BAB I PENDAHULUAN
I.I Latar Belakang
Gasifikasi adalah suatu proses perubahan bahan bakar padat secara termo kimia menjadi gas, dimana udara yang diperlukan lebih rendah dari udara yang digunakan untuk proses pembakaran. Selama proses gasifikasi reaksi kimia utama yang terjadi adalah endotermis (diperlukan panas dari luar selama proses berlangsung). Media yang paling umum digunakan pada proses gasifikasi ialah udara dan uap. Produk yang dihasilkan dapat dikategorikan menjadi tiga bagian utama, yaitu padatan, cairan (termasuk gas yang dapat dikondensasikan) dan gas permanen. Media yang paling umum digunakan dalam proses gasifikasi adalah udara dan uap. Gas yang dihasilkan dari gasifikasi dengan menggunakan udara mempunyai nilai kalor yang lebih rendah tetapi disisi lain proses operasi menjadi lebih sederhana.
Proses gasifikasi batubara adalah proses yang mengubah batubara dari bahan bakar padat menjadi bahan bakar gas. Dengan mengubah batubara menjadi gas, maka material yang tidak diinginkan yang terkandung dalam batubara seperti senyawa sulfur dan abu, dapat dihilangkan dari gas dengan menggunakan metode tertentu sehingga dapat dihasilkan gas bersih dan dapat dialirkan sebagai sumber energi. Sebagaimana diketahui, saat bahan bakar dibakar, energi kimia akan dilepaskan dalam bentuk panas. Pembakaran terjadi saat Oksigen yang terkandung dalam udara bereaksi dengan karbon dan hidrogen yang terkandung dalam
batubara dan menghasilkan CO2 dan air serta energi panas. Dalam kondisi
normal, dengan pasokan udara yang tepat akan mengkonversi semua energi kimia menjadi energi panas.
Namun kemudian, jika pasokan udara dikurangi, maka pelepasan energi kimia dari batubara akan berkurang, dan kemudian senyawa gas baru akan
“setengah matang”). Senyawa gas yang terbentuk ini terdiri atas H2, CO, dan CH4 (methana), yang masih memiliki potensi energi kimia yang belum dilepaskan. Dalam bentuk gas, potensi energi ini akan lebih mudah dialirkan dan digunakan untuk sumber energi pada proses lainnya, misalnya dibakar dalam boiler, mesin diesel, gas turbine, atau diproses untuk menjadi bahan sintetis lainnya
(menggantikan bahan baku gas alam). Dengan fungsinya yang bisa menggantikan gas alam, maka gas hasil gasifikasi batubara disebut juga dengan syngas (syntetic gas). Dengan proses lanjutan, syngas ini dapat diproses menjadi cairan. Proses ini disebut dengan coal liquefaction (pencairan batubara). Untuk dapat menghasilkan gas dari batubara dengan maksimal, maka pasokan oksigen harus dikontrol sehingga panas yang dihasilkan dari pembakaran “setengah matang” ditambah energi yang terkandung pada senyawa gas yang terbentuk setara dengan energi dari batubara yang dipasok.
BAB II ISI
II.1 Proses Gasifikasi Batubara II.1.1 Fungsi Gasifikasi
Gasifikasi 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”. Coal Gas merupakan campuran gas-gas hidrogen, karbon monoksida, nitrogen serta unsur gas lainnya. Gasifikasi batubara merupakan teknologi terbaik serta paling bersih dalam mengkonversi batubara menjadi gas-gas yang dapat dimanfaatkan sebagai energi listrik.
Ada perbedaan antara gas batubara dan campuran gas yang terjadi dari gasifiksai batubara. Gas batubara dihasilakan dari destilasi destruktif batubara dan hasil sampingan proses karbonisasi batubara. Perolehan gas dan komposisinya tergantung pada peringkat batubara dan temperature karbonisasi.
Proses gasifikasi mengubah semua material organic batubara menjadi bentuk gas, peringkat batubara dan temperature hanya mempengaruhi laju gasifikasi dan jika diinginkan bias diperoleh gas yang kesemuanya mengandung CO, CO2, dan H2 disamping pengotor hydrogen sulfide. Perbedaan yang mencolok ini disebabkan pada proses gasifikasi terjadi raihan yang jauh dan interaksi lebih lanjut yang dapat dikendalikan antara volatile matter dan char atau kokas dengan oksigen.
II.1.2 Tahapan Proses Gasifikasi A. Prinsip Kerja Umum 1. Proses Fisika
Beberapa proses fisis yang terjadi pada gasifikasi adalah sebagai berikut: a. Pemanasan, yaitu proses penambahan batu bara dengan oksigen dan uap air, kemudian dipanaskan/dikompresi sampai suhunya tinggi.
b. Pengeringan, yaitu pelepasan uap air dari padatan batu bara.
c. Pemanasan lanjut: Batu bara dipanaskan kembali sampai suhunya sangat tinggi. d. Devolatilisasi, yaitu pengeluaran volatil (senyawa dengan struktur benzena) yang terdapat pada batu bara sampai hanya tersisa arang saja.
e. Pembakaran arang agar tidak ada lagi udara yang tersisa. 2. Proses Kimia
Selama reaksi, oksigen (O2) mengoksidasi air (H2O) dari batu bara dan
menghasilkan karbon dioksida (CO2), karbon monoksida (CO), uap air (H2O), dan gas hidrogen (H2). Reaksi tersebut dapat ditulis sebagai berikut:
3C + O2 + H2O → H2 + 3CO
B. Klasifikasi Gas Berdasarkan Nilai Kalornya yaitu:
1. Gas high Btu merupakan sinonim dari sibstitute natural gas (SNG) dan mempunyai nilai kalor antara 970 sampai 1000 Btu per standard cubic foot (Scf). Komposisi gas sebagian besar terdiri dari CH4 (lebih dari 90%) dan sebagian kecil terdiri dari CO, CO2, dan N2. Gas high Btu pada umumnya dapat
2. Gas medium Btu mempunyai nilai kalor 270 hingga 600 Btu/Scf. Pada nilai kalor yang lebih rendah dari rentang ini, gas umumnya terdiri dari CO dan H2 serta sejumlah kecil CO2. Pada nilai kalor yang lebih tinggi dari rentang diatas, nilai kalor meningkat seiring dengan masuknya CH4 atau hidrokarbon yang lain. Gas medium Btu banyak digunakan dalam industrimanufaktur karena dapat terbakar dengan cepat dan menghasilkan temperatur nyala yang sama atau lebih tinggi dari gas alam. Akan tetapi gas medium Btu ini tidak dapat dimasukkan ke dalam jaringan distribusi gas alam karena tidak dapat dipertukarkan dengan gas alamdan karena kadar karbon monoksidanya. Gas medium Btu dapat digunakan sebagai sumber hidrogen untuk liquekfaksi batubara secara langsung menjadi bahan bakar cair atau untuk sintesa metanol dan bahan bakar cair lainnya. Gas medium Btu juga dapat digunakan untuk produksi gas High Btu.
3. Gas Low Btu normalnya mempunyai nilai kalor sekitar 90 sampai 150 Btu/scf. Komponen-komponen yang dapat dibakar terdiri dari CO dan H2yang dilarutkan oleh CO2 dan N2. Gas ini mempunyai temperatur nyala yang rendah, kecuali jika udara pembakaran dilakukaan pra-pemanasan dengan kuat. Gas ini bisa menjadi bahan bakar turbin yang ideal yang kemungkinannya dimanfaatkan secara besar-besaran dalam gas stream combined power cycle untuk
pembangkitan listrik dilokasi dmana gas tersebut dihasilkan.
B. Teknologi Gasifikasi
Banyak system gasifikasi yang secara komersial diperoleh atau mempunyai potensi untuk dikomersialkan. Ada sejumlah cara untuk
mengkarakteristikan system-sistem yang berbeda tersebut, diantaranya dibedakan antara karakteristik bebas dan tak bebas. Karakteristik bebas yaitu metoda
pemasokan panas, media gasifikasi, dan jenis reactor. Karakteristik tak bebas yaitu apakah residu padat berupa kerak, komposisi gas bahan baku dan nilai kalor.
1. Metoda Pemasokan Panas
Pada kebanyakan gasifier, panas yang dibutuhkan untuk menjalankan reaksi endotermis karbon-uap dan reaksi Boudouard dihasilkan secara langsung oleh pembakaran batubara atau char dalam gasifier. Satu permasalahan dengan cara pemasokan panas seperti ini adalah jika udara digunakan maka gas-gas produk akan terlarut dengan nitrogen dan nilai kalor yang rendah. Jika digunakan gas medium-Btu, metoda pemasokan panas secara langsung dilakukan untuk menghilangkan nitrogen sebelum proses. Juga bias dilakukan dengan menggunkan oksigen murni. Saat ini, tidak ada system gasifier yang telah dikembangkan
didasarkan pada penghilangan nitrogen dari aliran produk pemasokan oksigen relative murni bagaimanapun juga sangat mahal.
Saat ini teknik pemanasan tak langsung yang dikembangkan untuk menghilangkan nitrogen selama proses gasifikasi dilakukan agar konversi batubara menjadi gas berlangsung sempurna.
2. Jenis Reaktor ( Gasifier )
Di bidang teknik kimia, gasifikasi digunakan sebagai teknik untuk mengkonversi bahan bakar padat menjadi gas. Gas yang dihasilkan pada gasifikasi disebut gas produser yang kandungannya didominasi oleh gas CO, H2, dan CH4. Bahan bakar yang umum digunakan pada gasifikasi adalah bahan bakar padat, salah satunya adalah batubara. Jika ditinjau dari produk yang dihasilkan, pengolahan batubara dengan gasifikasi lebih menguntungkan dibandingkan pengolahan dengan pembakaran langsung. Dengan teknik gasifikasi, produk pengolahan batubara lebih bersifat fleksibel karena dapat diarahkan menjadi bahan bakar gas atau bahan baku industri kimia yang tentunya memiliki nilai jual yang lebih tinggi. Untuk melangsungkan gasifikasi diperlukan suatu suatu reaktor. Reaktor tersebut dikenal dengan nama gasifier. Ketika gasifikasi dilangsungkan, terjadi kontak antara bahan bakar dengan medium penggasifikasi di dalam gasifier. Kontak
antara bahan bakar dengan medium tersebut menentukan jenis gasifier yang digunakan. Secara umum pengontakan bahan bakar dengan medium
penggasifikasinya pada gasifier dibagi menjadi tiga jenis, yaitu entrained bed,
fluidized bed, dan fixed/moving bed. Jenis reactor yang keempat yaitu reactor
molten media dapat dikelompokkan bersama dengan reactor entrained bed, tetapi operasinya dibedakan tersendiri. Jenis reactor sangat mempengaruhi distribusi temperature, produk gas dan residu. Temperatur reaksi bervariasi mulai dari 815 0 C sampai 1025 0C, masing-masing jenis reactor memiliki rentang temperature yang spesifik. Pengecualian untuk ini adalah molten media gasifier, dimana karakteristik temperature operasi dan lainnya ditentukan oleh lelehan yang dipakai. Perbandingan ketiga jenis gasifier tersebut ditampilkan pada Tabel 1.
a. Fixed bed gasifier
Operasi fixed-bed gasifier berlangsung dengan aliran bolak-balik (countercurrent) dan menggunakan uap dan oksigen atau uap dan udara. Residu berupa terak atau abu kering ditambah karbon yang tidak terkonversi. Bahan bakar masuk dari atas dan bergerak kebawah menggantikan bahan bakar yang terkonsumsi oleh
gasifikasi. Aliran bahan bakar dari atas kebawah dan pertukaran panas dengan produk gasifikasi ke atas melalui empat zona yang terpisah walaupun tidak jelas.
Keuntungan fixad bed gasifier adalah efisiensi konversi yang tinggi dengan kehilanagn panas minimum. Keterbatasan fixed bed gasifier adalah tidak
mudahmenggunakan batubara caking dan swelling tanpa dilakukan pre-treatment terlebih dulu agar menjadi batubara non-agglomerating atau tanpa perubahan design mekanis. Fraksi batubara harus diperhatikan terlebih pada sistim
penambangan dengan menggunakan mesin skala besar yang banyak menghasilkan batubara yang halus.
b. Fluidized-bed Gasifier
Fluidized bed gasifier diumpankan dengan batubara pulverized dan dalam
gasifier, batubara tersebut diangkat oleh umpan dan gas-gas produk. Pada gasifier satu tahap yang dipanaskan secara langsung, uap/ oksigen atau campuran
uap/udara di injeksikan didekat dasar reactor, baik secara concurrent maupun countercurrent terhadap aliran fluida. Gas-gas yang naik bereaksi dengan batubara dan pada saat yang sama menjaganya dalam keadaan terfluidakan. Selama
batubara tergasifikasi partikel-partikel batubara yang berukuranlebih besar turun kebawah melewati lapisan terfluidakan bersama-sam dengan partikel-partikel char yang lebih besar.
Keuntungan Fluidized-bed Gasifier antara lain terjadinya pencampuran padatan yang baik, temperatur relatif seragam, terjadi kesetimbangan temperatur yang cepat antara padatan dan gas. Fluidized-bed Gasifier mempunyai keuntungan yang lain yaitu efisiensi perpindahan panas dari daerah eksotermis ke endotermis dan oleh karenanya reaksi-reaksi gasifikasi mencapai kesetimbangan dengan cepat sehingga masukan cukup tinggi. Selanjutnya tidak ada hot spots yang
menyertaipembentukan partikel-partikel abu yang melebur, yang bdisebut klinker. Kerugian Fluidized-bed Gasifier adalah bahwa tanpa pre-treatment okdisatif pada batubara atau konfigurasi desain yang khusus, gasifier mengalami kesulitan dalam penanganan batubara caking dan swelling, yang beragglomerasi dan membentuk partikel-partikel yang lebih besar keterbatasan yang lain adalah terbawanya
padatan pada gas produk sehingg doperlukan peralatan khusus pembersihan padatan dalam gas produk.
c. Entrained-Bed Gasifier
Selama Entrained-Bed Gasifier menggunakan batubara pluverized dengan ukuran sekitar 75 µm. Oksigen atau udara, bersama-sama dengan uap, biasanya
digunakan untuk memasuki batubara, yang diinjeksikan melalui nozzle kedalam blumer dari gasifier. Gas produk panas, atau hidrogen panas pada kasus
hidrogenasi, dapat juga dugunakan untuk memasuki batubara dan pada saat yang sama menggasifikasi batubara tersebut.
Gasifier ini beroperasi pada suhu yang sangat tinggi. Karena suhu yang tinggi ini, semua volattile matter dalam batubara teroksidasi sehingga konsumsi oksigen relatif tinggi. Gas-gas produk umumnya mengandung sedikit atau tidak
mengandung tar, minyak, atau metan. Volatile matter cepat sekali tergasifikasi begitu bahan bakar memasuki zona reaksi temperatur tinggi.pembentukan metan rendah membuat Entrained-Bed Gasifier cocok untuk memproduksi hidrogen. Kerugian utama Entrained-Bed Gasifier berasal dari rendahnya konsentrasi bahan bakar dalam media gasifikasi dan aliran concurrent dari reaktan, hal ini
mengemliminasi kemungkinan pertukaran panas internal antara gas produk dan bahan bakar yang baru masuk, menghasilkan tingginya temperatur gas keluaran dibanding dengan proses fluidized bed gasifier dan proses fixed bed.
d. Molten Bath Gasifier
Kebanyakan proses Molten Bath Gasifier meliputi gasifikasi batubara yang berlangsung dengan adanya kontak langsung batubara dengan uap dan udara atau oksigen dalam suatu wadah leburan terak, logam, dan garam. Temperatur yang tinggi dibutuhkan untuk menjaga leburan dalam bak sehingga memberikan laju reaksi yang tinggi dan oleh karenanya jumlah masukan yang tinggi. Gasifikasi juga didorong oleh sifat-sifat katalitik dari logam. Kapasitas termal yang tinggi dari leburan menyebabkan pemanasan yang cepat dari bahan bakar yang
dimasukkan ke gasifiersehingga tidak sempat terbentuk tar dan minyak. Cepatnya volatile matter lepas dari batubara menyebabkan batubara terdisintegrasi,
memperluas permukaan kontak sehingga menaikkan laju reaksi
Kerugian utama pada proses molten bath yaitu kehilangan panas yang relatif tinggi dan permasalahan menyangkut tertahannya leburan dan pembersihan terak dan abu. Masalah serangan korosi juga terjadi akibat garam lebur temperatur tinggi juga oleh logam-logam lebur.
Tabel 1. Perbandingan jenis-jenis gasifier
Parameter Fixed/Moving Bed Fluidized Bed Entrained Bed Ukuran umpan < 51 mm < 6 mm < 0.15 mm Toleransi
kehalusan partikel Terbatas Baik Sangat baik Toleransi
kekasaran partikel Sangat baik Baik Buruk
Toleransi jenis umpan Batubara kualitas rendah Batubara kualitas rendah dan biomassa Segala jenis batubara, tetapi tidak cocok untuk biomassa
Kebutuhan oksidan Rendah Menengah Tinggi Kebutuhan kukus Tinggi Menengah Rendah Temperatur reaksi 1090 °C 800 – 1000 °C > 1990 °C Temperatur gas
keluaran 450 – 600 °C 800 – 1000 °C > 1260 °C
Efisiensi gas dingin 80% 89.2% 80% Kapasitas
penggunaan Kecil Menengah Besar
Permasalahan Produksi tar Konversi karbon Pendinginan gas produk
II.1.3 Perkembangan Teknologi Gasifikasi
Perkembangan terbaru gasifikasi saat ini adalah dengan ditemukannya sistem Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC). IGCC merupakan suatu sistem teknologi yang mengubah batu bara menjadi gas, yang lebih tepatnya ialah gas sintesis (syngas). IGCC selanjutnya menghilangkan pengotor yang terdapat pada batu bara sebelum di bakar dan dapat mengubah polutan-polutan menjadi suatu re-usable produk sampingan. Hal ini menyebabkan berkurangnya emisi sulfur dioksida, raksa dan partikel-partikel lainnya. Kalor yang dibuang dari ruang pembakaran dan pembangkit utama akan dialihkan ke suatu steam cycle, atau bisa juga seperti dialihkan ke combined cycle gas turbine. Pengalihan ini juga
berdampak pada peningkatan efisiensi yang cukup tinggi dibandingkan dengan batu bara yang di-pulverized. Akibat dari tetapnya harga batu bara dunia pada beberapa tahun, sekitar 50 persen listrik di pasok oleh pembangkit tenaga batu bara. Dengan munculnya IGCC yang memiliki emisi yang lebih rendah ketimbang pembangkit tenaga batu bara yang lainnya, maka teknologi ini akan menjadi peranan penting dalam pasar pembangkit tenaga batu bara sejalan dengan makin ketatnya regulasi emisi global
II.1.4 Manfaat dari Proses Gasifikasi
1. Mampu menghasilkan produk gas yang konsisten yang dapat digunakan sebagai pembangkit listrik.
2. Mampu memproses beragam input bahan bakar termasuk batu bara, minyak berat, biomassa, berbagai macam sampah kota dan lain sebagainya.
3. Mampu mengubah sampah yang bernilai rendah menjadi produk yang bernilai lebih tinggi.
4. Mampu mengurangi jumlah sampah padat.
BAB III PENUTUP
Dari materi yang telah dipaparkan dapat disimpulkan bahwa :
- Proses gasifikasi batubara adalah proses yang mengubah batubara dari bahan bakar padat menjadi bahan bakar gas. Dengan mengubah batubara menjadi gas, maka material yang tidak diinginkan yang terkandung dalam batubara seperti senyawa sulfur dan abu, dapat dihilangkan dari gas dengan menggunakan metode tertentu sehingga dapat dihasilkan gas bersih dan dapat dialirkan sebagai sumber energi.
- Untuk melangsungkan gasifikasi diperlukan suatu suatu reaktor. Reaktor tersebut dikenal dengan nama gasifier. Jenis gasifier diantaranya : 1. Fixed bed gasifier
2. Fluidized-bed Gasifier 3. Entrained-Bed Gasifier 4. Molten Bath Gasifier
