MAKALAH PENYEDIAAN ENERGI SEMESTER GENAP TAHUN AJARAN 2014/2015 GASIFIKASI BATU BARA Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Penyediaan Energi Dosen Pengajar : Ir. Yunus Tonapa Oleh : Nama : FIDIHANA NOVIYANTI NIM : 121411043 Kelas Prodi : 3 B : D3 Teknik Kimia PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK KIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2014
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Harga tinggi dari minyak dan gas bumi membuat peningkatan teknologi yang baru seperti halnya gasifikasi batu bara. Gasifikasi batubara adalah proses untuk mengubah batubara menjadi fuel gas yang kaya akan CO dan H 2. Hal ini bukan lagi teknologi baru. Gas yang dihasilkan dari karbonisasi coking coal telah digunakan sebagai penerangan sejak tahun 1792. Proses original yang sama dengan coking ini adalah proses yang mengubah noncoking coal yang didemonstrasikan pada tahun 1860. Tetapi pada akhirnya tidak dipakai lagi karena CO merupakan gas beracun lebih beracun dari pada CO 2 karena kecepatan CO mengikat hemoglobin lebih cepat dibandingkan dengan CO 2. Pada akhir tahun 1880 produksi kimia dari proses gasifikasi didemonstrasikan dalam pembuatan amoniak. Teknologi ini berkembang sangat cepat ke daerah Eropa, Jepang dan Amerika Serikat. Proses gasifkasi telah dikenal sejak abad lalu untuk mengolah batubara, gambut. Atau kayu menjadi bahan bakar gas yang kini mulai dimanfaatkan. Pada tahun-tahun terakhir ini terjadi peningkatan harga gas alam, sehingga gasifikasi batu bara merupakan alternatif dan layak secara ekonomis. 1.2 Rumusan Masalah Apa yang dimaksud dengan Gasifikasi? Apa saja tahapan-tahapan dari proses gasifikasi? Bagaimana jenis reaktor yang digunakan dalam proses gasifikasi? 1.3 Tujuan Penulisan Makalah Memenuhi salah satu tugas mata kuliah Penyediaan Energi Memperoleh pengetahuan mengenai Proses Gasifikasi dan Teknologi Gasifikasi Batu Bara 1.4 Manfaat Penulisan Makalah 1. Dapat mengetahui pengertian gasifikasi batubara. 2. Dapat mengetahui teknologi dari gasifikasi batubara. 3. Dapat mengetahui jenis-jenis reaktor gasifikasi
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Gasifikasi Gasifikasi adalah proses pengubahan materi yang mengandung karbon seperti batubara, minyak bumi maupun biomassa kedalam bentuk karbon monoksida (CO), metana (CH 4 ), dan Hidrogen (H 2 ) dengan mereaksikan bahan baku yang digunakan pada temperatur tinggi dengan jumlah oksigen yang diatur. Pada proses gasifikasi, jumlah udara yang diperlukan lebih rendah dibandingkan dengan jumlah udara yang dibutuhkan di proses pembakaran. Perbedaan gasifikasi dengan pembakaran terletak pada jumlah oksigen yang digunakan dalam proses serta produk yang dihasilkan. Proses pembakaran menggunakan oksigen melebihi kebutuhan stoikiometrik dan produk yang dihasilkan berupa energi panas dan gas yang tidak terbakar. Sementara itu, proses gasifikasi sangat bergantung pada reaksi kimia yang terjadi pada temperatur diatas 700 0 C. Tujuan dari proses gasifikasi adalah mengubah unsur-unsur pokok dari bahan bakar yang digunakan kedalam bentuk gas yang lebih mudah dibakar, sehingga hanya menyisakan abu dan sisa-sisa material yang tidak terbakar (inert). Perbedaan antara proses Gasifikasi dengan pembakaran Perbedaan Gasifikasi Pembakaran Tujuan Meningkatkan nilai tambah dan kegunaan dari sampah atau material dengan nilai rendah Membangkitkan panas atau mendestruksi sampah Jenis Proses Konversi kimia dan termal menggunakan sedikit oksigen atau tanpa oksigen Pembakaran sempurna menggunakan udara berlebih (oksigen) Komposisi gas kotor sebelum dibersihkan H 2, CO, H 2 S, NH 3 dan partikulat CO 2, H 2 O, SO 2, NO x dan partikulat
Komposisi gas bersih H 2 dan CO CO 2 dan H 2 O Produk padatan Arang atau kerak (slag) Abu Temperatur( o C) 700-1500 800-1000 Tekanan Lebih dari 1 atm 1 atm 2.2 Tahapan Proses Gasifikasi Gasifikasi terdiri dari empat tahapan terpisah: pengeringan, pirolisis, oksidasi/pembakaran dan reduksi. Keempat tahapan ini terjadi secara alamiah dalam proses pembakaran. Dalam gasifikasi keempat tahapan ini dilalui secara terpisah sedemikian hingga dapat menginterupsi api dan mempertahankan gas mudah terbakar tersebut dalam bentuk gas serta mengalirkan produk gasnya ke tempat lain. Salah satu cara untuk mengetahui proses yang berlangsung pada gasifier jenis ini adalah dengan mengetahui rentang temperatur masing-masing proses, yaitu: Pengeringan: T > 150 C Pirolisis/Devolatilisasi: 150 < T < 700 C Oksidasi/pembakaran: 700 < T < 1500 C Reduksi: 800 < T < 1000 C
Proses pengeringan, pirolisis, dan reduksi bersifat menyerap panas (endotermik), sedangkan proses oksidasi bersifat melepas panas (eksotermik). 2.2.1 Pengeringan Pada pengeringan, kandungan air pada bahan bakar padat diuapkan oleh panas yang diserap dari proses oksidasi. 2.2.2 Pirolisis Pada pirolisis, pemisahan volatile matters (uap air, cairan organik, dan gas yang tidak terkondensasi) dari arang atau padatan karbon bahan bakar juga menggunakan panas yang diserap dari proses oksidasi. Pirolisis atau devolatilisasi disebut juga sebagai gasifikasi parsial. Suatu rangkaian proses fisik dan kimia terjadi selama proses pirolisis yang dimulai secara lambat pada T 700 C. Komposisi produk yang tersusun merupakan fungsi temperatur, tekanan, dan komposisi gas selama pirolisis berlangsung. Proses pirolisis dimulai pada temperatur sekitar 230 C, ketika komponen yang tidak stabil secara termal, seperti lignin pada biomassa dan volatile matters pada batubara, pecah dan menguap bersamaan dengan
komponen lainnya. Produk cair yang menguap mengandung tar dan PAH (polyaromatic hydrocarbon). Produk pirolisis umumnya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas ringan (H 2, CO, CO 2, H 2 O, dan CH 4 ), tar, dan arang. 2.2.3 Oksidasi (Pembakaran) Pembakaran mengoksidasi kandungan karbon dan hidrogen yang terdapat pada bahan bakar dengan reaksi eksotermik, sedangkan gasifikasi mereduksi hasil pembakaran menjadi gas bakar dengan reaksi endotermik. Oksidasi atau pembakaran arang merupakan reaksi terpenting yang terjadi di dalam gasifier. Proses ini menyediakan seluruh energi panas yang dibutuhkan pada reaksi endotermik. Oksigen yang dipasok ke dalam gasifier bereaksi dengan substansi yang mudah terbakar. Hasil reaksi tersebut adalah CO 2 dan H 2 O yang secara berurutan direduksi ketika kontak dengan arang yang diproduksi pada pirolisis. Reaksi yang terjadi pada proses pembakaran adalah: C + O 2 CO 2 + 393.77 kj/mol karbon Reaksi pembakaran lain yang berlangsung adalah oksidasi hidrogen yang terkandung dalam bahan bakar membentuk kukus. Reaksi yang terjadi adalah: H 2 + ½ O 2 H 2 O + 742 kj/mol H 2 2.2.4 Reduksi (Gasifikasi) Reduksi atau gasifikasi melibatkan suatu rangkaian reaksi endotermik yang disokong oleh panas yang diproduksi dari reaksi pembakaran. Produk yang dihasilkan pada proses ini adalah gas bakar, seperti H 2, CO, dan CH 4. Reaksi berikut ini merupakan empat reaksi yang umum telibat pada gasifikasi. C + H 2 O CO 2 + C CO + H 2 O C + 2H 2 H 2 + CO 131.38 kj/kg mol karbon 2CO 172.58 kj/mol CO 2 + H 2 41.98 kj/mol CH 4 + 74.90 kj/mol karbon
2.3 Teknologi Gasifikasi Batu Bara Proses gasifikasi batubara adalah salah satu pengolahan batu bara yang bertujuan untuk mengkonversi secara termo-kimia bahan batubara padat menjadi bahan gas, sehingga mudah terbakar. Proses gasifikasi pada dasarnya merupakan proses pirolisa pada suhu sekitar 150 900 C, diikuti oleh proses oksidasi gas hasil pirolisa pada suhu 900 1400 C, serta proses reduksi pada suhu 600 900 C. Baik proses pirolisa maupun reduksi yang berlangsung dalam reaktor gasifikasi terjadi dengan menggunakan panas yang diperoleh dari proses oksidasi. Gasifikasi batubara berlangsung dalam keadaan kekurangan oksigen. Dengan kata lain, gasifikasi batubara boleh dipahami sebagai reaksi oksidasi parsial batubara menghasilkan campuran gas yang masih dapat dioksidasi lebih lanjut (bersifat bahan bakar). Gasifikasi batubara merupakan proses yang dapat digunakan untuk menghasilkan gas sintetis (syn-gas) dari bahan bakar padat. Dengan pemanasan dalam gasifier, bahan baku batubara akan terurai menjadi gas hidrogen, methana, karbon monoksida, karbon dioksida, nitrogen, polutan dan abu. Komponen syn-gas yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi adalah hidrogen, methan dan karbon monoksida. Teknologi gasifikasi dapat dikelompokkan berdasarkan konfigurasi aliran dari unit gasifiernya, antara lain : 1. Fixed bed 2. Fluidized bed 3. Entrained flow 4. Molten bath 1. Fixe bed Pada konfigurasi ini, batubara diumpankan dari atas kemudian perlahan-lahan turun kebawah dan dipanaskan oleh gas panas dari arah bawah. Batubara melewati zona karbonisasi kemudian zona gasifikasi, akhirnya sampai pada zona pembakaran pada bagian bawah gasifier tempat reaktan gas diinjeksi. Sistem ini diilustrasikan pada Gambar 1 berikut ini :
Gambar 1. fixed bed gasifier Reaksi kimia yang terjadi dalam fixed bed gasifier, yaitu : Gambar 1.1. Reaksi kimia yang terjadi dalam fixed bed gasifier Pada proses gasifikasi dengan fixed bed gasifier Ada 4 zona reaksi yaitu : 1. Zona devolatilisasi Pada zona ini terjadi penguapan uap air dan zat-zat volatil yang terkandung dalam batubara.
2. Zona Gasifikasi Pada zona ini uap air yang dialirkan dan CO 2 yang terbentuk dari pembakaran sempurna bereaksi dengan batubara pada suhu tinggi membentuk gas sintesis yang terdiri dari CO, H 2 dan N 2. 3. Zona Pembakaran Pada zona ini oksigen yang masuk bereaksi dengan sebagian batubara membentuk CO 2 dan H 2 O yang diperlukan dalam reaksi gasifikasi. 4. Zona abu Zona ini adalah tempat penampungan abu yang dihasilkan, baik hasil reaksi pembakaran maupun reaksi gasifikasi. 2. Fluidized bed Dalam fluidized bed gasifier, reaktor gas digunakan untuk membuat fluidisasi material batubara. Untuk menghindari sintering dari abu, fluidized bed gasifier dibatasi beroperasi pada temperatur non-slagging. Gambar 2. fluidized bed Batubara dimasukkan dari bagian samping sedangkan oksidannya dari arah bawah. Oksidan (O 2 dan uap) selain berperan sebagai reaktan pada proses, juga berfungsi sebagai media lapisan mengambang dari batubara yang digasifikasi. Dengan
kondisi penggunaan oksidan yang demikian maka salah satu fungsi tidak akan dapat maksimal karena harus melengkapi fungsi lainnya atau bersifat komplementer. 3. Entrained flow Batubara dialirkan kedalam gasifier secara cocurrent atau bersama-sama dengan agen gasifikasi atau oksidan berupa uap air dan oksigen, bereaksi pada tekanan atmosfer. Pada entrained gasifier, batubara dihaluskan sampai ukuran kurang dari 0,1 mm diumpankan dengan reaktan gas ke dalam chamber dimana reaksi gasifikasi terjadi seperti halnya sistem pembakaran bahan bakar berbentuk serbuk. Residence time partikel padatan yang singkat dalam sistem fase entrained memerlukan kondisi operasi dibawah slagging untuk mencapai laju reaksi dan konversi karbon yang tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa operasi non-slagging pada entrained gasifier baik sekali hanya untuk proses hidrogasifikasi. Gambar 3. Entrained gasifier 4. Molten bath Molten bath mirip dengan sistem fluidized bed dimana reaksi terjadi dalam medium yang tercampur merata dari inersia panas tinggi. Temperatur operasi tergantung pada tipe bath : untuk slag dan molten metal bath diperlukan temperatur tinggi (1400 1700 o C), tetapi temperatur 1000 o C dapat digunakan molten salt. Reaktan gas dapat diinjeksi dari atas seperti jet kemudian berpenetrasi kedalam permukaan bath, seperti ditunjukkan pada gambar 2.6, atau dapat diumpankan ke bottom bath
Gambar 4. Molten bath gasifier Fixed bed gasifier termasuk dalam kategori sistem aliran counter current, fluidized bed dan molten bath gasifier dapat dianggap sebagai reaktor tanki pengaduk kontinyu dan entrained gasifier sebagai sistem aliran co-current. Aliran counter current dalam reaktor fixed bed, pemindahan volatile matter yang dihasilkan dari gasifier tanpa melewati zona gasifikasi temperatur tinggi atau zona pembakaran. Karakteristik komposisi produk gas pada fixed bed gasifier yaitu adanya uap tar (bila digunakan antrasit atau devolatilisasi char/coke sebagai bahan baku) dan yield metana yang tinggi. Residence time yang paling lama terdapat pada fixed bed gasifier dimana kecepatan gas dibatasi untuk menghindari semburan serbuk batubara ke dalam aliran produk gas. Sedangkan residence time terpendek terdapat dalam entrained gasifier. Perbedaan residence time padatan diantara tipe gasifier merupakan hal substansial. Pada fixed bed residence time padatan biasanya beberapa jam. Sedangkan pada fluidized bed atau molten bath pada umumnya sekitar 1 jam. Pada fluidized bed, char yang tidak terkonversi dikumpulkan dan diumpankan ke gasifier lainnya atau ke pembakar. Sedangkan pada entrained kecuali untuk hidrogasifikasi, umumnya beroperasi pada temperatur slagging untuk mencapai laju reaksi dan konversi karbon yang tinggi. Residence time yang pendek pada entrained membuat kontrol pada kondisi operasi gasifikasi lebih sulit dan perlu adanya kekonsistensian umpan batubara, merupakan hal yang harus diperhatikan.
2.4 Reaktor Gasifikasi Reaktor gasifikasi dapat dibagi kedalam 5 jenis, antara lain: Reaktor Gasifikasi Tipe Updraft Pada reaktor tipe ini, zona pembakaran (sumber panas) terletak di bawah bahan bakar dan bergerak keatas seperti tampak pada Gambar 2.4.1. Dalam gambar tersebut, tampak bahwa gas panas yang dihasilkan mengalir keatas melewati bahan bakar yang belum terbakar sementara bahan bakar akan terus jatuh ke bawah. Kekurangan dari reaktor ini adalah produksi asap yang berlebihan dalam operasinya. Gambar 2.4.1 Reaktor Gasifikasi Tipe Updraft Reaktor Gasifikasi Tipe Downdraft Pada tipe ini sumber panas terletak dibawah bahan bakar seperti tampak pada Gambar 2.4.2. Aliran udara bergerak ke zona gasifikasi di bagian bawah yang menyebabkan asap pirolisa yang dihasilkan melewati zona gasifikasi yang panas. Hal ini membuat tar yang terkandung dalam asap terbakar, sehingga gas yang dihasilkan oleh reaktor ini bersih.
Gambar 2.4.2 Reaktor Gasifikasi Tipe Downdraft Reaktor Gasifikasi Tipe Inverted Downdraft Prinsip kerja reaktor jenis ini sama dengan prinsip kerja reaktor gasifikasi downdraft. Perbedaannya terletak pada arah aliran udara dan zona pembakaran yang dibalik sehingg bahan bakar berada pada bagian bawah reaktor dengan zona pembakaran diatasnya. Gambar 2.4.3 Reaktor Gasifikasi Tipe Inverted Downdraft
Reaktor gasifikasi Tipe Crossdraft Pada reaktor ini, aliran udara mengalir tegak lurus dengan arah gerak zona pembakaran. Reaktor ini memungkinkan operasi yang berkesinambungan apabila memiliki sistem pengeluaran abu yang baik. Reaktor Gasifikasi Tipe Fluidized Bed Berbeda dengan reaktor jenis sebelumnya, pada reaktor gasifikasi tipe ini bahan bakar bergerak didalam reaktor. Sebuah fan bertekanan tinggi diperlukan untuk menggerakkan bahan bakar yang sedang digasifikasi. Reaktor gasifikasi tipe ini sangat cocok untuk keperluan industri karena mahalnya ongkos yang dikeluarkan untuk sistem seperti ini.
BAB V PENUTUP Gasifikasi batubara adalah salah satu pengolahan batu bara yang bertujuan untuk mengkonversi secara termo-kimia bahan batubara padat menjadi bahan gas. Teknologi gasifikasi dapat dikelompokkan berdasarkan konfigurasi aliran dari unit gasifiernya. Konfigurasi yaitu : Fixed bed, Fluidized bed, Entrained flow dan Molten bath. DAFTAR PUSTAKA Bilad, M. Roil. 2010. Teknologi Gasifikasi Biomassa Alternatif Solusi Bahan Bakar Oven Tembakau Bagian 1. http://www.sasak.org/universitas-ks/teknologi-tepatguna/teknologi-gasifikasi-biomassa-alternatif-solusi-bahan-bakar-oven-tembakaubagian-1-konsep-dasar/12-01-2010 [diakses tanggal 31 Oktober 2014] Susanto, Prof. Dr. Herri. Sekilas Teknologi Gasifikasi. http://esptk.fti.itb.ac.id/herri/ [diakses tanggal 31 Oktober 2014] Cahyono, Danan Eko. 2012. Gasifikasi-Pyrolisis-Pembakaran. http://santosorising.blogspot.com/2012/07/gasifikasi-pyrolysis-pembakaran.html [diakses tanggal 31 Oktober 2014] Anonim. Gasifikasi http://id.wikipedia.org/wiki/gasifikasi [diakses tanggal 31 Oktober 2014]