TEKNOLOGI GASIFIKASI

Sumber 1. A. Triantoro (2013) pengaruh katalis nikel dan k2co3pada proses gasifikasi batubara

peringkat rendah, ITB 2013

2. P. Nowacki , (1981), Coal Gasification Processes, Energy technology review

3. Gavalas, G.R. (1982), Coal Pyrolysis, Coal Science and Technology 4. Elsevier: Amsterdam,

4. Solomon, P.R., Hamblen, D.G., Carangelo, R.M., Serio, M.A. (1987): General Model of Coal Devolatilization, Energy and Fuel, 2, 405-422. 5. Solomon, P.R., Serio, M.A., dan Suuberg, E.M. (1992) : Coal Pyrolysis: Experiment,

Kinetic Rates and Mechanisms. Prog. Energy Combust. Sci., 18, 133 – 220

6. Grainger dan Gibson (1981): Coal Utilisation, Technology, Economics and Policy, Halsted Press.

7. majarimagazine.com/.../underground-coal-gasification-ucg-teknologi-alt...‎

Gasifikasi batubara adalah proses untuk mengkonversi batubara yang berwujud padat menjadi campuran gas yang memiliki nilai bakar.

Proses gasifikasi dilakukan dengan mereaksikan batubara dengan bahan pereaksi didalam suatu reaktor sehingga menghasilkan gas

Pereaksi yang digunakan dalam proses gasifikasi adalah O2, steam, CO2 atau campuran dari gas tersebut.

Gas produk gasifikasi memiliki komponen utama

H2, CO dan CO2

(Nowacki, 1981).

Skema Peralatan Percobaan Gasifikasi Batubara (Agus Triantoro, 2013)

Penggunaan Pereaksi yang berbeda akan menghasikan gas dengan nilai kalori yang berbeda pula :

Penggunaan pereaksi udara akan menghasilkan

produk gas kalori rendah dan mengandung pengotor N2 sekitar 50% yang berasal dari udara. Nilai kalori adalah 4 — 7 MJ/Nm3

Penggunaan pereaksi oksigen, steam, CO2 atau campuran dari gas tersebut akan menghasilkan syngas. Gas sintesis merupakan campuran gas H2 dan CO yang digunakan sebagai bahan baku untuk sintesa beberapa bahan kimia. Nilai kalori gas jenis ini adalah 10 — 18 MJ/Nm3 (medium)

Penggunaan pereaksi O2 akan menghasilkan reaksi eksotermal, sedangkan penggunaan pereaksi H2O dan CO2 akan menghasilkan reaksi endotermal.

Klasifikasi gas produk berdasarkan nilai kalori

1. Gas High Btu

- Nilai Kalori 970 – 1000 BTU per SCF

- Komposisi gas sebagian besar CH4 (> 90%) dan sebagian kecil CO, CO2 dan N2

2. Gas Medium BTU

- Nilai Kalor 270 – 600 Btu/Scf

- Pada nilai kalor yang lebih rendah dari rentang nilai kalori tsb, gas umunya terdiri dari CO, H2 dan sejumlah kecil CO2.

- Nilai kalor meningkat dengan seiring masuknya CH4 dan hidrokarbon lainnya

- Dapat terbakar dengan cepat

- Dapat digunakan sebagai sumber hidrogen untuk proses liquifaksi batubara

3. Gas Low BTU

- Nilai kalor 90 -150 BTU/Scf

- Komponen yang dapat terbakar terdiri dari CO dan H2

- Temperatur nyala rendah

- Dimanfaatkan sebagai bahan bakar turbin

Menurut Rajvanshi, 1986 , ada beberapa proses yang terjadi di dalam reaktor gasifikasi yaitu : Pengeringan Pirolisis Pembakaran Reduksi 1. Pengeringan Pada zona pengeringan, kandungan air dalam bahan bakar padat dikurangi

dengan memanfaatkan bahang dan udara yang masuk ke gasifier. Pengeringan terjadi pada suhu 100 - 200°C.

2. Tahap pirolisis - Pirolisis batubara merupakan proses dekomposisi thermal batubara pada

kondisi udara terbatas (Gavalas, 1982).

- Pada tahap ini terjadi perengkahan termal bahan bakar padat menjadi senyawa-senyawa CO, CO2,CH4, H2, H2O, tar dan arang. Gas-gas yang terbentuk pada tahap pirolisis akan menjadi reaktan pada tahap oksidasi dan tahap reduksi.

- pada temperatur 200oC hanya uap air yang dilepaskan. temperatur 200-280oC, CO2, asam asetat, dan uap air dilepaskan. Proses pirolisis pada temperatur 280-500oC menghasilkan gas dalam jumlah yang besar. Pada temperatur 500-700oC gas yang dihasilkan lebih sedikit dan mengandung hidrogen.

- Pemanasan terhadap partikel batubara menyebabkan pemutusan ikatan kimia dan ikatan paling lemah diikuti ikatan yang lebih kuat. Pada tahap pertama ikatan hidrogen terputus dan batubara melembek, yang disebut metaplast (Solomon, dkk., 1992).

- Pada tahap kedua, primary pyrolysis, ikatan kimia pada rantai alifatis mulai terputus sehingga membentuk molekul dengan berat molekul besar, uap air, metana, CO2, hidrokarbon ringan dan gas molekul ringan lainnya. Jika molekul besar yang terengkah memiliki jumlah molekul cukup ringan maka pada suhu pirolisis akan menguap sehingga pada suhu yang lebih rendah akan mengembun dan membentuk tar. Ikatan rantai silang menentukan terbentuknya tar dan reaktifitas arang yang terbentuk pada tahap berikutnya (Solomon, dkk., 1987).

- Pada tahap ketiga, secondary pyrolysis, terjadi pemutusan ikatan kimia dan gugus fungsi metilen membentuk gas metana, gugus fungsi eter membentuk gas CO dan proses kondensasi melepaskan gas hidrogen. Pada tahap ini juga terjadi proses polimerisasi molekul-molekul besar membentuk karbon padat.

Perubahan Struktur Molekul Penyusun Batubara Selama Proses Pirolisis (Solomon, dkk., 1987)

3. Tahap pembakaran - Pada tahap ini berlangsung reaksi antara oksigen dari media

penggasifikasi dengan gas-gas yang mudah terbakar (combustible) dan karbon dari tahap pirolisis.

- Reaksi oksidasi ini sangat eksoterm sehingga bahang reaksi

oksidasi dapat memenuhi kebutuhan bahang pada tahap pengeringan, pirolisis, dan reduksi.

- Reaksi oksidasi yang berlangsung adalah (Cristopher Higman, 2008)

C + ½ O2 CO -111 J/Kmol………………………….…(2.3) CO + ½ O2 CO2 -283 MJ/Kmol ……………………….(2.4) H2 + ½ O2 2H2O -242 MJ/Kmol…………….........….(2.5) 4. Tahap reduksi - Reduksi 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 yang umum terjadi pada reaksi reduksi (Cristopher Higman, 2008) :

Reaksi Boudouard (Boudouard reaction) Boudouard reaction merupakan reaksi antara

karbondioksida yang terdapat di dalam gasifier dengan karbon untuk menghasilkan CO. Reaksi yang terjadi adalah sbb:

C + CO2 2 CO + 172 MJ/Kmol Water gas Reaction Water-gas reaction merupakan reaksi oksidasi parsial

karbon oleh steam yang dapat berasal dari bahan bakar padat itu sendiri (hasil pirolisis) maupun dari sumber yang berbeda, seperti uap air yang dicampur dengan udara dan uap yang diproduksi dari penguapan air. Reaksi yang terjadi pada water-gas reaction adalah sbb :

C + H2O CO + H2 + 131 MJ/Kmol

Reaksi Methanisasi (Methanation Reaction) Methanation reaction merupakan reaksi pembentukan

gas metan. Reaksi yang terjadi pada methanisasi adalah sbb:

C + 2H2 CH4 - 75 MJ/Kmol Reaksi Shift CO (CO Shift Reaction) CO shift reaction merupakan reaksi reduksi karbon

monoksida oleh steam untuk memproduksi hidrogen. Reaksi ini dikenal sebagai water-gas shift yang menghasilkan peningkatan perbandingan hidrogen terhadap karbon monoksida pada gas produser. Reaksi yang terjadi adalah sbb :

CO + H2O CO2 + H2 - 41 MJ/Kmol

Gasifier ( Reaktor gasifikasi)

Jenis gasifier yang digunakan untuk Gasifikasi batubara.

1. Fixed bed - Merupakan reaktor unggun tetap berbentuk vertikal - Batubara dimasukan dibagian atas gasifier dan gas

dimasukan dibagian bawah . - suhu relatif rendah yaitu maksimal sekitar 600 0C - Ukuran batubara yang digunakan 5 – 55 mm - batubara yang akan digasifikasi harus memiliki suhu

leleh abu (ash fusion temperature) yang tinggi. - Gasifikasi ini menghasilkan gas produk dan abu - Gas yang dihasilkan akan diambil dibagian atas,

sedangkan abu diambil dibagian bawah gasifier - produk utama yaitu gas hidrogen dan karbon

monoksida

2. Fuidized bed gasifier - Batubara yang digunakan berukuran 0.5 –

5mm - Batubara dimasukan pada bagian atas

unggun kemudian dialirkan dengan bantuan gas sehingga bergerak seperti fluida.

- Gas yang digunakan dialirkan dibagian bawah gasifier

- Suhu operasi yang digunakan seragam, 600-1000 oC. Suhu tinggi ini digunakan untuk mencegah terjadinya aglomerasi dan pembentukan kerak.

- Kelebihan gasifier ini antara lain mampu memproses bahan bakar yang memiliki kandungan abu tingi (batubara kualitas rendah)

3. Entrained Bed Gasifier - Bahan baku yang digunakan berukuran kecil <

0.1 mm dan homogen - Batubara serbuk ini disemburkan ke gasifier

bersamaan dengan aliran oksigen, udara atau uap air.

- Proses gasifikasi berlangsung pada suhu 1200 – 1800 oC.

- Gasifikasi pada suhu tinggi ini menghasilkan gas sintetik kualitas tinggi

- Kelebihan gasifier ini adalah tidak memperhatikankarakteristik batubara, mengandung sedikit tar.

- Kekurangan gasifier ini adalah memerlukan oksigen yang lebih banyak dan untuk batubara yang berukuran besar memerukan pengolahan awal

Faktor Gasifikasi Variabel yang mempengaruhi proses gasifikasi

diklasifikasikan menjadi empat kelompok (Kristiansen, 1996), yaitu:

Kondisi operasi, yang meliputi temperatur, tekanan, laju oksidan, laju batubara, dan lain-lain.

Kondisi fluida penggasifikasi, konsentrasi oksigen, perbandingan oksigen/batubara, perbandingan oksigen/uap air, perbandingan uap air/batubara, dan lain-lain.

Metoda gasifikasi (teknologi gasifikasi), mencakup jenis pergerakan partikel, tipe gasifier, metoda pasokan oksidan, dan lain-lain.

Karakteristik batubara, antara lain reaktifitas, kandungan air, oksigen, zat-zat volatil dan sulfur, ukuran partikel, kekerasan batubara, sifat caking, karakteristik abu, dan lain-lain.

Gasifikasi Bawah Tanah

Gasifikasi bawah tanah merupakan proses pengkonversian batubara yang berada di bawah tanah (tidak ditambang) menjadi gas bakar dengan memproses batubara secara in-situ. Batubara yang berada di bawah permukaan tanah dan tidak ditambang ini akan bereaksi dengan udara / oksigen dan steam yang diinjeksikan untuk membentuk gas, cairan, dan abu sebagai residunya (Sinha, 2007). Komponen yang diinjeksikan akan bereaksi dengan batubara untuk membentuk gas bakar yang dibawa menuju ke permukaan melalui sumur produksi gas. Kemudian gas tersebut dibersihkan dan digunakan sebagai bahan bakar atau bahan baku kimia (Creedy, 2001)

Gasifikasi bawah tanah ini merupakan metode yang

mengkombinasikan ekstraksi dan konversi batubara menjadi satu tahap

Proses gasifikasi bawah tanah hampir serupa dengan proses gasifikasi pada reaktor di permukaan hanya saja reaktor gasifikasinya berada di bawah tanah.

Tahapan proses gasifikasi bawah tanah adalah sebagai berikut : (Hattingh, 2008): 1. Mencari potensi batubara yang akan diolah dengan teknologi gasifikasi bawah tanah 2. Melakukan Pengeboran ke dalam tanah 3. Membuat jalur / jaringan gasifikasi bawah tanah di bawah tanah 4. Pembakaran batubara 5. Injeksi oksigen/udara dan steam 6. Ekstrak gas sintesis

Prinsip gasifikasi bawah tanah adalah dua lubang bor diansumsikan cukup baik berhubungan sehingga gas dari sumur injeksi mengalir dengan baik tanpa halangan ke sumur produksi.

Proses awal melibatkan pengeboran pada dua atau lebih boreholes hingga mencapai lapisan coal seam. Selanjutnya, batubara dalam tanah dinyalakan dan dibakar dengan injeksi udara / oksigen murni dan atau dengan steam melalui satu borehole. Gas bertekanan hasil proses gasifikasi bawah tanah terkandung dalam coal seam dengan menempati cekungan batuan-batuan yang kedap air dan air bertekanan di sekitar batubara dan lapisan overburden (Hattingh, 2008). Kemudian gas bertekanan akan mengalir keluar melalui borehole menuju ke permukaan.

Jika pembakaran dimulai pada dasar sumur injeksi dan didukung oleh injeksi udara dari atas secara kontinyu, maka rekasi-reaksi yang terjadi pada sistem tersebut secara cepat menghasilkan zona sebagai berikut :

1. Dalam zona pembakaran, terbentuk karbondioksida 2. Karbondioksida ini terdesak oleh udara yang baru masuk

menuju sumur produksi dan berekasi secara parsial dnegan batubara dalam zona reduksi untuk membentuk karbonmonoksida. Jika suhu cukup tinggi, tergantung pada laju udara yang diinjeksikan sejumlah air dalam batubara akan dipasok oleh uap yang diinjeksikan, bersama-sama udara akan berekasi dengan batubara

3. Pada saat yang bersamaan, batubara yang dipanasi di zona reduksi akan terdekomposisi dan melepaskan volatile matter menjadi tar atau thermaly crack sehingga membentuk kontribusi tambahan CO, H2 dan hidrokarbon ringan pada campuran gas produk. Semua proses ini akan berlangsung terus menerus sampai semua batubara terkonsumsi secara fisik dan akhirnya melalui sumur produksi diperoleh gas bahan bakar yang sebagian besar terdiri dari nitrogen, CO, CO2 dan H2

Keunggulan Gasifikasi bawah tanah menurut Creedy (2001) dan Hattingh (2008) )

1. Potensial bagi teknologi gasifikasi yang lebih bersih 2. Mengurangi dampak debu, polusi suara, dan dampak visual pada permukaan tanah 3. Konsumsi air yang lebih sedikit 4. Resiko dari polusi air permukaan lebih kecil 5. Mengurangi emisi metana 6. Tidak ada penanganan yang kotor dan tidak ada pembuangan pada daerah tambang. 7. Tidak ada pencucian batubara 8. Tidak ada penanganan abu (ash) 9. Tidak perlu terdapat stok batubara dan transportasi batubara 10. Daerah pekerjaan yang lebih kecil pada stasiun pembangkit listrik 11. Faktor kesehatan dan keselamatan lebih baik 12. Berpotensi mengurangi biaya kapital dan biaya operasi secara keseluruhan (lebih ekonomis khususnya untuk skala yang lebih kecil) 13. Tingkat fleksibilitas untuk mengakses mineral tinggi 14. Sumber daya batubara yang dapat dimanfaatkan lebih besar

kelemahan teknologi gasifikasi bawah tanah menurut Hattingh (2008) yaitu: 1. Berpotensi untuk terjadinya kontaminasi 2. Memiliki banyak variasi tekanan operasi dalam rongga reaktor bawah tanah

• Reaksi endoterm adalah reaksi yang disertai dengan perpindahan kalor dari lingkungan ke sistem ( kalor diserap oleh sistem dari lingkungannya ); ditandai dengan adanya penurunan suhu lingkungan di sekitar sistem.

• Reaksi eksoterm adalah reaksi yang disertai dengan perpindahan kalor dari sistem ke lingkungan ( kalor dibebaskan oleh sistem ke lingkungannya ); ditandai dengan adanya kenaikan suhu lingkungan di sekitar sistem.

• Reaksi eksoterm pada umumnya berlangsung spontan, sedangkan reaksi endoterm tidak.

• Pada reaksi endoterm : DH = Hp – Hr > 0 ( bertanda positif ) • Pada reaksi eksoterm : DH = Hp – Hr < 0 ( bertanda negatif )