Pemilihan Proses Gasifikasi [PDF]

Citation preview

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 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



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



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