Pemilihan Proses Gasifikasi 6f5n2f

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 diharapkan seperti 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 bersamasama. (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)

14

Sumber: Cheremisinoff & Rezaiyan, 2005: 6 Gambar 2.1 Metode Gasifikasi Berdasarkan produk yang dihasilkan maka dipilih proses gasifikasi dengan hidrogenasi 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 <50 mm. Batu bara tersebut diumpankan dari atas reaktor dan akan terjadi tumpukan karena adanya gaya berat dari setiap partikel batu bara. Sedangkan steam dan udara (O2) dihembuskan dari arah yang berlawanan dengan arah masuknya batu bara, yakni 15

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.

16



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 <10 mm. Di dalam bed, steam, O2, dan batu bara tercampur dengan sempurna. Gaya gravitasi dari serbuk batu bara akan seimbang dengan gaya dorong ke atas steam dan O2 sehingga partikel batu bara ada dalam kondisi mengambang saat gasifikasi terjadi. Karena itu, zona drying, pyrolysis, oksidasi, dan reduksi tak dapat dibedakan, tapi suhu dalam bed sama di semua titik. Bagaimanapun, gas hasil gasifikasi tetap mengandung sebagian kecil tar yang perlu dipisahkan. (Basu, 2006: 74) Tipikal gasifier ini memasukkan bahan bakarnya dari samping (side feeding) dan oksidan dari bagian bawah. Oksidan di sini selain sebagai reaktan pada proses, juga berfungsi sebagai media pengambang dari batu bara yang digasifikasi. Dengan kondisi penggunaan oksidan yang demikian maka salah satu fungsi tidak akan dapat maksimal karena harus melengkapi fungsi lainnya, atau bersifat komplementer. Hal ini mengakibatkan tingkat konversi karbon pada tipe ini maksimal hanya sekitar 97% saja, tidak setinggi pada tipe moving bed dan entrained flow yang dapat mencapai 99% atau lebih. (Higman & Burgt, 2003: 100) Karena gasifier ini beroperasi pada suhu sekitar 950-1100oC, maka batu bara yang akan diproses harus memiliki temperatur melunak abu (softening temperature) di atas suhu operasional tersebut. Hal ini bertujuan agar abu yang dihasilkan selama proses tidak meleleh, yang dapat mengakibatkan terganggunya kondisi lapisan mengambang. Gasifier ini banyak digunakan untuk memproses batu bara peringkat rendah seperti lignit atau peat yang memiliki sifat lebih reaktif dibanding jenis batu bara yang lain. Pengembangan lebih lanjut teknologi gasifier jenis ini sangat diharapkan untuk dapat mengakomodasi secara lebih luas penggunaan batu bara peringkat rendah, biomassa, dan limbah seperti MSW (Municipal Solid Waste).

17

Contoh: Winkler Gasifier, High Temperature Winkler (HTW) Gasifier, Kellog Brown and Root (KBR) Transport Gasifier, Kellog Rust Westinghouse (KRW) Gasifier, UGas 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)

18

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 <0,1 mm. (Higman & Burgt, 2003: 110) Batu bara serbuk ini disemburkan ke gasifier bersama dengan aliran oksidan, dapat berupa oksigen atau udara. Proses gasifikasi berlangsung pada suhu antara 1200-1500oC, dengan waktu tinggal batu bara kurang dari 1 detik. Dengan suhu operasi sedemikian tinggi, pada dasarnya tidak ada batasan jenis batu bara yang akan digunakan karena abunya akan meleleh membentuk material seperti gelas (glassy slag) yang bersifat inert. Meski demikian, batu bara sub-bituminous sampai dengan anthracite lebih disukai untuk gasifier jenis ini. Lignit atau brown coal pada prinsipnya dapat digasifikasi, hanya saja kurang ekonomis karena kandungan airnya yang tinggi yang menyebabkan konsumsi energi yang besar. Meskipun abu akan meleleh membentuk slag, tapi batu bara berkadar abu tinggi sebaiknya dihindari pula karena dapat mengganggu kesetimbangan panas akibat proses pelelehan abu dalam jumlah banyak. Batu bara dengan suhu leleh abu tinggi biasanya dicampur dengan kapur (limestone) untuk menurunkan suhu lelehnya sehingga suhu pada gasifier pun dapat ditekan. Gasifikasi suhu tinggi pada gasifier ini menyebabkan kandungan metana dalam gas sintetik sangat sedikit, sehingga gas sintetik berkualitas tinggi dapat diperoleh. Contoh: Koppers-Totzek Gasifier, Shell Gasifier, Prenflo (PRessurized Entrained-FLOw) Gasifier, Texaco Gasifier, Noell Gasifier, E-Gas Gasifier, Clean Coal Power (C) Gasifier, Eagle Gasifier, Siemens Gasifier, Mitsubishi Heavy Industri (MHI) Gasifier. (Higman & Burgt, 2003: 109-139)

19

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. 20



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

<50 mm

<10 mm

<0,1 mm

Metode kontak

Counter-current.

Counter-current.

Co-current dan

Batu bara

Batu bara

down-flow. Batu

menumpuk dalam

terfluidisasi.

bara terfluidisasi.

Batu bara grade

Batu bara grade

Dapat

rendah (lignite).

rendah (lignite s.d.

menggasifikasi

Tidak bisa

sub-bituminous) dan

semua tipe batu

digunakan untuk

biomassa.

bara. Tidak cocok

gasifier. Tipe batu bara

caking coal (batu

untuk biomassa.

bara yang memiliki kerapatan besar/sangat padat). Kandungan gas

Mengandung tar,

Kandungan ash-dust

Gas bebas tar dan

keluar gasifier

phenol, naphta,

tinggi dengan

phenol serta

trace, amonia, ash-

sebagian kecil tar.

sedikit ash.

dust.

21

Toleransi kekasaran

Sangat baik

Baik

Buruk

Toleransi jenis

Batu bara kualitas

Batu bara kualitas

Segala jenis batu

partikel

rendah.

rendah dan

bara, tetapi tidak

biomassa.

cocok untuk

partikel

biomassa. Kebutuhan oksidan

Rendah

Menengah

Tinggi

Kebutuhan steam

Tinggi

Menengah

Rendah

Temperatur reaksi

1090°C

800-1000°C

>1990°C

Temperatur gas

450-650°C

800-1000°C

>1260°C

Efisiensi gas dingin

80%

89,2%

80%

Konversi batu bara

99%

97%

99%

Skala kecil

Skala menengah-

Skala besar

keluar gasifier

menjadi syngas Aplikasi

besar Masalah dalam

Produksi tar

Konversi karbon

Pendinginan raw

aplikasi

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

22

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 yang

menjadi

dengan umpan

feedstock

ini adalah

masukan. Karena

di

jenis

batu bara

Indonesia

ini

(coal

rank)

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.

23

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 parameterparamater 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

1,565

2,02

1,416

Hasil

Sumber: Habiburrohman, 2012: 31

24

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 menggunakan udara, maka dibutuhkan volume yang lebih besar untuk menyamai volume oksigen 25

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.

26

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  Mengkontakkan syngas

Adsorpsi

 Adsorpsi impurities pada  Melewatkan syngas

dengan solvent yang

solid carrier bed.

selektif memisahkan

 Beberapa adsorbant

H2S dan CO2.  Terjadi di dalam kolom

Difusi

dapat diregenerasi,

pada semacam membran polimer.  Rate transport dari

beberapa memerlukan

komponen yang

yang dilengkapi tray

penggantian secara

melewati membran

atau packing.

berkala.

dipengaruhi oleh

 Karakteristik absorbsi

 Loading capacity

tergantung property

tergantung dari

dalam pelarut dan rasio

fisik solvent (Σsolvent >

karakteristik komponen

ukuran pori membran

→ loading capacity >)

dan adsorbant,

dengan diameter

temperatur, serta

kontaminan.

 Solvent dapat dipergunakan kembali dengan diregenerasi terlebih dahulu.  Biaya maintenance cukup mahal.  Rentan terhadap korosi.

kelarutan kontaminan

 Operasional yang halus

tekanan.  Hampir dapat mengadsorb impurities secara sempurna.  Adsorbant ZnO biasa dipakai dalam adsorpsi H2S. Untuk mengadsorb 27

dan tidak bising.  Konsumsi energi yang rendah.  Biaya maintenance murah.

 Membutuhkan space

H2S sampai konsentrasi di bawah 10 ppbv, dapat

yang luas.

digunakan adsorbant CuO.

 Tidak perlu space yang luas.  Mobilitas yang tiggi (beberapa modul membran 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

0,00073 mmHg

0,01 mmHg

Titik didih (760 mmHg)

175oC

247,2 oC

Viskositas (25 oC)

5,8 s

101 s

Kapasitas penyerapan

0,162 mol CO2/L

0,8 mol CO2/L

Perkiraan harga ($/lb)

1,32

1,4

Tekanan uap (25 oC)

Sumber: Kohl & Nielsen, 1997: 49,1197 ; Higman & Burgt, 2003:302

28

Pelarut fisik maupun pelarut kimia memiliki kelebihan dan kekurangan masingmasing. 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 Monoethanole Amine (MEA)

Kelebihan

Kekurangan

 Sangat reaktif terhadap  Alat rentan mengalami CO2 dan H2S.  Mampu menghilangkan CO2 dan H2S secara bersamaan.  Recovery CO2 dan H2S

korosi,

terutama

jika

konsentrasinya di atas 20%wt.  Mengalami

reaksi

irreversible dengan COS dan CS2 sehingga tidak

tinggi.  Harganya paling murah

cocok digunakan untuk

dibanding pelarut amin

gas yang mengandung

lainnya.

kedua senyawa tersebut.  Tekanan uapnya tinggi sehingga banyak massa yang

hilang

saat

diregenerasi.  Energi yang dibutuhkan untuk regenerasi cukup tinggi.

29

Diethanole Amine (DEA)

 Tekanan uapnya lebih  Dapat bereaksi dengan rendah dibanding MEA

CO2 secara irreversible

sehingga

sehingga pelarut ini tak

dapat

meminimalisasi

optimal jika digunakan

kehilangan massa saat

untuk

regenerasi.

dengan kandungan CO2

 Dapat digunakan untuk

absorpsi

gas

yang tinggi.

absorpsi gas yang yang mengandung COS dan CS2. Methyl Diethanole Amine (MDEA)

 Tekanan uapnya sangat  Akibat

keselektifannya

rendah sehingga dapat

yang

digunakan

dengan

H2S, maka akan terjadi

konsentrasi

sampai

CO2 slippage sehingga

60%wt.

tinggi

absorpsi

 Sangat selektif terhadap

CO2

terhadap

kurang

maksimal. Oleh karena itu pelarut ini biasanya

H2S.  Tidak korosif.

digunakan

 Sudah banyak digunakan

absorpsi gas CO2 tanpa

untuk absorpsi dengan kandungan

CO2

untuk

adanya H2S.

yang  Harganya paling mahal di antara pelarut amin

tinggi.  Energi untuk regenerasi

lainnya.

rendah. 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

30

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 C137H97O9NS untuk bituminous coal dan C240H90O4NS 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 digunakan adalah jumlah karbon tertambat (fixed carbon) dan zat terbang (volatile matter). 31



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 Karbon Kelas

I. Antrasit

Tertambat

Nilai Panas

Karakteristik

wt%

BTU/lb

Gumpalan

1. Meta-antrasit

>98

2. Antrasit

92-98

3. Semiantrasit

86-92

1. Low-volatile bituminus

78-86

Tidak menggumpal

II. Bituminus

2. Medium-volatile

Biasanya

bituminus

69-78

menggumpal

3. High-volatile A bituminus

<69

>14.000

4. High-volatile B bituminus

13.000-14.000

5. High-volatile C bituminus

11.500-13.000

1. Sub-bituminus A

9.500-10.500

2. Sub-bituminus B

8.300-9.500

3. Sub-bituminus C

8.300-9.500

1. Lignit A

6.300-8.300

2. Lignit B

<6.300

Menggumpal

III. Subbituminus

IV. Lignit

Tidak menggumpal

Sumber: Higman & Burgt, 2003: 43 Jenis-jenis batu bara: 1. Lignit. Batu bara coklat, merupakan batu bara dengan kualitas terendah dan digunakan sebagai bahan bakar untuk steam electric power generation. 32

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

33

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 34

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 unsurunsur 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 (<5.278 kCal/kg). Dengan demikian dipilih batu bara dengan kalori terendah yang berasal dari PT Bukit Asam (Persero) Tbk. dengan spesifikasi seperti pada Tabel 2.8 berikut. Tabel 2.8 Spesifikasi Batu Bara BA-55 No.

Parameter

1.

Total Moisture (TM)

2.

Calorific Value (CV)

(%, ar)

30,0

(kCal/kg, ar)

4.550

(kCal/kg, ad)

5.500

Inherent Moisture (IM)

(%, ad)

15,0

Ash Content

(%, ad)

8,0

Volatile Matter (VM)

(%, ad)

39,0

Fixed Carbon (FC)

(%, ad)

38,0

Gross CV 3.

Nilai

Proximate Analysis

35

4.

Ultimate Analysis Carbon (C)

(%, ad)

63,9

Hydrogen (H)

(%, ad)

5,2

Oxygen (O)

(%, ad)

28,5

Nitrogen (N)

(%, ad)

1,6

Sulphur (S)

(%, ad)

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. Syngas 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

36

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

40,0

CH4

3,0

CO2

0,05

N2

1,5

H2O

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 .



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.

37



Titik leleh

: -207oC.



Titik didih

: -192oC.



Specific gravity

: 0,81 pada -195oC.



Kelarutan

: 3 cc dalam 100cc air pada 0oC ; 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. 38



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



Kelarutan

-79oC (solid). : 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

: -209,86oC.



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.

39

Tabel 2.10 Kondisi Alam Tanjung Enim Parameter

Nilai

Kelembaban udara (%)

52-96

Suhu (oC)

23-33

Curah hujan (mm/tahun) Gempa (SR)

3,6-332,8 -

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, yaitu 1-6 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 40

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 temperatur rendah produk yang dominan adalah tar dan minyak berat (Cherimisinoff & Rezaiyan, 2005: 41

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:

CH4

∆H = -75 MJ/kmol

C (s) + 2H2

(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.

42

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 absorber dialirkan melalui gas pipeline. 43

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 (H343) untuk mendapatkan gas CO2 yang lebih murni. Gas CO2 yang lebih murni dialirkan menuju gas pipeline untuk proses sintesis urea.

44