APLIKASI FLUIDISASI DALAM INDUSTRI
PEMBAKARAN BATUBARA
Sistem pembakaran batubara umumnya terbagi 2 yakni sistem unggun terfluidakan (
fluidized bed
system
) dan unggun tetap (
fixed bed system
atau
grate system)
.
Fluidized bed system
adalah sistem dimana udara ditiup dari bawah menggunakan blower
sehingga benda padat di atasnya berkelakuan mirip fluida. Teknik fluidisasi dalam
pembakaran batubara adalah teknik yang paling efisien dalam menghasilkan energi. Pasir
atau
corundum
yang berlaku sebagai medium pemanas dipanaskan terlebih dahulu.
Pemanasan biasanya dilakukan dengan minyak bakar. Setelah temperatur pasir mencapai
temperature bakar batubara (300
oC) maka diumpankanlah batubara. Sistem ini
menghasilkan abu terbang dan abu yang turun di bawah alat. Abu-abu tersebut disebut
dengan fly ash dan bottom ash.
Teknologi
fluidized bed
biasanya digunakan di PLTU
(Pembangkit Listrik Tenaga Uap)
. Komposisi
fly ash
dan
bottom ash
yang terbentuk
dalam perbandingan berat adalah : (80-90%) berbanding (10-20%).
Secara umum konsep teknologi yang diunggulkan dari system pembakaran fluidized bed adalah :
1.
adanya gerak turbulen partikel yang sangat baik untuk proses perpindahan panas dan
massa bahan bakar padat, dan baik untuk menyeragamkabn temperature di dalam bed dan
reactor.
2.
injeksi langsung gas terlarut (sorbent) ke dalam bed, sangat memudahkan untuk
mengkontrol gas asam
3.
penggunaan temperature sebagai variable independent, yang berguna untuk
mengendalikan polusi, mengatur distribusi bahan bakar dan udara, serta penukaran panas
di dalam reactor
Fixed bed
system
atau
Grate system
adalah teknik pembakaran dimana batubara berada di
atas
conveyor
yang berjalan atau
grate
. Sistem ini kurang efisien karena batubara yang
terbakar kurang sempurna atau dengan perkataan lain masih ada karbon yang tersisa. Ash
yang terbentuk terutama
bottom ash
masih memiliki kandungan kalori sekitar 3000
kkal/kg. Di China, bottom ash digunakan sebagai bahan bakar untuk kerajinan besi
(pandai besi).
Teknologi
Fixed bed system
banyak digunakan pada industri
tekstil
sebagai pembangkit uap (
steam generator
). Komposisi fly ash dan bottom ash
yang terbentuk dalam perbandingan berat adalah : (15-25%) berbanding (75-25%).
Daftar Pustaka
APLIKASI FLUIDISASI DALAM INDUSTRI PEMBAKARAN BATUBARA
Sistem pembakaran batubara umumnya terbagi 2 yakni sistem unggun terfluidakan (fluidized bed system) dan unggun tetap (fixed bed system atau grate system).
Fluidized bed system adalah sistem dimana udara ditiup dari bawah menggunakan blower
sehingga benda padat di atasnya berkelakuan mirip fluida. Teknik fluidisasi dalam pembakaran batubara adalah teknik yang paling efisien dalam menghasilkan energi. Pasir atau corundum yang berlaku sebagai medium pemanas dipanaskan terlebih dahulu. Pemanasan biasanya dilakukan dengan minyak bakar. Setelah temperatur pasir mencapai temperature bakar batubara (300oC)
maka diumpankanlah batubara. Sistem ini menghasilkan abu terbang dan abu yang turun di bawah alat. Abu-abu tersebut disebut dengan fly ash dan bottom ash. Teknologi fluidized bed biasanya digunakan di PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap). Komposisi fly
ash dan bottom ash yang terbentuk dalam perbandingan berat adalah : (80-90%) berbanding (10-20%).
Secara umum konsep teknologi yang diunggulkan dari system pembakaran fluidized bed adalah :
1. adanya gerak turbulen partikel yang sangat baik untuk proses perpindahan panas dan massa bahan bakar padat, dan baik untuk menyeragamkabn temperature di dalam bed dan reactor.
2. injeksi langsung gas terlarut (sorbent) ke dalam bed, sangat memudahkan untuk mengkontrol gas asam
3. penggunaan temperature sebagai variable independent, yang berguna untuk mengendalikan polusi, mengatur distribusi bahan bakar dan udara, serta penukaran panas di dalam reactor
4. penggunaan bed dengan material inert sebagai pemberat panas (thermal flywheel) yang dapat mengurangi terjadinya slugs ataupun pengotor bahan bakar lainnya.
Fixed bedsystem atau Grate system adalah teknik pembakaran dimana batubara berada di atas conveyor yang berjalan atau grate. Sistem ini kurang efisien karena batubara yang terbakar kurang sempurna atau dengan perkataan lain masih ada karbon yang tersisa. Ash yang terbentuk terutama bottom ash masih memiliki kandungan kalori sekitar 3000 kkal/kg. Di China, bottom ash digunakan sebagai bahan bakar untuk kerajinan besi (pandai besi). Teknologi Fixed bed system banyak digunakan pada industri tekstil sebagai pembangkit uap (steam generator). Komposisi fly ash dan bottom ash yang terbentuk dalam perbandingan berat adalah : (15-25%) berbanding (75-25%).
v Gasifikasi
Gasifikasi adalah suatu proses konversi senyawa yang mengandung karbon untuk mengubah material baik cair maupun padat menjadi bahan bakar gas dengan menggunakan temperatur tinggi. Gas yang dihasilkan mempunyai nilai bakar sehingga dapat menghasilkan energi.
Gambut memiliki kadar karbon cukup tinggi sehingga berpotensi untuk dijadikan bahan bakar. Salah satu metode yang dapat digunakan untuk mengolah gambut menjadi bahan bakar adalah gasifikasi. Dengan teknik gasifikasi, gambut diharapkan dapat menjadi sumber bahan bakar yang potensial untuk mengatasi krisis energi.
Gambut merupakan timbunan material vegetasi yang tidak terdekomposisi secara sempurna. Pada
prinsipnya, gambut terbentuk dari vegetasi yang mengalami hambatan dalam proses dekomposisinya pada lingkungan asam dimana terjadi genangan air sepanjang tahun atau disebut kondisi rawa.
Gambut memiliki bentuk dan ukuran yang beragam. Sebagian besar gambut yang digunakan berbentuk bongkahan. Selain itu gambut juga memiliki kadar air tinggi. Sebagai umpan gasifikasi, jika digunakan secara langsung, maka gambut akan sulit diproses dan dapat mengganggu kinerja gasifikasi. Oleh sebab itu, pengolahan awal terhadap gambut perlu dilakukan. Pengolahan awal tersebut berupa pengecilan dan penyeragaman ukuran serta pengurangan kadar air pada gambut.
Proses gasifikasi gambut terdiri dari tahap pemanasan gasifier, pengumpanan pasir, pengumpanan bahan bakar. Pemanasan gasifier dilakukan hingga temperatur bagian bawah gasifier mencapai temperatur gasifikasi, yaitu 800 – 1000 °C. Pada saat temperatur bagian bawah gasifier mencapai 700 °C, pasir diumpankan ke gasifier. Ketika temperatur gasifikasi tercapai, bahan bakar diumpankan ke gasifier.
Berdasarkan percobaan gasifikasi yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa gambut dapat tergasifikasi melalui mekanisme fluidisasi. Sifat reaktif gambut memungkinkan terjadinya gasifikasi dengan cepat. Karakteristik gasifikasi gambut yang diperoleh pada percobaan gasifikasi gambut yaitu: profil temperatur gasifikasi; kandungan gas produser terdiri dari CO, H2, CH4, CO2, O2, dan N2; perolehan gas produser; nilai bakar gas produser (LHV); efisiensi gasifikasi; serta konversi karbon. Dan yang tidak kalah penting adalah nilai bakar gas produser (LHV) yang cukup besar, yakni 1330 – 1370,6 kJ/Nm3.
Gasifikasi batubara dengan unggun terfluidakan
Untuk melangsungkan gasifikasi diperlukan suatu suatu reaktor. Reaktor tersebut dikenal dengan nama gasifier. Kontak antara bahan bakar dengan medium menentukan jenis gasifier yang digunakan. Secara umum pengontakan bahan bakar dengan medium penggasifikasinya pada gasifier dibagi menjadi tiga jenis, yaitu entrained bed, fluidized bed, danfixed/moving bed.
Perbandingan jenis-jenis gasifier
Parameter Fixed/Moving Bed Fluidized Bed Entrained Bed
Toleransi kehalusan
partikel Terbatas Baik Sangat baik
Toleransi kekasaran
partikel Sangat baik Baik Buruk
Toleransi jenis umpan Batubara kualitas rendah
Temperatur reaksi 1090 °C 800 – 1000 °C > 1990 °C
Temperatur gas
keluaran 450 – 600 °C 800 – 1000 °C > 1260 °C
Produksi abu Kering Kering Terak
Efisiensi gas dingin 80% 89.2% 80%
Kapasitas penggunaan Kecil Menengah Besar
Permasalahan Produksi tar Konversi karbon Pendinginan gas
produk
Gasifikasi unggun terfluidakan dioperasikan dengan cara memfluidisasi partikel bahan bakar dengan gas pendorong yang berupa udara/oksigen, baik dicampur dengan kukus maupun tidak dicampur. Gas pendorong tersebut memiliki dua fungsi, yaitu sebagai reaktan dan sebagai medium fluidisasi. Pada gasifikasi unggun terfluidakan, gas pendorong yang umum digunakan adalah udara. Pada gasifier jenis ini, udara dan bahan bakar tercampur pada unggun yang terdiri dari padatan inert berupa pasir.
Keberadaan padatan inert tersebut sangat penting karena berfungsi sebagai medium penyimpan panas.
Gasifikasi unggun terfluidakan dioperasikan pada temperatur relatif rendah, yaitu 800 – 1000 °C. Temperatur operasi tersebut berada di bawah temperatur leleh abu sehingga penghilangan abu yang dihasilkan pada gasifikasi jenis ini lebih mudah. Hal inilah yang menyebabkan gasifikasi unggun terfluidakan dapat digunakan pada pengolahan bahan bakar dengan kandungan abu tinggi sehingga rentang penerapan gasifikasi unggun terfluidakan lebih luas daripada gasifikasi jenis lainnya.
Reaksi pada Gasifikasi Unggun Terfluidakan
kuat sehingga perbedaan zona pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi tidak dapat dibedakan. Salah satu cara untuk mengetahui proses yang berlangsung pada gasifier jenis ini adalah dengan mengetahui rentang temperatur masing-masing proses, yaitu:
Pengeringan: T > 150 °C
Pirolisis/Devolatilisasi: 150 < T < 700 °C Oksidasi: 700 < T < 1500 °C
Reduksi: 800 < T < 1000 °C
Proses pengeringan, pirolisis, dan reduksi bersifat menyerap panas (endotermik), sedangkan proses oksidasi bersifat melepas panas (eksotermik). Pada pengeringan, kandungan air pada bahan bakar padat diuapkan oleh panas yang diserap dari proses oksidasi. Pada pirolisis, pemisahan volatile matters (uap air, cairan organik, dan gas yang tidak terkondensasi) dari arang atau padatan karbon bahan bakar juga menggunakan panas yang diserap dari proses oksidasi. Pembakaran mengoksidasi kandungan karbon dan hidrogen yang terdapat pada bahan bakar dengan reaksi eksotermik, sedangkan gasifikasi mereduksi hasil pembakaran menjadi gas bakar dengan reaksi endotermik.
Pirolisis
Pirolisis atau devolatilisasi disebut juga sebagai gasifikasi parsial. Suatu rangkaian proses fisik dan kimia terjadi selama proses pirolisis yang dimulai secara lambat pada T < 350 °C dan terjadi secara cepat pada T > 700 °C. Komposisi produk yang tersusun merupakan fungsi temperatur, tekanan, dan komposisi gas selama pirolisis berlangsung. Proses pirolisis dimulai pada temperatur sekitar 230 °C, ketika komponen yang tidak stabil secara termal, seperti lignin pada biomassa dan volatile matters pada batubara, pecah dan menguap bersamaan dengan komponen lainnya. Produk cair yang menguap mengandung tar dan PAH (polyaromatic hydrocarbon). Produk pirolisis umumnya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas ringan (H2, CO,
CO2, H2O, dan CH4), tar, dan arang. Secara umum reaksi yang terjadi pada pirolisis beserta produknya
adalah:
Oksidasi(Pembakaran)
Oksidasi atau pembakaran arang merupakan reaksi terpenting yang terjadi di dalam gasifier. Proses ini menyediakan seluruh energi panas yang dibutuhkan pada reaksi endotermik. Oksigen yang dipasok ke dalam gasifier bereaksi dengan substansi yang mudah terbakar. Hasil reaksi tersebut adalah CO2 dan H2O yang secara berurutan direduksi ketika kontak dengan arang yang diproduksi pada pirolisis. Reaksi yang terjadi pada proses pembakaran adalah:
C + O2 -> CO2 + 393.77 kJ/mol karbon
Reaksi pembakaran lain yang berlangsung adalah oksidasi hidrogen yang terkandung dalam bahan bakar membentuk kukus. Reaksi yang terjadi adalah:
H2 + ½ O2 -> H2O + 742 kJ/mol H2 Reduksi (Gasifikasi)
Reduksi atau gasifikasi melibatkan suatu rangkaian reaksi endotermik yang disokong oleh panas yang diproduksi dari reaksi pembakaran. Produk yang dihasilkan pada proses ini adalah gas bakar, seperti H2, CO, dan CH4. Reaksi berikut ini merupakan empat reaksi yang umum terlibat pada gasifikasi.
Water-gas reaction
yang dicampur dengan udara dan uap yang diproduksi dari penguapan air. Reaksi yang terjadi pada water-gas reaction adalah:
C + H2O -> H2 + CO – 131.38 kJ/kg mol karbon
Pada beberapa gasifier, kukus dipasok sebagai medium penggasifikasi dengan atau tanpa udara/oksigen.
Boudouard reaction
Boudouard reaction merupakan reaksi antara karbondioksida yang terdapat di dalam gasifier dengan arang untuk menghasilkan CO. Reaksi yang terjadi pada Boudouard reaction adalah: CO2 + C -> 2CO – 172.58 kJ/mol karbon
Shift conversion
Shift conversion merupakan reaksi reduksi karbonmonoksida oleh kukus untuk memproduksi hidrogen. Reaksi ini dikenal sebagai water-gas shift yang menghasilkan peningkatan
perbandingan hidrogen terhadap karbonmonoksida pada gas produser. Reaksi ini digunakan pada pembuatan gas sintetik. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:
CO + H2O -> CO2 + H2 – 41.98 kJ/mol Methanation
Methanation merupakan reaksi pembentukan gas metan. Reaksi yang terjadi pada methanation adalah:
C + 2H2 -> CH4 + 74.90 kJ/mol karbon
Pembentukan metan dipilih terutama ketika produk gasifikasi akan digunakan sebagai bahan baku indsutri kimia. Reaksi ini juga dipilih pada aplikasi IGCC (Integrated Gasification Combined-Cycle) yang mengacu pada nilai kalor metan yang tinggi.
Salah satu reaktor gasifikasi unggun terfluidakan di sebuah pembangkit listrik dari batubara.
Gasifier unggun terfluidakan memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan gasifier jenis lainnya, yaitu:
Rentang penanganan jenis bahan bakar lebar
Tingkat perpindahan panas dan massa bahan bakar tinggi
Nilai pemanasan tinggi
Kadar arang rendah
