pemilihan proses gasifikasi
TRANSCRIPT
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
1/31
14
BAB 2
SELEKSI DAN URAIAN PROSES
2.1 Seleksi Proses Gasifikasi
Gasifikasi merupakan kumpulan proses yang mengkonversi bahan bakar padat atau
cair menjadi gas yang mudah terbakar (Basu, 2006: 59). Gasifikasi batu bara pada prinsipnya
adalah suatu proses penghasilan gas sintesis (syngas) yang mudah terbakar dari batu bara.
Pada umumnya, gasifikasi meliputi reaksi karbon dengan udara, O2, steam, CO2, atau
campuran dari gas-gas tersebut pada suhu 700oC atau lebih untuk dapat menghasilkan
produk gas yang dapat digunakan sebagai sumber panas atau bahan baku industri petrokimia.
Setiap materi karbon baik liquid ataupun solid diubah menjadi gas, zat yang tidak diharapkanseperti sulfur dan abu dihilangkan dari gas.
(Cheremisinoff & Rezaiyan, 2005: 5-6)
Pada proses gasifikasi, bahan yang masuk akan mengalami hidrogenasi. Hal ini berarti
hidrogen ditambahkan pada sistem secara langsung atau tak langsung atau bahan dipirolisis
untuk menghilangkan karbon untuk menghasilkan produk dengan rasio hidrogen karbon
yang lebih tinggi dari bahan. Proses ini dapat dilaksanakan secara terpisah atau bersama-
sama.
(Cheremisinoff & Rezaiyan, 2005: 7)
Pada proses hidrogenasi tak langsung, steam digunakan sebagai sumber hidrogen dan
hidrogen dihasilkan dalam reaktor gasifikasi. Proses hidrogenasi tak langsung dikenal juga
sebagai proses gasifikasi udara atau oksigen, tergantung apakah udara atau oksigen yang
digunakan sebagai sumber oksidan. Jika gasifikasi tidak menggunakan oksidan, melainkan
hanya steam dan panas, maka gasifikasi tersebut disebut steam reforming . Selain itu, sedang
dikembangkan proses gasifikasi katalitik. Katalis digunakan untuk menghasilkan gas H2 dan
CO pada temperatur yang rendah. Namun, rintangan terbesar untuk mengkomersialisasi
proses ini adalah katalis sangat mudah terdeaktivasi dan cost proses yang masih tinggi.
(Cheremisinoff & Rezaiyan, 2005: 7)
Pada proses hidrogenasi langsung, bahan dipaparkan pada hidrogen pada tekanan
tinggi untuk menghasilkan gas dengan kandungan metana yang lebih tinggi daripada proses
hidrogenasi tak langsung. Proses hidrogenasi secara langsung juga disebut sebagai proses
hidrogasifikasi. Proses ini biasanya digunakan untuk memproduksi SNG.
(Cheremisinoff & Rezaiyan, 2005: 7)
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
2/31
15
Sumber: Cheremisinoff & Rezaiyan, 2005: 6
Gambar 2.1 Metode Gasifikasi
Berdasarkan produk yang dihasilkan maka dipilih proses gasifikasi denganhidrogenasi tak langsung menggunakan steam sebagai sumber hidrogen dan menggunakan
O2 sebagai oksidan.
2.2 Seleksi Gasifier
Terdapat 3 jenis penggas ( gasifier ) yang banyak digunakan untuk gasifikasi batu bara,
yaitu tipe moving-bed , fluidized-bed , dan entrained-flow.
2.2.1 Moving-Bed Gasifier
Moving-bed adalah tipe gasifier yang tertua dibandingkan dengan tipe gasifier yang
lainnya. Dalam tipe gasifier ini ada dua bagian penting yang berlangsung, yaitu gas process
producer dan water gas process. Keduanya memegang peranan penting pada awal proses
produksi syngas dari batu bara. Dalam moving bed batu bara yang menjadi umpan reaktor
berukuran
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
3/31
16
dari bagian bawah reaktor. Selanjutnya batu bara, steam dan udara (O2) ini akan bereaksi
membentuk syngas. Mekanisme ini akan menyebabkan batu bara turun pelan-pelan selama
proses, sehingga waktu tinggal (residence time) batu bara adalah lama yaitu sekitar 1 jam.
Proses gasifikasi dengan menggunakan tipe gasifier ini menghasilkan produk sisa berupa
abu.
(Higman & Burgt, 2003: 87)
Tipe gasifier moving-bed ini beroperasi pada suhu relatif yang rendah, yakni sekitar
900oC, oleh sebab itu batu bara yang akan menjadi umpan harus memiliki suhu leleh abu
(ash fusion temperature) yang tinggi. Hal ini bertujuan agar abu tidak meleleh, karena
apabila abu meleleh maka abu akan mengumpul di bagian bawah alat dan dapat menyumbat
bagian tersebut. Hal ini akan mengganggu proses gasifikasi yang terjadi.
Contoh: Lurgi Dry Ash Gasifier , British Gas Lurgi Gasifier , Ruhr 100 Gasifier .
(Basu, 2006: 74)
Sumber: Higman & Burgt, 2003: 90
Gambar 2.2 Moving-Bed Gasifier
Kelebihan gasifier tipe moving-bed :
Sangat cocok untuk skala kecil dan mudah dalam desain serta pengoperasiannya.
Membutuhkan udara (O2) dalam jumlah yang sedikit.
Kekurangan gasifier tipe moving-bed :
Sulit menjaga temperatur pada bed .
Kurang memadai dalam hal pencampuran gas untuk keperluan gasifikasi.
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
4/31
17
Syngas yang dihasilkan sulit sekali diprediksi sehingga kurang sesuai apabila
dipergunakan untuk produksi dalam skala besar.
Banyak menghasilkan N2 sehingga heating value produk gasifikasi rendah.
Kandungan tar dalam gas tinggi.
(Basu, 2006: 64 ; Higman & Burgt, 2003: 87)
2.2.2 Fluidized-Bed Gasifier
Dalam fluidized-bed gasifier , batu bara yang digunakan lebih halus ukurannya, yakni
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
5/31
18
Contoh: Winkler Gasifier , High Temperature Winkler (HTW) Gasifier , Kellog Brown and
Root (KBR) Transport Gasifier , Kellog Rust Westinghouse (KRW) Gasifier , U-
Gas Gasifier , Foster-Wheeler Partial Gasifier .
(Higman & Burgt, 2003: 101-128)
Sumber: Higman & Burgt, 2003: 99
Gambar 2.3 Fluidized-Bed Gasifier
Kelebihan gasifier tipe fluidized-bed :
Kondisi temperatur dalam bed dapat lebih dikontrol karena proses pencampuran yang
baik.
Sesuai digunakan dalam skala industri.
Heat transfer dan mass transfer antara gas dan partikel solid lebih sempurna.
Semua tipe batu bara dapat menjadi umpan dalam gasifier ini.
Ash tidak meleleh sehingga proses pemisahannya mudah.
Kekurangan gasifier tipe fluidized-bed :
Konversi karbon yang cukup rendah.
Masih ada sebagian tar yang terbentuk.
(Basu, 2006: 74 ; Higman & Burgt, 2003: 100)
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
6/31
19
2.2.3 Entrained-Flow Gasifier
Dalam entrained-flow kontak antara serbuk batu bara dengan steam dan udara (O2)
dibuat sangat cepat sekali. Umpan yang digunakan untuk batu bara bisa berupa slurry feed
maupun dry feed . Ukuran batu bara yang masuk sangat halus, berukuran
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
7/31
20
Sumber: Higman & Burgt, 2003: 112
Gambar 2.4 Dry-Coal Feed Entrained-Flow Gasifier
Sumber: Higman & Burgt, 2003: 111
Gambar 2.5 Coal-Water Slurry Feed Entrained-Flow Gasifier
Kelebihan gasifier tipe entrained-flow:
Bisa digunakan untuk jenis batu bara apa saja ( grade rendah- grade tinggi).
Waktu kontak sangat cepat sehingga proses penggerombolan partikel dapat
diminimalisasi.
Gas yang dihasilkan bebas tar .
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
8/31
21
Konversi karbon yang sangat tinggi (hampir 100%).
Ash yang dihasilkan adalah inert, hal ini terjadi karena banyaknya O2 yang digunakan.
Sangat cocok digunakan pada skala industri karena hasil gasifikasi yang banyak.
Kekurangan gasifier tipe entrained-flow: Membutuhkan O2 dalam jumlah yang besar.
Gas yang dihasilkan bersuhu sangat tinggi.
Sulitnya pendinginan gas yang keluar dari gasifier .
Sulitnya pemilihan konstruksi pada combustion zone dikarenakan tingginya suhu pada
zone tersebut.
Ukuran reaktor lebih besar untuk space evaporasi air (jika menggunakan coal-water
slurry feed ).(Basu, 2006: 64 ; Higman & Burgt, 2003: 109-111)
Tabel 2.1 Perbandingan Jenis-Jenis Gasifier
Parameter Moving-bed Fluidized-bed Entrained-flow
Ukuran partikel
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
9/31
22
Toleransi kekasaran
partikel
Sangat baik Baik Buruk
Toleransi jenis
partikel
Batu bara kualitas
rendah.
Batu bara kualitas
rendah dan
biomassa.
Segala jenis batu
bara, tetapi tidak
cocok untuk
biomassa.
Kebutuhan oksidan Rendah Menengah Tinggi
Kebutuhan steam Tinggi Menengah Rendah
Temperatur reaksi 1090°C 800-1000°C >1990°C
Temperatur gas
keluar gasifier
450-650°C 800-1000°C >1260°C
Efisiensi gas dingin 80% 89,2% 80%
Konversi batu bara
menjadi syngas
99% 97% 99%
Aplikasi Skala kecil Skala menengah-
besar
Skala besar
Masalah dalam
aplikasi
Produksi tar Konversi karbon Pendinginan raw
syngas
Sumber: Basu, 2006: 64
Berikut ini adalah adalah aspek yang menjadi parameter dalam pemilihan gasifier .
Konversi.
Konversi
selalu
menjadi
salah
satu
parameter
dalam
pemilihan
reaktor,
karena konversi menyatakan seberapa besar karbon dalam batu bara dapat
bereaksi dengan media gasifikasi (oksigen dan steam). Fluidized-bed gasifier memiliki
konversi yang terendah di antara kedua bed lainnya, namun dengan menggunakan
teknologi HTW (adanya mekanisme recycle), konversi karbon dapat setara dengan kedua
bed tersebut (Basu, 2006: 74).
Jumlah media gasifikasi.
Media gasifikasi yang digunakan adalah steam dan oksigen, dimana yang
menjadi parameter
di sini adalah
jumlah
media gasifikasinya.
Semakin
banyak jumlah yang dibutuhkan, maka akan berdampak pada biaya utilitas
yang dibutuhkan yang nantinya akan berpengaruh secara ekonomi. Konsumsi media
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
10/31
23
gasifikasi fluidized-bed , baik oksigen maupun steam berada di tengah-tengah. Artinya,
ketiga jenis bed tersebut memiliki poin yang sama berdasarkan media gasifikasi.
Feedstock (coal rank ).
Yang dimaksud dengan
feedstock ini adalah jenis batu bara (coal rank )
yang
menjadi
umpan
masukan. Karena
di
Indonesia
ini
batu bara
yang
dihasilkan bervariasi jenisnya. Untuk low rank coal (lignite – sub-bituminous), penggunaan
entrained-flow bed kurang menarik sebab kandungan air low rank coal masih cukup tinggi
sehingga tidak ekonomis menggunakan jenis bed tersebut karena membutuhkan banyak
steam (Higman & Burgt, 2003: 111). Untuk moving-bed dan fluidized-bed memiliki poin
yang sama, sebab keduanya cocok digunakan untuk feedstock low rank coal .
Purity syngas (kemurnian syngas).
Produk yang dihasilkan berupa gas yang tentunya diharapkan
kemurniannya, terutama dari kandungan tar . Di antara ketiga jenis bed tersebut, moving
bed yang paling banyak menghasilkan tar , sedangkan entrained-flow yang paling sedikit.
Di lain pihak, kandungan tar dalam fluidized-bed dapat ditekan jika suhu pirolisis dapat
mencapai 1100-1200oC. Jika suhu tersebut tercapai, maka tar dapat terurai menjadi
hidrokarbon ringan. (Basu, 2006: 65).
Cost .
Cost
atau
biaya
merupakan
harga
investasi
dari
unit
reaktor
yang digunakan.
Semakin tinggi suhu reaksi dalam gasifier , maka investasi untuk reaktor akan semakin
tinggi karena dibutuhkan material yang tahan akan suhu panas. Jika dilihat dari suhu
reaksinya, entrained-flow membutuhkan investasi yang paling besar sebab suhu reaksinya
yang paling tinggi. Sedangkan untuk moving-bed dan fluidized-bed , seperti yang telah
diringkaskan pada Tabel 2.1, range suhu reaksi dalam gasifier hampir sama sehingga dapat
dianggap investasinya sama.
(Habiburrohman, 2012: 30)
Kelima parameter diatas akan ditentukan urutan prioritasnya menggunakan software
Expert Choice, hasil dari pembobotan dapat dilihat pada tabel berikut.
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
11/31
24
Tabel 2.2 Hasil Pembobotan Setiap Parameter Pemilihan Reaktor
Parameter Bobot
Konversi 0,107
Jumlah media gasifikasi 0,079
Feedstock (coal rank ) 0,334
Purity syngas 0,235
Cost 0,246
Sumber: Habiburrohman, 2012: 31
Dari Tabel 2.2 terlihat bahwa urutan prioritas secara berurutan adalah feedstock (0,334),
cost (0,246), kemurnian syngas (0,235), konversi (0,107), dan terakhir media gasifikasi (0,079).
Batu bara yang digunakan bisa jadi bervariasi jenisnya sesuai dengan kondisi yang ada
di Indonesia. Dalam hal ini maka kemampuan fleksibilitas reaktor dalam memroses semua jenis
batu bara (coal rank ) sebagai umpan dan dengan hasil produk yang masih stabil sangat penting.
Oleh karena, itu feedstock menjadi parameter utama dalam pemilihan ini. Kedua disusul oleh
cost yang merupakan harga investasi dimana akan berpengaruh terhadap analisis
keekonomian. Faktor ketiga adalah kemurian syngas, hal ini penting karena syngas yang
dihasilkan akan dijadikan sebagai bahan baku pupuk yang membutuhkan kemurnian dan rasio
H/C yang cukup ketat. Selain itu, semakin murni maka akan berdampak pada treatment yang
lebih mudah dan lebih ekonomis. Dan dua parameter yang terakhir adalah konversi dan media
gasifikasi. Berikutnya akan dilakukan pemilihan reaktor yang ada berdasarkan parameter-
paramater yang telah ditentukan. Dalam pemilihan ini juga digunakan software Expert Choice,
hasil penilaian disajikan dalam Tabel 2.3.
Tabel 2.3 Hasil Penilaian Setiap Reaktor terhadap Setiap Parameter
Parameter Moving-bed Fluidized-bed Entrained-flow
Konversi 0,540 0,163 0,297
Jumlah media gasifikasi 0,484 0,349 0,168
Feedstock (coal rank ) 0,122 0,648 0,230
Purity syngas 0,122 0,320 0,558
Cost 0,297 0,540 0,163
Hasil 1,565 2,02 1,416
Sumber: Habiburrohman, 2012: 31
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
12/31
25
Pada Tabel 2.3 terlihat bahwa untuk setiap jenis reaktor sebenarnya mempunyai
kelebihan masing-masing, seperti moving-bed yang mempunyai kelebihan dalam hal
konversinya yang besar dan jumlah media gasifikasi yang kecil. Entrained-bed dengan
kemurnian produknya yang tinggi, dan fluidized-bed dengan jenis batu bara sebagai
umpannya dapat bervariasi. Setiap nilai tersebut akan digabungkan dan hasilnya akan dipilih
reaktor dengan nilai paling besar. Dari hasil pembobotan pada Tabel 2.3, maka ditetapkan
bahwa gasifier yang digunakan adalah jenis fluidized-bed . Jenis gasifier ini terpilih karena
jenis batu bara sebagai masukan dapat bervariasi yang merupakan parameter utama, selain
itu cost dari jenis ini lebih ekonomis daripada jenis lainnya.
(Habiburrohman, 2012: 32)
2.3 Seleksi Oksidan
Ada dua oksidan yang biasa dipakai pada proses gasifikasi, yaitu udara, yang
jumlahnya tak terbatas di sekitar gasifier , dan oksigen, yang perlu dipisahkan dulu dari udara
dengan biaya tertentu. Pilihan alternatif lain adalah dengan menggunakan udara yang
kandungan oksigennya lebih tinggi daripada udara biasa.
Gasifikasi skala besar menggunakan oksigen dengan kemurnian yang tinggi (>90%).
Hal ini disebabkan karena gas hasil gasifikasi biasa digunakan sebagai bahan baku industri
chemicals dan petrochemicals dimana adanya nitrogen dengan jumlah yang besar akan
memperburuk proses sintesis produk dari industri-industri tersebut. Contohnya, untuk
produksi amonia, gas hasil gasifikasi harus menggunakan oksidan dengan jumlah nitrogen
maksimal 30%. Namun, kriteria ini tak berlaku untuk aplikasi pada pembangkit energi.
Untuk gasifikasi waste dan biomassa, penggunaan udara sebagai oksidan lebih disukai.
(Higman & Burgt, 2003: 219)
Jadi, sebagai oksidan akan digunakan oksigen dengan kemurnian yang tinggi, yakni
98%. Hal ini karena:
1. Produk syngas akan digunakan untuk industri pupuk ( petrochemicals).
2. Jika digunakan udara, kandungan N2 yang tinggi (inert ) akan membebani gasifier
sehingga dikhawatirkan suhu dalam gasifier tidak dapat mencapai 1.000oC seperti apa
yang diinginkan. Apabila suhu tersebut tak tercapai, reaksi gasifikasi yang terjadi tidak
dapat maksimal, dan juga dikhawatirkan konversi karbonnya rendah. Oleh karena itu,
oksigen dengan kemurnian tinggi diharapkan mampu menyediakan energi yang cukup
untuk reaksi gasifikasi dan juga agar konversi karbonnya tinggi. Jika tetap menggunakanudara, maka dibutuhkan volume yang lebih besar untuk menyamai volume oksigen
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
13/31
26
berkadar tinggi, sebab kandungan oksigen dalam udara kecil. Dengan demikian
diperlukan ukuran gasifier yang lebih besar. Ini akan mempengaruhi biaya pengadaan
alat.
3. Dari awal, tujuan syngas ini adalah untuk mensubstitusi pemakaian gas alam oleh PT
Pusri. Kita tahu bahwa sintesis amonia berjalan menurut reaksi:
3H2 ( g ) + N2 ( g ) 2NH3 ( g )
Prioritas utama pemakaian gas alam adalah untuk menghasilkan H2 karena secara
teoretis dibutuhkan 3 mol H2 untuk bereaksi dengan 1 mol N2. Secara alamiah pastilah
kita akan memprioritaskan kebutuhan bahan baku yang lebih besar, apalagi N2 nantinya
akan diperoleh dengan mudah dari udara. Oleh karena itu, diharapkan syngas yang
digunakan sebagai pensubstitusi gas alam ini rendah kandungan N2 sehingga yield
produk H2 akan lebih besar seperti yang akan dipaparkan sebagai berikut. Sebelum
digunakan untuk sintesis amonia, dilakukan steam reforming terlebih dahulu terhadap
gas alam untuk menghasilkan hidrogen menurut reaksi:
CH4 ( g ) + H2O ( g ) CO ( g ) + 3H2 ( g ) ΔH = +206 kJ
CO ( g ) + H2O ( g ) CO2 ( g ) + H2 ( g ) ΔH = -41 kJ
(Liu, 2006: 19)
Secara keseluruhan, reaksi steam reforming adalah reaksi endotermis sehingga
dibutuhkan furnace untuk menaikkan temperatur reaksi. Bahan bakar yang digunakan
pada furnace adalah gas alam itu sendiri. Fungsi produk syngas di sini selain sebagai
substitusi gas alam sebagai bahan baku, juga bisa bertindak sebagai pengganti gas alam
yang digunakan untuk bahan bakar furnace. Dengan demikian, pemakaian gas alam
dapat diminimalisasi. Setelah melalui steam reforming , kandungan CO dalam gas masih
cukup besar. Untuk memperbesar yield dari H2, maka gas akan diproses di shift
converter reactor menurut reaksi:
CO ( g ) + H2O ( g ) CO2 ( g ) + H2 ( g ) ΔH = -41 kJ
(pusri.co.id/ina/amonia-proses-produksi-amonia)
Diharapkan kandungan CO yang tinggi dalam syngas dapat diproses lebih lanjut untuk
menghasilkan gas H2 yang akan digunakan sebagai bahan baku sintesis amonia yang
kemudian akan digunakan untuk sintesis urea (pupuk). Dengan begitu penggunaan gas
alam oleh PT Pusri ke depannya diharapkan dapat berkurang sehingga tidak terlalu
bergantung pada supply gas alam yang tidak menentu.
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
14/31
27
4. Pada akhirnya, tujuan syngas yang diproduksi ini hanya untuk mensubstitusi
penggunaan gas alam dan tidak mengubah proses yang sudah ada di pabrik tujuan.
2.4 Seleksi Pemisahan Kontaminan (Gas Cleaning )
Ada beberapa metode yang dapat digunakan untuk proses pemisahan kontaminan
dalam syngas, terutama senyawa sulfur (COS, H2S) dan CO2, antara lain:
Absorbsi dengan menggunakan pelarut liquid.
Adsorpsi menggunakan partikel solid.
Difusi dengan menggunakan membran permeabel atau semi permeabel.
Perbandingan antara ketiga metode diatas dapat dilihat pada tabel di bawah ini.
Tabel 2.4 Perbandingan Metode Pemurnian Syngas dari Senyawa Sulfur dan CO2
Absorbsi Adsorpsi Difusi
Mengkontakkan syngas
dengan solvent yang
selektif memisahkan
H2S dan CO2. Terjadi di dalam kolom
yang dilengkapi tray
atau packing .
Karakteristik absorbsi
tergantung property
fisik solvent (Σ solvent >
→ loading capacity >)
Solvent dapat
dipergunakan kembali
dengan diregenerasi
terlebih dahulu.
Biaya maintenance
cukup mahal.
Rentan terhadap korosi.
Adsorpsi impurities pada
solid carrier bed .
Beberapa adsorbant
dapat diregenerasi, beberapa memerlukan
penggantian secara
berkala.
Loading capacity
tergantung dari
karakteristik komponen
dan adsorbant ,
temperatur, serta
tekanan.
Hampir dapat
mengadsorb impurities
secara sempurna.
Adsorbant ZnO biasa
dipakai dalam adsorpsi
H2S. Untuk mengadsorb
Melewatkan syngas
pada semacam
membran polimer.
Rate transport darikomponen yang
melewati membran
dipengaruhi oleh
kelarutan kontaminan
dalam pelarut dan rasio
ukuran pori membran
dengan diameter
kontaminan.
Operasional yang halus
dan tidak bising.
Konsumsi energi yang
rendah.
Biaya maintenance
murah.
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
15/31
28
Membutuhkan space
yang luas.
H2S sampai konsentrasi
di bawah 10 ppbv, dapat
digunakan adsorbant
CuO.
Tidak perlu space yang
luas.
Mobilitas yang tiggi
(beberapa modulmembran dapat
dipasang di atas
kendaraan)
(Austin, 1984: 94).
Kurang cocok untuk
absorpsi CO2 dengan
kandungan yang tinggi.
Masih jarang
diaplikasikan dalam
industri.
Sumber: Higman & Burgt, 2003: 298-314
2.4.1 Seleksi Pelarut
Ada dua macam pelarut yang biasa digunakan untuk mengabsorb gas-gas asam, yaitu
pelarut fisik dan pelarut kimia. Untuk mengetahui perbedaannya, akan dibandingkan pelarut
selexol (pelarut fisik) dengan pelarut MDEA (pelarut kimia). Kedua pelarut tersebut
digunakan sebagai perbandingan karena keduanya merupakan pelarut yang banyak
digunakan dalam industri saat ini.
Tabel 2.5 Perbandingan Pelarut Fisik (Selexol) dan Pelarut Kimia (MDEA)
Property Selexol MDEA
Tekanan uap (25 oC) 0,00073 mmHg 0,01 mmHg
Titik didih (760 mmHg) 175oC 247,2 oC
Viskositas (25 oC) 5,8 cPs 101 cPs
Kapasitas penyerapan 0,162 mol CO2/L 0,8 mol CO2/L
Perkiraan harga ($/lb) 1,32 1,4
Sumber: Kohl & Nielsen, 1997: 49,1197 ; Higman & Burgt, 2003:302
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
16/31
29
Pelarut fisik maupun pelarut kimia memiliki kelebihan dan kekurangan masing-
masing. Selexol memiliki tekanan uap yang rendah sehingga kehilangan pelarut saat
regenerasi kecil. Selain itu, viskositas selexol cukup rendah sehingga energi yang diperlukan
untuk memompa pelarut masuk dalam absorber tidak terlalu besar. Di lain pihak, kapasitas
penyerapan CO2 oleh MDEA jauh lebih besar. Walaupun harganya lebih mahal, namun
MDEA sangat cocok bila digunakan untuk absorpsi dengan kandungan CO2 yang tinggi
(Kidnay, 2006: 105).
MDEA ( Methyl Diethanole Amin) merupakan pelarut yang paling banyak digunakan
saat ini untuk absorpsi CO2. MDEA yang digunakan sebagai pelarut memiliki konsentrasi
antara 30-50% dengan solution loading 0,8 mol/mol. Sedangkan untuk pelarut amin lainnya,
seperti MEA dan DEA, solution loading -nya berturut-turut 0,25-0,45 mol/mol dan 0,4-0,8
mol/mol.
(Higman & Burgt, 2003: 302)
Tabel 2.6 Perbandingan Pelarut Amin
Pelarut Kelebihan Kekurangan
Monoethanole Amine
(MEA)
Sangat reaktif terhadap
CO2 dan H2S.
Mampu menghilangkan
CO2 dan H2S secara
bersamaan.
Recovery CO2 dan H2S
tinggi.
Harganya paling murah
dibanding pelarut amin
lainnya.
Alat rentan mengalami
korosi, terutama jika
konsentrasinya di atas
20%wt.
Mengalami reaksi
irreversible dengan COS
dan CS2 sehingga tidak
cocok digunakan untuk
gas yang mengandung
kedua senyawa tersebut.
Tekanan uapnya tinggi
sehingga banyak massa
yang hilang saat
diregenerasi.
Energi yang dibutuhkan
untuk regenerasi cukup
tinggi.
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
17/31
30
Diethanole Amine
(DEA)
Tekanan uapnya lebih
rendah dibanding MEA
sehingga dapat
meminimalisasi
kehilangan massa saat
regenerasi.
Dapat digunakan untuk
absorpsi gas yang yang
mengandung COS dan
CS2.
Dapat bereaksi dengan
CO2 secara irreversible
sehingga pelarut ini tak
optimal jika digunakan
untuk absorpsi gas
dengan kandungan CO2
yang tinggi.
Methyl Diethanole Amine
(MDEA)
Tekanan uapnya sangat
rendah sehingga dapat
digunakan dengan
konsentrasi sampai
60%wt.
Sangat selektif terhadap
H2S.
Tidak korosif.
Sudah banyak digunakan
untuk absorpsi dengan
kandungan CO2 yang
tinggi.
Energi untuk regenerasi
rendah.
Akibat keselektifannya
yang tinggi terhadap
H2S, maka akan terjadi
CO2 slippage sehingga
absorpsi CO2 kurang
maksimal. Oleh karena
itu pelarut ini biasanya
digunakan untuk
absorpsi gas CO2 tanpa
adanya H2S.
Harganya paling mahal
di antara pelarut amin
lainnya.
Sumber: Kohl & Nielsen, 1997: 49-54 ; Kidnay, 2006: 98-99
2.4.2 Hidrolisis COS
Karbonil sulfida bukan merupakan gas asam, maka hidrolisis COS untuk membentuk
H2S sering dilakukan untuk pemurnian sulfur yang terkandung dalam COS. Tujuan
pengonversian COS menjadi H2S disebabkan adsorben yang digunakan untuk proses
desulfurisasi lebih selektif terhadap H2S daripada COS. Beberapa katalis padat telah
digunakan untuk hidrolisis COS. Kohl & Riesenfield mengembangkan penggunaan katalis
chromia-alumina dengan suhu operasi dalam kisaran 300-425oC. Hidrolisis COS
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
18/31
31
berlangsung cepat, dan kecepatan reaksi dalam reaktor tinggi. Akibatnya, ukuran reaktor
hidrolisis COS kecil dan biaya reaktor hidrolisis COS sangat kecil dari biaya keseluruhan
pra desain pabrik berbasis gasifikasi.
(Bell, 2011: 115)
Dengan memperhatikan faktor ekonomi serta efisiensi proses, pemisahan COS
dilakukan melalui proses hidrolisis dan pemisahan H2S dilakukan dengan cara
mengadsorbnya menggunakan adsorben ZnO. Pemisahan CO2 dan H2S yang mungkin masih
ada dilakukan dengan cara absorbsi menggunakan solvent MDEA. Energi yang dibutuhkan
untuk meregenerasi MDEA paling kecil dibanding MEA ataupun DEA. Karena tekanan
uapnya rendah, maka kehilangan massa saat regenerasi dapat diminimalisasi. Selain itu,
MDEA yang notabene lebih tidak korosif, akan memperpanjang waktu pemakaian alat. Dan
yang paling penting, pemilihan solvent ini didasarkan pada kenyataan bahwasanya CO2
terdapat sangat banyak di dalam aliran syngas sehingga dibutuhkan pelarut dengan kapasitas
penyerapan yang tinggi.
2.5 Spesifikasi Bahan Baku
Batu bara adalah bahan bakar fosil. Batu bara dapat terbakar, terbentuk dari endapan,
batuan organik yang terutama terdiri dari karbon, hidrogen, dan oksigen. Batu bara terbentuk
dari tumbuhan yang telah terkonsolidasi antara strata batuan lainnya dan diubah oleh
kombinasi pengaruh tekanan dan panas selama jutaan tahun sehingga membentuk lapisan
batu bara.
(World Coal Institute)
Secara umum, batu bara dapat dikenal dari kenampakan sifat fisiknya, yaitu berwarna
coklat sampai hitam, berlapis, padat, mudah terbakar, kedap cahaya, nonkristalin, berkilap
kusam sampai cemerlang, bersifat getas, dan pecahannya kasar. Unsur kimia utama
pembentuk batu bara adalah karbon (C), hidrogen (H), nitrogen (N), dan sulfur (S). Analisa
unsur memberikan rumus formula empiris seperti C137H97O9 NS untuk bituminous coal d an
C240H90O4 NS untuk high grade anthracite (Demirbas, 2010: 12).
Untuk mengetahui tingkat (rank ) dari batu bara maka diperlukan analisa klasifikasi
batu bara. Klasifikasi yang saat ini umum digunakan yaitu klasifikasi yang dibuat oleh
ASTM ( American Society for Testing and Materials). Parameter dasar yang digunakan
dalam klasifikasi ASTM yaitu:
Untuk batu bara berperingkat tinggi ( fixed carbon > 69%), parameter yang digunakanadalah jumlah karbon tertambat ( fixed carbon) dan zat terbang (volatile matter ).
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
19/31
32
Untuk batu bara berperingkat rendah ( fixed carbon < 69%), parameter yang digunakan
adalah nilai kalori (calorific value)-nya.
Parameter tambahan, berupa sifat karakter penggumpalan (coking ).
(Kusuma, 2012: 43)
Tabel 2.7 Klasifikasi Batu Bara
Kelas
Karbon
Tertambat Nilai Panas Karakteristik
wt% BTU/lb Gumpalan
I. Antrasit 1. Meta-antrasit >98 Tidak menggumpal
2. Antrasit 92-98
3. Semiantrasit 86-92
II.
Bituminus 1. Low-volatile bituminus 78-86
2. Medium-volatile
bituminus 69-78
Biasanya
menggumpal
3. High-volatile A
bituminus 14.000
4. High-volatile B
bituminus 13.000-14.000
5. High-volatile C
bituminus 11.500-13.000 Menggumpal
III. Sub-
bituminus 1. Sub-bituminus A 9.500-10.500
2. Sub-bituminus B 8.300-9.500 Tidak menggumpal
3. Sub-bituminus C 8.300-9.500
IV. Lignit 1. Lignit A 6.300-8.300
2. Lignit B
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
20/31
33
2. Sub-bituminus.
Properties-nya terletak pada range lignit sampai bituminus dan penggunaan utamanya
sebagai bahan bakar untuk steam electric power generation dan bahan bakar industri
semen.
3. Bituminus.
Batu bara tebal, biasanya hitam, kadang kala coklat tua, dapat berikatan dengan baik
dengan bahan-bahan bercahaya dan tumpul. Penggunaan utamanya sebagai bahan bakar
pada steam electric power generation dan bahan bakar tanur peleburan baja.
4. Antrasit.
Batu bara dengan kualitas tertinggi. Batu bara yang lebih kuat, mengkilap, dan hitam.
Utamanya digunakan untuk pemanasan komersial dan bricket .
(chem-is-try.org)
Sumber: World Coal Institute
Gambar 2.6 Mutu Batu Bara dan Pemakaiannya
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
21/31
34
Sumber: chem-is-try.org
Gambar 2.7 Jenis Batu Bara dan Proses Pembentukannya
Kualitas batu bara berperan penting dalam menentukan kelas batu bara. Terdapat lima
unsur utama pembentuk batu bara, yaitu karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen
(N), dan sulfur (S). Penentuan kualitas batu bara dapat diperoleh dengan cara mengetahui
parameter kualitas pada batu bara. Hal ini dapat diketahui menggunakan analisa kimia dan
pengujian laboratorium terhadap sampel batu bara. Analisa kualitas batu bara terdiri dari dua
jenis, yaitu analisa proksimat dan analisa ultimat.
Analisa proksimat digunakan untuk menentukan kelas (rank ) batu bara. Analisa ini
memiliki empat parameter utama yang digunakan, yaitu:
1. Kadar air (moisture), yaitu kandungan air yang terdapat pada batu bara. Besarnya kadar
air ditentukan melalui pengeringan selama 1 jam pada suhu 104-110oC (Higman &
Burgt, 2003: 45). Kadar air sendiri dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu:
Kadar air bebas ( free surface moisture), yaitu air yang menempel pada permukaan
batu bara yang berasal dari air hujan dan juga air semprotan yang mana akan mudah
menguap dalam kondisi laboratorium.
Kadar air bawaan (inherent moisture), yaitu air yang terdapat pada rongga (pori) dan
mineral yang terdapat dalam batu bara.
Kadar air total (total moisture), merupakan jumlah dari kadar air bebas ditambah
dengan kadar air bawaan.
2. Kadar abu (ash), yaitu kandungan bahan inorganik yang tertinggal atau tidak terbakar
sewaktu pembakaran batu bara. Kandungan utamanya adalah silika, alumina, oksida
besi, lime, dan sebagian kecil oksida magnesium, titanium oksida, alkali, serta senyawa
sulfur (Higman & Burgt, 2003: 45).
3. Zat terbang (volatile matter ), yaitu komponen-komponen dalam batu bara yang dapat
lepas atau menguap pada saat dipanaskan pada suhu 900oC. Penentuan besarnya kadar
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
22/31
35
zat terbang dilakukan dengan memanaskan batu bara dalam sebuah wadah pelebur
dengan waktu dan temperatur tertentu. Selisih massa awal dan massa setelah pemanasan,
dikurangi dengan kadar air, merupakan massa zat terbang pada kondisi tersebut (Higman
& Burgt, 2003: 45). Zat terbang ini meliputi zat terbang mineral (volatile mineral matter )
dan zat terbang organik (volatile organic matter ).
4. Karbon tertambat ( fixed carbon), merupakan jumlah karbon yang tertambat pada batu
bara setelah kandungan-kandungan air, abu, dan zat terbangnya dihilangkan.
Analisa ultimat adalah analisa sederhana yang digunakan untuk mengetahui unsur-
unsur pembentuk batu bara dengan hanya memperhatikan unsur kimia pembentuk yang
penting dan mengabaikan keberadaan senyawa kompleks yang ada di dalam batu bara. Unsur
yang diukur adalah karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, dan sulfur (Higman & Burgt, 2003:
46)
(Kusuma, 2012: 42-43)
Batu bara kualitas rendah ( Low Rank Coal/ LRC) secara umum dalam praktek
komersial adalah batu bara yang memiliki kandungan panas yang rendah, yaitu kurang dari
5.100 kCal/kg, termasuk juga peringkat batu bara mulai dari lignit hingga sub-bituminus B
yang memiliki kandungan panas kurang dari 9.500 BTU/lb (
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
23/31
36
4. Ultimate Analysis
Carbon (C) (%, ad) 63,9
Hydrogen (H) (%, ad) 5,2
Oxygen (O) (%, ad) 28,5
Nitrogen (N)
Sulphur (S)
(%, ad)
(%, ad)
1,6
0,8
Sumber: Arullah dkk., 2010 ; Laporan Tahunan PT BA, 2013: 45
Pengertian satuan yang biasa dipakai dalam analisa batu bara:
As Received (ar): termasuk Total Moisture (TM).
Air Dried (ad): hanya termasuk Inherent Moisture (IM).
Dry Basis (db): tidak termasuk moisture.
(World Coal Association)
Batu bara BA-55 dengan nilai kalori yang rendah diharapkan mampu dikonversi
menjadi bahan lain yang memiliki nilai kalori yang lebih tinggi sehingga margin harga
produk dan bahan baku dapat dibuat sebesar mungkin. Margin yang besar diharapkan
mampu memberikan keuntungan pada perusahaan. Selain itu, batu bara kualitas rendah
lainnya, yaitu BA-59, banyak dikonsumsi oleh PLTU sehingga kurang memungkinkan jika
menggunakan BA-59 sebagai bahan baku (Laporan Tahunan PT BA, 2013: 88).
Hasil analisa proksimat yang dilakukan pada laboratorium memiliki nilai kalori pada
basis pelaporan air dried (ad). Pada basis ad ini, contoh batu bara ditempatkan pada ruangan
udara terbuka sehingga secara perlahan kadar airnya akan mencapai titik kesetimbangan
dengan kelembaban udara. Sedangkan untuk penggolongan batu bara menggunakan
klasifikasi ASTM, batu bara digolongkan berdasarkan nilai kalori pada basis pelaporan dry
mineral matter free (dmmf). Analisa dengan menggunakan basis dmmf ini akan memberikan
gambaran mengenai komposisi organik murni pada batu bara.
(Kusuma, 2012: 44)
2.6 Target Kualitas Produk
Produk yang dihasilkan dari proses gasifikasi ini berupa syngas ( synthesis gas),
campuran gas yang mengandung H2 dan CO dengan jumlah yang bervariasi. S yngas harus
memiliki tekanan tinggi, mengingat proses untuk sintesis amonia berlangsung pada tekanan
yang tinggi (Higman & Burgt, 2003: 8). Selain itu, syngas harus bebas senyawa sulfur untuk
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
24/31
37
menghindari korosi pada alat dan menghindari lepasnya senyawa sulfur ke lingkungan saat
proses pembakaran, carbon oxide (CO dan CO2), dan air (Higman & Burgt, 2003: 233).
Di samping itu, produk samping berupa CO2 dengan kemurnian 90% dapat digunakan
sebagai bahan baku sintesis urea. Namun, produk samping CO2 ini perlu treatment lanjutan
untuk menghilangkan kandungan airnya, mengingat CO2 yang dapat digunakan untuk
sistesis urea konsentrasinya harus lebih dari 98,5% (Higman & Bugt, 2003: 233).
Berdasarkan spesifikasi standar syngas tersebut, maka target kualitas produk syngas
pada pabrik ini adalah seperti pada Tabel 2.9.
Tabel 2.9 Target Kualitas Produk Syngas Berdasarkan Komponen Penyusun
Komponen Konsentrasi (%mol)
CO 55,0
H2
CH4
40,0
3,0
CO2 0,05
N2
H2O
1,5
0,45
Properties produk syngas yang dihasilkan adalah sebagai berikut.
Tekanan : 26,67 bar.
Suhu : 50oC.
Berat molekul : 18,76.
Kapasitas panas : 29,92 kJ/kg.oC.
Viskositas : 0,01598 cP.
Densitas : 18,58 kg/m3.
LHV : 2,764 x 105 kJ/kmol.
HHV : 2,925 x 105 kJ/kmol.
(Aspen HYSYS 8.0)
Properties dari masing-masing komponen penyusun syngas adalah sebagai berikut.
1. Karbon monoksida (CO).
Sifat fisika karbon monoksida (Perry, 2008: 2-32):
Gas tidak berwarna.
Berat molekul : 28,01 g/mol.
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
25/31
38
Titik leleh : -207oC.
Titik didih : -192oC.
Specific gravity : 0,81 pada -195oC.
Kelarutan : 3 cc dalam 100cc air pada 0
o
C ; larut dalam alkohol ; tidak: larut dalam eter.
Sifat kimia karbon monoksida:
Karbon monoksida bereaksi dengan hidrogen menghasilkan gas metana:
CO ( g ) + 3H2 ( g ) ---> CH4 ( g ) + H2O ( g )
2. Hidrogen (H2).
Sifat fisika hidrogen (Perry, 2008: 2-15):
Gas tidak berwarna.
Berat molekul : 2,02 g/mol.
Titik leleh : -259,1oC.
Titik didih : -252,7oC.
Specific gravity : 0,0709 pada -252,7oC (liquid) ; 0,0608 (referred to air ).
Kelarutan : 2,1 cc dalam 100cc air pada 0oC ; 0,85 cc dalam 100cc air
pada 85oC.
Sifat kimia hidrogen (Vogel, 1989) sebagai berikut.
Hidrogen dapat digunakan sebagai potensial standar oksidasi-reduksi pada
temperatur 25oC sebesar 0 volt. Reaksi: H2 + 2e- ---> 2H+
3. Metana (CH4).
Sifat fisika metana (Perry, 2008: 2-40):
Gas.
Berat molekul : 16,04 g/mol.
Titik leleh : -182,6oC.
Titik didih : -161,4oC.
Specific gravity : 0,415 pada -164oC.
Kelarutan : 0,4 cc dalam 100cc air pada 20oC ; 47 cc dalam 100cc
alkohol pada 20oC ; 104 cc dalam 100cc eter pada 10oC.
4. Karbon dioksida (CO2).
Sifat fisika karbon dioksida (Perry, 2008: 2-12):
Gas tidak berwarna.
Berat molekul : 44,01 g/mol.
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
26/31
39
Titik leleh : -56,6oC pada 5,2 atm.
Titik didih : -78,5oC (menyublim).
Specific gravity : 1,101 pada -87oC (liquid) ; 1,53 (referred to air ) ; 1,56 pada
- -79
o
C ( solid ). Kelarutan : 179,7 cc dalam 100cc air pada 0oC ; 90,1 cc dalam 100cc air
pada 20oC ; larut dalam larutan asam dan alkali.
5. Nitrogen (N2).
Sifat fisika nitrogen (Perry, 2008: 2-20):
Gas tidak berwarna.
Berat molekul : 28,01 g/mol.
Titik leleh : -209,86
o
C. Titik didih : -195,8oC.
Specific gravity : 1,026 pada -252,5oC ; 0,808 pada -195,8oC ; 12,5 pada 0oC
(referred to hydrogen).
Kelarutan : 2,35 cc dalam 100cc air pada 0oC ; 1,55 cc dalam 100cc air
pada 20oC ; larut sebagian kecil dalam alkali.
2.7 Kapasitas
Kapasitas pada Pabrik Syngas dari Gasifikasi Batu Bara Kualitas Rendah sebagai
Pasokan Gas Pabrik Pupuk ini adalah sebagai berikut.
Umpan batu bara = 617.760 ton/tahun.
Kapasitas produk syngas = 653.000 ton/tahun (sekitar 29.000 MMSCF per tahun).
2.8 Basis Perhitungan
Massa batu bara masuk = 617.760 ton/tahun
= 1.872 ton/hari
= 78.000 kg/jam.
Waktu operasi = 1 jam operasi.
1 hari = 24 jam, 1 tahun = 330 hari.
2.9 Basis Desain Data
Pabrik ini direncanakan akan didirikan di Tanjung Enim, kabupaten Muara Enim,
Sumatera Selatan dengan kondisi alam seperti pada Tabel 2.10.
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
27/31
40
Tabel 2.10 Kondisi Alam Tanjung Enim
Parameter Nilai
Kelembaban udara (%) 52-96
Suhu (oC) 23-33
Curah hujan (mm/tahun) 3,6-332,8
Gempa (SR) -
Kecepatan angin (km/jam) 25
Sumber: www.bmkg.go.id
2.10 Uraian Proses
Gambar 2.8 Block Flow Diagram Proses Pembuatan Syngas dari Batu Bara
2.10.1 Unit Penyiapan Batu Bara
Proses awal gasifikasi dimulai dari penyiapan batu bara BA-55. Batu bara BA-55 dari
open yard akan di-treatment dengan berbagai macam perlakuan agar sesuai dengan kondisi
dalam reaktor gasifier . Mula-mula batu bara dari open yard coal (F-111) diangkut
menggunakan belt conveyor (J-112) menuju hammer mill (C-110). Di hammer mill ini terjadi
proses size reduction dari batu bara berukuran 5 cm menjadi ukuran yang diinginkan, yaitu1-6 mm. Setelah itu, batu bara yang telah dihaluskan dimasukkan ke dalam rotary-tube dryer
(B-120) untuk menguapkan sebagian air bawaan yang ada dalam batu bara. Tidak seperti
rotary dryer pada umumnya yang menggunakan udara panas sebagai media pemanas, media
pemanas yang digunakan dalam rotary-tube dryer adalah steam bertekanan yang dialirkan
searah dengan arah aliran batu bara. Jika dilihat dari cara pengontakkan media pemanas
dengan material, tipe rotary dryer yang digunakan adalah tipe tidak langsung, dimana panas
ditransfer dari steam yang ada di dalam tube ke batu bara dengan cara konduksi. Media
pemanas dan tipe tidak langsung ini digunakan karena batu bara merupakan material yang
http://www.bmkg.go.id/http://www.bmkg.go.id/
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
28/31
41
mudah terbakar sehingga kontak batu bara dengan oksigen yang dapat memicu reaksi
pembakaran sebisa mungkin dihindari (Mujumdar, 2006: 1018). Batu bara yang kandungan
airnya telah diuapkan kemudian diangkut oleh scrapper conveyor (J-121) untuk dimasukkan
ke dalam bunker (F-211) dengan bantuan bucket elevator (J-122). Dari bunker , batu bara
dimasukkan ke dalam lock hopper (F-212) untuk dinaikkan tekanannya dari tekanan
atmosfer (1,01 bar) menjadi 31 bar menggunakan gas inert . Kenaikan tekanan ini bertujuan
untuk menyesuaikan tekanan batu bara dengan tekanan operasi gasifier . Dari lock hopper ,
batu bara dikeluarkan melalui mekanisme air lock dan dimasukkan ke dalam gasifier
menggunakan screw conveyor (J-213). Mekanisme air lock ini memungkinkan untuk
mengeluarkan batu bara dari lock hopper tanpa ikut sertanya gas inert (Rautalin & Wilen,
1992: 12).
2.10.2 Unit Gasifikasi
Oksidan berupa O2 dari oxygen storage tank (F-214) dinaikkan tekanannya dari 1,01
bar menjadi 32 bar dengan cara dipompa menggunakan oxygen pump (L-215). Kemudian
oksidan bertekanan ini dilewatkan pada oxygen vaporizer (E-216) untuk mengubah fasenya
menjadi gas dan untuk menaikkan suhunya dari -185oC menjadi 160oC. Gas oksigen ini
kemudian diinjeksikan melalui injector nozzle ke dalam gasifier (R-210). Gasifier yang
digunakan berjenis fluidized-bed dengan tipikal proses High Temperature Winkler (HTW
Gasifier ). Gasifier ini bekerja pada kondisi temperatur 1.000oC dan tekanan 30 bar. Hal yang
membedakan gasifier fluidized-bed dengan tipe gasifier lain adalah sistem terfluidisasi yang
membuat heat transfer dan mass transfer antara gas dan partikel solid lebih sempurna serta
penggunaan temperatur yang tidak terlalu tinggi sehingga mudah untuk dikontrol dan
dikendalikan (Basu, 2006: 74). Kemajuan yang paling penting dari teknologi ini adalah
kenaikan tekanan yang mencapai 30 bar. Adanya kemajuan ini diharapkan mampu
menurunkan energi kompresi. Temperatur yang tinggi juga berguna untuk meningkatkan
konversi karbon dan kualitas gas, dimana semakin tinggi suhu, kandungan tar akan semakin
menurun. (Higman & Burgt, 2003: 103).
Di dalam gasifier terjadi berbagai macam reaksi yang dimodelkan menjadi tiga reaksi,
yaitu reaksi pirolisis (devolatilisasi), reaksi pembakaran, dan reaksi gasifikasi. Mulanya,
batu bara akan mengalami proses pirolisis untuk dekomposisi batu bara secara kimia dengan
bantuan panas. Hasil dari pirolisis adalah karbon, ash, dan gas-gas ringan. Pada pirolisis
dengan temperatur tinggi, produk yang dominan adalah gas, sedangkan pada temperaturrendah produk yang dominan adalah tar dan minyak berat (Cherimisinoff & Rezaiyan, 2005:
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
29/31
42
147). Karena temperatur dalam gasifier cukup tinggi (1.000oC), maka diasumsikan tak ada
tar atau minyak berat yang terbentuk. Reaksi pirolisis:
Batu bara C ( s) + CH4 + CO + CO2 + H2 + H2O+ H2S + COS + N2 + Ash ( s)
(Cherimisinoff & Rezaiyan, 2005: 17; Higman & Burgt, 2003: 31)
Karbon hasil pirolisis akan mengalami reaksi pembakaran dengan O2 yang berasal dari
tangki penyimpan. Sebagian besar O2 yang diinjeksikan dalam gasifier ini akan digunakan
untuk zona pembakaran. Proses pembakaran ini menghasilkan karbon dioksida, karbon
monoksida, dan uap air, yang menyediakan panas untuk reaksi gasifikasi selanjutnya.
Pirolisis dan pembakaran adalah proses yang sangat cepat. Reaksi-reaksi pembakaran:
C ( s) + ½O2 CO ∆H = -111MJ/kmol
CO + ½O2 CO2 ∆H = -283 MJ/kmol
H2 + ½O2 H2O ∆H = -242 MJ/kmol
(Higman & Burgt, 2003: 10)
Reaksi gasifikasi terjadi karena karbon bereaksi dengan karbon dioksida dan steam
untuk menghasilkan karbon monoksida dan hidrogen. Reaksinya:
a) Reaksi Boudouard: C ( s) + CO2 2CO ∆H = +172 MJ/kmol
b) Reaksi Water Gas: C ( s) + H2O CO + H2 ∆H = +131 MJ/kmol
c) Reaksi Shift Convertion: CO + H2O CO2 + H2 ∆H = -41 MJ/kmol
d) Reaksi Metanasi: C ( s) + 2H2 CH4 ∆H = -75 MJ/kmol
(Higman & Burgt, 2003: 10)
Reaksi Boudouard merupakan reaksi endotermis yang menghasilkan CO. Reaksi
water gas dan shift convertion merupakan reaksi utama pada gasifikasi batu bara karena pada
reaksi ini dihasilkan syngas H2 dan CO beserta dengan CO2 sebagai hasil samping. Dan yang
terakhir reaksi samping metanasi yang menghasilkan metana dalam jumlah yang sedikit.
Karbon (char ) yang tidak bereaksi dan 10% dari total ash turun sebagai slag di bagian
bottom (Basu, 2006: 320). Syngas yang keluar dari gasifier akan menuju cyclone (H-217)
untuk memisahkan ash yang terbawa keluar, lalu menuju ke waste heat boiler 1 (E-311)
untuk didinginkan. Syngas didinginkan dengan media pendingin air dari suhu 1.000°C
menjadi 300oC. Proses pendinginan ini menghasilkan steam yang dapat digunakan untuk
untuk proses selanjutnya.
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
30/31
43
2.10.3 Unit Purifikasi Gas
Syngas dari gasifier masih mengandung berbagai senyawa pengotor, seperti H2S,
COS, dan CO2. Adanya senyawa-senyawa tersebut dapat meningkatkan risiko korosi pada
peralatan dan merusak katalis, termasuk katalis dalam proses pembuatan pupuk. Oleh karena
itu syngas perlu dimurnikan terlebih dahulu.
(Higman & Burgt, 2003: 208)
Karbonil sulfida bukan merupakan gas asam, maka hidrolisis COS untuk membentuk
H2S sering dilakukan untuk pemurnian sulfur yang terkandung dalam COS. Tujuan
pengonversian COS menjadi H2S disebabkan adsorben yang digunakan untuk proses
desulfurisasi lebih selektif terhadap H2S daripada COS. Reaksi hidrolisis terjadi di COS
hydrolysis reactor (R-310) dengan suhu operasi 303oC dan tekanan 29 bar dengan bantuan
katalis chromia-alumina.
COS + H2O ↔ H2S + CO2
(Bell, 2011: 115)
Setelah semua sulfur terdapat dalam bentuk senyawa H2S, kemudian dilakukan proses
pemisahan terhadap H2S. Unit pemisahan senyawa sulfur adalah tangki desulfurizer (D-320)
yang bekerja pada suhu 310oC dan tekanan 28,5 bar dengan bantuan adsorben ZnO.
Reaksinya sebagai berikut.
H2S + ZnO ( s) H2O + ZnS ( s)
Pada umunya, adsorben ZnO tidak dapat diregenerasi. Akibatnya, adsorben ini kurang
praktis jika digunakan untuk adsorpsi dengan konsentrasi H2S yang tinggi (Bell, 2011: 128).
Untuk keperluan downstream industri pupuk, kandungan H2S di aliran syngas yang keluar
dari tangki desulfurizer diharapkan dapat kurang dari 1 ppmv (Higman & Burgt, 2003: 233).
Syngas dari desulfurizer yang bebas dari kandungan H2S kemudian diturunkan
suhunya melalui waste heat boiler 2 (E-333) sehingga suhunya menjadi 50oC. Media
pendingin yang digunakan adalah air. Proses pendinginan ini juga menghasilkan steam yang
dapat digunakan untuk proses lainnya. Penurunan suhu bertujuan untuk menaikkan
%recovery dari absorber karena absorber bekerja lebih baik pada suhu yang rendah dan
tekanan tinggi. Selanjutnya, syngas dialirkan menuju kolom absorber (D-330) yang
beroperasi pada suhu 50oC dan tekanan 27 bar. Pelarut MDEA 40% berat dari MDEA storage
tank (F-331) diumpankan ke kolom absorber dengan bantuan MDEA pump (L-332). Larutan
MDEA akan mengabsorb gas CO2, dan kemudian keluar menuju stripper (D-340) untuk
proses recovery kembali pelarut. Sedangkan produk syngas bersih yang keluar dari absorberdialirkan melalui gas pipeline.
-
8/17/2019 Pemilihan proses gasifikasi
31/31
Untuk melakukan recovery pelarut, larutan MDEA kaya CO2 (rich-amine) yang keluar
dari kolom absorber diturunkan tekanannya dari 27 bar menjadi 3,52 bar dengan expansion
valve. Penurunan tekanan ini bertujuan untuk meyesuaikan tekanan rich-amine dengan
tekanan operasi stripper . Kemudian suhu rich-amine dinaikkan suhunya dengan cara
melewatkannya di lean-rich amine heat exchanger (E-341). Stripper beroperasi pada suhu
125oC dan tekanan 2,03 bar. Untuk mengambil CO2 dari pelarut, digunakan superheated
steam dengan tekanan 2,03 bar dan suhu 125oC. Steam akan men- strip CO2 dan keluar
bersama-sama dari stripper menuju stripper outlet cooler (E-342) untuk didinginkan hingga
suhu 45oC. Pendinginan ini bertujuan untuk mengkondensasi aliran gas CO2 dan steam
sehingga diperoleh fase campuran. Lean-amine yang keluar dari stripper dialirkan kembali
ke lean-rich amine exchanger untuk diturunkan suhunya menjadi 70oC. Lean-amine ini
kemudian diumpankan kembali ke absorber dengan bantuan MDEA recovery pump (L-334).
Aliran CO2 dan steam yang berada dalam fase campuran dipisahkan dalam separator (H-
343) untuk mendapatkan gas CO2 yang lebih murni. Gas CO2 yang lebih murni dialirkan
menuju gas pipeline untuk proses sintesis urea.