Proses Gasifikasi Konversi Batubara Menjadi Gas

Pengertian Gasifikasi. Gasifikasi adalah proses konversi bahan bakar padat menjadi gas melalui reaksi dengan satu atau campuran reaktan udara, oksigen, uap air, karbon dioksida. Proses Gasifikasi bertujuan untuk menghasilkan produk gas yang sesuai dengan penggunaannya baik sebagai sumber energi atau sebagai bahan baku industri kimia. Gas gasifikasi biasa dikenal sebagai Produser Gas.

Proses gassifikasi batubara merupakan proses konversi secara kimia dari batubara yang berbentuk partikel atau Padatan menjadi gas yang bernilai bakar atau combustible. Pada dasarnya gasifikasi batubara adalah reaksi oksidasi parsial dari batubara dengan oksigen atau udara. Proses gasifikasi dilakukan dalam suatu reaktor yang disebut dengan gasifier.

Combustible gas yang dapat dihasilkan dari proses gasifikasi adalah CO, H₂, CH₄ dan sebagainya. Gas produk gasifikasi ini dapat digunakan langsung sebagai bahan bakar, bahan baku proses sintesa atau bahan kimia lainnya.

Teknologi Gasifikasi

Teknologi gasifikasi yang digunakan untuk konversi batubara menjadi bahan bakar gas dikenal dengan nama gasifier. Beberapa teknik yang biasa digunakan untuk proses gasifikasi adalah:

1. Fixed bed gasification atau gasifikasi batubara secara unggun diam.
2. Fluidized bed gasification atau gasifikasi batubara terfluidisasi
3. Entrained bed gasification atau gasifikasi batubara tersembur.

Dari ketiga teknik tersebut, yang paling sederhana dan murah untuk aplikasi sebagai bahan bakar adalah proses gasifikasi dengan metoda fixed bed gasification.

Pada proses gasifikasi akan dihasilkan abu (ash removal) yang merupakan kotoran dari batubara. Abu ini dapat dikeluarkan secara langsung pada operasi temperatur rendah (non-slagging gasifier) sebagai dry ash atau dikeluarkan pada operasi slagging gasifier pada temparatur tinggi, sebagai liquid ash dengan viskositas rendah.

Tahapan Proses Gasifikasi

Tahapan gasifikasi batubara meliputi pengeringan, devolatilisasi, oksidasi, dan reduksi. Tahap Pengeringan bertujuan untuk mengeluarkan atau menghilangkan kandungan air yang terdapat dalam batubara. Devolatilisasi merupakan proses pemanasan batubara sampai terjadi dekomposisi menjadi arang, tar dan gas.

Tahapan oksidasi merupakan proses pembakaran zat terbang hasil devolatilisasi untuk memanaskan arang. Pemanasan ini mengakibatkan sebagian arang akan teroksidasi dan sisanya mengalami proses reduksi.

Dalam gasifier arang direduksi oleh steam atau kukus dan CO₂ menghasilkan gas H₂ dan CO. Peningkatan jumlah atau laju steam atau kukus mengakibatkan penurunan gas CO pada gas produk, namun akan meningkatkan kandungan H₂ dan CO₂ melalui reaksi geser atau shift reaction. Komposisi gas yang dihasilkan ditentukan oleh temperatur dengan mengatur laju oksigen yang digunakan.

Panas yang dihasilkan dari reaksi oksidasi digunakan untuk tahapan  yang melibatkan proses atau reaksi endotermis seperti reaksi reduksi, proses devolatilisasi dan tahapan pengeringan.

Skematik Prinsip Gasifikasi batubara  dalam gasifier dan zona reaksi berdasarkan temperatur dapat diligat pada gambar di bawah.

Reaksi Utama Pada Proses Gasifikasi Batubara.

Secara umum proses gasifikasi batubara dilakukan dalam suatu reaktor yang disebut gasifier dan prosesnya terdiri dari drying, pyrolysis, reduksi dan oksidasi.

Reaktan utama pada proses gasifikasi  batubara adalah oksigen dalam udara dan uap air. Gas utama yang dihasilkan dari gasifikasi batubara adalah CO, H₂ dan gas lainnya seperti CH₄, CO₂ dan nitrogen.

Reaksi-reaksi utama yang terjadi selama proses gasifikasi batubara adalah sebagai berikut:

1. Reaksi Drying/Moisture Release:

Drying merupakan proses pemanasan batubara pada temperatur antara 100 – 250 celcius. Pemanasan ini akan menghilangkan atau menguapkan air yang terkandung dalam batubara. Adapun mekanismenya mengikuti reaksi berikut:

Batubara + panas –> batubara + air (H₂O, uap air)

Panas yang diperlukan untuk Penghilangan kandungan air ini diperoleh dari panas hasil reaksi pembakaran char atau reaksi oksidasi karbon dalam char dengan oksigen. Air dalam fasa uap ini dapat berreaksi dengan gas lain yang terjadi selama proses gasifikasi.

2. Reaksi Decomposition/Pyrolysis/Devolatilization:

Setelah mengalami proses penghilangan air, Batubara akan mengalami proses pyrolysis yaitu penguraian batubara pada temperatur tinggi menjadi char, tar, dan volatile mater. Proses ini berlangsung pada temperatur antara 200 – 500 celcius. Mekanisme reaksi pyrolysi dapat dijelaskan sebagai berikut:

Batubara + panas –> char + tar + gas

Pyrolysis merupakan proses  yang sifatnya endothermik. Panas yang diperlukan untuk terjadinya proses ini diperoleh dari reaksi oksidasi karbon dalam char dengan oksigen dari udara. Proses ini biasa juga disebut dengan devolatilisasi.

3.  Reaksi Reduction/Gasification:

Proses reduksi merupakan tahap utama dari gasifikasi. Pada tahap ini gas mampu bakar dihasilkan. Gas hasil reaksi reduksi ini biasa disebut sebagai gas produser atau syntetic gas atau syngas. Reaksi-reaksi yang terjadi pada tahap ini sifatnya endothermik. Panas yang dibutuhkan dipasok dari panas hasil reaksi oksidasi. Reaksi-reaksi reduksi pada tahap ini secara stoikiometrik adalah:

1. Reaksi uap air atau steam reaction yaitu reaksi reduksi antara karbon dalam char dengan uap air sesuai dengan reaksi berikut:

C (char) + H₂O + panas  –> CO (gas) + H₂ (gas)

Reaksi ini menghasilkan produk gas yang mampu bakar (syngas). Secara stoikiometrik karbon yang berreaksi dengan uap air akan menjadi gas karbon monoksida dan gas hidrogen. Kedua gas ini merupakan komponen utama dari hasil gasifikasi.

2. Reaksi karbon dengan gas karbon dioksida pada tahap ini akan mengikuti reaksi berikut:

C (char) + CO₂ + panas –> 2 CO

Reaksi ini menghasilkan produk gas yang mampu bakar yaitu gas karbon monoksida. Karbon dalam char yang berreaksi dengan gas karbon dioksida akan dikonversi menjadi gas mampu bakar karbon monoksida. Reaksi ini biasa disebut sebagai Boudouard reaction.

3. Reaksi Geser atau Shift Reaction

Uap air yang ditambahkan akan berreaksi dengan gas CO membentuk gas  CO₂  sesuai dengan reaksi berikut:

CO (gas) + H₂O (uap)  –>    CO₂ (gas) + H₂ (gas) + panas

Kedua Produk gas yang dihasilkan ini merupakan gas yang memiliki nilai mampu bakar.

4. Reaksi Oxidation/Combustion:

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

1. Pembakaran sempurna:

Pembakaran sempurna dari karbon dengan oksigen akan sesuai dengan reaksi berikut:

C (char) + O₂ (udara) –>  CO₂ (gas) + panas

Gas karbon dioksida dihasilkan ketika reaksi oksidasi berjalan sesuai dengan stoikiometrik pembakaran sempurna. Reaksi pembakaran sempurna berjalan ketika satu mol karbon dibakar dengan satu mol oksigen dan menghasilkan satu mol gas karbon dioksida. Artinya, karbon dalam char yang bereaksi dengan oksigen hanya akan membentuk gas karbon dioksida.

Gas hasil pembakaran sempurna tidak memiliki nilai bakar atau tidak mampu bakar, sehingga reaksi ini tidak diharapkan terjadi.

2. Pembakaran tidak sempurna:

Pembakaran tidak sempurna terjadi ketika jumlah oksigen kurang dari nilai stoikiometri pembakaran sempurna. Reaksi oksidasi karbon dalam batubara menjadi tidak sempurna ketika satu mol karbon direaksikan dengan oksigen kurang daripada satu mol.

Reaksi pembakaran satu mol karbon dengan oksigen yang hanya memenuhi separuh dari kebutuhan stoikiometrinya akan menghasilkan produk berupa satu mol gas karbon monoksida sesuai reaksi berikut:

C (char) + 0,5 O₂ (udara) –> CO (gas) + panas

Persamaan reaksi ini merupakan reaksi yang secara stoikiometrik merubah seluruh karbon yang berreaksi dengan oksigen menjadi produk yang hanya terdiri dari gas karbon monoksida. Setiap kelebihan oksigen dari 0,5 mol dapat merubah reaksi dan membentuk gas karbon dioksida. Sebaliknya, jika oksigen kurang daripada 0,5 mol, maka akan menyebabkan sebagian karbon tidak bereaksi. Ada sisa karbon char. Gas hasil reaksi pembakaran tidak sempurna menghasilkan gas yang memiliki nilai bakar atau mampu bakar.

Reaksi oksidasi atau pembakaran adalah reaksi yang menghasilkan sumber panas yang dibutuhkan bagi proses gasifikasi secara keseluruhan. Reaksi-reaksi lainnya merupakan reaksi yang dapat diatur untuk mendapatkan gas sesuai dengan komposisi gas yang diinginkan.

Operasi Utama Gasifikasi Batubara.

Gasifikasi  dilakukan dalam sebuah tungku atau reaktor yang disebut gasifier. Secara skematik gasifier untuk batubara tipe updraft dapat dilihat pada gambar di bawah. Unit Gasifier ini dilengkapi dengan steam drum yang menghasilkan uap air.

Batubara dimasukan dari bagian atas, dan bergerak ke bawah secara gravity. Reaktan oksigen dalam udara dan uap air ditiup dari bagian bawah reaktor. Reaktan berserta gas hasil reaksi lainnya akan bergerak ke bagian atas gasifier.

1. Batubara secara gravity masuk ke dalam tungku/gasifier dari bagian atas. pengumpanan menggunakan feeder otomatis.

2. Udara dan steam dimasukkan dari bagian bawah tungku yang dilengkapi dengan pengatur laju pengumpanan.

3. Steam dan udara panas bergerak dari bagian bawah tungku  melewati tumpukan batubara yang bergerak dari bagian atas.

4. Terjadi reaksi  antara batubara  yang bergerak ke bawah dengan udara dan  steam yang bergerak ke arah atas sesuai dengan lokasi dan temperaturnya.

Proses gasifikasi umumnya menggunakan 20 sampai 40 persen oksigen dari nilai stoikiometri proses pembakaran sempurna. Jadi proses pembakarannya akan mengikuti reaksi berikut:

C (arang) + (0,2 – 0,4) O₂ (udara) –> (0,4 – 0,8) CO (gas) + (0,2 – 0,6) C (arang)

Reaksi ini menghasilkan karbon tersisa. Sisa karbon ini dapat direaksikan dengan uap air. Secara stoikimetrik prosesnya akan memenuhi reaksi berikut:

C (arang) + H₂O (uap air) –> CO (gas) + H₂ (gas)

Reaksi sisa karbon dengan uap air ini dapat menghasilkan gas karbon monoksida dan gas hidrogen. Gas hidrogen merupakan gas yang memiliki nilai pembakaran.

Namun demikian, uap air yang ditambahkan dapat pula berreaksi dengan gas hasil proses reaksi sebelumnya. Uap air dapat berreaksi dengan gas karbon monoksida menghasilkan gas karbon dioksida dan gas hidrogen sesuai reaksi stoikiometrik berikut:

 CO + H₂O –> CO₂ + H₂

Reaksi ini biasa disebut dengan shift reaction atau reaksi geser. Reaksi yang dapat menggeser karbon monoksida dan uap air menjadi gas karbon dioksida dan hidrogen.

Selain dengan uap air, karbon sisa dapat juga berreaksi dengan gas karbon dioksida sesuai reaksi stoikiometrik berikut:

C (arang) + CO₂ –>  2CO

Pada Reaksi ini, karbon dikonversi oleh gas CO₂ menjadi  gas yang memiliki nilai mampu bakar yaitu gas CO.

Kata dalam artikel Pengertian Gasifikasi proses konversi bahan bakar padat menjadi gas. Pengertian Produser Gas Gasifikasi, Proses reaksi oksidasi parsial gasifikasi adalah Combustible gas. Contoh Teknologi Gasifikasi dam Fixed bed gasification atau gasifikasi batubara secara unggun diam dan Fluidized bed gasification atau gasifikasi batubara terfluidisasi. Entrained bed gasification atau gasifikasi batubara tersembur.

Contoh  produk gasifikasi dengan Tahapan Proses Gasifikasi dan reaksi pada proses gasifikasi.  Dekomposisi gasifikasi adalah reduktor proses gasifikasi. Prinsip kerja Gasifikasi batubara  dalam gasifier yaitu Reaksi Utama Pada Proses Gasifikasi Batubara dan Reaktan utama pada proses gasifikasi  batubara.  Reaksi Drying/Moisture Release atau Reaksi Decomposition/ Pyrolysis/ Devolatilization.

Reaksi Reduction/ Gasification yang Reaksi uap air atau steam reaction dengan Reaksi karbon dengan gas karbon dioksida. Reaksi Geser atau Shift Reaction dan Reaksi Oxidation/ Combustion.  Contoh Reaksi Pembakaran sempurna pada gasifikasi atau Reaksi Contoh Pembakaran tidak sempurna gasifikasi. Contoh reaksi gasifikasi atau Operasi Utama Gasifikasi Batubara dan gas oksigen reaktan utama gasifiksi,