BAB II TEORI DASAR 2.1 Batubara

Transkripsi

1 BAB II TEORI DASAR 2.1 Batubara Batubara merupakan bahan bakar padat organik yang berasal dari batuan sedimen yang terbentuk dari sisa bermacam-macam tumbuhan purba dan menjadi padat disebabkan tertimbun lapisan diatasnya [Sudarsono, 2003]. Pembatubaraan terjadi melalui proses fisik dan kimiawi yang melibatkan pembusukan oleh bakteri, pemadatan, dan bahang dalam kurun waktu yang lama. Tingkatan batubara dibuat berdasarkan usia dan komposisinya. Tingkatan tersebut (dari tingkatan terendah) yaitu peat, lignit (batubara muda), sub-bituminus, bituminus, dan antrasit [Osborn, 1988]. Semakin tinggi tingkatan batubara maka kadar karbon juga akan semakin tinggi. Sebaliknya, kadar nitrogen dan tingkat reaktivitasnya akan semakin menurun. Sifat-sifat batubara lain yang penting pada pemrosesan batubara adalah sifat yang tampak pada proses pemanasan. Pada batubara tertentu selama proses pemanasan dapat terjadi pelunakan dan pelelehan (heating soften). Keadaan ini biasanya diikuti dengan pengembangan dan resolidifikasi batubara yang menyebabkan volume batubara lebih besar dari volume awal. Sifat ini kurang baik untuk proses gasifikasi karena dapat membentuk gumpalan dalam reaktor. Sebagian besar cadangan batubara Indonesia adalah batubara peringkat rendah, yang mempunyai kalori kurang dari 5000 kkal/kg, kandungan pengotor tinggi, serta kandungan sulfur di atas 1%. Pemanfaatan batubara kualitas rendah dapat dilakukan melalui proses gasifikasi, up-grading, pencairan, karbonisasi, dan lain sebagainya. Diantara proses-proses tersebut, gasifikasi merupakan proses yang paling banyak dikembangkan karena teknologinya relatif sederhana, gas yang dihasilkan dapat digunakan untuk berbagai keperluan, dan produk yang dihasilkan lebih ramah lingkungan. 8

2 Kualitas batubara mempengaruhi reaktivitas batubara. Hal ini merupakan faktor penting pada reaksi gasifikasi batubara karena akan menentukan jenis reaktor serta kondisi operasinya. Akan tetapi reaktivitas tidak hanya ditentukan oleh kualitas batubara, melainkan juga dipengaruhi oleh kadar dan komposisi abu yang mempunyai efek katalitik dalam reaksi gasifikasi. 2.2 Gasifikasi Batubara Gasifikasi merupakan proses termokimia untuk mengkonversi bahan bakar padat seperti batubara, kayu dan biomassa lain menjadi bahan bakar gas yang disebut gas produser. Hasil proses pembakaran sempurna umumnya menghasilkan gas dengan kandungan nitrogen, uap air, dan CO 2. Pada proses gasifikasi, dimana terjadi surplus bahan bakar padat (pembakaran tidak sempurna), dihasilkan gas yang mampu bakar yaitu CO, H 2 dan CH 4. Gas-gas ini dihasilkan dari reaksi antara uap air dan CO 2 dengan arang saat H 2 O dan CO 2 melewati lapisan arang yang membara. Prosesproses yang terjadi di dalam reaktor gasifikasi adalah [Rajvanshi, 1986] : 1. Pengeringan 2. Pirolisis 3. Pembakaran 4. Reduksi Zona pengeringan Pada zona pengeringan, kandungan air dalam bahan bakar padat dikurangi dengan memanfaatkan bahang dan udara yang masuk ke gasifier. Pada zona ini, sebagian asam-asam organik juga akan diuapkan. Kandungan asam ini dapat menyebabkan korosi pada dinding reaktor Zona pirolisis Pada tahap ini terjadi perengkahan termal bahan bakar padat menjadi senyawasenyawa CO, CO 2,CH 4, H 2, H 2 O, tar dan arang. Gas-gas yang terbentuk pada tahap pirolisis akan menjadi reaktan pada tahap oksidasi dan tahap reduksi. Kebutuhan bahang untuk tahap pirolisis dipenuhi oleh bahang reaksi reduksi dan oksidasi. Laju reaksi pirolisis dipengaruhi oleh laju persamaan bahan di dalam zona pirolisis. Laju 9

3 pemanasan bahan bergantung pada sifat-sifat termofisik bahan yang dinyatakan sebagai difusivitas bahang bahan. Semakin besar difusivitas bahang maka laju pemanasan bahan akan semakin tinggi, berarti laju pirolisis akan semakin tinggi, sehingga laju pembentukan gas akan semakin tinggi. Proses pirolisis merupakan proses yang rumit dan belum sepenuhnya dimengerti. Beberapa catatan tentang pirolisis sebagai berikut, pada temperatur 200 o C hanya uap air yang dilepaskan. Sedangkan pada temperatur o C, CO 2, asam asetat, dan uap air dilepaskan. Proses pirolisis pada temperatur o C menghasilkan gas dalam jumlah yang besar. Pada temperatur o C gas yang dihasilkan lebih sedikit dan mengandung hidrogen Zona 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. Pada tahap oksidasi juga berlangsung perengkahan tar yang dihasilkan pada tahap pirolisis, sehingga kandungan tar pada produk gasifikasi dapat diperkecil. Agar perengkahan dapat berlangsung, maka dilakukan : 1. Pengecilan luas penampang gasifier dengan cara memasang throat dengan diameter yang optimum. 2. Penyebaran media penggasifikasi dengan jarak tertentu dari throat. Reaksi oksidasi yang berlangsung adalah [Mahinpey, 2006] : C + O 2 CO ,9 kj/mol (1) 2H 2 + O 2 2H 2 O + 241,1 kj/mol (2) Zona reduksi Pada tahap reduksi berlangsung reaksi-reaksi kesetimbangan antara gas-gas hasil tahap oksidasi dengan karbon padat yang diumpankan sebagai arang. Reaksi-reaksi kesetimbangan yang terjadi merupakan reaksi endoterm. Bahang yang dibutuhkan 10

4 dipenuhi dari bahang oksidasi. Reaksi-reaksi yang berlangsung [Mahinpey, 2006] adalah : C + CO ,9 kj.mol 2CO (3) C + H 2 O + 122,6 kj/mol CO + H 2 (4) CO 2 + H ,3 kj/mol CO + H 2 O (5) CO + H 2 O CO + H kj/mol (6) C + 2H 2 CH kj/mol (7) Persamaan reaksi 3 dan 4 merupakan reaksi utama dan memerlukan bahang. Sebagai akibatnya, temperatur reaktor akan menurun. Persamaan reaksi 5 merupakan reaksi kesetimbangan air-gas. Pada temperatur tertentu, secara analitis, perbandingan antara konsentrasi produk CO dan H 2 O dengan konsentrasi reaktan CO 2 dan H 2 adalah konstan, yaitu merupakan konstanta kesetimbangan K w. Laju reaksi akan melambat seiring dengan penurunan temperatur. Pada reaksi kesetimbangan air-gas, laju reaksi akan sangat kecil pada temperatur di bawah 700 o C dan komposisi gas tidak berubah. Konsep kesetimbangan air-gas ini memungkinkan prediksi komposisi gas produser secara teoritis pada berbagai temperatur. 2.3 Faktor Gasifikasi Variabel yang mempengaruhi proses gasifikasi diklasifikasikan menjadi empat kelompok [Kristiansen, 1996], yaitu: a. Kondisi operasi, yang meliputi temperatur, tekanan, laju oksidan, laju batubara, dan lain-lain. b. Kondisi fluida penggasifikasi, konsentrasi oksigen, perbandingan oksigen/batubara, perbandingan oksigen/uap air, perbandingan uap air/batubara, dan lain-lain. c. Metoda gasifikasi (teknologi gasifikasi), mencakup jenis pergerakan partikel, tipe gasifier, metoda pasokan oksidan, dan lain-lain. d. Karakteristik batubara, antara lain reaktifitas, kandungan air, oksigen, zat-zat volatil dan sulfur, ukuran partikel, kekerasan batubara, sifat caking, karakteristik abu, dan lain-lain. 11

5 Keempat faktor utama tersebut saling mempengaruhi antara satu dengan yang lainnya. Namun penelitian ini hanya akan mempelajari pengaruh ukuran dan Air/Coal Ratio dalam proses gasifikasi. 2.4 Fluidisasi Fluidisasi adalah metoda pengontakan butiran-butiran padat dengan fluida baik cair maupun gas [Kunii dan Levenspiel, 1977]. Dengan metoda ini diharapkan butiranbutiran padat memiliki sifat seperti fluida dengan viskositas tinggi. Sebagai ilustrasi, tinjau suatu kolom berisi sejumlah partikel padat berbentuk bola. Melalui unggun padatan ini kemudian dialirkan gas dari bawah ke atas. Pada laju alir yang cukup rendah, butiran padat akan tetap diam, karena gas hanya mengalir dari bawah ke atas dan mengalir melalui ruang antar partikel tanpa menyebabkan perubahan susunan partikel tersebut. Keadaan yang demikian disebut unggun diam atau fixed bed. Kalau laju alir kemudian dinaikkan, akan sampai pada suatu keadaan di mana unggun padatan akan tersuspensi di dalam aliran gas yang melaluinya. Pada keadaan ini masing-masing butiran akan terpisahkan satu sama lain sehingga dapat bergerak dengan lebih mudah. Pada kondisi butiran yang dapat bergerak ini, sifat unggun akan menyerupai suatu cairan dengan viskositas tinggi, misalnya adanya kecenderungan untuk mengalir, mempunyai sifat hidrostatik dan sebagainya. 2.5 Fenomena pada Fluidisasi Fenomena-fenomena yang dapat terjadi pada proses fluidisasi [Kunii dan Levenspiel, 1977], antara lain: 1. Fenomena fixed bed yang terjadi ketika laju alir fluida kurang dari laju minimum yang dibutuhkan untuk proses awal fluidisasi. Pada kondisi ini partikel padatan tetap diam (Gambar 2.1). 2. Fenomena minimum or incipient fluidization yang terjadi ketika laju alir fluida mencapai laju alir minimum yang dibutuhkan untuk proses fluidisasi. Pada kondisi ini partikel-partikel padat mulai terekspansi (Gambar 2.1) 12

6 Gambar 2.1 Skema unggun diam dan terfluidakan [Kunii dan Levenspiel, 1977] 3. Fenomena smooth or homogenously fluidization terjadi ketika kecepatan dan distribusi aliran fluida merata, densitas dan distribusi partikel dalam unggun sama atau homogen sehingga ekspansi pada setiap partikel padatan seragam. 4. Fenomena bubbling fluidization yang terjadi ketika gelembung-gelembung pada unggun terbentuk akibat densitas dan distribusi partikel tidak homogen (Gambar 2.2). Gambar 2.2 Fenomena bubling fluidization [Kunii dan Levenspiel, 1977] 5. Fenomena slugging fluidization yang terjadi ketika gelembung-gelembung besar yang mencapai lebar dari diameter kolom terbentuk pada partikel-partikel padat. Pada kondisi ini terbentuk rongga kosong diantara partikel padat akibat tekanan tinggi yang dihasilkan oleh udara yang masuk, sehingga partikel-partikel padat seperti terangkat (Gambar 2.3). 13

7 Gambar 2.3 Fenomena slugging fluidization [Kunii dan Levenspiel, 1977] 6. Fenomena disperse fluidization yang terjadi saat kecepatan aliran fluida melampaui kecepatan maksimum aliran fluida. Pada fenomena ini sebagian partikel akan terbawa aliran fluida dan ekspansi mencapai nilai maksimum (Gambar 2.4). Gambar 2.4 Fenomena disperse fluidization [Kunii dan Levenspiel, 1977] Fenomena-fenomena fluidisasi sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain : - laju alir fluida dan jenis fluida - ukuran partikel dan bentuk partikel - jenis dan densitas partikel serta faktor interlock antar partikel - porositas unggun - distribusi aliran - distribusi bentuk dan ukuran fluida - diameter kolom - tinggi unggun 14

8 2.6 Karakteristik Unggun Terfluidakan Unggun terfluidakan adalah sebuah kolom berisi unggun butiran padat yang disangga oleh plat berpori pada bagian bawahnya. Fluida (gas atau cairan) dialirkan melalui plat berpori kedalam unggun dengan kecepatan U 0. U 0 didefinisikan sebagai kecepatan rata-rata fluida dalam suatu kolom kosong dengan luas penampang yang sama dengan luas penampang unggun pada laju alir fluida yang sama. Menurut Kunii dan Levenspiel, [1977], fluidisasi homogen atau disebut juga fluidisasi ideal adalah suatu kondisi fluidisasi yang memenuhi persyaratan sebagai berikut : 1. Butiran partikel terdistribusi secara merata dalam unggun sehingga porositas unggun merata disetiap tempat. 2. Kerapatan partikel dan kerapatan fluida hampir sama. 3. Bentuk partikel berupa bola. 4. Bentuk dan ukuran partikel sama dan kecil. Pada operasi sebenarnya, kondisi fluidisasi homogen sukar diperoleh, khususnya bila fluida yang digunakan adalah gas, sehingga terjadi fludisasi heterogen. Tiga jenis fluidisasi heterogen dapat terjadi yaitu : a. Penggelembungan (bubbling) b. Kanal-kanal (channelling) c. Slagging Pada kecepatan gas yang besar, akan tampak gelembung-gelembung gas dalam unggun. Dalam keadaan demikian, unggun akan mengalami pengadukan oleh gelembung yang naik. Bila kecepatan gas diperbesar maka beberapa gelembung akan bergabung dan dapat terjadi gelembung besar yang memenuhi penampang kolom, sehingga unggun akan terangkat ke atas, kemudian jatuh dengan tiba-tiba dan menyebabkan beberapa partikel halus terbawa aliran gas keluar. Peristiwa lain dapat terjadi bila distributor gas di bagian bawah unggun mempunyai sedikit lubang, sehingga aliran gas akan terlokalisasi dan terbentuk saluran-saluran (kanal) dalam unggun. Akibat adanya fluidisasi heterogen, menyebabkan kontak antara fluida dan padatan tidak sempurna, sehingga efisiensi proses operasi menjadi rendah. 15

9 2.7 Karakteristik Gas Hasil Produk gasifikasi diharapkan mengandung karbon monoksida, hidrogen dan metana sebagai produk utama. Namun pada kenyataannya, gas hasil masih mengandung beberapa pengotor yang dapat berupa kukus, jelaga, abu terbang, arang, ammonia, uap mineral dan hidrokarbon yang lebih tinggi (minyak dan tar). Arang, abu terbang, jelaga dan uap mineral merupakan partikel padatan. Partikelpartikel ini terbawa dalam aliran gas karena ukurannya yang relatif kecil. Ukuranukuran ini dalam aliran gas berkisar antara 0,1 μm sampai dengan μm. Arang merupakan bahan bakar padat yang tidak terbakar sempurna dan tersusun dari mineral-mineral yang terkandung pada bahan bakar padat. Partikel abu ini biasanya berwarna putih dan abu-abu. Uap mineral terbentuk pada temperatur tinggi di daerah oksidasi. Jelaga merupakan debu karbon yang sangat halus. Partikel ini adalah produk reaksi perengkahan tar. Kukus berasal dari air, hidrogen atau oksigen yang terkandung dalam bahan bakar padat. Hidrokarbon yang lebih tinggi, yaitu tar dan minyak berwujud cair. Umumnya hidrokarbon ini menjadi sangat lengket dan memiliki viskositas yang tinggi pada temperatur rendah karena mengalami kondensasi serta tidak larut dalam air. Hal ini dapat menimbulkan masalah dalam sistem perpipaan dan mesin. Perengkahan tar menjadi rantai karbon yang lebih pendek dapat terjadi pada temperatur tinggi, yaitu 800 o C. Perengkahan inilah yang ingin dicapai dalam proses perancangan sistem gasifikasi. Dengan demikian apabila gas hasil ini digunakan sebagai bahan bakar suatu sistem pembakaran internal, gas harus memenuhi standar tertentu agar tidak menimbulkan masalah dalam pengoperasian dan perawatan sistem. 2.8 Evaluasi Efisiensi Proses Masalah dalam proses konversi bahan bakar padat adalah seberapa besar energi yang terkandung dalam bahan bakar padat tersebut dapat dimanfaatkan. Tujuan dari pengembangan teknologi konversi batubara adalah pemanfaatan sumber energi semaksimal mungkin dengan menggabungkan teknologi yang tepat dengan sumber yang tersedia. 16

10 2.8.1 Kriteria Untuk melakukan perhitungan efisiensi yang memadai untuk proses gasifikasi, terlebih dahulu harus ditentukan basis dan batasan-batasan sistem yang digunakan [Davies, 1970]. 1. Basis : neraca massa haruslah didasarkan pada suatu unit massa batubara, yang sudah diketahui komposisinya sebagai umpan untuk proses gasifikasi. Keadaan referensi juga dibutuhkan untuk perhitungan entalpi yang diperlukan dalam neraca massa. Biasanya digunakan pada keadaan standar yaitu pada temperatur kamar 298 K. 2. Batasan sistem : pemilihan batasan sistem untuk membandingkan konversi yang terjadi pada proses gasifikasi. Dengan batasan yaitu membandingkan umpan yang masuk saat proses dimulai dengan produk gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi. Kemudian dari neraca massa dan neraca energi, nantinya dapat ditentukan variabelvariabel yang akan digunakan dalam penentuan efisiensi cold gas Efisiensi cold gas Efisiensi cold gas adalah perbandingan antara kandungan energi dalam gas produser dengan kandungan energi umpan batubara [Davies, 1970] yang dapat dinyatakan dalam persamaan berikut : Efisiensi Cold Gas = NHV NHV gas produser umpan batubara Efisiensi karbon Bentuk lain untuk menyatakan efisiensi proses gasifikasi adalah efisiensi karbon yaitu dengan membandingkan jumlah karbon yang terdapat didalam umpan batubara yang masuk dengan jumlah karbon yang terdapat didalam gas produser yang dihasilkan [Davies, 1970]. Secara matematis dapat dinyatakan dalam persamaan berikut : Efisiensi Karbon = C C dalam gas produser dalam batubara 17

11 2.9 Karakteristik Pembakaran Bahan Bakar Gas Gas bahan bakar yang dihasilkan oleh proses gasifikasi banyak mengandung gas karbon monoksida, hidrogen, dan hidrokarbon [Kim, 2001]. Gas produk gasifikasi batubara mengandung energi seperenam jumlah energi yang terkandung dalam gas alam. Gas ini dapat terbakar dengan nyala yang stabil, walaupun temperatur nyalanya lebih rendah dibandingkan gas alam, yaitu 1760 o C dibandingkan dengan 1960 o C. Hal ini disebabkan kandungan nitrogen yang cukup tinggi. Untuk menggantikan bahan bakar batubara, misalnya pada boiler dengan gas produser dibutuhkan sedikit modifikasi, sedangkan untuk bahan bakar gas alam membutuhkan modifikasi yang lebih rumit. Pada proses pembakaran gas-gas ini, beberapa hal yang perlu diperhatikan adalah perbandingan udara dengan bahan bakar, temperatur nyala, kemudahan penyalaan, batas kemampuan terbakar dari gas, kecepatan pembakaran dan kestabilan proses. 18