PENGEMBANGAN CATALYTIC UPGRADING
LIMBAH TAR GASIFIKASI BATUBARA MENJADI
BAHAN BAKAR CAIR SINTETIS
Imron Masfuri 1), Muhammad Hanif 2), Dwi Lukman Hakim 1), Astri Pertiwi 1), Trisno Anggoro 1)
1
Pusat Teknologi Pengembangan Sumberdaya Energi – BPPT Kawasan PUSPIPTEK, Gd. Energi 625, Serpong, Tangerang Selatan
Telepon (021) 75791355
2
Pusat Teknologi Lingkungan - BPPT
Kawasan PUSPIPTEK, Gd. Geostech 820, Serpong, Tangerang Selatan e-Mail : imron.masfuri@bppt.go.id
ABSTRAK
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan rancangan sistem proses pengolahan limbah tar gasifikasi batubara menjadi bahan bakar cair sintetik melalui proses perengkahan katalisis. Teknologi gasifikasi batubara merupakan salah satu teknologi untuk mendapatkan bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar gas (BBG) maupun bahan bakar minyak (BBM) untuk pembangkit listrik, industri maupun rumah tangga. Namun permasalahan yang ditimbulkan dari unit gasifikasi batubara di industri, yaitu
limbah cair pekat berupa tar yang jumlahnya cukup melimpah dan dapat mencemari lingkungan dan
mengganggu kesehatan. Tar mengandung berbagai jenis hidrokarbon aromatis dan senyawa lainnya yang dapat diolah lebih lanjut menjadi bahan bakar sintetis melalui teknologi perengkahan menggunakan energi termal maupun katalitik. Dari sisi efisiensi energi, perengkahan katalitis relatif lebih menguntungkan dibanding dengan metode perengkahan termal. Jenis katalis yang digunakan untuk
perengkahan katalitik ini meliputi jenis katalis yang berbasis nikel, kobalt, dan besi. Limbah tar yang
digunakan diperoleh dari unit gasifikasi di industri keramik PT. Sango Ceramics Indonesia, Semarang. Proses perengkahan limbah tar dilakukan pada reaktor katalitik tipe unggun tetap (fixed bed), dimana katalis dimasukkan ke dalam reaktor tube fixed bed yang berkontak dengan gas dari penguapan tar.
Proses perengkahan terjadi pada permukaan pori-pori katalis pada temperatur 300-400oC dan tekanan
atmosferik. Reaktor unggun tetap dioperasikan secara batch dengan mengumpankan sejumlah tar ke dalam tangki feed. Produk gas keluaran reaktor selanjutnya dikondensasi untuk mendapatkan produk awal dalam fase cair. Produk cair yang dihasilkan kemudian dilakukan analisis untuk mengetahui
komposisi senyawa yang terkandung di dalamnya.Hasil pengujian awal kinerja peralatan berdasarkan
rancangan konfigurasi proses yang telah dikembangkan dalam penelitian ini menunjukkan bahwa sistem proses tersebut memiliki potensi yang besar untuk menghasilkan produk bahan bakar cair sintetis.
Kata Kunci : tar gasifikasi, perengkahan katalisis, katalis, bahan bakar sintetis, limbah
I. PENDAHULUAN
Krisis energi yang melanda Indonesia saat ini salah satunya disebabkan oleh penurunan secara drastis cadangan sumberdaya minyak bumi dan gas alam. Situasi ini akan menjadi semakin memburuk akibat dari beberapa faktor, antara lain ketergantungan yang sedemikian besar terhadap sumber energi minyak bumi dan gas alam serta harga minyak dunia pada akhir-akhir ini yang
melambung tinggi, serta kurang berhasilnya program-program pemerintah Indonesia dalam pengembangan sumber energi alternatif dalam rangka mengurangi ketergantungan terhadap BBM dan BBG [1].
Salah satu cara yang dianggap paling efektif untuk mengatasi krisis energi adalah melalui upaya pengembangan dan pemanfaatan secara maksimal sumberdaya energi alternatif,
seperti biomassa dan batubara. Batubara merupakan salah satu sumberdaya energi yang dimiliki Indonesia dengan jumlah yang cukup melimpah.
Salah satu teknologi yang dapat memanfaatkan batubara menjadi gas bakar adalah teknologi gasifikasi. Teknologi gasifikasi sebagai salah satu teknologi konversi batubara yang saat ini sudah mulai berkembang di Indonesia. Dimana produk hasil gasifikasi merupakan gas bakar yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, gas ini sering disebut dengan Syngas yang kaya akan H2, CO dan CH4. Produk syngas dapat diarahkan
secara proses agar menghasilkan gas yang kaya akan gas hidrogen (H2) yang setara dengan gas
alam [2].
Namun demikian, ada masalah yang ditimbulkan dari unit gasifikasi ini, yaitu limbah cair pekat berupa tar yang jumlahnya cukup melimpah. Hal ini menjadi masalah yang serius terhadap lingkungan maupun kesehatan, karena dapat mencemari lingkungan perairan maupun lingkungan tanah. Oleh karena itu sebisa mungkin limbah tersebut dapat dimanfaatkan lebih jauh seperti halnya diolah menjadi bahan bakar cair sintetis pengganti BBM. Hal ini sangat memungkinkan karena di dalam tar mengandung berbagai jenis hidrokarbon, dalam hal ini jenis senyawa PAH (Poly Aromatic Hydrocarbon) yang dapat diolah lebih lanjut melalui teknologi cracking baik secara termal maupun katalitik [3, 4].
Industri yang saat ini telah menggunakan teknologi gasifikasi batubara untuk menghasilkan gas bakar adalah PT. Sango Ceramics Indonesia Semarang, yang telah menggunakan gasifikasi batubara sejak tahun 2009 yang memanfaatkan gas bakar hasil gasifikasi untuk proses pembakaran berbagai produk keramik. Gambar 1 merupakan industri keramik milik PT.Sango Ceramics yang berlokasi di Semarang, Jawa Tengah.
PT. Sango Ceramics mempunyai unit gasifikasi yang cukup besar yaitu 4 unit gasifikasi kapasitas 2 MW, dimana setiap hari menggunakan batubara sekitar 140 ton untuk mengoperasikan 3 unit gasifikasi dan 1 unit standby, ditunjukkan pada Gambar 2. Dimana setiap hari unit gasifikasi tersebut menghasilkan limbah tar sebanyak 12 ton, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.
Pengolahan limbah tar melalui proses cracking ini dapat dilakukan dengan beberapa cara [3], yaitu:
(a) cara termal (thermal cracking) dengan penggunaan suhu tinggi dan tekanan yang rendah.
(b) cara katalilik (catalytic cracking), yaitu dengan penggunaan katalis. Reaksi dari perengkahan katalitik melalui mekanisme perengkahan ion karbonium. Mula-mula katalis karena bersifat asam menambahkan proton ke molekul olefin atau menarik ion hidrida dari alkana sehingga menyebabkan terbentuknya ion karbonium.
(c) Hidrocracking, merupakan kombinasi antara perengkahan dan hidrogenasi untuk menghasilkan senyawa yang jenuh. Reaksi tersebut dilakukan pada tekanan tinggi. Keuntungan lain dari Hidrocracking ini adalah bahwa belerang yang terkandung dalam minyak diubah menjadi hidrogen sulfida yang kemudian dipisahkan.
Gambar 1. Industri keramik PT.Sango Ceramics Indonesia, Semarang
Pada penelitian ini menggunakan metode
tar catalytic cracking yang dinilai lebih efisien
dibanding dengan metode thermal cracking. Dimana reaktor yang digunakan adalah jenis reaktor fixed bed.
Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan desain konfigurasi proses pengolahan limbah tar gasifikasi batubara dengan metode
catalytic cracking, dan melakukan uji kinerja alat
konversi limbah tar menjadi bahan bakar cair sintetik menggunakan katalis berbasis nikel dan cobalt [3].
Gambar 2. Plant gasifikasi batubara PT. Sango Ceramics Indonesia.
Gambar 3. Limbah tar gasifikasi batubara
II. BAHAN DAN METODE II.1 Bahan
Limbah tar yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh dari unit gasifikasi di industri keramik PT. Sango Ceramics Indonesia , Semarang. Limbah tar tersebut di analisa menggunakan gas kromatografi spektrometri massa (GC-MS).
II.2 Metode
Pada tahap awal dari penelitian ini dilakukan rancang bangun peralatan proses
catalytic cracking untuk pengolahan limbah tar.
Konfigurasi proses tersebut terdiri dari (a) pemisahan kandungan air dengan metode dekantasi, untuk memisahkan kadar air dari tar; (b)
preheater untuk pemanasan awal bahan baku tar
agar tar siap bereaksi dalam reaktor ketika kontak dengan katalis; (c) Reaktor fixed bed catalytic untuk tempat berlangsungnya proses reaksi perengkahan secara katalitik. Dimana uap gas hasil pemanasan tar di preheater akan naik ke atas menuju reaktor perengkahan; (c) condenser yang berfungsi untuk mengembunkan gas produk yang
keluar dari reaktor agar menjadi fase cairnya.
Condenser ini tipe double pipe dimana gas produk
akan melalui tube bagian dalam yang dikondensasikan dengan menggunakan pendingin air di bagian luarnya; (d) tangki penampungan produk awal yang berfungsi untuk menampung produk cair hasil kondensasi. Produk awal ini selanjutnya akan diolah lebih lanjut untuk proses pemurnian.
Tahap selanjutnya dilakukan menganalisa terhadap bahan baku tar gasifikasi batubara untuk mengetahui kandungan senyawa yang terdapat didalamnya. Analisis tar dilakukan dengan alat
Gas Chromatography (GC) sehingga dapat
diketahui kandungan senyawa dalam tar secara kualitatif maupun kuantitatif. Penyiapan katalis berbasis nikel dan cobalt. Katalis untuk umpan reaktor fixed bed dipilih yang bentuk dan ukurannya seragam, khususnya jika katalis dalam bentuk pelet. Uji kinerja / pengujian alat tar
catalytic cracking. Pengujian dilakukan dengan
menentukan variabel uji berupa temperatur preheater, temperatur reaksi dan waktu pengujian.
Tahap akhir dari penelitian ini adalah menganalisis produk yang dihasilkan, untuk mengetahui kandungan yang terdapat dalam produk. Analisis dilakukan dengan menggunakan
Gas Chromatography (GC MS).
III. HASIL DAN PEMBAHASAN III.1 Analisis Tar Gasifikasi Batubara
Berdasarkan hasil analisis bahan baku limbah tar gasifikasi batubara dengan menggunakan GC-MS, diperoleh hasil kandungan yang terdapat dalam tar seperti disajikan dalam Tabel 1. Gambar 4 menunjukkan hasil analisa sampel tar menggunakan GC-MS.
Tabel 1 dan Gambar 4 menunjukkan bahwa komponen senyawa yang mendominasi kandungan dalam limbah tar adalah jenis senyawa PAH (Poly Aromatic Hydrocarbon) yang merupakan senyawa hidrokarbon rantai tertutup / siklis yang termasuk dalam kelas limbah B3 (Bahan Beracun dan Berbahaya).
Oleh karena itu, pemanfaatan dan pengolahan tar batubara menjadi bahan bakar cair sintetis merupakan suatu upaya untuk menyelamatkan lingkungan dari pencemaran dan melindungi kesehatan.
Tabel 1. Analisis komposisi tar batubara Peak Senyawa 1. Phenol 2. Decane 3. 2-methyl-phenol 4. 3-methyl-phenol 5. 6-ethyl-2-methyl-decane 6. 2,6-dimethyl-phenol 7. 2-methyl-dodecane 8. 3-ethyl-phenol 9. 2,4-dimethyl-phenol 10. 3,7-dimethyl-1-octene 11. Tridecane 12. 3-(1-methyl-ethyl)-phenol 13. 4-ethyl-3-methyl-phenol 14. 2-ethyl-4-methyl-phenol 15. 3-dodecene
Gambar 4. Grafik analisis tar pada GC MS III.2 Rancangan Konfigurasi Proses dan Peralatan Tar Upgrading
Gambar 5 menunjukkan diagram alir proses pengolahan tar gasifikasi batubara.
Gambar 5. Diagram alir proses pengolahan tar gasifikasi batubara
Konfigurasi peralatan Tar Upgrading terdiri dari :
a. Proses Cracking
Peralatan yang terlibat dalam proses cracking tar meliputi : Hopper Decanter Tangki Feed Preheater Reaktor Fixed Bed Condenser Tangki Produk.
b. Proses Destilasi
Peralatan yang terlibat dalam proses destilasi produk tahap awal meliputi :
Tangki Heater Kolom Destilasi Condenser Tangki Produk.
Gambar 6 menunjukkan ilustrasi tiga dimensi (3D) dari rancang bangun peralatan pengolahan limbah tar gasifikasi batubara.
Gambar 6. Visualisasi 3D peralatan tar catalytic
upgrading Keterangan gambar : 1. Hopper 2. Decanter 3. Collector 4. Tangki Preheater 5. Reaktor Fixed Bed 6. Condenser 1
7. Tangki Produk Awal 8. Tangki Destilasi 9. Condenser 2 10. Tangki Produk 11. Kolam sirkulasi air III.3 Seleksi Katalis
Katalis yang digunakan dalam proses perengkahan limbah tar gasifikasi batubara terdiri dari beberapa jenis katalis, yaitu katalis berbasis nikel, cobalt dan besi. Dalam hal ini katalis yang digunakan adalah Co-Mo dan Ni-Mo. Dimana katalis tersebut merupakan katalis komersial yang telah banyak digunakan pada proses refinery minyak mentah.
Gambar 7 menunjukkan katalis jenis katalis Co-Mo dan Ni-Mo.
Gambar 7. Katalis Co-Mo dan Ni-Mo III.4 Uji Kinerja Alat Tar Upgrading
Pengujian terhadap limbah tar batubara dilakukan dengan konfigurasi proses dan variable-variabel yang telah ditentukan. Pengujian dilakukan dengan sistem batch pada setiap variabel yang berbeda. Gambar 8 menunjukkan foto kegiatan pada saat pengujian tar upgrading berlangsung.
Parameter yang digunakan untuk pengujian tersebut adalah sebagai berikut :
Katalis : Co-Mo dan Ni-Mo Ukuran / Jumlah : 30 gram
Feed Tar : 10 kg
Waktu Operasi : 6 jam per batch Suhu Preheater : 200 oC
T Reaktor : 300, 320, 340, 360, 380oC
Pendingin : air
III.5 Produk Awal Pengolahan Tar
Produk awal yang dihasilkan dari proses tar catalytic cracking berupa minyak yang masih
heterogen (campuran) dengan tingkat kekentalan (viskositas) yang jauh lebih rendah dibanding tar, dan penampakan warnanya lebih jernih. Gambar 9 dan Gambar 10 menunjukkan produk cair hasil pengolahan tar upgrading.
Gambar 8. Pengujian tar upgrading
Gambar 9. Produk awal pengolahan tar tanpa katalis
.
Gambar 10. Produk awal pengolahan tar dengan katalis Co-Mo
IV`. KESIMPULAN
Limbah tar dari proses gasifikasi batubara mengandung berbagai senyawa hidrokarbon aromatis yang dapat diolah lebih lanjut menjadi bahan bakar cair sintetis. Konfigurasi proses catalytic cracking limbah tar gasifikasi batubara terdiri dari feed tank, decanter, preheater, reaktor, condenser, dan tangki produk. Metode pengolahan limbah tar menggunakan proses catalytic cracking menggunakan katalis berbasis nikel dan cobalt memungkinkan untuk mengkonversi limbah tar menjadi bahan bakar cair sintetis. Produk awal dari catalytic cracking limbah tar perlu dilakukan proses selanjutnya untuk memperoleh tingkat kemurnian produk yang tinggi, yaitu melalui proses hydrothreating dan destilasi.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini di dukung dan di danai oleh RISTEK SINAS 2014 dengan kode RT-2014-1527.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Sutijastoto, Adam R, Suharyati, Indarwati RF, Kurniawan F, Kurniawan A, Suzanti VM, Ajiwihanto N. Handbook of energy & economic statistics of Indonesia, center for data and information on energy and mineral resources. Ministry of energy and mineral resources republic, Indonesia; 2010.
[2] Mulcahy MFR, Morley WJ, Smith IW. Combustion, gasification and oxidation. In: Durie RA, editor. The science of Victorian brown coal: structure, properties and consequences for utilization. Oxford: Butterworth-Heinemann; 1991. p. 359.
[3] Benito, A.M. & M.T. Martinez, 1996, Catalytic Hidrocracking of an Asphaltenic Coal Residue, Energy and Fuel, 10, 1235-1240.
[4] Jianfang Jiang, Qiyu Wang, Yingyu Wang, Weicheng Tong and Bo Xiao, 2007, GC/MS Analysis of Coal Tar Composition Produced From Coal Pyrolysis, Bull. Chem. Soc. Ethiop., 21(2), 229-240.
[5] Leglise, J., A. Janin, J.C. Lavalley, and D. Cornet, 1988, Nickel and Molibdenium Sulfides Loaded into Zeolites: Activity for Catalitic Hydrogenation, J. Catal., 114, 388-389.
[6] Zeigler, C. D. and Robbat A.J, 2012, Comprehensive Profiling of Coal Tar and Crude Oil to Obtain Mass Spectra and Retention Indices for Alkylated PAH Shows Why Current Methods Err, Environmental Science & Technology Journal.
[7] US Patent 3,147,205. Sept. 1, 1964. [8] US Patent 3,503,872. Mar. 31, 1970. [9] US Patent 7,837,854. Nov. 23, 2010
