PROSES GASIFIKASI BATUBARA
3.1. Fungsi Gasifikasi
Gasifikasi adalah suatu teknologi proses yang mengubah batubara dari bahan bakar padat menjadi bahan bakar gas. Berbeda dengan pembakaran batubara, gasifikasi adalah proses pemecahan rantai karbon batubara ke bentuk unsur atau senyawa kimia lain. Secara sederhana, batubara dimasukkan ke dalam reaktor dan sedikit dibakar hingga menghasilkan panas. Sejumlah udara atau oksigen dipompakan dan pembakaran dikontrol dengan uap agar sebagian besar batubara terpanaskan hingga molekul-molekul karbon pada batubara terpecah dan dirubah menjadi ”coal gas”. Coal Gas merupakan campuran gas-gas hidrogen, karbon monoksida, nitrogen serta unsur gas lainnya. Gasifikasi batubara merupakan teknologi terbaik serta paling bersih dalam mengkonversi batubara menjadi gas-gas yang dapat dimanfaatkan sebagai energi listrik.
Teknologi IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) merupakan salah satu teknologi batubara bersih yang sekarang di kembangkan. Istilah IGCC ini merupakan istilah yang paling banyak digunakan untuk menyatakan daur kombinasi gasifikasi batubara terintegrasi. Meskipun demikian masih ada beberapa istilah yang digunakan yaitu ICGCC (Integrated Coal Gasification Combined Cycle) dan CGCC (Coal Gasification Combined Cycle) yang sama artinya. Dalam makalah ini untuk selanjutnya akan digunakan istilah IGCC. Komponen utama dalam riset IGCC adalah pengembangan teknik gasifikasi batubara.
Proses gasifikasi ini melalui beberapa proses kimia dalam reaktor gasifikasi (gasifier). Mula-mula batubara yang sudah diproses secara fisis yaitu batubara yang telah dihancurkan dalam ukuran + 20 mm – 100 mm diumpankan ke dalam reaktor dan akan mengalami proses pembakaran yang dikontrol oleh steam dan angin sehingga tidak terbentuk api tetapi bara. Kecuali bahan pengotor, batubara bersama-sama dengan oksigen dikonversikan menjadi hidrogen, karbon monoksida, methana, CO2, H2, N2.
IGCC merupakan perpaduan teknologi gasifikasi batubara dan proses pembangkitan uap. Gas hasil gasifikasi batubara mengalami proses pembersihan sulfur dan nitrogen. Sulfur yang masih dalam bentuk H2S dan nitrogen dalam bentuk NH3 lebih mudah dibersihkan sebelum dibakar dari pada sudah dalam bentuk oksida dalam gas buang. Kemudian gas yang sudah bersih ini dibakar di ruang bakar dan kemudian gas hasil pembakaran disalurkan ke dalam turbin gas untuk menggerakkan generator. Gas buang dari turbin gas dimanfaatkan dengan menggunakan HRSG (Heat Recovery Steam Generator) untuk membangkitkan uap. Uap dari HRSG (setelah turbin gas) digunakan untuk menggerakkan turbin uap yang akan menggerakkan generator.
Teknologi IGCC ini mempunyai kelebihan yaitu dalam hal bahan bakar : tidak ada pembatas untuk tipe, ukuran dan kandungan abu dari batubara yang digunakan. Dalam hal lingkungan : emisi SO2, NOX, CO2 serta debu dapat dikurangi tanpa penambahan peralatan tambahan seperti de-SOX dan de-NOX dan juga limbah cair serta luas tanah yang dibutuhkan juga berkurang. Disamping itu pembangkit listrik IGCC mempunyai produk sampingan yang merupakan komoditi yang mempunyai nilai jual seperti : sulfur, tar (light oil).
Efisiensi pembangkit listrik dengan menggunakan teknologi IGCC ini berkisar antara 38 - 45 % dan yang lebih tinggi 5 - 10 % dibandingkan PLTU batubara konvensional. Hal ini dimungkinkan dengan adanya proses gasifikasi sehingga energi yang terkandung dalam batubara dapat digunakan secara efektif dan digunakannya HRSG untuk membentuk suatu daur kombinasi antara turbin gas dan turbin uap.
Penggunaan IGCC sangat menguntungkan karena pada pembangkit konvensional memerlukan sistem scrubbing gas yang besar untuk membersihkan sulphur pada gas buang. Sebagian besar proses gasifikasi memerlukan batubara relatif kering yaitu kurang dari 15% kelembaban. Jika kelembaban tinggi, efisiensi akan rendah. Sehingga perlu untuk mengeringkan batubara dan mengumpankan kedalam gasifikator dalam butiran dengan ukuran + 20 mm – 100 mm.
Coal gasifier tidak mengeluarkan polutan hingga ramah lingkungan. Instalasi peralatan tidak membutuhkan ruang yang luas, penggunaan air sebagai pendingin terbatas, dan biaya operasional dalam jangka panjang akan rendah. Coal gasifier sangat cocok untuk industri / pabrik skala menengah hingga besar yang memiliki ruang terbatas serta dekat dengan pemukiman.
Kecuali menghasilkan coal gas, mineral pada batubara yang tidak terbakar akan tertampung dibagian bawah reaktor sebagai slag serta material padatan lainnya yang dapat dimanfaatkan untuk bahan bangunan. Hanya sebagian kecil fraksi mineral yang ikut terbakar dan membentuk debu yang akan dipisahkan dengan dust cyclone. Sulfur pada batubara yang terkonversi menjadi H2S akan diekstrak menjadi belerang murni yang bernilai jual tinggi. Tar yang merupakan by-product dari pemutusan rantai karbon akan dipisahkan menggunakan electric tar separator dan dapat dimanfaatkan sebagai minyak bakar.
Gasifikasi umumnya terdiri dari empat proses, yaitu pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi. Pada proses gasifikasi ada suatu proses juga yang tidak kalah pentingnya adalah proses desulfurisasi yang mana sebagai penghilang hidrogen sulfurisasi yang merupakan gas beracun. Pada gasifier jenis tipe gasifikasi unggun tetap (fixed bed gasification), kontak yang terjadi saat pencampuran antara gas dan padatan sangat kuat sehingga perbedaan zona pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi tidak dapat dibedakan. Salah satu cara untuk mengetahui proses yang berlangsung pada gasifier jenis ini adalah dengan mengetahui rentang temperatur masing-masing proses, yaitu:
• Pengeringan: T > 150 °C
• Pirolisis/Devolatilisasi: 150 < T < 550 °C
• Oksidasi: 70 < T < 550 °C
• Reduksi: 50 < T < 120 °C
Proses pengeringan, pirolisis, dan reduksi bersifat menyerap panas (endotermik), sedangkan proses oksidasi bersifat melepas panas (eksotermik). Pada pengeringan, kandungan air pada bahan bakar padat diuapkan oleh panas yang diserap dari proses oksidasi. Pada pirolisis, pemisahan volatile matters (uap air, cairan organik, dan gas yang tidak terkondensasi) dari arang atau padatan karbon bahan bakar juga menggunakan panas yang diserap dari proses oksidasi. Pembakaran mengoksidasi kandungan karbon dan hidrogen yang terdapat pada bahan bakar dengan reaksi eksotermik, sedangkan gasifikasi mereduksi hasil pembakaran menjadi gas bakar dengan reaksi endotermik. Penjelasan lebih lanjut mengenai proses-proses tersebut disampaikan pada uraian berikut ini.
5.1. Proses Gasifikasi
5.1. 1. Pirolisis.
Pirolisis atau devolatilisasi disebut juga sebagai gasifikasi parsial. Suatu rangkaian proses fisik dan kimia terjadi selama proses pirolisis yang dimulai secara lambat pada T < 100 °C dan terjadi secara cepat pada T > 200 °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 volatile matters pada batubara, pecah dan menguap bersamaan dengan komponen lainnya. Produk cair yang menguap mengandung tar dan PAH (polyaromatic hydrocarbon). Produk pirolisis umumnya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas ringan (H2, CO, CO2, H2O, dan CH4), tar, dan arang. Secara umum reaksi yang terjadi pada pirolisis beserta produknya adalah:
5.1.2. Oksidasi
Oksidasi atau pembakaran arang merupakan reaksi terpenting yang terjadi di dalam gasifier. Proses ini menyediakan seluruh energi panas yang dibutuhkan pada reaksi endotermik. Oksigen yang dipasok ke dalam gasifier bereaksi dengan substansi yang mudah terbakar. Hasil reaksi tersebut adalah CO2 dan H2O yang secara berurutan direduksi ketika kontak dengan arang yang diproduksi pada pirolisis. Reaksi yang terjadi pada proses pembakaran adalah:
C + O2 CO2 + 393.77 kJ/mol karbon
Reaksi pembakaran lain yang berlangsung adalah oksidasi hidrogen yang terkandung dalam bahan bakar. Reaksi yang terjadi adalah:
H2 + ½ O2 H2O + 742 kJ/mol H2
5.1.3. Reduksi (Gasifikasi)
Reduksi atau gasifikasi melibatkan suatu rangkaian reaksi endotermik yang disokong oleh panas yang diproduksi dari reaksi pembakaran. Produk yang dihasilkan pada proses ini adalah gas bakar, seperti H2, CO, dan CH4. Reaksi berikut ini merupakan empat reaksi yang umum telibat pada gasifikasi.
• 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:
C + H2O H2 + CO – 131.38 kJ/kg mol karbon
Pada beberapa gasifier, steam dipasok sebagai medium penggasifikasi dengan atau tanpa udara/oksigen.
• Boudouard reaction
Boudouard reaction merupakan reaksi antara karbondioksida yang terdapat di dalam gasifier dengan arang untuk menghasilkan CO. Reaksi yang terjadi pada Boudouard reaction adalah:
CO2 + C 2CO – 172.58 kJ/mol karbon
• Shift conversion
Shift conversion merupakan reaksi reduksi karbonmonoksida oleh steam untuk memproduksi hidrogen. Reaksi ini dikenal sebagai water-gas shift yang menghasilkan peningkatan perbandingan hidrogen terhadap karbonmonoksida pada gas produser. Reaksi ini digunakan pada pembuatan gas CO. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:
CO + H2O CO2 + H2 – 41.98 kJ/mol
• Methanation
Methanation merupakan reaksi pembentukan gas metan. Reaksi yang terjadi pada methanation adalah:
C + 2H2 CH4 + 74.90 kJ/mol karbon
Pembentukan metan dipilih terutama ketika produk gasifikasi akan digunakan sebagai bahan baku indsutri kimia. Reaksi ini juga dipilih pada aplikasi IGCC (Integrated Gasification Combined-Cycle) yang mengacu pada nilai kalor metan yang tinggi.
5.2.Proses Desulfurisasi
5.2.1. Signifikansi Desulfurisasi
Sulfur dalam gasifikator terdiri dari abio-sulfur dan sulfur organik, dimana hidrogen sulfurisasi (H2S) merupakan bagian yang dominan. Desulfurisasi gas batubara adalah untuk menghilangkan hidrogen sulfurisasi yang merupakan gas beracun. Gas batubara mengandung gas caustic seperti H2S, CO2 yang cenderung mengikis dan merusak peralatan bersama-sama dengan air (H2O) dan menyebabkan kebocoran gas batubara, menimbulkan pencemaran di atmosfir atau bahkan menimbulkan ledakan yang merusak lingkungan dan melukai pekerja. Karena itu, desulfurisasi sangat penting artinya.
5.2.2. Deskripsi Proses Desulfurisasi
Gas batubara mengandung H2S masuk ke menara desulfurisasi melalui dasar dan di dalam lapisan paking bereaksi dengan cairan tandus desulfurisasi yang disemprotkan dari puncak menara, yang menyerap H2S. Gas hasil pemurnian dilepaskan dari puncak menara dan membuang air melalui alat penangkap tetesan, dan kemudian dikirim ke perbengkelan untuk digunakan. Cairan yang disemprotkan dari puncak yang menyerap hidrogen sulfurisasi mengalir ke dalam saluran air yang kaya cairan melalui pompa regeneratif untuk memisahkan sulfur dan dikirim ke saluran air semburan dan reneneratif untuk bereaksi dengan udara. Setelah cairan teroksidasi dan mengalami regenerasi, cairan mengalir ke dalam saluran air dengan cairan gundul melalui alat pengatur posisi cairan dan digerakkan ke menara desulfurisasi melalui pompa desulfurisasi, yang melanjutkan proses desulfurisasi. Dalam waktu yang bersamaan, busa sulfur yang dihasilkan pada saluran air semburan dan regenatif disaring dan cream sulfur dihasilkan.
5.2.3. Prinsip Reaksi Pada Proses Desulfurisasi
Bahan gas berkontak dengan counter cairan desulfurisasi, H2S bereaksi dengan cairan Na2CO3 dan terserap.
H2S + Na2CO3 = NaHS + NaHCO3
Dalam saluran air reaksi, HS teroksidasi menjadi substansi sulfur sederhana oleh ion logam berharga tinggi.
NaHS + NaHCO3 + 2 NaVO3 = S + Na2v2o3 + H2O
Dalam saat itu, ion logam berharga rendah yang dihasilkan segera dioksidasi substansi quinone menjadi ion logam berharga tinggi.
Na2V2O3 + Q Na2CO3 + H2O 2NaVO3 + HQ
Pada saluran air pancar dan regeneratif, substansi phenol teroksidasi menjadi substansi oleh udara.
2HQ + I / 2O2 = 2Q + H2O
Proses reaksi terus berlangsung, dan karenanya gas terdesulfurisasi dan termurnikan.
