KAJIAN TEKNO EKONOMI PABRIK KONVERSI BIOMASSA
MENJADI BAHAN BAKAR
FISCHER-TROPSCH
MELALUI PROSES GASIFIKASI
Oleh
FITRIA YULISTIANI
NIM : 23008004
Program Studi Teknik Kimia
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
ii
RENCANA USAHA PABRIK KONVERSI BIOMASSA
MENJADI BAHAN BAKAR
FISCHER-TROPSCH
MELALUI PROSES GASIFIKASI
Oleh
Fitria Yulistiani (23008004)
Catatan
Bandung, Desember 2009 Telah diperiksa dan disetujui oleh:
Pembimbing 1, Pembimbing 2,
____________________ ____________________
iii
KAJIAN TEKNO EKONOMI PABRIK KONVERSI BIOMASSA
MENJADI BAHAN BAKAR
FISCHER-TROPSCH
MELALUI PROSES GASIFIKASI
Oleh
FITRIA YULISTIANI NIM : 23008004
ABSTRAK
Pertambahan jumlah penduduk, kemajuan teknologi, dan peningkatan perekonomian menyebabkan peningkatan konsumsi energi di Indonesia. Apabila peningkatan tersebut dibiarkan, konsumsi energi Indonesia, yang didominasi oleh bahan bakar fosil, akan menyebabkan penurunan kualitas udara sekitar dan peningkatan emisi gas rumah kaca. Selain itu, produksi minyak dan gas Indonesia saat ini semakin mengalami penurunan sehingga tidak mampu lagi memenuhi kebutuhan energi. Kepedulian terhadap permasalahan-permasalahan di atas menyebabkan pemerintah mendorong peningkatan penyediaan sumber energi melalui pemanfaatan sumber energi baru dan terbarukan (EBT).
Biomassa merupakan salah satu bentuk EBT yang tersedia dalam jumlah besar. Biomassa memiliki berbagai variasi rute konversi termokimia. Salah satu rute yang cukup menjanjikan adalah kombinasi antara gasifikasi biomassa dan sintesis Fischer Tropsch (BGFT). Biomassa digasifikasi kemudian produk gas yang telah dibersihkan digunakan dalam sintesis FT untuk menghasilkan hidrokarbon rantai panjang yang kemudian dikonversikan menjadi diesel ramah lingkungan.
Permasalahan utama dalam pengaplikasian sistem BGFT di Indonesia adalah ketersediaan nasional yang melimpah namun tidak terpusat di satu lokasi tertentu. Selain itu, sistem BGFT merupakan teknologi yang mahal, sehingga perlu dikaji mengenai kapasitas sistem BGFT yang ekonomis terkait dengan ketersediaan biomassa di Indonesia. Oleh karena itu melalui penelitian ini akan disusun rencana usaha sistem konversi biomassa menjadi bahan bakar Fischer Tropsch melalui rute gasifikasi.
iv
Human population, technology development, and economic development has caused growth in Indonesia’s energy consumption. If the growth is left unchecked, Indonesia’s energy consumption, primary met by fossil fuels, will accelerate the country’s contribution to the deterioration of local air quality and the increase of GHG (green house gas) emission. Despite those, Indonesian oil and gas production is declining and can no longer meet the consumption. As a concern of above issues, government seeks to improve the availability of energy in Indonesia through the development of the country’s renewable energy resources. One of those renewable energy resources is biomass.
Biomass has a lot of thermochemical conversion routes. Integrated Biomass Gasification and Fischer Tropsch Synthesis (BGFT) is one promising route. Biomass is gasified then gas producer is cleaned and fed into FT reactor. FT product is long chain hydrocarbon that can be cracked into environmental friendly diesel.
Despite its abundant resources, Indonesian biomass is available in limited volume on spreaded area. Beside that, BGFT system is an expensive technology which will become cheaper with bigger capacity. Because of that, economic feasibility of BGFT system in Indonesia should be assessed especially related to biomass availability in each area. This research is designed to create business plan for biomass to Fischer-Tropsch plant via gasification.
v
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan usulan penelitian yang berjudul “Kajian Tekno Ekonomi Pabrik Konversi Biomassa Menjadi Bahan Bakar Fischer-Tropsch Melalui Proses Gasifikasi”. Laporan ini dibuat sebagai prasyarat kelulusan mata kuliah Metodologi dan Usulan Penelitian, yang merupakan mata kuliah tugas akhir di Program Studi Pasca Sarjana Teknik Kimia ITB.
Penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu penyusunan laporan penelitian ini :
Prof. Dr. Herri Susanto dan Dr. Tri Partono Adhi, selaku dosen pembimbing, atas segala saran, bimbingan, dan arahannya,
Dr. Azis Trianto selaku ketua Program Studi Pasca Sarjana Teknik Kimia ITB,
Dr. Conny K. Wachjoe atas berbagai masukan dan dukungannya, orang tua dan keluarga yang selalu memberikan dukungan,
seluruh teman-teman Lab Simulasi Proses dan mahasiswa S2 Teknik Kimia angkatan 2008 yang memberikan perhatian, semangat, dukungan, dan kerjasama dalam menyelesaikan laporan ini,
semua pihak yang telah membantu dalam penulisan laporan ini.
Penulis mengharapkan kritik, saran, dan masukan dari pembaca demi peningkatan kualitas laporan ini. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan terutama dalam bidang gasifikasi biomassa dan sintesis Fischer-Tropsch di Indonesia.
Bandung, Desember 2009
vi
DAFTAR ISI ... vi
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... ix
BAB I PENDAHULUAN ... 1
I.1 Latar Belakang ... 1
I.2 Rumusan Masalah... 3
I.3 Tujuan Penelitian ... 4
I.4 Ruang Lingkup ... 4
I.5 Sistematika Penulisan Laporan ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
II.1 Biomassa ... 6
II.1.1. Siklus Karbon Pemanfaatan Biomassa ... 8
II.1.2. Sumber Biomassa Indonesia ... 9
II.2 Gasifikasi Biomassa ... 10
II.2.1 Agen Gasifikasi ... 12
II.2.2 Sistem Penyediaan Panas pada Reaktor Gasifikasi ... 13
II.2.3 Reaktor Gasifikasi ... 14
II.2.4 Kondisi Operasi Proses Gasifikasi ... 21
II.3 Pemrosesan Gas Sintesis ... 23
II.4 Pembersihan Gas Hasil Gasifikasi ... 23
II.5 Sintesis Fischer Tropsch ... 37
II.6 Pembangkitan Listrik melalui Siklus Kombinasi ... 43
BAB III PROSEDUR PELAKSANAAN PENELITIAN ... 46
III.1 Metodologi Penelitian... 46
III.1.1. Kajian Teknologi Proses Sistem BGFT ... 47
III.1.2. Studi Ketersediaan Biomassa ... 49
III.1.3. Penyusunan Rancangan Pabrik Sistem BGFT ... 50
III.1.4. Kajian Ekonomi Proses BGFT ... 51
vii
LAMPIRAN A.3 Produksi Jagung (ton) ... 57
LAMPIRAN A.4 Luas Lahan Jagung (ha) ... 58
LAMPIRAN A.5 Produksi Padi (ton) ... 59
LAMPIRAN A.6 Luas Lahan Padi (ha) ... 60
LAMPIRAN B. Model Kesetimbangan Reaksi Gasifikasi ... 61
LAMPIRAN C.1 Perhitungan Rasio Konsumsi Reaktan FT ... 64
LAMPIRAN C.2 Hubungan Antara dengan selektivitas C5+ ... 65
LAMPIRAN C.3 Defisiensi Hidrogen dalam Hydrocracking ... 67
viii
Gambar I.1 Perbandingan produksi dan konsumsi energi primer Indonesia ... 1
Gambar I.2. Sasaran bauran energi nasional 2025 ... 2
Gambar II.1. Skema Sistem Integrasi Gasifikasi Biomassa ... 6
dengan Sintesis Fischer Tropsch ... 6
Gambar II.2. Net-Zero Carbon Cycle ... 8
Gambar II.3. Rute Konversi Termal Biomassa ... 11
Gambar II.4. Skema reaktor unggun tetap aliran counter-current (kiri) dan co-current (kanan) ... 16
Gambar II.5. Skema Reaktor Bubbling Fluidized Bed ... 17
Gambar II.6. Skema Reaktor Circulated Fluidized Bed ... 18
Gambar II.7. Skema Reaktor Entrained Flow ... 20
Gambar II.8. Teknologi Pembersihan Gas ... 24
Gambar II.9. Skema Proses OLGA ... 32
Gambar II.10. Perbandingan Kinerja OLGA terhadap teknologi pembersihan gas lainnnya ... 33
Sumber: Boerrigter (2004) ... 33
Gambar II.11. Distribusi Produk sintesis Fischer Tropsch berdasarkan persamaan ASF ... 38
Gambar II.12. Konsep Trigeneration sistem BGFT ... 44
Gambar II.13. Konsep Trigeneration sistem BGFT yang dilengkapi dengan unit reaksi pergeseran ... 44
Gambar II.14. Neraca Energi Konsep Trigeneration sistem BGFT yang dilengkapi dengan unit reaksi pergeseran ... 45
Gambar II.15. Perbandingan Kebutuhan Investasi untuk berbagai konfigurasi ... 45
Gambar III.1. Metodologi Penelitian Aplikasi Sintesis FT dari gas hasil gasifikasi biomassa ... 46
Gambar III.2. Peta pemrosesan biomassa menjadi cairan Fischer Tropsch. ... 47
Gambar III.3. Langkah-langkah studi ketersediaan biomassa ... 49
Gambar III.4. Rute Proses BGFT yang akan dikaji ... 50
ix
Tabel I.1 Potensi Energi Nasional (2004) ... 2
Tabel II.1. Emisi CO2 yang dihasilkan dalam produksi energi menggunakan berbagai bahan baku ... 9
Tabel II.2 Rincian Potensi Biomassa di Indonesia... 9
Tabel II.3. Data Analisis Proksimat dan Elemental ... 10
untuk beberapa jenis biomassa ... 10
Sumber: Laohalidanond K, Jurgen Heil, Christain Wirtgen, The Production of Synthetic Diesel from Biomass, 2008 ... 10
Tabel II.4. Rata-rata komposisi produk yang dihasilkan untuk beberapa jenis agen gasifikasi ... 13
Tabel II.5 Aspek-aspek Teknis Gasifikasi menggunakan Fluidized Bed ... 18
Tabel II.6 Karakteristik berbagai jenis Gasifier ... 19
Tabel II.7. Rangkuman data Kondisi Operasi Beberapa jenis gasifier ... 22
Tabel II.8. Hasil Filtrasi Alkali ... 29
Tabel II.9. Perbandingan partikulat dan kandungan tar untuk beberapa rancangan reaktor gasifikasi biomassa ... 30
Tabel II.10. Efisiensi Pemisahan Tar Relatif untuk berbagai jenis scrubber ... 31
Tabel II.11. Efisiensi Pemisahan Tar penggunaan Wet Scrubber dalam sistem Gasifikasi Biomassa ... 32
Tabel II.12. Tingkat pengurangan tar dan partikulat melalui penggunaan beberapa sistem perbersihan gas... 37
Tabel II.13. Kondisi Pengoperasian Reaktor Fischer Tropsch ... 40
Tabel II.14. Perbedaan antara proses sintesis FT dalam reaktor fixed bed dan slurry ... 41
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Pertambahan jumlah penduduk, kemajuan teknologi, dan peningkatan perekonomian menyebabkan peningkatan konsumsi energi di Indonesia. Namun peningkatan kebutuhan akan konsumsi energi tersebut tidak diiringi dengan kestabilan harga dan pasokan energi yang mencukupi (Gambar I.1), sehingga memunculkan permasalahan keamanan ketersediaan energi[1]. Dalam Blue Print Energi Nasional 2005 – 2025, dinyatakan bahwa cadangan minyak bumi nasional hanya tersisa hingga 18 tahun ke depan. Rincian potensi energi nasional (2004) diberikan pada Tabel I.1 [2].
Gambar I.1 Perbandingan produksi dan konsumsi energi primer Indonesia (1965-2007)
Tabel I.1 Potensi Energi Nasional (2004) Jenis Energi Fosil Sumber Daya Cadangan (proven + possible) Produksi (per tahun) Rasio Cadangan/Produksi (tanpa eksplorasi) Tahun Minyak 86,9 miliar
barel 9 miliar barel 500 juta barel 18
Gas 384,7 TSCF 182 TCSF 3,0 TSCF 61
Batubara 57 miliar ton 19,3 miliar ton 130 juta ton 147 Sumber: Blueprint Energi Nasional 2005-2025
Penggunaan energi fosil seperti minyak bumi, gas, dan batu bara juga memunculkan isu lingkungan dalam hal emisi CO2 dan pemanasan global. Gas
rumah kaca seperti karbondioksida (CO2), metana (CH4), dan NO2 membentuk
lapisan di atmosfir yang dapat menahan panas yang akan keluar dari bumi sehingga menyebabkan atmosfir bumi semakin panas (pemanasan global). Selain CO2, penggunaan bahan bakar fosil juga menghasilkan emisi polutan seperti CO,
NO, SO2, VOC, POP, PAH, partikulat, logam beracun (Cd, Hg, As, dll.) ke udara.
Kepedulian terhadap permasalahan-permasalahan di atas mendorong keluarnya kebijakan pengurangan konsumsi bahan bakar fosil dan peningkatan penggunaan energi baru terbarukan (EBT) yang dituangkan dalam bentuk sasaran bauran energi primer nasional 2025 sebagaimana diilustrasikan pada Gambar I.2 [3]. Salah satu upaya untuk memenuhi target bauran energi nasional tersebut adalah penggalakkan penggunaan biomassa sebagai sumber energi.
Biomassa merupakan salah satu bentuk EBT yang tersedia dalam jumlah besar. Biomassa yang banyak dihasilkan di Indonesia diantaranya adalah tandan kosong sawit, tongkol jagung, dan sekam padi. Berdasarkan data Departemen Pertanian[4], pada tahun 2008 produksi kelapa sawit Indonesia mencapai 18 juta ton. Dari produksi tersebut dihasilkan limbah tandan kosong kelapa sawit sebanyak 22-23 % atau sekitar 4 juta ton. Sedangkan produksi jagung Indonesia pada tahun 2008 mencapai 16 juta ton dan tersebar di area perkebunan seluas 4 juta hektar. Dari produksi jagung tersebut dihasilkan limbah tongkol jagung sebanyak 1 ton per hektar atau sekitar 4 juta ton. Produksi padi yang mencapai 60 juta ton pada tahun 2009 juga menghasilkan limbah biomassa berupa sekam padi sebanyak 35 % atau sekitar 21 juta ton.
Limbah biomassa tersebut memiliki berbagai variasi rute konversi termokimia. Salah satu rute yang cukup menjanjikan adalah kombinasi antara gasifikasi biomassa dan sintesis Fischer Tropsch (BGFT). Biomassa digasifikasi kemudian produk gas yang telah dibersihkan digunakan dalam sintesis FT untuk menghasilkan hidrokarbon rantai panjang yang kemudian dikonversikan menjadi diesel ramah lingkungan.
I.2 Rumusan Masalah
Sintesis FT dari gas hasil gasifikasi biomassa bukan merupakan hal baru dalam hal pengembangan teknologi pemanfaatan biomassa. Permasalahan utama yang dihadapi oleh peneliti biomassa di Indonesia adalah melimpahnya ketersediaan biomassa nasional namun hanya terkumpul dalam jumlah yang relatif kecil. Selain itu, ketersediaan biomassa juga tidak terpusat di satu tempat saja, melainkan tersebar di Kabupaten/Kota. Selain itu, sistem BGFT merupakan teknologi yang terbilang mahal untuk diterapkan di Indonesia. Sebagai ilustrasi, produksi FT diesel dari sistem BGFT berkapasitas 150 juta galon/tahun memakan biaya $8,1/galon.
Oleh karena itu, penelitian ini dirancang untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan sebagai berikut:
1. Bagaimana konfigurasi sistem BGFT yang cocok untuk diterapkan pada biomassa di Indonesia?
2. Bagaimana kelayakan teknoekonomi implementasi sistem BGFT untuk saat ini dan jangka panjang? Terutama terkait dengan kemampuan pengumpulan jenis biomassa di lokasi tertentu.
Untuk menjawab rumusan permasalahan di atas akan dilakukan kajian sistem BGFT untuk biomassa di Indonesia sesuai dengan ruang lingkup yang akan diberikan dalam sub bab selanjutnya.
I.3 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mencari konfigurasi sistem BGFT yang cocok untuk diterapkan pada biomassa di Indonesia.
2. Menentukan kapasitas sistem BGFT yang cocok dengan ketersediaan biomassa di Indonesia.
3. Mengkaji kelayakan teknoekonomi proses BGFT di Indonesia untuk saat ini dan jangka panjang.
4. Mengidentifikasi permasalahan pengembangan dan komersialisasi teknologi BGFT.
I.4 Ruang Lingkup
Lingkup penelitian aplikasi sintesis FT pada gas hasil gasifikasi biomassa adalah: 1. Kajian pustaka mengenai ketersediaan teknologi proses yang terkait
dengan BGFT;
a. Teknologi gasifikasi biomassa
b. Teknologi pembersihan dan pengkondisian gas hasil gasifikasi biomassa
c. Teknologi sintesis Fischer Tropsch d. Teknologi Hydrocracking
2. Studi ketersediaan bahan baku sistem BGFT;
3. Pemilihan lokasi perencanaan aplikasi sistem BGFT dan pemilihan konfigurasi proses BGFT;
4. Penyusunan rancangan pabrik sistem BGFT sesuai dengan hasil studi ketersediaan biomassa;
5. Kajian ekonomi penerapan sistem BGFT beserta analisis sensitivitas; dan 6. Analisis kemungkinan penerapan sistem BGFT di lokasi lain dengan
kapasitas yang sama
I.5 Sistematika Penulisan Laporan
Proposal Penelitian ini disusun menjadi 3 (tiga) bab utama. Bab I menyampaikan latar belakang penelitian, rumusan masalah, tujuan penelitian, ruang lingkup penelitian, dan sistematika penulisan laporan. Hasil review mengenai alur pikir dan perkembangan keilmuan terkait dengan proses gasifikasi biomassa, pembersihan dan pengkondisian gas hasil gasifikasi, serta proses sintesis FT diberikan pada Bab II. Laporan ini ditutup dengan paparan pemilihan sistem proses dan metodologi penelitian pada Bab III.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Proses integrasi gasifikasi biomassa dengan sintesis Fischer Tropsch (BGFT) secara umum dapat dideskripsikan menggunakan gambar II.1.
Gambar II.1. Skema Sistem Integrasi Gasifikasi Biomassa dengan Sintesis Fischer Tropsch
Uraian mengenai masing-masing unit yang terkait dengan sistem BGFT akan diuraikan pada sub bab selanjutnya.
II.1 Biomassa
Biomassa adalah sebutan yang diberikan untuk material yang tersisa dari tanaman atau hewan seperti kayu dari hutan, material sisa pertanian serta limbah organik manusia dan hewan. Energi yang terkandung dalam biomassa berasal dari matahari. Melalui fotosintesis, karbondioksida di udara ditransformasi menjadi molekul karbon lain (misalnya gula dan selulosa) dalam tumbuhan. Energi kimia yang tersimpan dalam dalam tanaman dan hewan (akibat memakan tumbuhan atau hewan lain) atau dalam kotorannya dikenal dengan nama bio-energi.
Ketika biomassa dibakar, energi akan terlepas, umumnya dalam bentuk panas. Karbon pada biomassa bereaksi dengan oksigen di udara sehingga membentuk karbondioksida. Apabila dibakar sempurna, jumlah karbondioksida yang dihasilkan akan sama dengan jumlah yang diserap dari udara ketika tanaman tersebut tumbuh.
Di alam bebas, biomassa yang dibiarkan begitu saja di tanah akan terurai dalam waktu yang lama, melepaskan karbondioksida dan energi yang tersimpan
perlahan-lahan. Dengan membakar biomassa, energi yang tersimpan akan cepat terlepas dengan dan dapat dimanfaatkan. Oleh karena itu proses konversi biomassa menjadi energi yang berguna meniru proses alam dengan laju yang lebih cepat.
Biomassa dapat digunakan langsung (misalnya membakar kayu untuk pemanas dan memasak) dan dapat juga digunakan untuk produksi biofuel cair (biodiesel dan alkohol) atau biofuel gas (biogas) yang dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar fosil. Misalnya alkohol dari tebu dapat digunakan sebagai bahan pengganti bensin atau biogas dari kotoran hewan dapat digunakan sebagai bahan pengganti gas alam.
Listrik juga dapat dibangkitkan dari beberapa sumber biomassa sehingga dapat dipasarkan sebagai “green power”. Secara alami biomassa memiliki berat jenis yang rendah (bila dibandingkan dengan bahan bakar fosil, biomassa diperlukan dalam jumlah yang jauh lebih besar untuk memproduksi jumlah energi yang sama). Oleh karena itu transportasi dan penanganannya akan jauh lebih sulit dan memakan biaya. Biaya tersebut dapat direduksi dengan menempatkan generator dekat sumber biomassa seperti tempat penggergajian, penggilingan gula, atau penggilingan bubur kayu.
Meskipun biomassa merupakan sumber energi tertua yang dikenal oleh manusia, kontribusinya terhadap total pemanfaatan energi di Indonesia bahkan di dunia masih sangat kecil. Pemahaman akan keterbatasan cadangan sumber energi fosil dan kepedulian terhadap keberlangsungan penyediaan sumber energi tersebut menyebabkan munculnya ketertarikan peneliti terhadap pemanfaatan biomassa pada tahun 1970an. Akan tetapi harga energi yang terus menurun saat itu menyebabkan perkembangan teknologi biomassa tidak begitu pesat. Hingga pada tahun 1980an kepedulian terhadap emisi CO2 yang disebabkan oleh penggunaan
energi fosil mengakibatkan dikeluarkannya Kyoto Protocol yang membatasi emisi CO2 yang boleh dilepas ke udara. Untuk mencapai tujuan Kyoto Protocol,
ditingkatkan. Sejak saat itu ketertarikan dunia terhadap pemanfaatan biomassa mulai meningkat lagi
II.1.1. Siklus Karbon Pemanfaatan Biomassa
Tanaman dapat mengambil CO2 dari atmosfir dan menyimpannya untuk
pertumbuhan. Pembakaran biomassa di rumah tangga, proses industri, aktivitas pembangkitan energi, ataupun transportasi mengembalikan CO2 yang tersimpan
tersebut ke atmosfir. Tanaman yang baru tumbuh akan terus menjaga keseimbangan siklus karbon di atmosfir melalui penangkapan kembali CO2.
Siklus karbon seperti itu, atau dikenal dengan nama net-zero carbon cycle, akan terus terjaga selama biomassa tumbuh kembali di dalam siklus-siklus selanjutnya (Gambar II.2). Oleh karena itu penggunaan sumber biomassa yang berkelanjutan sangat berguna untuk memastikan keberlangsungan siklus karbon tersebut.
Gambar II.2. Net-Zero Carbon Cycle
Bary Judd (2003) dalam penelitiannya menyampaikan perbandingan emisi CO2
yang dihasilkan dari proses produksi bahan bakar dari berbagai jenis bahan baku. Perbandingan tersebut diberikan dalam Tabel II.1. Dari Tabel tersebut terlihat bahwa produksi FT diesel dari bahan baku biomassa kayu hanya menghasilkan emisi CO2 sebesar 17 g/MJ. Jauh lebih kecil dibandingkan emisi CO2 yang
Tabel II.1. Emisi CO2 yang dihasilkan dalam produksi energi menggunakan berbagai bahan baku
Sumber: Feasibility of Producing Diesel from Biomass in New Zealand, Bary Judd, 2003
II.1.2. Sumber Biomassa Indonesia
Biomassa di Indonesia terutama berasal dari limbah hutan, limbah kota, dan limbah pertanian. Salah satu biomassa yang belum terlalu banyak pemanfaatannya adalah tongkol jagung. Dari produksi jagung sebanyak 16 juta ton yang tersebar di area perkebunan seluas 4 juta hektar dihasilkan limbah biomassa tongkol jagung sebanyak 1 ton per hektar atau sekitar 4 juta ton. Selain itu masih banyak lagi limbah pertanian dan perkebunan yang berpotensi untuk dijadikan bahan baku proses BGFT. Rincian potensi biomassa di Indonesia[4] dapat dilihat pada Tabel II.2.
Tabel II.2 Rincian Potensi Biomassa di Indonesia No Komoditas Produksi (ton) Luas lahan (ha) Jenis limbah biomassa yang dihasilkan Produksi limbah biomassa (ton/tahun) Lokasi dengan produksi terbesar 1 Kelapa sawit 18,089,504 7,007,876 Tandan kosong kelapa sawit 3,979,691 Riau, Sumatera Utara, Sumatera Selatan 2 Jagung 16,317,251 4,001,724 Tongkol jagung 4,001,724 Jawa Timur, Jawa Tengah, Lampung 3 Padi 60,325,925 12,327,425 Sekam Padi 21,114,074 Jawa Timur, Jawa Barat, Jawa Tengah Perhitungan neraca massa dalam konversi termokimia biomassa membutuhkan data-data karakteristik biomassa yang dinyatakan dalam bentuk analisis proksimat dan elemental. Daya analisis proksimat dan elemental untuk beberapa jenis biomassa[5] diberikan pada Tabel II.3.
Tabel II.3. Data Analisis Proksimat dan Elemental untuk beberapa jenis biomassa
Sumber: Laohalidanond K, Jurgen Heil, Christain Wirtgen, The Production of Synthetic Diesel from Biomass, 2008
II.2 Gasifikasi Biomassa
Secara umum, terdapat 3 (tiga) rute konversi termal biomassa (Gambar II.3) yaitu melalui pembakaran menggunakan udara berlebih, gasifikasi menggunakan udara parsial, serta pirolisis dan hidrotermal.
Gambar II.3. Rute Konversi Termal Biomassa
Dari ketiga rute tersebut, rute yang dapat digunakan untuk menghasilkan gas produser dengan kandungan utama CO dan H2 adalah rute gasifikasi. Kedua jenis
bahan bakar tersebut kemudian dapat digunakan untuk dikonversi menjadi bahan kimia lainnya. Tahapan-tahapan yang terjadi dalam rute konversi biomassa hingga menjadi gas produser disampaikan pada sub bab berikutnya.
II.2.1 Pengolahan Awal Umpan Biomassa
Sebelum memasuki proses gasifikasi, biomassa harus melalui proses perlakuan awal (pre treatment) seperti pengeringan dan pencacahan. Semakin kering umpan biomassa, efisiensi gasifikasi akan meningkat tetapi kandungan hidrogen dalam produk gas sintesis akan berkurang[6][7][8][9][10]. Hal tersebut menyebabkan produk gas sintesis menjadi kurang menarik untuk digunakan dalam sintesis Fischer Tropsch serta meningkatkan biaya produksi akibat proses pengeringan biomassa[11]. Menurut Faaij dkk.[9], kadar air optimum untuk aplikasi gasifikasi biomassa yang akan dilanjutkan dengan siklus kombinasi berkisar antara 10-15%.
Pengeringan dapat dilakukan menggunakan gas buang ataupun kukus. Pada proses sintesis FT dapat dihasilkan sejumlah kukus berkualitas rendah, oleh karena itu pengeringan menggunakan kukus lebih disukai. Selain itu, pengeringan menggunakan kukus menghasilkan emisi yang lebih rendah dan lebih aman apabila mempertimbangkan kemungkinan terjadinya ledakan debu.
II.2.2 Gasifikasi Biomassa
Proses konversi biomassa menjadi gas umpan dengan kandungan utama gas H2
dan CO2 yang dibutuhkan untuk proses sintesis Fischer Tropsch terjadi di dalam
reaktor gasifikasi.
Gasifikasi biomassa merupakan reaksi konversi termal endotermik yang mengubah bahan bakar padat menjadi gas yang mudah terbakar. Oksigen, udara, kukus, atau kombinasi dari senyawa-senyawa tersebut dalam jumlah terbatas dapat berperan sebagai agen oksidasi. Produk gas terdiri atas karbonmonoksida (CO), karbondioksida (CO2), hidrogen (H2), metan (CH4), sedikit hidrokarbon
berantai lebih tinggi (etena, etana), air, nitrogen (apabila menggunakan udara sebagai oksidan), dan berbagai kontaminan seperti partikel arang, debu, tar, hidrokarbon rantai tinggi, alkali, amoniak, asam, dan senyawa-senyawa sejenisnya.
Peneliti-peneliti di seluruh dunia telah melakukan analisis proses gasifikasi biomassa dengan fokus pada agen gasifikasi, sistem penyediaan panas, tekanan proses, dan reaktor yang digunakan.
II.2.1 Agen Gasifikasi
Salah satu reaksi yang berjalan di dalam reaktor gasifikasi adalah reaksi oksidasi komponen C dan H dalam biomassa menjadi CO2 dan H2O. Suplai oksigen
sebagai media oksidasi dapat berupa udara, oksigen murni, ataupun udara yang kaya oksigen. Kekurangan dari proses gasifikasi menggunakan udara adalah dominasi nitrogen dalam produk gas yang menyebabkan pembengkakan ukuran peralatan di sektor hilir[11].
Gasifikasi dengan oksigen sebagai media oksidasi lebih menguntungkan dari segi ukuran alat di sektor hilir, energi kompresi, dan tekanan parsial komponen Fischer Tropsch yang lebih tinggi[11]. Oksigen murni sangat mahal, akan tetapi dapat diakali dengan menggunakan udara yang kaya akan oksigen. Penggunaan udara yang kaya akan oksigen memberikan kombinasi keuntungan pengurangan ukuran
peralatan dan media yang tidak terlalu mahal. Perangkat pemisahan udara untuk produksi udara yang kaya akan oksigen dengan kapasitas 576 ton O2/hari
memakan biaya sekitar 41,8 juta USD[11]. Tabel II.4. menunjukkan perbandingan variasi komposisi produk gasifikasi dengan oksigen, udara, dan kukus.
Tabel II.4. Rata-rata komposisi produk yang dihasilkan untuk beberapa jenis agen gasifikasi Agen Gasifikasi Udara O2 H2O H2 15% 40% 40% CO 20% 40% 25% CH4 2% - 8% CO2 15% 20% 25% N2 48% - 2% H2/CO 0.75 1 1.6
Sumber: Gasification of Biomass – An Overview on Available Technologies, ZSW
II.2.2 Sistem Penyediaan Panas pada Reaktor Gasifikasi
Kebutuhan panas proses gasifikasi dapat dipenuhi melalui 2 (dua) jenis proses yaitu autothermal dan allothermal. Pada proses autothermal, kebutuhan panas dipenuhi dari proses oksidasi biomassa yang bersifat eksotermik. Sedangkan pada proses allothermal, kebutuhan panas dipenuhi dari sumber eksternal. Contoh sumber panas eksternal yang banyak digunakan adalah sirkulasi padatan panas dan penukar panas terintegrasi.
Menurut Karellas, Karl, dan Kakaras[12], gasifikasi allothermal dapat menghasilkan produk gas yang memiliki nilai kalor tinggi, sehingga gas tersebut selanjutnya dapat dibakar untuk menghasilkan panas dan listrik. Akan tetapi terdapat tantangan utama dalam gasifikasi allothermal yaitu dalam hal perpindahan panas dari sumber panas eksternal ke dalam gasifier. Oleh karena itu Karellas dkk. melakukan inovasi teknologi gasifikasi allothermal menggunakan reaktor yang diberi nama Biomass Heatpipe Reformer (BioHPR). Pada teknologi ini, perpindahan panas dari ruang pembakaran ke dalam gelembung gasifier unggun terfluidisasi dilakukan menggunakan pipa pemanas. Penelitian Karellas
dkk. menunjukkan bahwa sistem dengan efisiensi sangat tinggi dapat tercapai apabila gasifikasi biomassa dilakukan pada temperatur yang tinggi dan nisbah kukus berlebih yang rendah.
Senada dengan Karrelas dkk., Keng Tung Wu dan Hom Ti Lee[13] juga menganjurkan penggunaan proses gasifikasi allothermal. Hasil penelitian mereka menunjukkan bahwa proses gasifikasi allothermal dapat menghasilkan nilai panas gas sintesis yang lebih tinggi (mencapai 12 MJ/m3) dibandingkan dengan sistem autothermal (4,2 s.d. 6,3 MJ/m3). Selain itu, gas sintesis hasil gasifikasi allothermal memiliki kandungan hidrogen lebih banyak dan kandungan tar lebih sedikit. Akan tetapi jika dipandang dari neraca energi keseluruhan, keluaran energi bersih (netto) untuk proses gasifikasi allothermal dapat menjadi lebih rendah dibandingkan proses autothermal. Hal tersebut disebabkan fakta bahwa sumber energi eksternal dapat mengkonsumsi lebih banyak energi dan kemungkinan terjadinya hilang panas melalui dinding pipa.
II.2.3 Reaktor Gasifikasi
Saat ini terdapat 3 (tiga) jenis utama reaktor gasifikasi yaitu reaktor unggun tetap (fixed bed), reaktor unggun terfluidakan (fluidized bed), dan reaktor entrained flow. Ketiga jenis reaktor tersebut memiliki keunggulan dan kelemahan masing-masing yang akan diuraikan pada sub bab berikutnya.
II.2.3.1. Reaktor Unggun Tetap
Di dalam reaktor unggun tetap, biomassa akan mengalir ke bawah (turun) sedangkan gas dapat mengalir ke atas (counter-current) ataupun ke bawah ( co-current). Di dalam aliran counter-current, gas keluaran reaktor memiliki temperatur sekitar 80-100oC dan dihasilkan banyak tar. Oleh karena itu reaktor jenis ini biasanya langsung dipasangkan dengan combuster. Jenis reaktor aliran counter-current ini digunakan oleh Primenergy (PRM) dan Lurgi. Keuntungan penggunaan reaktor unggun tetap counter-current adalah sebagai berikut:
~ Sederhana, proses lebih murah
~ Dapat menangani biomassa yang memiliki kandungan air dan material anorganik tinggi (misalnya sampah kota)
~ Teknologi yang sudah terbukti (proven)
Sedangkan kekurangan utama dari penggunaan gasifier jenis ini adalah kandungan tar yang mencapai 10-20% berat, sehingga dibutuhkan proses pembersihan gas yang lebih ekstensif sebelum dilanjutkan ke unit operasi lainnya.
Di dalam reaktor unggun tetap aliran co-current, gas keluaran reaktor umumnya memiliki temperatur 700oC. Di dalam jenis aliran ini, kandungan air harus kurang dari 20% untuk menjaga temperatur tetap tinggi. Kandungan debu harus rendah dan non-slagging. Umpan harus memiliki ukuran partikel yang seragam. Jenis reaktor co-current digunakan oleh Community Power BioMAX. Keunggulan reaktor jenis ini adalah:
~ Hampir 99,9% tar yang terbentuk dikonsumsi kembali, sehingga hampir tidak membutuhkan proses pembersihan tar
~ Mineral terbawa dalam char/debu, sehingga kebutuhan siklon dapat dikurangi
~ Teknologi proven, sederhana, dan biaya yang dibutuhkan lebih murah
Meskipun demikian, masih terdapat kekurangan teknologi unggun tetap co-current ini, yaitu:
~ Membutuhkan pengeringan umpan hingga kandungan airnya <20%
~ Gas sintesis yang keluar dari reaktor memiliki temperatur yang tinggi, sehingga membutuhkan sistem pemanfaatan panas sekunder
~ 4-7% kandungan karbon tidak terkonversikan
Gambar II.4. Skema reaktor unggun tetap aliran counter-current (kiri) dan co-current
(kanan)
Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004
II.2.3.2. Reaktor Unggun Terfluidakan
Terdapat 2 (dua) jenis pengoperasian reaktor unggun terfluidakan yaitu bubbling fluidized bed (BFB) dan circulating fluidized bed (CFB). Di dalam reaktor BFB, aliran gas mengalir ke atas melalui unggun yang terdiri atas material granuler yang bebas bergerak (misalnya pasir). Kecepatan aliran gas harus cukup tinggi untuk menjaga agar pasir tetap berada pada kondisi terfluidisasi. Gas yang digunakan umumnya adalah udara, oksigen, ataupun kukus. Sedangkan material pasir yang umum digunakan adalah dolomite, calcite, atau alumina. Jenis reaktor unggun terfluidakan memiliki keunggulan dalam hal pencampuran yang baik serta perpindahan massa dan panas yang baik pula. Gasifikasi yang dijalankan pada reaktor jenis ini sangat efisien dan umumnya dapat mencapai konversi karbon 95-99%. Debu yang terbawa oleh gas dipisahkan menggunakan siklon. Jenis reaktor BFB (Gambar II.5) digunakan oleh EPI, GTI-RENUGAS, Carbona, Foster-Wheeler, dan MTCI.
Keunggulan penggunaan gasifier BFB adalah: ~ Perolehan gas produk lebih seragam
~ Profil temperatur di sepanjang reaktor lebih seragam
~ Rentang ukuran partikel yang dapat dioperasikan dalam gasifier ini lebih lebar, termasuk partikel halus
~ Laju perpindahan panas antara material inert, bahan bakar, dan gas lebih cepat
~ Konversi tinggi sedangkan produk tar dan karbon yang tak terkonversi rendah
Kekurangan utama penggunaan gasifier BFB adalah kemungkinan terbentuknya ukuran gelembung yang besar di sepanjang unggun.
Gambar II.5. Skema Reaktor Bubbling Fluidized Bed
Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004
Apabila kecepatan aliran gas melewati 9 m/s, hampir seluruh padatan material pasir terbawa oleh aliran sehingga pengoperasian reaktor menjadi CFB. Material pasir dipisahkan dari aliran gas di dalam siklon sedangkan debu-debu halus dipisahkan dari gas menggunakan dusting equipment. Jenis reaktor CFB (Gambar II.6) digunakan oleh FERCO. Keunggulan reaktor CFB adalah:
~ cocok untuk reaksi yang berjalan dengan cepat,
~ laju perpindahan panas cepat akibat pengaruh dari kapasitas panas material unggun yang tinggi
~ diperoleh konversi tinggi, produksi tar rendah, dan karbon tak terkonversi rendah
Kelemahan reaktor ini adalah:
~ terbentuknya gradient temperatur di arah aliran padatan,
~ ukuran partikel sangat menentukan laju transport minimum, kecepatan yang terlalu tinggi dapat menyebabkan erosi peralatan,
Gambar II.6. Skema Reaktor Circulated Fluidized Bed Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004
Tijmensen dkk[18] telah melakukan kajian teknis kondisi proses gasifikasi menggunakan gasifier unggun terfluidakan. Hasil kajian tersebut diberikan pada Tabel II.5. Merekajuga mengkaji berbagai jenis gasifier yang tersedia dan sedang dikembangkan. Hasil kajian yang diberikan pada Tabel II.6. menunjukkan rentang komposisi gas sintesis yang cukup luas sehingga dapat merepresentasikan variasi CO:H2 maksimum yang masih mungkin dicapai.
Tabel II.5 Aspek-aspek Teknis Gasifikasi menggunakan Fluidized Bed
Gasifikasi bertekanan
(+) Peralatan di sisi hilir lebih kecil dan secara umum lebih murah terutama untuk
peralatan berskala besar
(-) Reaktor gasifikasi (gasifier) memakan biaya yang lebih besar apabila skala proses lebih kecil
(-) Sulit menjaga laju massa di dalam gasifier
agar tetap konstan, sehingga pengalaman operasi masih terbatas pada proyek-proyek demo
Gasifikasi atmosferik
(-) Ukuran peralatan di sisi hilir lebih besar
(+) Reaktor gasifikasi (gasifier) memakan biaya yang lebih murah apabila skala proses lebih kecil
(+) Terdapat banyak pengalaman komersial menggunakan udara sebagai agen gasifikasi
Oksigen
(-) Dibutuhkan pabrik pemisahan udara, sehingga skala kecil kurang ekonomis (+) Tidak terjadi pelarutan gas sintesis oleh N2
Udara
(+) Proses lebih murah
(+) Gas sintesis larut dalam N2, berpengaruh
pada selektivitas C5+
Pemanasan Langsung (+) Produksi tar lebih sedikit
Pemanasan Tidak Langsung (-) Produksi tar lebih banyak
Sumber: Exploration of the possibilities for production of Fischer Tropsch liquids and power via biomass gasification, Tijmensen, 2002
Tabel II.6 Karakteristik berbagai jenis Gasifier
II.2.3.3. Reaktor Entrained Flow
Reaktor entrained flow dapat dibagi menjadi 2 (dua) jenis yaitu slagging dan non slagging. Di dalam gasifier slagging, komponen-komponen yang terbentuk dari parikel debu dapat meleleh di dalam gasifier, mengalir turun di sepanjang dinding reaktor, dan meninggalkan reaktor dalam bentuk slag cair. Secara umum, laju alir massa slag sekurang-kurangnya 6 % dari laju alir bahan bakar untuk memastikan proses berjalan dengan baik[17]. Di dalam gasifier non slagging, dinding reaktor tetap bersih dari slag. Jenis gasifier ini cocok untuk umpan yang kandungan partikel debu nya tidak terlalu tinggi. Skema reaktor entrained flow diberikan pada Gambar II.7.
Gambar II.7. Skema Reaktor Entrained Flow
Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004
Kelakuan partikel debu yang dihasilkan oleh biomassa diteliti secara detail oleh Boerrigter dkk[17]. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa partikel debu yang dihasilkan oleh biomassa, khususnya biomassa kayu, sulit meleleh pada temperatur operasi gasifier entrained flow (1300-1500 oC). Hal tersebut disebabkan kenyataan bahwa partikel debu tersebut banyak mengandung CaO. Oleh karena itu gasifier non slagging sepertinya menjadi pilihan utama untuk proses gasifikasi, juga dengan pertimbangan bahwa jenis gasifier ini lebih murah. Akan tetapi gasifier entrained flow jenis slagging lebih disukai untuk operasi gasifikasi dengan umpan biomassa. Alasan yang paling penting adalah (1) pelelehan sebagian kecil komponen partikel debu tidak akan pernah dapat
dihindari dan (2) gasifier entrained flow jenis slagging lebih fleksibel terhadap jenis biomassa yang akan digunakan. Fleksibilitas jenis umpan ini bahkan dapat diperluas hingga ke batu bara. Penambahan agen fluks seperti silica atau clay diperlukan. Selain itu recycle slag juga diperlukan.
Penggunaan reaktor entrained flow jenis slagging untuk batu bara sudah dapat diaplikasikan. Oleh karena itu, penambahan material fluks menyebabkan slag yang dihasilkan melalui gasifikasi biomassa menjadi mirip dngan slag yang dihasilkan oleh gasifikasi batu bara. Sehingga tidak terdapat permasalahan untuk proses gasifikasi itu sendiri apabila umpan yang digunakan bukan batu bara, melainkan biomassa. Akan tetapi tantangan utama yang timbul adalah dalam hal pengumpanan biomassa[17].Sebagaimana telah dikaji oleh peneliti-peneliti di seluruh dunia, proses gasifikasi dapat terjadi pada tekanan yang berbeda, melalui proses pemanasan langsung ataupun tidak langsung, serta menggunakan udara atau oksigen.
II.2.4 Kondisi Operasi Proses Gasifikasi
Proses gasifikasi bertekanan memiliki beberapa keuntungan secara ekonomi: ukuran reaktor gasifikasi yang dibutuhkan lebih kecil sehingga kapasitas reaktor dapat ditingkatkan semaksimum mungkin, tidak dibutuhkan kompresi tambahan (karena proses sintesis FT selanjutnya bertekanan tinggi), temperatur dapat dijaga tetap tinggi apabila proses selanjutnya membutuhkan umpan bertemperatur tinggi. Akan tetapi pada tekanan di atas 25-30 bar, gasifier harus dibangun menggunakan bahan yang lebih tahan tekanan dan proses pengumpanan menjadi mahal[11].
Ciferno dan Marano (2002) telah melakukan benchmark terhadap berbagai teknologi gasifikasi biomassa. Dalam studinya, mereka memberikan rangkuman data rata-rata kondisi operasi untuk beberapa jenis gasifier yang diberikan pada Tabel II.7.
Tabel II.7. Rangkuman data Kondisi Operasi Beberapa jenis gasifier
Sumber: Benchmarking Biomass Gasification Technologies for Fuels, Chemicals, and Hydrogen Production, Ciferno dan Marano, 2002
Gasifikasi biomassa di dalam interconnected fluidized beds diteliti oleh Laihong Shen, Yang Gao, dan Jun Xiao dari China[16]. Interconnected fluidized beds menyerupai circulating fluidized bed (CFB) yang dilengkapi dengan ekstra bubbling fluidized bed setelah siklon. CFB dirancang untuk pembakaran umpan menggunakan udara, sedangkan bubbling fluidized bed dirancang untuk gasifikasi umpan menggunakan kukus. Kontak langsung antara proses gasifikasi dan pembakaran harus dihindari; kebutuhan panas gasifikasi diperoleh dari sirkulasi partikel unggun. Produk gas kaya H2 yang dihasilkan bebas dari larutan N2
meskipun media pembakaran yang digunakan adalah udara. Hasil-hasil yang diperoleh antara lain:
Temperatur gasifikasi harus berada pada rentang 750 – 800 oC, sedangkan temperatur pembakaran haruslah 920 oC, dan rasio kukus/biomassa harus berada pada rentang 0,6-0,7.
Ketika temperatur gasifier ditingkatkan, kandungan H2 meningkat drastis,
dan mencapai nilai maksimum pada temperatur sekitar 800 oC selanjutnya konstan. CO di dalam fuel gas meningkat seiring dengan peningkatan temperatur gasifier, sementara CO2 dan CH4 menurun.
Kandungan H2 dan CO2 meningkat perlahan seiring dnegan peningkatan
Increment perolehan hidrogen cukup besar seiring dengan rasio kukus/biomassa pada temperatur gasifikasi yang lebih rendah (di bawah 750 oC). Terdapat nilai optimal rasio kukus/biomassa terhadap temperatur gasifier. Rasio kukus/biomassa terhadap perolehan hidrogen maksimal berkurang seiring kenaikan temperatur gasifikasi.
Konversi karbon pada biomassa berkurang seiring dengan kenaikan temperatur gasifier dan rasio kukus/biomassa. Untuk mempertahankan temperatur gasifier, resirkulasi partikel unggun harus dijaga pada rentang 4-14 untuk temperatur pembakaran 920 oC, temperatur gasifier antara 750-800 oC, dan rasio kukus/biomassa = 0,7.
II.3 Pemrosesan Gas Sintesis
Gas sintesis yang dihasilkan dari gasifikasi biomassa memiliki kandungan utama H2, CO, CO2, dan CH4. Komposisi gas-gas tersebut di dalam gas sintesis dapat
disesuaikan dengan kebutuhan proses sintesis FT menggunakan proses reformasi metana (mengkonversikan CH4 menggunakan kukus menjadi CO dan H2), reaksi
pergeseran (menyesuaikan rasio H2/CO dengan mengkonversikan CO
menggunakan kukus menjadi H2 dan CO2), dan penghilangan CO2 yang dapat
mengurangi komposisi gas-gas inert yang akan masuk ke dalam proses FT. Reaksi reformasi metana dijalankan di dalam autothermal reformer (ATR), sedangkan penghilangan CO2 dilakukan menggunakan proses amine treating.
II.4 Pembersihan Gas Hasil Gasifikasi
Gas sintesis yang dihasilkan dari proses gasifikasi mengandung berbagai kontaminan seperti partikulat, tar yang mudah terkondensasi, senyawa alkali, H2S,
HCl, NH3, dan HCN. Kontaminan-kontaminan tersebut dapat menurunkan
aktivitas sintesis FT akibat peracunan katalis. Sulfur merupakan racun katalis Co dan Fe (juga merupakan racun bagi katalis reaksi pergeseran dan reformasi), karena dapat menutupi area aktif katalis. Toleransi terhadap kontaminan tersebut sangat rendah, sehingga diperlukan proses pembersihan yang lebih mendalam.
Skema teknologi berbagai strategi pembersihan gas hasil gasifikasi dan teknologi yang sudah dikembangkan baik secara komersial maupun dalam tahap demonstrasi diberikan dalam Gambar II.8.
Gambar II.8. Teknologi Pembersihan Gas
Sumber: Biomass Gasifier ‘Tars’: Their Nature, Formation, and Conversion
11.5.1. Teknologi Pemisahan Partikulat
Kebutuhan proses pemisahan partikulat sangat bervariasi, bergantung pada penggunaan produk gas selanjutnya. Sebagai ilustrasi, kandungan partikulat harus dikurangi hingga di bawah 50 mg/Nm3 apabila ingin digunakan dalam gas engine (Abatzoglou dkk., 2000), di bawah 15 mg/Nm3 (>5m) untuk turbin, dan sekitar 0,02 mg/Nm3 untuk gas sintesis (Graham dan Bain, 1993). Jenis-jenis teknologi yang umum digunakan untuk pemisahan partikulat antara lain: cyclonic filter, barrier filter, electrostatic filter, dan wet scrubber. Penjelasan untuk masing-masing teknologi akan disampaikan pada sub bab selanjutnya.
11.5.1.1. Cyclonic Filter
Cyclonic Filter merupakan unit utama yang digunakan untuk menghilangkan partikulat curah dari aliran gas. Siklon ini menggunakan gaya sentrifugal untuk memisahkan padatan dari gas dengan mengarahkan aliran gas menuju jalur melingkar. Karena pengaruh gaya inersia, partikulat tidak akan mampu mengikuti jalur tersebut sehingga akan terpisahkan dari aliran gas. Meskipun secara fisik pemisahan partikulat cukup kompleks, filter siklon dengan kinerja yang sudah diprediksikan sebelumnya dapat dirancang menggunakan teknologi teoritis dan empiris yang sudah dikembangkan selama ini.
Filter siklon (seringkali dirancang sebagai tube berbentuk U) umumnya digunakan sebagai langkah pembersihan gas yang paling pertama di sebagian besar sistem gasifikasi karena unit ini dipandang cukup efektif dan relatif murah untuk dibangun dan dioperasikan. Di dalam gasifier unggun terfluidakan ataupun entrained bed, sikon merupakan bagian terintegrasi dalam perancangan reaktor yang digunakan untuk memisahkan material unggun dan partikulat lainnya dari aliran gas.
Filter partikulat efektif untuk memisahkan partikel yang ukurannya lebih besar dan dapat dioperasikan pada rentang temperatur yang cukup besar. Batasan utamanya hanya pada segi bahan konstruksi. Filter siklon, seringkali dirancang dalam bentuk beberapa unit yang dipasang seri (multi-clones), dapat memisahkan >90% partikulat berdiameter 5m dengan penurunan tekanan minimum 0,01 atm. Pemisahan partikulat dengan diameter 1-5m secara parsial juga masih memungkinkan, namun filter siklon menjadi tidak efektif untuk memisahkan partikel sub-micron. Karena filter siklon dapat dioperasikan pada temperatur tinggi, panas sensible dalam produk gas dapat dipertahankan.
Filter siklon juga dapat memisahkan tar yang terkondensasi dan material alkali dari aliran gas, namun bentuk uap dari kedua jenis kontaminan tersebut masih akan terbawa oleh aliran gas. Dalam praktiknya, pemisahan sejumlah tar secara signifikan dapat dilakukan secara sekuensial dengan cara memisahkan partikulat
pada temperatur yang lebih tinggi sehingga tar akan tetap berada pada fasa gas. Aliran gas kemudian didinginkan dan tar yang terkondensasi kemudian dipisahkan. Cara tersebut dapat mengurangi kecenderungan menempelnya partikulat di permukaan terlapisi tar yang dapat menyebabkan penyumbatan. Filter siklon sangat sering digunakan dalam berbagai proses dan tersedia secara komersial dari berbagai vendor. Teknologi filter siklon merupakan teknologi yang sudah matang dan pengembangannya di masa depan dapat dikatakan tidak akan terlalu signifikan.
11.5.1.2. Barrier Filter
Barrier filter terdiri atas material berpori yang dapat dilewati aliran gas namun tidak dapat dilewati oleh partikulat. Filter jenis ini dapat memisahkan partikulat berdiameter kecil dalam rentang 0,5-100 m. Barrier filter dapat dirancang untuk memisahkan hampir semua ukuran partikulat, termasuk rentang sub-micron, namun penurunan tekanan di sepanjang filter akan meningkat seiring dengan penurunan ukuran pori. Sehingga terdapat hambatan teknik dan ekonomi dalam penggunaan sistem tersebut untuk pemisahan partikel dengan ukuran di bawah 0,5 m.
Barrier filter dibersihkan dengan cara melewatkan pulse gas bersih secara periodik melewati filter dengan arah yang berlawanan dengan aliran gas normal. Untuk mengurangi beban partikulat secara keseluruhan, filter tersebut ditempatkan setelah filter siklon. Barrier filter sangat efektif untuk memisahkan partikulat kering namun kurang cocok untuk kontaminan yang basah dan lengket seperti tar. Tar dapat menempel di permukaan filter hingga terjadi reaksi karbonisasi yang menyebabkan pengerakan dan penyumbatan.
Jenis barrier filter yang cocok untuk digunakan dalam sistem biomassa antara lain:
filter cross-flow yang dibangun menggunakan logam atau keramik bag filter yang dibangun dari material kayu
11.5.1.3. Electrostatic Filter
Electrostatic Filter sangat sering digunakan di dalam berbagai operasi pembersihan gas. Di dalam sistem ini, produk gas mengalir melalui elektroda bertegangan tinggi yang mengalirkan arus listrik ke partikulat, namun tidak mempengaruhi aliran gas permanen. Partikulat kemudian dikumpulkan sementara aliran gas mengalir melewati pelat pengumpul pada kutub yang berlawanan. Partikulat yang sudah dialiri arus kemudian bermigrasi ke pelat pengumpul dan mengendap di permukaannya. Partikulat dipisahkan dari pelat menggunakan metode basah atau kering. Scrubber kering menggunakan aksi mekanik untuk memisahkan material dari permukaan secara periodik dan dioperasikan pada temperatur 500 oC atau lebih. Sedangkan scrubber basah memisahkan partikulat menggunakan aliran air yang membentuk film tipis di permukaan dan dioperasikan pada temperatur sekitar 65 oC.
Electrostatic Filter telah banyak digunakan dalam sistem pembangkit listrik batubara dan digunakan juga dalam beberapa fasilitas pembakaran biomassa. Penggunaannya dalam gasifikasi skala menengah ataupun besar masih terbatas. Electrostatic Filter paling cocok untuk digunakan dalam operasi skala besar karena ukuran fisik dan harganya. Satu-satunya hambatan penggunaan filter ini dalam sistem gasifikasi hanya dari segi ekonomi.
Contoh pengguna jenis filter ini adalah Easymon AG gasifier di Boizenberg Jerman dan Harboore gasifier di Denmark. Kedua sistem tersebut memproduksi bahan bakar untuk gas engine dan memiliki pembangkit listrik dengan kapasitas 3,5 dan 1 MW. Pada kedua kasus tersebut, gas diproduksi menggunakan gasifier fixed bed up draft. Di Jerman, gas pertama kali didinginkan kemudian dilewatkan pada siklon dan catalytic tar cracker. Sedangkan Electrostatic Precipitator (kering) dipasang di bagian akhir untuk memisahkan sisa-sisa partikulat. Di Denmark, sistem tidak memiliki tar cracker dan gas yang sudah didinginkan melewati siklon kemudian langsung dialirkan ke electrostatic precipitator basah. Pada kedua kasus, produk gas sama-sama dilewatkan ke wet scrubber sebelum digunakan.
11.5.1.4. Wet Scrubber
Wet Scrubber menggunakan penyemprot cair, umumnya air, untuk memisahkan partikulat. Partikel dikumpulkan melalui tumbukan dengan tetesan cairan, kemudian tetesan tersebut dipisahkan kembali dari aliran gas di dalam demister. Wet Scrubber yang paling umum digunakan adalah venturi scrubber yang dapat menciptakan penurunan tekanan sehingga larutan dapat disemprotkan dengan mudah ke aliran gas. Kecepatan gas berkisar antara 60 s.d. 125 m/detik di area „tenggorokan‟. Efisiensi pemisahan partikulat sebanding dengan penurunan tekanan di sepanjang venturi. Dengan penurunan tekanan antara 2,5-25 kPa, scrubber jenis ini dapat memisahkan 99,9% partikel berukuran di atas 2 m, dan 95-99% partikel 1 m (Baker dkk, 1986).
Partikulat basah dari venturi kemudian dipisahkan dari aliran gas menggunakan demister. Demister dapat berbentuk siklon, packed bed, ataupun jenis pengumpul lainnya. Proses Wet Scrubbing mengharuskan air tetap berada pada fasa cair, sehingga produk gas harus didinginkan hingga di bawah 100 oC. Kehilangan panas sensible tersebut biasanya tidak diinginkan.
Sebagian besar sistem gasifikasi biomassa yang menggunakan Wet Scrubber umumnya menggunakan teknologi tersebut semata-mata untuk memisahkan tar, bukan partikulat. Penghilangan partikulat secara terpisah dapat mencegah kondensasi tar lengket pada permukaan partikulat, sehingga pengerakan dan penyumbatan dapat dicegah. Penggunaan Wet Scrubber untuk memisahkan tar akan dijelaskan lebih detail pada sub bab selanjutnya.
11.5.2. Teknologi Pemisahan Senyawa Alkali
Mineral dalam biomassa bung gaanyak mengandung garam-garam alkali, terutama potasium. Pada temperatur sekitar 800 0C garam alkali dapat menguap sehingga apabila didinginkan di sisi hilir akan mengendap dan menimbulkan masalah. Umumnya gasifier yang digunakan dalam skala besar bekerja pada temperatur 700-900 oC, oleh karena itu senyawa alkali sangat mungkin muncul pada berbagai sistem gasifikasi. Senyawa alkali akan tetap berada pada fasa uap di
dalam aliran gas hingga terjadi kondensasi ketika gas didinginkan hingga temperatur di bawah 650 oC. Uap alkali akan terkondensasi menjadi partikulat kecil (<5 m) dan dapat juga terkondensasi di permukaan partikulat lain ataupun di permukaan sistem. Pemisahan material terkondensasi ini sangat penting apabila gas akan digunakan pada aplikasi seperti tubin gas. Karena pada aplikasi tersebut, senyawa alkali akan teruapkan kembali pada temperatur tinggi dan terbawa ke zona pembakaran.
Pada kebanyakan sistem gasifikasi saat ini, uap alkali dipisahkan dengan cara mendinginkan produk gas hingga temperatur di bawah 600 oC agar senyawa alkali dapat terkondensasi menjadi partikulat padat. Padatan kemudian dipisahkan menggunakan berbagai sistem filtrasi yang telah dijabarkan sebelumnya. Pada sistem yang sensitif terhadap endapan garam alkali, sistem filtrasi harus memperhitungkan ukuran partikel yang sangat kecil dan kelakuan kimia dari material alkali yang terkondensasi tersebut. Siklon misalnya, akan menjadi tidak efektif untuk memisahkan padatan berukuran < 5 m.
Saat ini, metode yang paling efektif untuk memisahkan alkali adalah dengan cara mendinginkan produk gas hingga temperatur operasi teknologi pemisahan padatan lainnya seperti electrostatic filter, bag filter, atau wet scrubber. Meskipun sistem tersebut cukup efektif, kebutuhan pendinginan produk gas dan kehilangan panas sensible dapat mengurangi efisiensi sistem.
Turn dkk. (1999) melakukan kajian pemisahan alkali dari sebuah sistem gasifikasi yang dijalankan pada temperatur 825 oC yang dilengkapi dengan filter bauksit pada temperatur 650-725 oC. Hasil penelitiannya diberikan dalam Tabel II.8.
Tabel II.8. Hasil Filtrasi Alkali
Alkali Konsentrasi terukur tanpa filter bauksit
(ppm)
Konsentrasi terukur dengan filter bauksit
(ppm)
Na 28 0,07
K 11 0,58
Dari Tabel II.8 dapat dilihat bahwa penggunaan filter gas panas dapat mengurangi konsentrasi sodium dan potassium di dalam aliran gas secara signifikan.
11.5.3. Teknologi Pemisahan Tar
Pemisahan tar dari aliran gas sangat penting dalam sistem gasifikasi. Ketika produk gas mendingin, tar yang teruapkan akan terkondensasi pada permukaan yang lebih dingin ataupun pada permukaan partikulat. Proses pemisahan tar menjadi penting karena ketika gas harus didinginkan akibat kebutuhan aplikasi selanjutnya, tar terkondensasi dapat menyebabkan permasalahan operasional.
Untuk berbagai sistem yang sensitif terhadap pembentukan tar, sangat penting untuk mengurangi produksi tar yang terkandung dalam gas keluaran gasifier. Hal ini dapat dilakukan melalui pemilihan dan optimasi rancangan gasifier seperti disampaikan dalam Tabel II.9.
Tabel II.9. Perbandingan partikulat dan kandungan tar untuk beberapa rancangan reaktor gasifikasi biomassa
Jenis Gasifier
Partikulat (g/Nm3) Tar (g/Nm3)
Rendah Tinggi Rentang Minimum Maksimum Rentang Unggun Tetap Downdraft 0,01 10 0,1-0,2 0,04 6 0,1-1,2 Updraft 0,1 3 0,1-1 1 150 20-100 Unggun Bergerak Fluidized Bed 1 100 2-20 <0,1 23 1-15 Circulated Fluidized Bed 8 100 10-35 <1 30 1-15
Sumber: Graham dan Bain, 1993; Neeft, dkk., 1999
Mencocokkan jenis gasifier yang digunakan dengan aplikasi penggunaan produk gas selanjutnya merupakan langkah yang paling krusial untuk mencegah permasalahan akumulasi tar. Pemisahan tar dapat dilakukan melalui proses fisik maupun melalui proses berkatalis. Penjelasan mengenai kedua proses tersebut akan disampaikan dalam sub bab selanjutnya.
11.5.3.1. Teknologi Pemisahan Tar secara Fisik
Proses pemisahan tar yang paling umum dilakukan saat ini adalah melalui pendinginan produk gas sehingga tar dapat terkondensasi pada permukaan tetesan aerosol dan kemudian tetesan tersebut dipisahkan menggunakan teknologi yang mirip dengan pemisahan partikulat. Teknologi tersebut antara lain wet scrubber, electrostatic precipitator, atau siklon. Partikulat dihilangkan secara terpisah dengan tar. Namun apabila memungkinkan, pemisahan partikulat dan tar dapat dilakukan secara simultan.
Wet scrubber akan mengumpulkan tar dengan cara melewatkan material tersebut ke dalam tetesan air. Tar dan cairan mengalir ke dalam demister atau decanter untuk kemudian dipisahkan. Penggunaan air di dalam scrubber ini menyebabkan aliran gas harus berada pada temperatur 35-60oC. Berbagai penelitian telah dilakukan untuk mencari pengganti air seperti berbagai jenis minyak, namun penelitian-penelitian tersebut masih dalam tahap eksperimen.
Berbagai rancangan scrubber tersedia secara komersial seperti spray tower, impingement scrubber, baffle scrubber, dan venturi scrubber. Kaitan antara kompleksitas dan efisiensi scrubber tersebut diberikan dalam Tabel II.10. Wet scrubber telah banyak digunakan dalam industri pemrosesan gas dan kinerjanya sudah sangat baik.
Tabel II.10. Efisiensi Pemisahan Tar Relatif untuk berbagai jenis scrubber
Pressure drop, cm air Ukuran partikel (m) untuk pengumpulan hingga 80% Spray Tower 1,5-4 10 Impingiment 5-125 1-5 Packed Bed 5-125 1-10 Venturi 10-250 0,2-0,8 Sumber: Baker dll, 1986
Wet Scrubber juga sudah banyak digunakan untuk pembersihan gas hasil gasifikasi biomassa. Kinerja untuk beberapa jenis scrubber disampaikan dalam Tabel II.11.
Tabel II.11. Efisiensi Pemisahan Tar penggunaan Wet Scrubber dalam sistem Gasifikasi Biomassa
Teknologi Efisiensi Pemisahan Tar
Spray Tower
11-25% tar berat 40-60% PAH
0-60% senyawa fenolik
Spray Tower 29% tar berat
Venturi scrubber 50-90%
Venturi dan spray scrubber 83-99% material yang mudah terkondensasi Venturi + cyclonic
demister
93-99 % senyawa organik yang mudah terkondensasi
Vortex scrubber 66-78% residu penguapan
Sumber: Neeft dkk, 1999
Selain itu, terdapat proses pemisahan berbasis scrubbing menggunakan media berbasis minyak[23]. Salah satu proses yang sudah terbukti dapat memisahkan tar secara efisien dan memenuhi spesifikasi FTS adalah teknologi OLGA (paten ECN). Skema proses OLGA diberikan pada Gambar II.9.
Gambar II.9. Skema Proses OLGA Sumber: Boerrigter (2004)
Unit OLGA terdiri atas scrubber yang berfungsi untuk memisahkan tar dari gas dan stripper yang berfungsi untuk meregenerasi cairan pencuci. Karakterisitik yang perlu diperhatikan adalah penggunaan cairan pencuci khusus dan rentang temperatur operasi. Temperatur masukan OLGA harus lebih tinggi dari titik
embun tar (umumnya di atas 300 oC) untuk menghindari pengerakan tar di sisi hulu sistem OLGA. Temperatur keluaran harus dijaga di atas titik embun air untuk menghindari pencampuran kondensat air dengan cairan pencuci yang mengandung tar.
Perbandingan kinerja teknologi OLGA dibandingkan dengan teknologi pembersihan gas konvensional lainnya diberikan pada Gambar II.10.
Gambar II.10. Perbandingan Kinerja OLGA terhadap teknologi pembersihan gas lainnnya Sumber: Boerrigter (2004)
Berbagai jenis proses pembersihan gas lainnya yang sudah dikembangkan oleh peneliti-peneliti di dunia diberikan pada Tabel II.6.
Wet electrostatic precipitator juga dapat digunakan untuk memisahkan tar dari aliran gas produk. Pemisahan tar dilakukan menggunakan prinsip yang sama dengan pemisahan partikulat. Jenis teknologi pemisahan ini sangat efisien untuk memisahkan tar dan partikulat dari aliran gas dan dapat menyingkirkan hingga 99% material berdiameter < 0,1 m. Teknologi ini merupakan teknologi yang sudah matang dan tersedia secara komersial untuk berbagai jenis aplikasi.
Barrier filter sudah banyak digunakan untuk pemisahan tar dalam sistem gasifikasi biomassa. Tar ditangkap dengan cara melewatkan aerosol terkondensasi ke permukaan filter. Karena terdapat dalam bentuk cairan, tar menjadi lebih sulit
dipisahkan dari permukaan filter dibandingkan partikulat kering. Permasalahan pemisahan tar dari permukaan filter menjadi lebih kompleks apabila partikulat juga terdeposit karena filter cake yang dihasilkan tidak dapat langsung dipisahkan dari permukaan filter. Oleh karena itu barrier filter kurang cocok untuk digunakan sebagai teknologi pemisahan tar.
Cyclone filter dan berbagai unit pemisahan berbasis gaya sentrifugal lainnya juga dapat digunakan untuk memisahkan tar. Teknologi ini dapat dioperasikan menggunakan prinsip yang sama dengan pemisahan partikulat, menggunakan gaya sentrifugal untuk memisahkan padatan dan aerosol dari aliran gas. Teknologi ini cocok untuk memisahkan material dengan ukuran yang lebih besar dari 5 m.
Pada praktiknya, siklon dan pemisahan berbasis gaya sentrifugal lainnya tidak digunakan untuk memisahkan tar dalam sistem gasifikasi biomassa. Kombinasi partikulat dan tar lengket di dalam aliran gas dapat membentuk endapan material di permukaan siklon sehingga sulit dihilangkan pada kondisi operasi normal.
11.5.3.2. Teknologi Pemisahan Tar melalui proses berkatalis dan bertemperatur tinggi.
Proses berkatalis atau penghancuran menggunakan panas juga merupakan metode yang banyak digunakan untuk memisahkan tar dari produk gas. Dalam proses ini, tar mengalami dekomposisi secara thermal untuk membentuk tambahan gas produk dan arang. Penghancuran tar dapat dilakukan menggunakan energi panas pada temperatur sekitar 1200 oC atau menggunakan katalis pada temperatur yang lebih moderat (750-900 oC).
Penghancuran tar menggunakan proses berkatalis
Proses ini menggunakan katalis untuk membantu mempercepat proses perengkahan dan penghancuran tar. Berbagai penelitian dan pengembangan telah dilaksanakan menggunakan berbagai katalis berbasis logam maupun non logam di dalam gasifier ataupun pada vessel di luar gasifier.
Penelitian katalis yang dapat digunakan untuk merengkahkan ataupun menghancurkan tar berpusat pada penggunaan dolomit yang harganya murah. Tar direngkahkan menjadi molekul yang lebih kecil di permukaan katalis. Konsep utama dari proses ini adalah penghancuran tar segera setelah tar terbentuk sehingga tidak menimbulkan permasalahan di sisi hilir. Aliran turbulen dan temperatur tinggi pada penggunaan gasifier fluidized bed menyebabkan katalis mengalami pengikisan dan deaktivasi. Di dalam gasifier fixed bed, kontak antara katalis dengan tar seringkali tidak maksimal sehingga penghancuran tar menjadi tidak sempurna.
Penghancuran tar menggunakan proses thermal
Tar juga dapat direngkahkan secara termal tanpa katalis pada temperatur 1200 oC atau lebih. Kesulitan utama pelaksanaan perengakahan termal berada pada pengoperasian dan pertimbangan ekonomi, sehingga thermal cracking menjadi kurang menarik untuk digunakan.
11.5.4. Teknologi Pemisahan Senyawa Nitrogen
Pemisahan senyawa amoniak dari aliran gas biomassa cukup penting terutama dalam segi lingkungan. Ketika gas dibakar, amoniak akan terkonversi menjadi NOx yang emisinya dibatasi. Terdapat 2 (dua) pendekatan pembersihan amoniak
yaitu penghancuran amoniak menggunakan katalis dan teknologi wet scrubbing.
Penghancuran amoniak menggunakan katalis dapat dilakukan menggunakan katalis dolomit, katalis berbasis nikel, katalis berbasis besi (Leppälahti, dkk, 1994, 1991; Simmel, dkk, 1997). Penghancuran amoniak menggunakan katalis dolomit dan nikel efektif pada temperatur yang sama dengan temperatur operasi perengkahan tar. Sedangkan penggunaan katalis besi harus dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi (sekitar 900 oC). Dengan katalis-katalis tersebut, penghancuran >99% amoniak masih dimungkinkan. Pendekatan ini cukup menarik karena berpotensi untuk menghilangkan amoniak dan tar dari gas produk dengan tetap menjaga panas gas produk.
Dalam sistem yang mendinginkan produk gas terlebih dahulu, amoniak juga dapat dihilangkan menggunakan wet scrubbing. Amoniak yang diperoleh dari scrubber kemudian dapat diinjeksikan kembali ke dalam gasifier untuk mengkompensasi pengurangan amoniak akibat kesetimbangan termal dan agar bereaksi dengan NOx
yang terbentuk dalam proses gasifikasi.
11.5.5. Teknologi Pemisahan Senyawa Sulfur
Sebagian besar sumber biomassa umumnya tidak terlalu banyak mengandung sulfur sehingga pemisahan senyawa sulfur tidak begitu penting untuk dilakukan. Namun untuk sumber biomassa seperti limbah yang banyak mengandung sulfur, proses pembakaran akan menyebabkan kandungan sulfur akan dikonversikan menjadi sulfur oksida (SOx). Wet scrubber tersedia secara komersial untuk
memisahkan SOx dan sudah terbukti cukup handal.
Untuk aplikasi gas sintesis, kandungan sulfur dibatasi hingga 0,1 mg/Nm3 (Graham dan Bain, 1993). Sistem fuel cell juga membutuhkan konsentrasi sulfur di bawah 1 ppm. Selain itu sulfur dapat meracuni katalis yang digunakan untuk sintesis kimia, misalnya pada katalis berbasis Cu yang digunakan dalam sintesis methanol.
Hasler dkk. (1999) dalam studinya telah mengidentifikasi tingkat pengurangan tar dan partikulat lainnya dalam penggunaan berbagai sistem pembersihan gas produser. Identifikasi tersebut disampaikan dalam Tabel II.12.
