PENGEMBANGAN PROSES REFORMING TER SECARA AUTOTHERMAL
SKALA PROCESS DEVELOPMENT UNIT (PDU)
Nurhadi, Datin Fatia Umar, Dahlia Diniyati, M. Ade Andriansyah, Wahid Supriatna, Cipta Irawan, Sapta Rianda
KATA PENGANTAR
Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara (Puslitbang tekMIRA) telah melaksanakan kegiatan litbang pemanfaatan producer gas untuk pembangkit listrik menggunakan PLTD sistem dual fuel sejak tahun 2007 skala pilot plant dan dalam persiapan ke skala komersial. Teknlogi gasifikasi yang digunakan dalam kegiatan litbang tersebut adalah teknologi fixed bed yang menghasilkan limbah ter. Untuk mengatasi permasalahan ini, perlu dikembangkan teknologi konversi ter menjadi gas producer yang dikenal dengan nama reforming ter. Terdapat dua keuntungan dari pengembangan teknologi reforming ter, yaitu dapat mengolah limbah ter dan menghasilkan produk utama pabrik gasifikasi yaitu producer gas, sehingga dapat meningkatkan kinerja proses gasifikasi dan ramah lingkungan.
Pengembangan teknologi konversi ter menjadi producer gas melalui proses reforming ter direncanakan sebagai kegiatan multi years yang dimulai pada tahun 2015. Kegiatan 2015 terdiri dari pengembangan desain proses dan rancang bangun alat reforming ter skala process development unit (PDU) atau unit pengembangan proses (UPP).
Kami mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu sehingga kegiatan Tim Pengembangan Proses Reforming Ter secara autothermal Skala PDU pada Tahun Anggaran 2015 dapat berjalan dengan baik. Mudah-mudahan kegiatan ini bermanfaat bagi semua pihak.
Bandung, Desember 2015
Kepala Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara
Ir. Dede Ida Suhendra, M.Sc. NIP. 19571226 1987031001
SARI
Masalah utama dari gasifikasi batubara adalah ter yaitu senyawa hidrokarbon berat molekul tinggi. Ter dalam gas dapat mengembun pada suhu rendah yang menyebabkan penyumbatan pipa saluran, katup, filter dan mesin. Ter dapat dihilangkan dengan proses fisik (misalnya scrubber, adsorpsi karbon dan electrostatic precipitator. Hasil pemisahan ter dari proses gasifikasi batubara belum dimanfaatkan dan menjadi limbah yang perlu penanganan.
Kegiatan penelitian terdiri atas perancangan proses dan alat reforming ter skala process development unit (PDU), fabrikasi dan komisioning. Perancangan proses dan peralatan ini diawali dengan studi literatur, baik berupa dokumen paten, jurnal ilmiah internasional dan juga studi lapangan pada pabrik gasifikasi batubara fixed bed. Hasil studi literatur digunakan untuk menyusun konsep proses reforming ter, diagram alir proses, deskripsi proses reforming ter dan perhitungan neraca massa dan energi. Perancangan selanjutnya adalah perancangan peralatan proses yang terdir atas unit preparasi ter, unit reaksi, unit pendingin produk gas dan perancangan peralatan kontrol. Fabrikasi peralatan PDU reforming ter dilaksanakan secara swakelola di Sentra Teknologi Pengolahan dan Pemanfaatan Batubara, Palimanan, Cirebon. Setelah kegiatan fabrikasi selesai dilanjutkan dengan instalasi peralatan PDU dan uji komisioning peralatan PDU.
Hasil perancangan reforming ter skala process development unit (PDU) menunjukan bahwa 50 kg/jam ter menghasilkan 19 kmol/jam producer gas dengan nilai kalor 1.200 kKal/Nm3.
Reaktor terdiri atas 3 buah, yaitu Oksidator, Reduktor dan Reformer. Producer gas dari reaktor reformer kemudian dilewatkan ke dalam unit pendingin produk gas yang terdiri atas cyclone separator dan alat penukar panas. Alat penukar panas terdiri atas waste heat boiler dan start up boiler yang terintegrasi menggunakan 1 buah steam drum. Hasil perancangan proses ini menghasilkan invensi dan memiliki syarat – syarat dapat diusulkan sebagai paten proses (novelty, inventif steps & industrially applicable). Puslitbang tekMIRA, melalui Bidang Afiliasi dan Informasi telah mendaftarkan sebagai paten proses, dengan nomor pendaftaran P0020156955.
Kegiatan fabrikasi dan instalasi peralatan PDU reforming ter telah selesai dilaksakan. Pekerjaan fabrikasi dilakukan secara swakelola dan bertahap yaitu fabrikasi unit preparasi ter, fabrikasi unit reaksi, dan fabrikasi unit pendingin produk gas. Pemasangan sistem otomasi proses pada PDU Reforming Ter dilakukan untuk pengaturan suhu tangki ter, suhu aliran ter 1, suhu aliran ter 2 dan pengisian air umpan boiler pada steam drum.
Komisioning telah dilakukan pada masing-masing peralatan maupun sistem secara keseluruhan. Komisioning dimulai dengan pengoperasian start up boiler untuk memenuhi kebutuhan pemanasan ter pada unit preparasi ter. Start up boiler berfungsi dengan baik, yaitu dapat menghasilkan steam dengan tekanan 0,1 bar dan laju alir 16 kg/jam. Sistim otomatisasi berfungsi dengan baik, yaitu dapat menjaga suhu tangki ter 70 – 90 OC dan
suhu aliran ter sebesar 80 OC. Sistem otomasi pengisian air umpan boiler berfungsi baik,
yaitu pengisian umpan air terjadi pada ketinggian air 30% di steam drum dan berhenti pada ketinggian 60% di steam drum. Laju rata-rata aliran ter adalah 1 L/m atau 1.440 L/hari
dengan suhu konstan 80 OC dengan mengatur frekuensi inverter pompa ter. Laju alir ter ini
sudah memenuhi kapasitas desain yaitu 1.200 L/hari. Laju aliran udara mencapai 300 – 400 m3/jam dengan dengan mengatur frekuensi inverter blower udara. Hasil komisioning ini
menunjukan bahwa PDU reforming ter telah siap untuk percobaan konversi ter menjadi producer gas melalui proses reforming.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... ii
SARI ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... vi
DAFTAR TABEL ... viii
DAFTAR LAMPIRAN ... x
1. PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Ruang Lingkup Kegiatan ... 1
1.3. Tujuan... 2
1.4. Sasaran ... 2
1.5. Lokasi Pelaksanaan Kegiatan ... 2
2. TINJAUAN PUSTAKA ... 3
2.1. Pembentukan Ter dalam Gasifikasi Teknologi Fixed Bed ... 3
2.2. Pemanfaatan Ter ... 4
3. KEGIATAN YANG DILAKSANAKAN ... 7
3.1. Persiapan ... 7
3.2. Pelaksanaan ... 7
4. METODOLOGI ... 9
5. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 11
5.1. Pembuatan Desain PDU ... 11
5.2. Fabrikasi dan Instalasi Peralatan PDU ... 43
5.3. Komisioning Peralatan PDU ... 48
6. KESIMPULAN DAN SARAN ... 51
6.1. Kesimpulan ... 51
6.2. Saran ... 52
DAFTAR PUSTAKA ... 52 LAMPIRAN ... Error! Bookmark not defined.
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
1.1. Road map pengembangan proses reforming ter secara autothermal ... 1
2.1. Jenis reaksi gasifikasi ... 4
2.2.Tungku pembakaran ter ... 5
2.3. Teknologi konversi ter menjadi gas bakar ... 6
4.1. Metodologi kegiatan ... 10
5.1. Blok diagram proses konvesi ter menjadi producer gas ... 13
5.2.Pengaruh laju alir udara terhadap komposisi producer gas dan suhu proses ... 15
5.3. Process flow diagram (PFD) reforming ter ... 16
5.4. Desain tangki ter ... 21
5.5. Desain tangki air pencuci ... 24
5.6. Desain lay out reaktor oksidator, reduktor dan reformer ... 27
5.7. Desain reaktor oksidator ... 28
5.8. Desain reaktor reduktor ... 30
5.9. Desain reaktor reformer ... 32
5.10. Desain recycle arang ... 33
5.11. Desain cyclone separator ... 35
5.12. Desain alat penukar panas... 36
5.13. Desain steam drum ... 37
5.14. Piping and instrument diagram (P&ID) unit preparasi ... 40
5.15. Piping and instrument diagram (P&ID) unit reaksi ... 41
5.16. Piping and instrument diagram (P&ID) unit pendingin produk ... 42
5.17. Pembuatan dudukan tangki ter dan pemasangan ... 44
5.18. Pemasangan sistem pemipaan ... 45
5.19. Pembuatan reaktor ... 46
5.20. Pembuatan unit pendingin produk ... 47
5.21. Pemasangan sistem otomatisasi PDU Reforming Ter ... 48
5.22. Komisioning PDU Reforming Ter ... 50
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
2.1.Komposisi umpan dan produk konversi ter menjadi gas bakar ... 6
5.1.Karakteristik ter hasil gasifikasi batubara... 12
5.2. Analisis sampel batubara ... 18
5.3. Hasil perhitungan neraca massa dan enegi proses reforming ter ... 19
5.4. Spesifikasi tangki ter ... 20
5.5. Spesifikasi tangki air pencuci ... 22
5.6. Spesifikasi pemipaan aliran ter dan air pencuci ... 22
5.7. Spesifikasi reaktor oksidator ... 25
5.8. Spesifikasi reaktor reduktor ... 29
5.9. Spesifikasi reaktor reformer ... 31
5.10. Spesifikasi cyclone separator dan alat penukar panas ... 34
5.11. Daftar peralatan kontrol utama ... 39
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran Halaman
1. Analisis Sampel Ter dan Batubara ... 54 2. Dokumen Draf Usulan Paten dan Permohonan Usulan Paten... Error! Bookmark not
defined.
3. Perhitungan Neraca Massa dan Energi ... Error! Bookmark not defined. 4. Instruksi Kerja PDU Reforming Ter dan Data Komisioning . Error! Bookmark not defined. 5. Dokumen Rancang Bangun Reforming Ter ... Error! Bookmark not defined.
1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Gasifikasi batubara teknologi fixed bed menghasilkan “limbah” ter. Ter merupakan campuran senyawa hidrokarbon rantai panjang yang berfase uap dalam gasifier, tetapi akan mencair pada suhu kamar. Ter dikelompokan dalam kategori limbah Bahan Berbahaya dan Beracun (B3), sehingga menjadi beban bagi pemiliki pabrik gasifikasi. Ter memiliki nilai kalor cukup tinggi yaitu 8.457 kkal/kg (Setiawan, dkk., 2012), sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar seperti yang telah dikembangkan oleh Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara (tekMIRA). Pemanfaatan ter yang lebih memiliki nilai tambah adalah dengan cara mengkonversi ter menjadi producer gas yang merupakan produk utama dari pabrik gasifikasi. Kegiatan litbang pengembangan proses reforming ter secara autothermal akan dilakukan secara multi years dengan road map dapat dilihat pada Gambar 1.1.
2015 2016 2017 2018 2019
Gambar 1.1. Road map pengembangan proses reforming ter secara autothermal
1.2. Ruang Lingkup Kegiatan
Kegiatan Pengembangan reforming ter secara autothermal pada tahun ini terdiri atas:
- Pembuatan desain reaktor reforming ter secara autothermal skala process development unit (PDU).
- Fabrikasi dan pemasangan peralatan reforming ter secara autothermal skala PDU. Pengembangan proses
konversi ter menjadi gas bakar skalaUnit Pengembangan Proses (PDU)
Uji kinerja PDU konversi ter menjadi gas bakar
Pembuatan desain dasar Pilot Plantkonversi ter menjadi gas bakar Optimasi proses
PDU konversi ter menjadi gas bakar
Pembuatan desain detil pilot plant proses konversi ter menjadi gas bakar
diperoleh teknologi proses konversi ter menjadi gas bakar
1. Paten proses 2. PDU
- Otomatisasi sistem kontrol proses.
- Komisioning peralatan reforming ter secara autothermal skala PDU.
1.3. Tujuan
Melakukan pengembangan teknologi reforming ter yang bermanfaat ganda, yaitu untuk menghilangkan limbah ter pada pabrik gasifikasi batubara teknologi fixed bed dan menghasilkan producer gas yang merupakan produk utama pabrik gasifikasi.
1.4. Sasaran
Rancang bangun peralatan reforming ter secara autothermal skala process depelopment unit (PDU) kapasitas 1.200 L/hari.
1.5. Lokasi Pelaksanaan Kegiatan
Kegiatan rancang bangun peralatan reforming terakan dilakukan di Sentra Teknologi Batubara Palimanan, Cirebon, Jawa Barat.
2. TINJAUAN PUSTAKA
Masalah utama dari gasifikasi batubara adalah ter yaitu senyawa hidrokarbon berat molekul tinggi (Gilbert et al, 2009; Singh et al, 2005; Houben et al, 2005). Ter dalam gas bahan bakar dari gasifikasi dapat mengembun pada suhu rendah, yang menyebabkan penyumbatan dan pemblokiran pipa saluran, katup, filter, mesin dan tumpukan sel bahan bakar. Ter dapat dihilangkan dengan proses fisik yaitu menggunakan scrubber, adsorpsi karbon dan electrostatic precipitator (Han, J and Kim, H., 2008). Peningkatan suhu gasifikasi adalah pendekatan lain yang menjanjikan untuk mengurangi pembentukan ter (Gilbert et al, 2009). Selama ini, ter belum dimanfaatkan dan menjadi limbah yang harus ditangani menjadi produk yang lebih berguna.
Analisis termodinamika gabungan unit gasifier biomassa dan ter steam reformer, dengan memilih parameter operasi suhu gasifikasi (Tgas), suhu reformasi (Tref) dan perbandingan uap - biomassa (S/BM) menunjukan bahwa panas eksotermis dari gasifikasi cukup untuk memasok kebutuhan panas steam reformer (Vivanpatarakij dan Assabumrungrat 2013). Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan produksi H2 setinggi 1,6 dapat dicapai dalam unit yang
diusulkan. Model kesetimbangan dua tahap termasuk char-gasifikasi dan reaksi fase gas dan memperkenalkan parameter yang disebut rasio partisipasi air untuk memperkirakan konversi karbon dapat digunakan untuk memprediksi konversi karbon dan komposisi produk gas dengan cepat dan tepat untuk berbagai kondisi operasi, dengan rasio partisipasi air dinyatakan sebagai fungsi eksponensial suhu sesuai dengan kinetika reaksi arang (Yoshida, et al, 2008; Nguyen, et al, 2010). Kombinasi steam reforming dan methanasi pada suhu relatif rendah merupakan pilihan pemurniaan gas yang menarik untuk proses gasifikasi allothermal skala kecil yang dibuktikan menggunakan model termodinamika telah dikembangkan dengan menerapkan neraca massa dan energi, kinetika reaksi dan keseimbangan reaksi dengan hasil yang memuaskan (Fraubaum et al, 2015).
2.1. Pembentukan Ter dalam Gasifikasi Teknologi Fixed Bed
Reaksi yang terjadi selama proses gasifikasi sangat komplek syang dikelompokkan menjadi pengeringan, pirolisis, reaksi reduksi dan reaksi oksidasi. Reaksi-reaksi tersebut dapat
berlangsung secara bertahap atau secara simultan tergantung pada jenis reaktor (gasifier) yang digunakan. Pada reaktor fluidized bed dan entrained flow reaksi gasifikasi berlangsung secara simultan seperti terlihat pada Gambar 2.1.
a. Reaksi gasifikasi secara bertahap b. Reaksi gasifikasi secara simultan Gambar 2.1. Jenis reaksi gasifikasi
Secara kimiawi ter mengandung banyak senyawa aromatik.Ter dihasilkan pada proses pirolisis. Pada gasifikasi teknologi fixed bed, reaksi gasifikasi terjadi secara bertahap, menyebabkan ter tidak terkonversi menjadi producer gas dalam produk gas (producer gas). Ter kemudian dipisahkan dari producer gas pada proses pendinginan dan pemurnian. Ter ditampung di bak penampungan ter yang kemudian diolah lebih lanjut.
2.2. Pemanfaatan Ter
Ada beberapa cara pemanfaatan ter, antara lain dimanfaatkan sebagai bahan baku kimia seperti benzene, toluen dan xylene (BTX), sebagai bahan bakar dan sebagai bahan baku pembuatan producer gas atau syngas. BTX merupakan bahan kimia aromatik yang menjadi bahan baku berbagai industri kimia. BTX diproduksi dari ter hasil gasifikasi dan karbonisasi batubara melalui proses destilasi dan ekstraksi sampai dengan masa perang dunia II (Kent, 2007). Setelah masa tersebut BTX lebih banyak diproduksi dari industri sintesis petrokimia karena lebih ekonomis dan memiliki kemurnian yang tinggi. BTX dari ter masih beroperasi pada industri pembuatan kokas metalurgi seperti terdapat di PT Krakatau Steel dengan kapasitas umpan ter 73.000 ton/tahun atau setara 220.000 Liter/hari.
Pemanfaatan ter sebagai bahan bakar sudah dikembangkan oleh beberapa pihak, antara lain oleh Puslitbang tekMIRA seperti dapat dilihat pada Gambar 2.2. Panas hasil pembakaran ter sudah dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan steam. Produk steam dimanfaatkan untuk membantu kebutuhan pada pabrik gasifikasi yang sering kali mengalami kekurangan pasokan.
Gambar 2.2.Tungku pembakaran ter
Pemanfaatan ter untuk bahan baku producer gas atau syngas dapat dilakukan melalui proses konversi. Teknologi konversi ter menjadi gas bakar dibedakan menjadi dua, yaitu konversi menggunakan pereaksi steam (dikenal dengan nama steam reforming, SR) dan konversi secara autothermal (dikenal dengan nama autothermal reforming, ATR). Pada teknologi steam reforming, ter direaksikan dengan steam sehingga terjadi reaksi sebagai berikut:
CxHyOz + H2O ↔ CO + H2
Reaksi tersebut bersifat endotermal, sehingga membutuhkan pasokan energi dari luar sistem. Pada teknologi konversi secara autothermal menggunakan pereaksi campuran oksigen-steam atau udara-steam sehingga terjadi pembakaran parsial dengan reaksi kimia sebagai berikut:
CxHyOz + O2↔ CO + H2
CxHyOz + H2O↔ CO + H2
Reaksi tersebut bersifat eksotermal dan endotermal, sehingga secara keseluruhan tidak membutuhkan tambahan panas dari luar sistem. Teknologi konversi secara autothermal
dikenal dengan nama oksidasi parsial (partial oxidation, POX). Perbandingan berbagai teknologi konversi ter dapat dilihat pada Gambar 2.3. (Higman, C. and van der Burgt, M., 2008)
Gambar 2.3. Teknologi konversi ter menjadi gas bakar
Contoh proses konversi ter menjadi gas sintesis (syngas) adalah proses Lurgi’s Multi purpuses gasification (MPG) dengan spesifikasi umpan dan produk seperti ditunjukan pada Tabel 2.1. Pada proses ini ter direaksikan dengan campuran oksigen – uap air sehingga menghasilkan syngas. (Higman, C. and van der Burgt, M., 2008)
Tabel 2.1.Komposisi umpan dan produk konversi ter menjadi gas bakar
Umpan Ter, Produk Syngas
Komposisi %w Komposisi %v C 88,1 CO2 5,7 H 5,7 CO 54,3 O 4,4 H2 38,9 N 0,9 CH4 0,1 S 0,8 N2+Ar 0,8 Abu 0,1 H2S 0,2 6
3. KEGIATAN YANG DILAKSANAKAN 3.1. Persiapan
3.1.1 Studi literatur
Persiapan kegiatan dilakukan dengan penelusuran literatur teknologi reforming ter, pengumpulan data ter hasil gasifikasi batubara teknologi fixed bed dan koordinasi dengan instansi terkait seperti dunia akademik dan perusahaan engineering, procurement and construction (EPC).
3.1.2 Pembuatan desain
Pembuatan desain proses reforming ter secara autothermal dilakukan menggunakan basis data ter yang dihasilkan oleh pilot plant gasifikasi batubara untuk PLTD Puslitbang tekMIRA. Pembuatan desain melibatkan tenaga ahli yang memiliki kepakaran dibidang rancang bangun pabrik. Tenaga ahli yang dibutuhkan dalah Prof. Dr. Herri Susanto (Teknik Kimia, ITB - Bandung), Dr. Istadi, S.T., M.T. (Teknik Kimia Undip - Semarang), dan Drs. Agah Sutiagah, M.M. (Jurusan Kontrol Proses, SMKN 1 - Cimahi), Anang Yudi Riswanto, S.T., dan Ir. Fahmi (PT Mutiara Global Industry – Cibinong). Peralatan reforming ter didesain agar dapat beroperasi secara kontinyu.
3.2. Pelaksanaan
3.2.1 Fabrikasi dan pemasangan peralatan pdu
Spesifikasi peralatan hasil desain kemudian difabrikasi secara swakelola. Pelaksanaan fabrikasi peralatan dilaksanakan di lokasi hanggar tempat dimana peralatan PDU ini akan dioperasikan. Setelah peralatan PDU selesai dibuat kemudian dirangkai sesuai dengan diagram alir proses.
3.2.2 Komisioning
Setelah peralatan PDU selesai dipasang, kemudian dilanjutkan dengan komisioning. Komisioning dilakukan untuk menguji kinerja peralatan PDU agar dapat digunakan untuk percobaan reforming ter.
3.2.3 Penyusunan Laporan
Dari hasil seluruh kegiatan kemudian disusun dalam sebuah laporan akhir.
4. METODOLOGI
Metoda pengembangan proses reforming ter secara autothermal dilakukan seperti dapat dilihat pada Gambar 4.1., yaitu sebagai berikut:
- Melakukan penelusuran literatur proses reforming ter;
- Melakukan koordinasi dengan perusahaan EPC (PT Mutiara Global Industry) dan dunia akademik (Teknik Kimia ITB, Teknik Kimiadan Jurusan Kontrol Proses SMKN 1 Cimahi) untuk membantu pembuatan desain reforming ter;
- Melakukan analisis sampel ter hasil pilot plant gasifikasi batubara Puslitbang tekMIRA - Melakukan pembuatan desain peralatan PDU reforming ter secara swakelola, yang
terdiri atas block flow diagram (BFD), neraca massa dan energi, process flow diagram (PFD), Piping and Instrumentation diagram (P&ID) dan spesifikasi peralatan utama. - Melakukan kegiatan fabrikasi peralatan PDU reforming ter secara swakelola, yang
terdiri atas unit preparasi ter, unit reaksi dan unit pendingin produk. - Melakukan kegiatan pemasangan/instalasi peralatan PDU reforming ter - Melakukan kegiatan komisioning peralatan PDU reforming ter
Gambar 4.1. Metodologi kegiatan
5. HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1. Pembuatan Desain PDU
5.1.1 Pemilihan teknologi dan skala penelitian
Reaksi gasifikasi pada teknologi fixed bed menghasilkan produk samping ter yang tercampur dalam produk gas (producer gas). Ter terdiri dari banyak senyawa kimia yang sebagian besar terdiri atas hidrokarbon aromatik dengan berat molekul tinggi. Contoh komponen ter yaitu phenolic compounds, toluene, naphthalene, senyawa aromatik lain yang memiliki 1, 2, 3 dan 4 cincin serta heterocyclic compounds. Komposisi kimia ter sangat kompleks, sehingga untuk menyederhanakan dengan cara komposisi elemental C, H, N, S dan O.
Pemanfaatan ter secara garis besar dikelompokan menjadi tiga, yaitu sebagai bahan bakar langsung, sebagai bahan baku kimia melalui proses pemisahan, dan sebagai bahan baku producer gas atau syngas melalui proses konversi.
Konversi ter menjadi producer gas menggunakan teknologi reforming ter secara autothermal merupakan alternatif terbaik untuk pemanfaat ter dari hasil gasifikasi batubara teknologi fixed bed dengan pertimbangan sebagai berikut:
1. Dapat mengolah limbah ter secara in-situ, sehingga pabrik gasifikasi lebih ramah lingkungan.
2. Menghasilkan producer gas yang merupakan produk utama dari pabrik gasifikasi, sehingga produk dapat langsung dimanfaatkan.
3. Tidak membutuhkan suplai panas dari luar sehingga sistem proses lebih sederhana.
4. Kapasitas komersial kecil sesuai dengan ketersediaan umpan ter yang merupakan produk samping dari pabrik gasifikasi.
5. Waktu start up dan shut down lebih singkat. 6. Efisiensi termal lebih tinggi.
7. Menggunakan pereaksi udara untuk menghasilkan producer gas, sama dengan produk utama pabrik gasifikasi batubara.
8. Tidak menggunakan katalis karena limbah tar banyak mengandung pengotor (seperti abu, arang dan sulfur) yang menggangu fungsi kerja katalis.
Teknologi reforming ter direncanakan dikembangkan oleh Puslitbang tekMIRA mulai dari skala process development unit (PDU) dengan kapasitas 1.200 L/hari. Hasil karakteriasi sampel ter dari gasifikasi batubara dapat dilihat pada Tabel 5.1. Dokumen lengkap hasil analisa laboratorium dapat dilihat pada Lampiran 1. Sampel ter berasal dari 3 aliran proses, yaitu in-dirrect cooler (IC), electrostatic precipitator 1 dan 2 (EP1 dan EP2).
Tabel 5.1.Karakteristik ter hasil gasifikasi batubara
No. Parameter Satuan EP1 Hasil Analis IC EP2
1. Nilai kalor MJ/kg 40,12 40,16 40,36 2. Titik tuang OC 39 42 39 3. Kandungan air %m 6,5 8,2 3,8 4. Residu karbon %m 2,81 3,28 2,82 5. Kandungan abu %m 0,29 0,14 ,014 6. Karbon %m 80,35 86,63 86,13 7. Hidrogen %m 9,96 9,88 10,45 8. Nitrogen %m 0,50 0,48 0,42 9. Sulfur %m 0,35 0,30 0,27 10 Oksigen %m 8,85 2,71 2,73
Diagram blok proses atau block flow diagram (BFD) dapat dilihat pada Gambar 5.1.Reaktor terdiri atas 3 bagian, yaitu Oksidator, Reduktor dan Reformer. Oksidator merupakan unit proses tempat pembakaran ter untuk memasok kebutuhan panas reduksi. Laju alir udara oksidasi diatur sebesar kebutuhan stoikiometri O2 pembakaran. Pembakaran dalam oksidator
bersifat adiabatik, panas pembakaran akan diserap oleh panas sensibel produk pembakaran (gas oksidasi), sehingga suhu produk pembakaran mencapai lebih dari 1.300oC.
Gambar 5.1. Blok diagram proses konvesi ter menjadi producer gas
Reduktor merupakan unit proses tempat reaksi reduksi atau thermal cracking ter. Ter bereaksi dengan gas hasil pembakaran ter pada unit Oksidator yaitu CO2 dan steam,
membentuk gas reduktor. Reaksi tersebut terjadi pada suhu tinggi (1000oC) sehingga dapat
mencapai kesetimbangan reaksi. Reformer merupakan tempat berlangsungnya reaksi katalitik reformasi antara gas reduktor dengan umpan batubara, yang terdiri atas reaksi katalitik arang untuk perengkahan senyawa hidrokarbon rantai panjang dan reaksi katalitik logam alkali dan alkali tanah untuk reaksi reduksi arang menjadi producer gas.
Proses ini memiliki nilai invensi dan memiliki syarat – syarat dapat diusulkan sebagai paten proses (novelty, inventif steps & industrially applicable) sehingga dapat diusulkan menjadi usulan paten proses. Invensi ini berhubungan dengan proses pembuatan gas producer dari limbah gasifikasi batubara, yang terdiri dari ter, air fenol dan batubara halus yang dilakukan secara terintegrasi, dimana producer gas tersebut memiliki nilai kalor < 1.700 kkal/Nm3 yang
sama dengan produk utama dari proses gasifikasi batubara menggunakan pereaksi udara atau campuran udara - steam, yaitu gas kalori rendah. Puslitbang tekMIRA, melalui Bidang Afiliasi dan Informasi telah mendaftarkan sebagai paten proses, dengan nomor pendaftaran P0020156955. Dokumen draft usulan paten proses ini dan dokumen pendaftaran usulan paten dapat dilihat pada Lampiran 2.
5.1.2 Kajian termodinamika
Senyawa dalam ter dimodelkan sebagai toluene, phenol, naphthalene dan pyrene dengan komposisi masing – masing 20, 55, 40 dan 5 % (Vivanpatarakij dan Assabumrungrat, 2013). Kajian termodinamikan proses reforming ter dilakukan dengan mengkonversi senyawa ter menjadi komponen atomnya, yaitu C, H, O, N dan S. Komponen tersebut bersama dengan udara kemudian direaksikan berdasarkan konsep kesetimbangan reaksi kimia dengan perhitungan minimasi energi Gibbs dengan produk terdiri atas senyawa – senyawa H2, CO,
CO2, CH4, C2H6, C3H8, C4H10, karbon padat (C) dan sisa umpan yang tidak bereaksi (toluene,
phenol, naphthalene dan pyrene).
Perhitungan kesetimbangan reaksi dilakukan secara adiabatik, sehingga suhu proses merupakan variabel tak bebas yang dipengaruhi oleh perbandingan udara terhadap umpan ter yang dinyatakan dalam persentase udara stoikiometri. Pengaruh jumlah udara terhadap komposisi produk gas, suhu proses dan laju energi yang terdapat dalam produk gas dapat dilihat pada Gambar 5.2.a
Penambahan udara akan meningkatkan jumlah ter yang bereaksi dengan udara, sehingga akan meningkatkan suhu reaksi (Gambar 5.2.b). Ter akan habis bereaksi (ditandai dengan komposisi C mendekati 0) tercapai pada persentasi stoikiometri udara 41%. Secara termodinamika, kondisi ini adalah titik optimum reaksi reforming ter (Gambar 5.2a). Penambahan udara akan meningkatkan derajat oksidasi sehingga kandungan energi kimia dalam gas akan menurun (Gambar 5.2.c), ditandai dengan kenaikan komposisi CO2 (Gambar
5.2.a).
Kinetika reaksi reforming ter sangat dipengaruhi oleh suhu reaksi. Data proses reforming ter skala pilot dan komersial, diperoleh bahwa suhu reaksi ini adalah 1.300oC (Higman, C. And
van der Burgt, M., 2008). Memperhatikan data-data tersebut maka suhu proses reforming ter perlu dinaikan menjadi 1.300oC walaupun melewati titik optimum menurut hasil kajian
termodinamika.
Gambar 5.2.Pengaruh laju alir udara terhadap komposisi producer gas dan suhu proses
5.1.3 Deskripsi proses
Diagram alir proses (process flow diagram, PFD) reforming ter menjadi producer gas dapat dilihat pada Gambar 5.3. Proses ini terdiri atas tahapan (a) pencampuran dan pemanasan umpan ter dan air fenol yang selanjutnya disebut umpan ter, dengan media pemanas listrik atau steam, untuk menurunkan kekentalan ter sehingga mudah untuk dialirkan ke dalam peralatan proses, (b) reaksi pembakaran, oksidasi, sebagian ter dan recycle arang dari reformer, dengan pereaksi yang mengandung oksigen seperti udara atau oksigen murni dalam reaktor pembakaran, oksidator, menghasilkan gas oksidator dan abu cair atau slag (c) reaksi reduksi antara gas oksidator dengan umpan ter dalam reaktor reduksi, reduktor,
menjadi gas reduktor, (d) reaksi katalitik reformasi antara gas reduktor dengan umpan batubara, yang terdiri atas reaksi katalitik arang untuk perengkahan senyawa hidrokarbon rantai panjang dan reaksi katalitik logam alkali dan alkali tanah untuk reaksi reduksi arang menjadi producer gas, untuk meningkatkan kualitas produk gas dalam reaktor reformasi, reformer, menjadi producer gas dan arang, (e) arang di-recycle ke oksidator dan digunakan sebagai umpan reaksi pembakaran bersama dengan umpan ter, (f) producer gas didinginkan dengan media pendingin air umpan boiler dalam waste heat boiler, sehingga diperoleh steam, dan (g) sebagian steam yang dihasilkan oleh waste heat boiler di manfaatkan untuk media pemanas ter, media atomisasi ter dan sisa steam menjadi produk samping dari proses ini.
Gambar 5.3. Process flow diagram (PFD) reforming ter
Bahan baku ter (1), air fenol (2) dicampur dalam tangki pencampur (3) sambil dipanaskan sampai kondisi operasi T=70-90oC, pada tekanan atmosferik, dimana keluaran dari tangki
pencampur (3) dibagi dua menjadi keluaran ter oksidasi (4) dan ter reduksi (5). Keluaran ter oksidasi (4) diatomisasi dalam pengatomisasi (6) sampai ukuran partikel 50 – 100 mikron
menggunakan media atomisasi bertekanan minimal 200 kPa yang diperoleh berupa berupa udara tekan (7) dari kompresor (8) atau steam dari waste heat boiler (9). Udara tekan diambil dari udara lingkungan (8a). Aliran ter teratomisasi (10) dan recycle arang (13) direaksikan dengan udara atau gas oksigen murni (12) berlebih sebanyak 5 – 20 % stokiometri menghasilkan gas oksidator (14) dan abu cair atau slag (15). Panas reaksi pembakaran digunakan untuk menaikan suhu oksidator (11) dan produk pembakaraan yaitu gas oksidator (14) dan abu (15) yang mencapai suhu di atas titik leleh abu, 1.300oC, sehingga abu batubara
akan mencair membentuk slag (15).
Gas oksidator (14) diumpankan ke dalam reduktor (16) dan bereaksi dengan ter teratomisasi (18) menjadi gas reduktor (20). Ukuran partikel ter teratomisasi adalah 50 – 100 mikron yang berasal dari keluaran ter reduksi (5) dalam pengatomisasi (17) menggunakan media atomisasi (19) minimal tekanan 200 kPa berupa udara tekan dari kompresor (8) atau steam dari waste heat boiler (9). Laju keluaran ter reduksi (5) diatur untuk menghasilkan suhu reduktor (16) sebesar 1.300oC.
Gas reduktor (20) kemudian dialirkan ke reformer (21) dan direaksikan dengan batubara halus (22) yang diumpankan dengan teknik nyumatik menggunakan udara tekan (23) yang menghasilkan produk producer gas (24) dan arang (13). Analisis laboratorium umpan batubara dapat dilihat pada Tabel 5.2. Reaksi antara gas reduktor dan batubara halus terdiri atas tiga buah reaksi, yaitu: (a) reaksi pirolisis batubara membentuk arang dan gas pirolisis, (b) reaksi gas reduktor dan gas pirolisis dengan arang membentuk producer gas. Pada reaksi (b) terjadi dua buah reaksi katalitik, yaitu: (i) arang berfungsi sebagai katalis untuk perengkahan termal senyawa hidrokarbon rantai pendek dan rantai panjang yang terdapat dalam gas reduktor dan gas pirolisis, (ii) logam alkali dan alkali tanah yang terlepas dari molekul batubara pada proses pirolisis dan terbawa dalam aliran gas pirolisis akan berfungsi sebagai katalis pada proses reduksi arang menjadi producer gas. Reaksi katalitik ini akan terjadi dengan baik jika dalam reformer (21) terjadi perbedaan kecepatan aliran gas, gas reduktor dan gas pirolisis, dan aliran padatan, batubara dan arang. Laju alir batubara halus (22) harus dikendalikan agar suhu reformer (21) di atas 800 oC.
Tabel 5.2. Analisis sampel batubara
No. Analisa Nilai Satuan Basis
A Proksimat
1 Kadar air 12,09 % Adb
2 Abu 2,19 % Adb
3 Zat terbang 44,46 % Adb
4 Fixed carbon 41,26 % Adb
B Ultimat 1 Abu 2,19 % Adb 2 C 60,22 % Adb 3 H 5,35 % Adb 4 N 0,95 % Adb 5 S 0,2 % Adb 6 O 31,09 % Adb C HHV 5.437 kKal/kg Adb
Pemisahan reaksi reduksi dalam reduktor (16) dan reaksi reformasi dalam reformer (21) dimaksudkan agar reaksi reduksi ter terjadi pada suhu yang tinggi > 1.000oC untuk
memastikan ter, yang merupakan senyawa hidrokarbon aromatis, dapat berlangsung cepat dan konversi tinggi. Kemudian reaksi katalitik reformasi dalam reformer (21) dapat berlangsung pada suhu yang lebih rendah yang dijaga atas suhu 800oC. Dengan konfigurasi
ini, sistem pemroses berlangsung secara efektif dan dapat menghasilkan efisiensi proses yang tinggi.
Untuk mengalirkan arang (13) dari reformer (21) ke oksidator (11) digunakan loop-seal (26) menggunakan dorongan udara (27) yang digerakkan oleh blower (28) dengan tekanan udara sebesar miniman 5 kPa.Produk producer gas (24) didinginkan menggunakan media pendingin air umpan boiler (29) dalam waste heat boiler (9) sehingga producer gas menjadi dingin (25) dengan suhu antar 150 – 200oC dan dihasilkan steam jenuh (30) dengan tekanan
200 kPa.
Steam (30) dimanfaatkan untuk media atomisasi (7 dan 19), media pemanas (30) tangki ter (31) dan media pemanas aliran ter (4 dan 5). Kondensat dari dari steam (32) dikembalikan ke tangki penampung air umpan boiler (33) yang kemudian dialirkan kembali menggunakan
pompa air (33b) ke waste heat boiler (9). Kekurangan laju alir air umpan boiler ditambahkan dari aliran make up air umpan boiler (34).
Perhitungan neraca massa dan 19nergy proses reforming ter dapat dilihat pada Tabel 5.3. Umpan berupa aliran ter udara oksidasi dan batubara terkonversi menjadi producer gas. Producer gas yang dihasilkan memiliki nilai kalor 1.200 kKal/Nm3 dengan efisiensi termal 74%
yang merupakan nilai optimum untuk proses pembuatan gas mempan bakar kalori rendah. Perhitungan lengkap neraca massa dan energi proses reforming ter dapat dilihat pada Lampiran 3.
Tabel 5.3. Hasil perhitungan neraca massa dan enegi proses reforming ter
Parameter Aliran
Ter Udara Batubara Producer Gas
Suhu, C 80 30 30 170 Tek, bar 1 1 1 Laju alir kg/jam 50 358,66 71,53 1 kmol/jam 12,44 1 Proksimat 19,71 Kadar air 33,00 15,00 480,18 Fixed Carbon 2,81 39,93 Volatile Matter 97,19 53,79 0,07 Abu 0,00 6,28 0,51 Ultimat - Abu 0,00 6,28 0,16 C 80,35 62,05 0,21 H 9,96 4,03 0,07 N 0,50 0,80 S 0,34 0,12 1.200 O 8,85 26,72 Fraksi mol, % H2O 0,07 N2 0,79 0,51 O2 0,21 - H2 0,16 CO 0,07 19
5.1.4 Spesifikasi peralatan utama Unit preparasi
Bahan baku ter diperoleh dari pilot plant gasifikasi batubara untuk PLTD. Unit preparasi berfungsi untuk menyiapkan umpan ter agar sesuai dengan spesifikasi umpan proses reforming ter, yaitu bebas dari pengotor, bersifat cair (encer) dan suhu 70 – 90 OC. Spesifikasi
tangki penampung ter dapat dilihat pada Tabel 5.4. dan gambar teknik tangki ter dapat dilihat pada Gambar 5.4.
Tabel 5.4. Spesifikasi tangki ter
No. Spesifikasi Nilai
1. Diameter 76 cm
2. Tinggi 120 cm
3. Ukuran lubang saringan pada bagian atas
tangki 2 mm
4. Daya motor pengaduk 0,75 kW
5. Media Pemanas Steam, pada bagian bawah tangki
6. Material Mild steel
7. Insulator Ceramic fibre blanket, tebal 25 mm
Gambar 5.4. Desain tangki ter
Tangki air pencuci berfungsi untuk membersihkan sisa aliran ter dalam pipa. Hal ini dilakukan untuk menghindari penyumbatan aliran ter saat start up dan shut down percobaan. Spesifikasi tangki air pencuci dapat dilihat pada Tabel 5.5, sedangkan gambar teknik tangki air pencuci dapat dilihat pada Gambar 5.5. Air yang digunakan untuk proses pencucian ini menggunakan air fenol yang berasal proses gasifikasi.
Tabel 5.5. Spesifikasi tangki air pencuci
No. Spesifikasi Nilai
1. Diameter 54 cm
2. Tinggi 120 cm
3. Ukuran lubang saringan pada bagian atas
tangki 2 mm
4. Media Pemanas Steam, pada bagian bawah tangki
5. Material Mild steel
6. Insulator Ceramic fibre blanket, tebal 25 mm
Aliran ter dari tangki ter dan air pencuci dari tangki air pencuci dihubungkan dengan three way valve (3WV) kemudian disaring kembali dalam strainer tipe Y dengan ukuran lubang saringan 1 mm. terdapat dua aliran ter dan dua aliran air pencuci masing – masing ke reaktor oksidator dan reduktor. Spesifikasi pemipaan untuk aliran ter dan air pencuci dapat dilihat pada Tabel 5.6.
Tabel 5.6. Spesifikasi pemipaan aliran ter dan air pencuci
No. Spesifikasi Nilai
1. Diameter pipa 2 inch
2. Material Mild steel
3. Insulator Ceramic fibre blanket, tebal 25 mm
4. Pompa ter/air pencuci ke oksidator
a. Jenis Gear pump
b. Daya 0,18 kW
5. Pompa ter/air pencuci ke reduktor
a. Jenis Gear pump
b. Daya 0,18 kW
6. Media pemanas
a. Jenis media Steam,
b. Cara pemanasan Steamjacket, diameter 2 inch c. Cara mengontrol suhu
aliran ter Otomatis, menggunakan electric control valve (ECV)
Gambar 5.5. Desain tangki air pencuci
Unit reaksi
Unit reaksi berfungsi untuk mengkonversi umpan ter menjadi producer gas. Unit reaksi terdiri atas 3 buah reaktor, yaitu Reduktor, Oksidator dan Reformer dengan susunan (lay out) seperti dapat dilihat pada Gambar 5.6. Reaktor oksidator merupakan tempat terjadinya proses pembakaran umpan ter dengan udara yang berfungsi sebagai sumber energi (panas) untuk reaksi – reaksi yang terjadi dalam reaktor reduksi dan reformer. Spesifikasi reaktor oksidator dapat dilihat pada Tabel 5.7 dan gambar teknik reaktor oksidator dapat dilihat pada Gambar 5.7.
Tabel 5.7. Spesifikasi reaktor oksidator
No. Spesifikasi Nilai
1. Diameter luar 50 cm
2. Panjang 80 cm
3. Jenis Insulator dan tebal insulator
a. Insulator dalam Castable C-18, tebal 50 mm b. Insulator luar Ceramic fibre blanket, tebal 50 mm
4. Diameter inlet udara 5 cm
5. Diameter outlet gas oksidasi 10 cm
6. Diameter hand hole 5 cm
7. Water seal
a. Diameter lubang water seal 10 cm
b. Tinggi water seal 100 cm
c. Diameter tangki
penampung water seal 50 cm
d. tinggi tangki penampung
water seal 106 cm
8. Blower udara
a. Jenis Sentrifugal
b. Laju alir udara maksimum 7 m3/menit
c. Static pressure 2.400 mmH2O
d. Daya 3,7 kW
e. Pressure transmitter 0 – 0,1 bar
f. Pressure gauge 0 – 5 kPa
g. Differentialpressure pada
oriffice manual 0 – 50 cmH2O
9. Termokopel outlet gas oksidasi
a. Tipe R
b. Material Keramik
c. Diameter 0,5 inch
d. Panjang 25 cm
Gambar 5.6. Desain lay out reaktor oksidator, reduktor dan reformer
Gambar 5.7. Desain reaktor oksidator
Reaktor reduktor merupakan tempat terjadinya reaksi reduksi atau thermal cracking umpan ter dengan media gas oksidasi dari reaktor oksidator. Spesifikasi reaktor reduktor dapat dilihat pada Tabel 5.8 dan gambar teknik reaktor oksidator dapat dilihat pada Gambar 5.8.
Tabel 5.8. Spesifikasi reaktor reduktor
No. Spesifikasi Nilai
1. Diameter luar 76 cm
2. Panjang 150 cm
3. Jenis insulator dan tebal insulator
a. Insulator dalam Bata api, SK 36, tebal 120 mm b. Insulator luar Ceramic fibre board, tebal 50 mm
4. Diameter inlet gas oksidator 10 cm
5. Diameter outlet gas reduktor 15 cm
6. Diameter hand hole 5 cm
7. Water seal
a. Diameter lubang water seal 10 cm
b. Tinggi water seal 100 cm
c. Diameter tangki
penampung water seal 50 cm
d. tinggi tangki penampung
water seal 110 cm
8. Termokopel outlet gas oksidasi
a. Tipe R
b. Material Keramik
c. Diameter 0,5 inch
d. Panjang 25 cm
Gambar 5.8. Desain reaktor reduktor
Reaktor reformer merupakan tempat terjadinya reaksi pirolisis cepat (fast-pyrolysis) batubara dan reaksi katalitik reformasi antara gas reduktor dan gas pirolisis batubara dengan arang hasil pirolisis. Spesifikasi reaktor reformer dapat dilihat pada Tabel 5.9 dan gambar teknik reaktor oksidator dapat dilihat pada Gambar 5.9, sedangkan gambar teknik sistem recycle arang dapat dilihat pada Gambar 5.10.
Tabel 5.9. Spesifikasi reaktor reformer
No. Spesifikasi Nilai
1. Diameter luar 76 cm
2. Panjang 150 cm
3. Jenis insulator dan tebal insulator
a. Insulator dalam Bata api, SK 36, tebal 120 mm b. Insulator luar Ceramic fibre board, tebal 50 mm
4. Diameter inlet gas reduktor 15 cm
5. Diameter outlet gas produk 20 cm
6. Diameter hand hole 5 cm
8. Termokopel outlet gas produk
a. Tipe K
b. Material Stainless Steel
c. Diameter 0,5 in
d. Panjang 25 cm
9. Recycle arang
a. Diameter outlet reformer 10 cm
b. Diameter luar holder arang 12 inch
c. Panjang holder arang 100 cm
d. Tebal Insulator holder arang 5 cm
e. Jenis Insulator Castable C-18
10 Umpan batubara
a. Jenis pengumpan Blow – through rotary valve
b. Laju alir maks. batubara 100 kg/jam
c. Ukuran partikel batubara Lolos 2 mm
d. Daya motor penggerak 0,75 kW
e. Putaran motor 906 rpm
f. Rasio gear-boks 1:20
11. Blower recycle arang
a. Jenis Sentrifugal
b. Laju alir udara maksimum 2 m3/menit
c. Static pressure 1.600 mmH2O
d. Daya 0,75kW
Gambar 5.9. Desain reaktor reformer
Gambar 5.10. Desain recycle arang
Unit pendingin produk gas
Unit pendingin proses berfungsi untuk membersihkan dan mendinginkan produk gas. Proses pendinginan produk gas ini menghasilkan produk samping steam yang dimanfaatkan untuk media pemanas pada unit preparasi. Unit pendingin produk terdiri atas cyclone separator dan alat penukar panas seperti dapat dilihat pada Gambar 5.11 sampai dengan Gambar 5.13. Alat penukar panas ini terdiri atas dua bagian yaitu start up boiler dan waste heat boiler (WHB) yang didesain secara terintegrasi menggunakan 1 buah steam drum. Start up boiler menggunakan bahan bakar LPG. Waste heat boiler berfungsi untuk memindahkan panas sensibel yang dikandung oleh produk gas untuk menguapkan air umpan boiler (boiler feed water, BFW). Pengoperasian start up boiler dan waste heat boiler secara bergantian, yaitu pada saat memulai operasi (start up) digunakan start up boiler dan setelah terbentuk produk gas maka diganti dengan waste heat boiler. Spesifikasi cyclone separator dan alat penukar panas dapat dilihat pada Tabel 5.10.
Tabel 5.10. Spesifikasi cyclone separator dan alat penukar panas
No. Spesifikasi Nilai
1. Cyclone separator
a. Jenis Cyclone separator standar
b. Diameter utama 41 cm
c. Insulator Water jacket tebal 50 mm dan ceramic fibre blanket tebal 25 mm
2. Alat penukar panas
a. Jenis Start up boiler dan waste heat boiler
b. Insulator luar ceramic fibre blanket tebal 25 mm
c. Tekanan operasi maksimum 5 bar
d. Kondisi steam Steam jenuh (saturated steam)
e. Kapasitas 16 kg/jam steam
Gambar 5.11. Desain cyclone separator
Gambar 5.12. Desain alat penukar panas
Gambar 5.13. Desain steam drum
Desain otomatisasi sistem kontrol proses
Pengendalian proses pada PDU direncanakan dilaksanakan secara terintegrasi pada seluruh unit. Diagram pemipaan dan instrumentasi (piping and instrument diagram, P&ID) masing – masing unit dapat dilihat pada Gambar 5.14 sampai dengan Gambar 5.16. Daftar peralatan kontrol utama dapat dilihat pada Tabel 5.11.
Tabel 5.11. Daftar peralatan kontrol utama
No. Peralatan Jumlah (buah)
1 Gear motor vertical yuema 380 v / 0,75 kw 1
2 Gear pump koshin GC-13 2
3 Induction motor LM 0,25 hp / 4 pole / 50 Hz 2 4 Ring blower Chuan fan RB-055 380 v / 3,7 kw 1
5 Temperature gauge 0 -100 C Wiebrock 1
6 Pressure Gauge 0 – 5 kpa SKOON 1
7 Pressure Transmitter WIKA 0 – 0,1 bar 1
8 Pressure Transmitter SUCO 0 – 10 bar 4
9 Electric Actuator AOX 0,5 inci on/off 3
10 Differential pressure transmitter Fuji Electric FKC 11 1 11 Differential pressure transmitter Fuji Electric FKC 22 2
12 Electric Actuator Linear AOX 0,5 inch 2
13 Sensor Level Switch 2
14 Pressure transmitter SUCO 0 - 10 bar 1
15 Fuji inverter frenic multi series 5
16 Schneider contactor 3fase aux contact 1 no 1 nc 1
17 Schneider mcb 3 fase 6
18 Schneider nfb 3 fase 1
19 Schneider mcb 220vac 3
20 Schneider mcb 24vdc 1
GTV R02 0.5“ 7 1 19 20 21 Inv M 22 T01 GTV R01 0.5“ ECV R01 0.5“ GBV R01 0.5“ GTV R01 0.5“ TIC TS R01 GBV R02 0.5“ GTV R02 0.5“ ECV R02 0.5“ GTV R02 0.5“ TIC R02 TS R02 G T V T 0 1 0 .5 “ E C V T 0 1 0 .5 “ G T V T 0 1 0 .5 “ G B V T 0 1 0 .5 “ T S T IC P-01 P-02 Inv M FT R01 Inv M FT R02 FIC R02 GTV R01 0.5“ GTV R01 0.5“ YS R02 0.5" GTV R02 0.5" WSL T02 WSL T02 WSL
B 26/07/2015 Draft Rev Nurhadi Nurhadi Nurhadi A 16/02/2015 Nurhadi Nurhadi Nurhadi No Date Class Rev PREPARED CHECKED REVIEWED APPROVED APPROVED
Nurhadi 14/02/2014 Nurhadi 20/12/2014 SCALE DATE DWG NO.
Draft-2 Draft -1 Description
PFD OF AUTOTHERMAL TAR REFORMING
PUSLITBANG TEKNOLOGI MINERAL DAN BATUBARA AUTOTHERMAL TAR REFORMING PROCESS DEVELOPMEN UNIT (PDU)
CONSULTANT -002-11-02-001 CHECKED DESIGNED DRAWN RPM-IC T01 TG T01 G T V T 0 2 0 .5 “ YS R01 0.5" S T T S T T S T T 1 2 7 2 22 3 18 3 T 0 1 T 0 1 R01
Gambar 5.14. Piping and instrument diagram (P&ID) unit preparasi
4 1 3 2 TB01 L P G 5 R01 MX01 6 BL01 Inv M FIC BL01 FT BL01 PI BL01 CV BL01 4" C01 GTV C01 0.5" 7 9 MX02 GTV R02 0.5" BL02 15 11 10 14 12 GTV R03 0.5" GTV BL02 0.5" GTV HE01 0.5"
B 26/07/2015 Draft Rev Nurhadi Nurhadi Nurhadi A 16/02/2015 Nurhadi Nurhadi Nurhadi No Date Class Rev PREPARED CHECKED REVIEWED APPROVED APPROVED
Nurhadi 14/02/2014 Nurhadi 20/12/2014 SCALE DATE DWG NO.
Draft-2 Draft -1 Description
PFD OF AUTOTHERMAL TAR REFORMING
PUSLITBANG TEKNOLOGI MINERAL DAN BATUBARA AUTOTHERMAL TAR REFORMING PROCESS DEVELOPMEN UNIT (PDU) CONSULTANT -002-11-02-001 CHECKED DESIGNED DRAWN PI R01 P I R 0 2 TI R01 TI R02 TI R03 PG BL02 1 1 7 1 PT R01 PIC R01 G T V R 0 1 0 .5 “ E C V R 0 1 0 .5 “ G T V R 0 1 0 .5 “ G B V R 0 1 0 .5 “ GTV TB01 0.5" 12 3 8 PT R02 PIC R02 G T V R 0 2 0 .5 “ E C V R 0 2 0 .5 “ G T V R 0 2 0 .5 “ G B V R 0 2 0 .5 “ Inv M FIC BL02 FT BL02 R02 R03 LH01
Gambar 5.15. Piping and instrument diagram (P&ID) unit reaksi
12 13 17 16 CV P03 1" M LS HE01 LIC HE01 P-03 T02
B 26/07/2015 Draft Rev Nurhadi Nurhadi Nurhadi A 16/02/2015 Nurhadi Nurhadi Nurhadi No Date Class Rev PREPARED CHECKED REVIEWED APPROVED APPROVED
Nurhadi 14/02/2014 Nurhadi 20/12/2014 SCALE DATE DWG NO.
Draft-2 Draft -1 Description
PFD OF AUTOTHERMAL TAR REFORMING
PUSLITBANG TEKNOLOGI MINERAL DAN BATUBARA AUTOTHERMAL TAR REFORMING PROCESS DEVELOPMEN UNIT (PDU)
CONSULTANT -002-11-02-001 CHECKED DESIGNED DRAWN HE01 22 GTV HE01 0.5" GTV HE01 0.5" LG HE01 PG HE01 G T V H E 0 1 0 .5 " TI HE01 22 1 FG T02 13 1 12 2 CV T02 1" LS T02
Gambar 5.16. Piping and instrument diagram (P&ID) unit pendingin produk
5.2. Fabrikasi dan Instalasi Peralatan PDU 5.2.1 Fabrikasi dan instalasi unit preparasi ter
Kegiatan rancang bangun tangki ter dan pemipaannya dilakukan untuk membuat sistem penyiapan umpan ter pada PDU reforming ter. Langkah kegiatan ini dimulai dengan penyipan bahan – bahan untuk rancang bangun dan peralatan peralatan workshop yang diperlukan, antara lain mesin las, alat pemotong listrik, alat pemotong api, gerinda tangan, dan lain-lain.
Setelah persiapan selesai, kegiatan awal rancang bangun adalah pengelasan silinder tangki, pembuatan ruang pemanas steam. Ruang pemanas steam berupa silinder dengan diameter sama dengan silinder tangki, yaitu 760 mm untuk tangki 1 (tangki umpan ter) dan 540 mm untuk tangki 2 (tangki air pencuci). Langkah selajutnya adalah pengelasan ruang pemanas steam pada bagian bawah silinder tangki.
Langkah selanjutnya adalah pembuatan dudukan tangki dan pemasangan tangki ter seperti dapat dilihat pada Gambar 5.17.Dudukan tangki dibuat agar tinggi tangki ter bagian bawah berada pada ketinggian 1.500 mm dari lantai. Hal ini dilakukan agar kondensat yang terbentuk dari ruang pemanas steam dapat dikembalikan (recycle) ke tangki air umpan boiler, sehingga kondensat dapat digunakan kembali sebagai umpan boiler.
Gambar 5.17. Pembuatan dudukan tangki ter dan pemasangan
Langkah selanjutnya adalah pembuatan bagian-bagian pemipaan aliran ter, seperti penyetelan pompa ter menggunakan sistem kopel, potongan – potongan pipa aliran ter, steamjacket pemanas aliran ter. Dudukan pompa ter ada 2 masing – masing untuk pompa ter ke aliran reaktor oksidator dan reduktor. Steam jacket berupa double pipe, dimana pipa 0,5 in untuk aliran ter dimasukan dalam pipa 2 in untuk dialiri media pemanas steam. Setelah komponen untuk pemipaan aliran ter selesai dibuat, langkah selanjutnya adalah memasang atau menyetel komponen tersebut untuk meng alirankan ter dari tangki ter ke reaktor reforming ter. Terdapat 2 aliran ter, yaitu aliran ter pertama untuk memasok kebutuhan ter pada reaktor oksidator, sedangkan aliran ter ke-2 untuk memasok kebutuhan ter pada reaktor reduktor. Masing-masing aliran ini dilengkapi dengan aliran recycle ke tangki ter dan dilengkapi dengan sistem pemipaan untuk pencucian aliran ter setelah percobaan selesai. Dokumentasi kegiatan ini dapat dilihat pada Gambar 5.18.
Gambar 5.18. Pemasangan sistem pemipaan
5.2.2 Fabrikasi dan instalasi unit reaksi
Kegiatan rancang bangun diawali dengan pembuatan flange yang berfungsi penyambungan peralatan – peralatan reaktor reforming ter, yaitu badan reaktor (terdiri atas tiga bagian, yaitu oksidator, reduktor, dan reformer), sambungan saluran umpan masuk ke reaktor dan produk keluar dari reaktor. Pembuatan flange dilakukan dengan memotong plat besi dengan pemotong api, menghaluskan bekas potongan dengan gerinda dan membuat lubang tempat mur dan baut. Langkah selanjutnya adalah pembuatan badan reaktor dengan pekerjaan terdiri atas pengelasan silinder besi, pembuatan lubang input umpan dan output produk pada silinder, pemasangan saluran input umpan dan output produk pada silinder, pemasangan flange pada silinder dan saluran input umpan dan output produk pada silinder. Kemudian dilakukan pengelasan pada sambungan – sambungan tersebut.
Setelah badan reaktor selesai dibuat, langkah selanjutnya adalah pembuatan dudukan reaktor. Dudukan reaktor dibuat sebanyak tiga buah untuk masing – masing reaktor oksidator, reduktor dan reformer. Setelah dudukan reaktor selesai dibuat, langkah selanjutnya adalah pemasangan masing – masing reaktor oksidator, reduktor dan reformer pada dudukannya dan penyambungan ke tiga buah reaktor tersebut. Dokumentasi kegiatan pembuatan reaktor dapat dilihat pada Gambar 5.19.
Gambar 5.19. Pembuatan reaktor
5.2.3 Fabrikasi dan instalasi unit pendingin produk
Fabrikasi unit pendingin dimaksudkan untuk membuat rangkaian alat untuk membersihkan dan mendinginkan produk gas. Peralatan ini terdiri atas cyclone separator dan alat penukar panas. Alat penukar panas terdiri 2 buah, yaitu waste heat boiler dan start up boiler yang terintegrasi dalam 1 buah steam drum. Waste heat boiler berfungsi untuk mendinginkan produk gas sedangkan start up boiler digunakan untuk kebutuhan start up saat steam belum diproduksi oleh waste heat boiler. Langkah pertama adalah pembuatan cyclone separator yang terdiri atas penyiapan material bahan, pemotongan pipa dan plat besi sesuai dengan ukuran yang sesuai, penyetelan dan pengelasan bahan menjadi cyclone separator. Setelah cyclone separator selesai dibuat, langkah selanjutnya adalah pembuatan rangka dan pemasangan cyclone separator.
Pekerjaan fabrikasi selanjutnya adalah pembuatan alat penukar panas yang terdiri atas penyiapan material bahan, pemotongan pipa dan plat besi sesuai dengan ukuran yang sesuai, penyetelan dan pengelasan bahan menjadi alat penukar panas. Langkah selanjutnya adalah pembuatan rangka dan pemasangan alat penukar panas. Setelah alat penukar panas selesai difabrikasi, langkah selanjutnya adalah instalasi peralatan cyclone separator dan alat penukar
panas. Dokumentasi kegiatan fabrikasi dan instalasi peralatan tersebut dapat dilihat pada Gambar 5.20.
Gambar 5.20. Pembuatan unit pendingin produk
5.2.4 Pemasangan Otomatisasi Sistem Kontrol Proses
Pemasangan otomatisasi sistem kontrol pada PDU reforming ter berfungsi untuk menjaga suhu ter pada tangki ter dan pipa aliran ter serta untuk menjaga ketinggian air dalam steam drum. Suhu tangki ter diatur sebesar 70 - 90oC menggunakan steam yang dialirkan pada bagian bawah
tangki penampung ter. Tangki penampung ter juga diaduk berkecepatan yang dapat diatur menggunakan inverter. Suhu aliran ter reaktor diatur menggunakan steam jacket. Aliran steam dikontrol dengan electronic control valve (ECV) agar suhu ter konstan sebesar 40 – 80 OC. Sistem
otomatisasi yang lain adalah pengisian air ke steam drum menggunakan sensor ketinggian air. Air akan dialirkan ke steam drum jika ketinggian air dalam steam drum 30% dan akan berhenti jika ketinggian air 60%. Dokumentasi kegiatan pemasangan sistim otomatisasi dapat dilihat pada Gambar 5.21.
Gambar 5.21. Pemasangan sistem otomatisasi PDU Reforming Ter
5.3. Komisioning Peralatan PDU
Komisioning telah dilakukan pada masing-masing peralatan maupun sistem secara keseluruhan. Instruksi kerja pengoperasian PDU Reforming Ter dan data hasil komisioning dapat dilihat pada Lampiran 4. Komisioning dimulai dengan pengoperasian start up boiler untuk memenuhi kebutuhan pemanasan ter pada unit preparasi ter. Start up boiler merupakan boiler yang terintegrasi dalam unit pendingin produk gas. Start up boiler menggunakan bahan bakar LPG dengan laju alir 15 L/m. Hasil komisioning menunjukan start up boiler berfungsi dengan baik, yaitu dapat menghasilkan steam dengan tekanan 0,1 bar dan laju alir 16 kg/jam.
Komisioning otomatisasi sistem kontrol pada PDU reforming ter dilakukan terhadap 3 sistem kontrol, yaitu otomatisasi suhu tangki ter, otomatisasi suhu aliran ter dan otomatisasi ketinggian air dalam steam drum. Hasil komisioning terhadap sistem otomatisasi tersebut telah berfungsi dengan baik. Suhu tangki ter dapat menjaga suhu tangki ter sebesar 90 OC dan suhu aliran ter
sebesar 80 OC. Otomatisasi ketinggian air dalam steam drum berfungsi baik, yaitu pengisian
umpan air terjadi pada ketinggian air 30% di steam drum dan berhenti pada ketinggian air 60% di steam drum.
Komisioning pengumpanan aliran ter ke unit reaksi juga berfungsi dengan baik, yaitu dapat mengalirkan ter dengan rata-rata aliran 1 L/m atau 1.440 L/hari dengan suhu konstan 80 OC.
Laju alir ter ini sudah memenuhi kapasitas desain yaitu 1.200 L/hari. Pengaturan laju alir ter dengan cara mengubah frekuensi inverter pompa ter. Laju aliran udara untuk umpan reaksi pada oksidator sudah memenuhi kebutuhan udara desain yaitu 300 – 400 m3/jam. Pengaturan laju
alir udara dengan cara mengubah frekuensi inverter blower udara. Dokumentasi kegiatan komisioning dapat dilihat pada Gambar 5.22. Hasil komisioning ini menunjukan bahwa PDU reforming ter telah siap untuk percobaan konversi ter menjadi producer gas melalui proses reforming.
Gambar 5.22. Komisioning PDU Reforming Ter
6. KESIMPULAN DAN SARAN 6.1. Kesimpulan
- Kegiatan perancangan proses reforming ter terdiri atas kegiatan studi literatur, baik berupa paten maupun jurnal nasional/internasional, pembuatan konsep proses reforming ter, pembuatan diagram alir proses, perhitungan neraca massa dan energi, penyusunan piping and instrumentation diagram (P&ID), penyusunan wiring diagram dan pembuatan spesifikasi peralatan proses termasuk mechanical drawing.
- Hasil perancangan proses ini menghasilkan invensi dan memiliki syarat – syarat dapat diusulkan sebagai paten proses (novelty, inventif steps & industrially applicable). Puslitbang tekMIRA, melalui Bidang Afiliasi dan Informasi telah mendaftarkan sebagai paten proses, dengan nomor pendaftaran P0020156955.
- Fabrikasi dan instalasi reforming ter telah selesai dilakukan berdasarkan hasil rancangan. Fabrikasi dilakukan bertahap yaitu fabrikasi preparasi ter, fabrikasi reaksi dan fabrikasi pendingin gas. Pemasangan sistem otomasi proses pada PDU Reforming Ter dilakukan untuk pengaturan suhu tangki ter, suhu aliran ter 1, suhu aliran ter 2 dan pengisian air umpan boiler pada steam drum.
- Komisioning fungsi kerja peralatan PDU reforming ter telah dilakukan pada masing-masing peralatan maupun sistem secara keseluruhan. Seluruh unit peralatan dapat perfungsi dengan baik, start up boiler dapat memasok kebutuhan steam untuk preparasi ter, yaitu laju alir 16 kg/jam dan tekanan 0,1 bar. Sistem otomatisasi sudah berfungsi dengan baik, yaitu dapat menjaga suhu tangki ter 90 OC, suhu aliran ter 80 90 OC dan
ketinggian air dalam steam drum terjaga pada 30 – 60 %. Laju rata-rata aliran ter adalah 1 L/m atau 1.440 L/hari dengan suhu konstan 80 OC, sehingga sudah memenuhi
kapasitas desain yaitu 1.200 L/hari.
- Secara keseluruhan, kegiatan pengembangan proses reforming ter secara autothermal skala process development unit (PDU) telah selesai dilaksanakan dan dapat digunakan untuk kegiatan uji kinerja peralatan PDU reforming ter pada tahun 2016.
6.2. Saran
- Perlu dilanjutkan kegiatan uji kinerja peralatan PDU reforming ter pada tahun 2016.
DAFTAR PUSTAKA
Fraubaum, M., Walter, H., and Zuber, C., 2015.“Kinetic modeling of a combined tar removal and methanation reaktor for biogenous synthesis gas at medium temperature conditions,” Fuel Process. Technol., pp. 1–8, 2015.
Gilbert, P., Ryu, C., Sharifi, V., and Swithenbank, J., 2009.“Tar reduction in pyrolysis vapours from biomass over a hot char bed,” Bioresour. Technol., vol. 100, no. 23, pp. 6045–6051, 2009.
Han, J., and Kim, H.,2008.“The reduction and kontrol technology of tar during biomass gasification/pyrolysis: An overview,” Renew. Sustain. Energi Rev., vol. 12, no. 2, pp. 397–416, 2008.
Higman, C. and van der Burgt, M., 2008. Gasification. Edisi ke-2. Burlington, M.A.: Elsevier Inc. Houben, M. P., De Lange, H. C., and Van Steenhoven, A. A., 2005,“Tar reduction through partial
combustion of fuel gas,” Fuel, vol. 84, no. 7–8, pp. 817–824, 2005.
Kent, J.A., 2007. Kent and Riegel’s of Industrial Chemistry and Biothechnology, Volume I. Edisi 7, New York: Springer Science and Business Media, LLC.
Liu, K., Song, C., dan Subramani, V., 2010. Hydrogen and Syngas Production and Purification Technologies. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.
Nguyen, T. D. B., Il Lim, Y., Song, B. H., Kim, S. M., Joo, Y. J., and Ahn, D. H., 2010,“Two-stage equilibrium model applicable to the wide range of operating conditions in entrained-flow coal gasifiers,” Fuel, vol. 89, no. 12, pp. 3901–3910, 2010.
Setiawan, D.I., Kurniawan, M., Herlina, L., Nardey, Sh., Ardyarini, N., dan Handoko, S., 2012. Pemanfaatan Tar Batubara menjadi Minyak Bakar. Laporan Penelitian, Puslitbangtek MIGAS, Badan Litbang ESDM tahun 2012.
Singh, D., Hernández-Pacheco, E., Hutton, P. N., Patel, N., and Mann, M. D., 2005,“Carbon deposition in an SOFC fueled by tar-laden biomass gas: A thermodynamic analysis,” J. Power Sources, vol. 142, no. 1–2, pp. 194–199, 2005.
Vivanpatarakij S., and Assabumrungrat, S.,2013,“Thermodynamic analysis of combined unit of biomass gasifier and tar steam reformer for hydrogen production and tar removal,” Int. J. Hydrogen Energi, vol. 38, no. 10, pp. 3930–3936, 2013.
Yoshida, H., Kiyono, F., Tajima, H., Yamasaki, A., Ogasawara, K., and Masuyama, T., 2008,“Two-stage equilibrium model for a coal gasifier to predict the accurate carbon conversion in hydrogen production,” Fuel, vol. 87, no. 10–11, pp. 2186–2193, 2008.
Lampiran 1. Analisis Sampel Ter dan Batubara
A. Hasil Analisis Sampel Ter
B. Hasil Analisis Sampel Batubara
