Gasifikasi Batubara 1.docx

GASIFIKASI BATUBARA

I.

PENDAHULUAN Gasifikasi adalah suatu proses perubahan bahan bakar padat secara termo kimia

menjadi gas, dimana udara yang diperlukan lebih rendah dari udara yang digunakan untuk proses pembakaran. Selama proses gasifikasi reaksi kimia utama yang terjadi adalah endotermis (diperlukan panas dari luar selama proses berlangsung). Media yang paling umum digunakan pada proses gasifikasi ialah udara dan uap. Produk yang dihasilkan dapat dikategorikan menjadi tiga bagian utama, yaitu padatan, cairan (termasuk gas yang dapat dikondensasikan) dan gas permanen. Media yang paling umum digunakan dalam proses gasifikasi adalah udara dan uap. Gas yang dihasilkan dari gasifikasi dengan menggunakan udara mempunyai nilai kalor yang lebih rendah tetapi disisi lain proses operasi menjadi lebih sederhana. Proses gasifikasi batubara adalah proses yang mengubah batubara dari bahan bakar padat menjadi bahan bakar gas. Dengan mengubah batubara menjadi gas, maka material yang tidak diinginkan yang terkandung dalam batubara seperti senyawa sulfur dan abu, dapat dihilangkan dari gas dengan menggunakan metode tertentu sehingga dapat dihasilkan gas bersih dan dapat dialirkan sebagai sumber energi. Sebagaimana diketahui, saat bahan bakar dibakar, energi kimia akan dilepaskan dalam bentuk panas. Pembakaran terjadi saat Oksigen yang terkandung dalam udara bereaksi dengan karbon dan hidrogen yang terkandung dalam batubara dan menghasilkan CO2 dan air serta energi panas. Dalam kondisi normal, dengan pasokan udara yang tepat akan mengkonversi semua energi kimia menjadi energi panas. Namun kemudian, jika pasokan udara dikurangi, maka pelepasan energi kimia dari batubara akan berkurang, dan kemudian senyawa gas baru akan terbentuk dari proses pembakaran yang tidak sempurna ini (sebut saja pembakaran “setengah matang”). Senyawa gas yang terbentuk ini terdiri atas H2, CO, dan CH4 (methana), yang masih memiliki potensi energi kimia yang belum dilepaskan. Dalam bentuk gas, potensi energi ini akan lebih mudah dialirkan dan digunakan untuk sumber energi pada proses lainnya, misalnya dibakar dalam boiler, mesin diesel, gas turbine, atau diproses untuk menjadi bahan sintetis

lainnya (menggantikan bahan baku gas alam). Dengan fungsinya yang bisa menggantikan gas alam, maka gas hasil gasifikasi batubara disebut juga dengan syngas (syntetic gas). Dengan proses lanjutan, syngas ini dapat diproses menjadi cairan. Proses ini disebut dengan coal liquefaction (pencairan batubara). Untuk dapat menghasilkan gas dari batubara dengan maksimal, maka pasokan oksigen harus dikontrol sehingga panas yang dihasilkan dari pembakaran “setengah matang” ditambah energi yang terkandung pada senyawa gas yang terbentuk setara dengan energi dari batubara yang dipasok.

II.

Bahan baku Batu bara

III.

Sifat fisik dan sifat kimia

1. Sifat Fisik Sifat fisik batubara tergantung kepada unsur kimia yang membentuk batubara tersebut, semua fisik yang dikemukakan dibawah ini mempunyai hubungan erat satu samalain. a. Berat jenis Berat jenis (specific gravity) batubara berkisar dari 1,25g/cm3 sampai 1,70 g/cm3, pertambahannya sesuai dengan peningkatan derajat batubaranya. Tetapi berat jenis batubara turun sedikit dari lignit (1,5g/cm3) sampai batubara bituminous (1,25g/cm3), kemudian naik lagi menjadi 1,5g/cm3 untuk antrasit sampai grafit (2,2g/cm3). Berat jenis batubara juga sangat bergantung pada jumlah dan jenis mineral yang dikandung abu dan juga kekompakan porositasnya. Kandungan karbon juga akan mempengaruhi kualitas batubara dalam penggunaan. Batubara jenis yang rendah menyebabkan sifat pembakaran yang baik.

b. Kekerasan Kekerasan batubara berkaitan dengan struktur batubara yang ada. Keras atau lemahnya batubara juga terkandung pada komposisi dan jenis batubaranya. Uji kekerasan batubara dapat dilakukan dengan mesin Hardgrove Grindibility Index (HGI). Nilai HGI menunjukan niali kekersan batubara. Nilai HGI berbanding

terbalik dengan kekerasan batubara. Semakin tinggi nilai HGI , maka batubara tersebut semakin lunak. Dan sebaliknya, jika nilai HGI batubara tersebut semakin rendah maka batubara tersebut semakin keras.

c. Warna Warna batubara bervariasi mulai dari berwarna coklat pada lignit sampai warna hitam legam pada antrasit. Warna variasi litotipe (batubara yang kaya akan vitrain) umumnya berwarna cerah.

d. Goresan Goresan batubara warnanya berkisar antara terang sampai coklat tua. Pada lignit, mempunyai goresan hitam keabu-abuan, batubara berbitumin mempunyai warna goresan hitam, batubara cannel mempunyai warna goresan dari coklat sampai hitam legam.

e. Pecahan Pecahan dari batubara memperlihatkan bentuk dari potongan batubara dalam sifat memecahnya. Ini dapat pula memeperlihatkan sifat dan mutu dari suatu batubara. Antrasit dan batubara cannel mempunyai pecahan konkoidal. Batubara dengan zat terbang tinggi, cenderung memecah dalam bentuk persegi, balok atau kubus.

2. Sifat Kimia Sifat kimia dari batubara sangat berhubungan langsung dengan senyawa penyusun dari batubara tersebut, baik senyawa organik ataupun senyawa anorganik. Sifat kimia dari batubara dapat digambarkan sebagai berikut :

a. Karbon Jumlah karbon yang terdapat dalam batubara bertambah sesuai dengan peningkatan derajat batubaranya. Kenaikan derajatnya dari 60% sampai 100%. Persentase akan lebih kecil daripada lignit dan menjadi besar pada antrasit dan hamper 100% dalam grafit. Unsur karbon dalam batubara sangat penting

peranannya sebagai penyebab panas. Karbon dalam batubara tidak berada dalam unsurnya tetapi dalam bentuk senyawa. Hal ini ditunjukkan dengan jumlah karbon yang besar yang dipisahkan dalam bentuk zat terbang

b. Hidrogen Hidrogen yang terdapat dalam batubara berangsur-angsur habis akibat evolusi metan. Kandungan hidrogen dalam liginit berkisar antara 5%, 6% dan 4.5% dalam batubara berbitumin serta sekitar 3% smpai 3,5% dalam antrasit. c. Oksigen Oksigen yang terdapat dalam batubara merupakan oksigen yang tidak reaktif. Sebagaimana dengan hidrogen kandungan oksigen akan berkurang selam evolusi atau pembentukan air dan karbondioksida. Kandungan oksigen dalam lignit sekitar 20% atau lebih, dalam batubara berbitumin sekitar 4% sampai 10% dan sekitar 1,5% sampai 2% dalam batubara antrasit.

d. Nitrogen Nitrogen yang terdapat dalam batubara berupa senyawa organik yang terbentuk sepenuhnya dari protein bahan tanaman asalnya jumlahnya sekitar 0,55% sampai 3%. Batubara berbitumin biasanya mengandung lebih banyak nitrogen daripada lignit dan antrasit.

e. Sulfur Sulfur dalam batubara biasanya dalam jumlah yang sangat kecil dan kemungkinan berasal dari pembentuk dan diperkaya oleh bakteri sulfur. Sulfur dalam batubara biasanya kurang dari 4%, tetapi dalam beberapa hal sulfurnya bisa mempunyai konsentrasi yang tinggi. Sulfur terdapat dalam tiga bentuk, yaitu : 

Sulfur Piritik (piritic Sulfur) Sulfur Piritik biasanya berjumlah sekitar 20% - 80% dari total sulfur yang terdapat dalam makrodeposit (lensa, urat, kekar, dan bola) dan mikrodeposit (partikel halus yang menyebar).



Sulfur Organik

Sulfur Organik biasanya berjumlah sekitar 20% - 80% dari total sulfur, biasanya berasosiasi dengan konsentrasi sulfat selama pertumbuhan endapan.



Sulfat Sulfur Sulfat terutama berupa kalsium dan besi, jumlahnya relatif kecil dari seluruh jumlah sulfurnya.

IV.

Uraian proses A. Prinsip Kerja Umum Secara umum proses gasifikasi batubara dilakukan dalam suatu reactor yang disebut gasifier dan prosesnya terdiri dari drying,pyrolysis,reduksi dan oksidasi. Reaktan utama pada proses gasifikasi batubara adalah oksigen dalam udara dan uap air. Gas utama yang dihasilkan dari gasifikasi batubara adalah CO, H2 dan gas lainnya seperti CH4, CO2 dan Nitrogen. Reaksi reaksi utama yang terjadi selama proses gasifikasi batubara adalah sebagai berikut : 1. Reaksi drying/moisture release Drying merupakan proses pemanasan batubara pada temperature antara 100 – 250 celcius. Pemanasan ini akan menghilangkan atau menguapkan air yang terkandung dalam batubara. Adapun mekanismenya mengikuti reaksi berikut : Batubara + panas → batubara + air (H2O, uap air) Panas yang diperlukan untuk penghilangan kandungan air ini diperoleh dari panas hasil reaksi pembakaran char atau reaksi oksidasi karbon dalam char dengan oksigen. Air dalam fasa uap ini dapat bereaksi dengan gas lain yang terjadi selama proses gasifikasi. 2. Reaksi decomposition/pyrolysis/devolatilization Setelah mengalami proses penghilangan air, batubara akan mengalami proses pyrolysis yaitu penguraian batubara pada temperature tinggi menjadi char, tar, dan volatile mater. Proses ini berlangsung pada temperature antara 200 – 500 celcius. Mekanisme reaksi pyrolysis dapat dijelaskan sebagai berikut :

Batubara + panas → char + tar + gas. Pyrolysis merupakan proses yang sifatnya endotermik. Panas yang diperlukan untuk terjadinya proses ini diperoleh dari reaksi oksidasi karbon dalam char dengan oksigen dari udara. Proses ini biasa juga disebut dengan devolatilisasi.

3. Reaksi reduction/gasification : Proses reduksi merupakan tahapan utama dari gasifikasi. Pada tahap ini gas mampu dihasilkan. Gas hasil reaksi reduksi ini biasa disebut sebagai gas produser atau syntetic gas. Reaksi – reaksi yang terjadi pada tahap ini sifatnya endotermik. Panas yang dibutuhkan dipasok dari panas hasil reaksi oksidasi. Reaksi – reaksi reduksi pada tahap ini secara stoikiometrik : a. Reaksi uap air atau steam reaction yaitu reaksi reduksi antara karbon dalam char dengan uap air sesuai dengan reaksi berikut : C (char) + H2O + panas → CO (gas) +H2 (gas). Reaksi ini menghasilkan produk gas yang mampu membakar (syngas). Secara stoikometrik karbon yang bereaksi dengan uap air akan menjadi gas karbon monoksida dan gas hydrogen. Kedua gas ini merupakan komponen dari hasil gasifikasi. b. Reaksi karbon dengan gas karbon dioksida pada tahap ini akan mengikuti reaksi berikut : C (char) + CO2 + panas → 2CO Reaksi ini menghasilkan produk gas yang mampu bakar yaitu gas karbon monoksida. Karbon dalam char yang bereaksi dengan gas karbon dioksida akan dikonversi menjadi gas mampu bakar karbon monoksida. Reaksi ini biasa disebut sebagai Boudourdreaction. c. Reaksi geser atau shift reaction Uap air yang ditambahkan akan bereaksi dengan gas CO membentuk gas CO2 sesuai dengan reaksi berikut : CO(gas) + H2O (uap) → CO2 (gas) + H2 (gas) + panas Kedua produk gas yang dihasilkan ini merupakan gas yang memiliki nilai mampu bakar. d. Reaksi oxidation/combustion

Proses oksidasi merupakan reaksi yang melibatkan reaktan oksigen sebagai oksidator nya. Karbon dalam char akan dioksidasi menjadi gas karbon dioksida atau karbon monoksida. Produk gas yang dihasilkan tergantung pada jumlah oksigen yang ditambahkan. Reaksi oksidasi yang terjadi antara karbon dengan gas oksigen sesuai reaksi berikut : 

Pembakaran sempurna Pembakaran sempurna : Pemabakaran sempurna dari karbon dengan oksigen akan sesuai dengan reaksi berikut : C (char) + O2 (udara) → CO2 (gas) + panas Gas karbon dioksida dihasilkan ketika reaksi oksidasi berjalan sesuai denganz stoikometrik pembakaran sempurna. Reaksi pembakaran sempurna berjalan ketika satu mol karbon dibakar dengan satu mol oksigen dan menghasilkan satu mol gas karbon dioksida. Artinya karbon dalam char yang bereaksi dengan oksigen hanya akan membentuk gas karbon dioksida. Gas hasil pembakaran sempurna tidak memiliki nilai bakar atau tidak mampu bakar, sehingga reaksi ini tidak diharapkan terjadi.



Pemabakaran tidak sempurna Pembakaran tidak sempurna terjadi ketika jumlah oksigen kurang dari nilai stoikometrik pembakaran sempurna. Reaksi oksidasi karbon dalam batubara menjadi tidak sempurna ketika satu mol karbon direaksikan dengan oksigen kurang dari pada satu mol. Reaksi pembakaran satu mol karbon dengan oksigen yang hanya memenuhi separuh dari kebutuhan stoikometriknya akan menghasilkan produk berupa satu mol gas karbon monoksida sesuai reaksi berikut : C (char) + 0.5 O2 (udara) → CO (Gas) + panas Persamaan reaksi ini merupakan reaski yang secara stoikometrik merubah seluruh karbon yang bereaksi dengan oksigen menjadi produk yang hanya terdiri dari gas karbon monoksida. Setiap kelebihan oksigen dari 0,5 mol dapat merubah reaksi dan membentuk gas karbon dioksida, sebaliknya jika oksigen kurang dari pada 0.5 mol, maka akan menyebabkan sebagian karbon

tidak bereaksi. Ada sisa karbon char. Gas hasil reaksi pembakaran tidak sempurna menghasilkan gas yang memiliki nilai bakar atau mampu bakar. Reaksi oksidasi atau pembakaran adalah reaksi yang menghasilkan sumber panas yang dibutuhkan bagi proses gasifikasi secara keseluruhan. Reaksi – reaksi lainnya merupakan reaksi yang dapat diatur untuk mendapatkan gas sesuai dengan komposisi gas yang diinginkan. Operasi utama gasifikasi batubara. Gasifikasi dilakukan dalam sebuah tungku atau reactor yangdisebut gasifier. Secara skematik gasifier untuk batubara tipe updraft dapat dilihat pada gambar dibawah. Unit gasifier ini dilengkapi dengan steam drum yang menghasilkan uap air. Batubara dimasukan dari bagian atas dan bergerak ke bawah secara gravity. Reaktan oksigen dalam udara dan uap air ditiup dari bagian bawah reactor. Reaktan beserta gas hsil reaksi lainnya akan bergerak kebagaian atas gasifier.  Batubara secara gravity masuk ke dalam tungku/gasifier dari bagian atas pengumpanan menggunakan feeder otomatis.  Udara dan steam dimasukkan dari bagian baawah tungku yang dilengkapi dengan pengatur laju pengumpanan.  Steam dan udara panas bergerak dari bagian bawah tungku melewati tumpukan batubara yang bergerak dari bagian atas.  Terjadi reaksi antara batubara yang bergerak ke bawah dengan udara dan steam yang bergerak kea rah atas sesuai dengan lokasi temperaturnya.  Proses gasifikasi umumnya menggunakan 20 sampai 40 persen oksigen dari nilai stoikomterik proses pembakarna sempurna, jadi proses pembakarannya akan mengikuti reaksi berikut : C (arang) + (0,2 – 0,4) O2 (udara) → (0.,4 – 0,8) CO (gas) + (0,2 – 0,6) C(arang). Reaksi ini menghasilkan karbon tersisa. Sisa karbon ini dapat direaksikan dengan uap air. Secara stoikometrik prosesnya akan memenuhi reaksi berikut : C (arang) + H2O (uap air) → CO (gas) + H2(gas)

Reaksi sisa karbon dengan uap air ini dapat menghasilkan gas karbon monoksida dan gas hydrogen. Gas hydrogen merupakan gas yang memiliki nilai pembakaran. Namun demikian, uap air yang ditambahkan dapat pula bereaksi dengan gas hasil proses reaksi sebelumnya. Uap air dapat bereaksi dengan gas karbon monoksida menghasilkan gas karbon diosida dan gas hydrogen sesuai reaksi stoikometrik berikut : CO + H2O → CO2 + H2 Reaksi ini biasa disebut dengan shift reaction atau reaksi geser. Reaksi yang dapat menggeser karbon monoksida dan uap air menjadi gas karbon diosida dan hydrogen. Selain dengan uap air, karbon sisa dapat juga bereaksi dengan gas karbon dioksida sesuai reaksi stoikometrik berikut : C (arang) + CO2 → 2CO Pada reaksi ini karbon dikonversi oleh gas CO2 menjadi gas yang memiliki nilai mampu bakar yaitu gas CO.

V.

Flowsheet

VI.

Produk dan kegunaan produk

Produk yang diperoleh dari gasifikasi batubara ini antara lain CO,H2,dan CH4 dimana produk dari proses gasifikasi ini dapat langsung digunakan sebagai bahan bakar dan bahan baku dari proses sintesa atau bahan kimia lainnya. Klasifikasi Gas Berdasarkan Nilai Kalornya yaitu: 1. Gas high Btu merupakan sinonim dari sibstitute natural gas (SNG) dan mempunyai nilai kalor antara 970 sampai 1000 Btu per standard cubic foot (Scf). Komposisi gas sebagian besar terdiri dari CH4 (lebih dari 90%) dan sebagian kecil terdiri dari CO, CO2, dan N2. Gas high Btu pada umumnya dapat dipertukarkan dengan gas alam dan dapat dibuat dari batubara pada skala besar. 2. Gas medium Btu mempunyai nilai kalor 270 hingga 600 Btu/Scf. Pada nilai kalor yang lebih rendah dari rentang ini, gas umumnya terdiri dari CO dan H2 serta sejumlah kecil CO2. Pada nilai kalor yang lebih tinggi dari rentang diatas, nilai kalor meningkat seiring dengan masuknya CH4 atau hidrokarbon yang lain. Gas medium Btu banyak digunakan dalam industrimanufaktur karena dapat terbakar dengan cepat dan menghasilkan temperatur nyala yang sama atau lebih tinggi dari gas alam. Akan tetapi gas medium Btu ini tidak dapat dimasukkan ke dalam jaringan distribusi gas alam karena tidak dapat dipertukarkan dengan gas alam dan karena kadar karbon monoksidanya. Gas medium Btu dapat digunakan sebagai

sumber hidrogen untuk liquekfaksi batubara secara langsung menjadi bahan bakar cair atau untuk sintesa metanol dan bahan bakar cair lainnya. Gas medium Btu juga dapat digunakan untuk produksi gas High Btu.

3. Gas Low Btu normalnya mempunyai nilai kalor sekitar 90 sampai 150 Btu/scf. Komponen-komponen yang dapat dibakar terdiri dari CO dan H2yang dilarutkan oleh CO2 dan N2. Gas ini mempunyai temperatur nyala yang rendah, kecuali jika udara pembakaran dilakukaan pra-pemanasan dengan kuat. Gas ini bisa menjadi bahan bakar turbin yang ideal yang kemungkinannya dimanfaatkan secara besarbesaran dalam gas stream combined power cycle untuk pembangkitan listrik dilokasi dmana gas tersebut dihasilkan. Manfaat dari Proses Gasifikasi 1. Mampu menghasilkan produk gas yang konsisten yang dapat digunakan sebagai pembangkit listrik. 2. Mampu memproses beragam input bahan bakar termasuk batu bara, minyak berat, biomassa, berbagai macam sampah kota dan lain sebagainya. 3. Mampu mengubah sampah yang bernilai rendah menjadi produk yang bernilai lebih tinggi. 4. Mampu mengurangi jumlah sampah padat. 5. Gas yang dihasilkan tidak mengandung furan dan dioxin yang berbahaya.

VII.

DAFTAR PUSTAKA

https://wawasanpertambangan.blogspot.com/2014/03/sifat-sifat-fisik-batubara1.html https://www.academia.edu/10674482/Gasifikasi_batubara https://ardra.biz/sain-teknologi/ilmu-dan-teknologi-terapan/prosesgasifikasikonversi-batubara-menjadi-gas/