea/tahun dan 4 pabrik amoniak dengan kapasitas total 1,85 juta ton amoniak/tahun dengan bahan baku gas alam; dari jumlah tersebut, untuk pupuk subsidi 2 – 2,3 juta ton urea, dengan kebutuhan gas alam sebesar 250 MMSCFD. Produksi pupuk dari PT. Pupuk Kaltim digunakan untuk kebutuhan dalam negeri yaitu untuk pasokan ke Wilayah Indonesia Timur, Kalimantan (kecuali Kalimantan Barat dari PT. Pusri) dan Jawa Timur; juga mensuplai ke PT. Pusri untuk kebutuhan pupuk di Jawa Tengah. PT. Pupuk Kaltim berencana akan menggunakan batubara untuk sumber energi bagi boiler. Dalam upaya penyediaan pasokan batubara tersebut maka dibentuk anak perusahaan khusus. Kebutuhan batubara tersebut 2000 ton/hari (untuk PKT 5). PT. Pupuk Kaltim juga telah menjajagi
