bab vi - proses perbatubaraan dan aspek lingkungan
TRANSCRIPT
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
1/48
BAB VI
PROSES PEMANFAATAN BATUBARA
A. PENDAHULUAN
Telah disadari bersama bahwa pemanfaatan batubara
sebagian besar adalah sebagai penghasil energi dan sebagian untuk
menghasilkan bahan baku industri kimia. Teknologi pemanfaatan
batubara tersebut dapat dilakukan dengan proses pembakaran
(combustion), proses karbonisasi/pirolisa, proses gasifikasi, dan
proses likuifaksi. Diagram dari setiap proses pemanfaatan batubara
menjadi sumber energi ditunjukkan pada gambar 1. Pada gambar
ini terlihat setiap proses pemanfaatan tersebut menghasilkan listrik,
baik melalui exsternal combustion engine, internal combustion
engine, maupun melalui turbin gas. Sedangkan pemanfaatan
batubara untuk penghasil bahan baku industri kimia diperoleh
melalui gas sintesa (H2
dan CO) yang dihasilkan.
Ke empat teknologi yang ditunjukkan tersebut merupakan
suatu usaha untuk memperbesar nisbah antara atom hidrogen
dengan atom karbon (H/C) sehingga diperoleh kenaikan kalor.
Usaha tersebut dapat dilakukan dengan menghilangkan sebagian
karbon menjadi CO2
(proses pembakaran dan karbonisasi) atau
dengan menambah hidrogen (proses gasifikasi dan likuifaksi).
Tabel 1. Nibah Atomik H/C dari berbagai bahan bakar dari Batubara
Bahan Nisbah Atomik H/ CGas Metan 4,00 Napta 2,27Minyak Berat 1,59
Batubara Bituminus 0,69Batubara Subbituminus 0,53Lignit 0,91
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
2/48
G a m b a r 1 . B a g a n T e k n o l o
g i P e m a n f a a t a n B a t u b a r a
M e n j a d i S u m b e r E n e r g i d
a n B a h a n B a k u I n d u s t r i K
i m i a
B
a t u b a r a
L i k u i f a k s i
P i r o l i s a
G a s i f i k a s i
P e m b a k a r a n
L i s t r i k d a r i E x t e r n a l
C o
m b u s t i o n E n g i n e m e l a l u i
S i k l u s U a p
L i s t r i k d a r i I n t e r n a l C o m b u s t i o n E n g i n e
m e l a l u i M e s i n D i e s
e l , M o t o r B a k a r d a n
G a s N H V S e d a n g
G a s N H V
R e n d a h
A r a n g
G a s i f i k a s i
B a h a n B a k a r C a i r
M e t h a n o l
G a s T
u r b i n
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
3/48
Penjelasan secara rinci dari masing-masing proses tersebut
serta aspek lingkungan dari pemanfaatan batubara dibicarakan
pada bab ini. Namum sebelum membicarakan tentang proses
pemanfaatan batubara dan aspek lingkungannya itu, terlebih dahulu
dibicarakan tentang proses persiapan batubara dan pembersihannya.
Proses pembersihan ini dikenal dengan proses benefisiasi. Kedua
proses ini penting dilakukan sebelum proses pemamfaatan, karena
setiap proses pemamfaatan batubara memerlukan sifat-sifat fisis
dan kimia yang spesifik.
B. PERSIAPAN DAN BENEFISIASI BATUBARA
1. Proses persiapan (Coal Preparation )
Pada umumnya setiap proses pemamfaatan batubara dan
fasilitas yang terlibat didalamnya, direncanakan untuk batubara
yang mempunyai spesifikasi sifat fisik dan sifat Kimia tertentu.
Proses persiapan (coal preparation) meliputi penyimpanan
( storage), penanganan (handling ), pengecilan ukuran ( sizing )
dan pembersihan mekanis yang mungkin dapat dilakukan.
Satuan operasi yang umum dilakukan pada proses persiapan ini
meliputi:
a. Pengecilan ukuran ( size reduction termasuk crushing dan
pulverizing );
b. Screening (classification);
c. Dewatering dan drying ;
d. Briquetitng ;
e. Coal Cleaning dengan proses kering dan basah, danf. Water Pollution Abatement
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
4/48
Proses persiapan batubara dan peralatan yang dipakai
tergantung dari macam penambangan dan kebutuhan akhir dari
batubara. Dengan bertambahnya penggunaan batubara, maka
akan timbul kompleksitas proses persiapan batubara. Hal ini
karena kualitas batubara hasil penambangan dapat menurun
akibat tekanan terhadap bertambahnya recovery sumber.
Beberapa satuan operasi yang disebut di atas, dapat disatukan
menjadi suatu paket peralatan, misalnya screening dan drying
sering dirangkai dengan peralatan size reduction.
Umumnya proses pemanfaatan batubara memerlukan tiga
proses pertama dan dengan barbagai tingkat kesulitan.
Briquetting hanya digunakan untuk tujuan tertentu saja dan
tidak pernah digunakan untuk untuk proses pembangit tenaga
dan apalasi untuk proses gasifikasi. Sedangkan proses ke lima,
sifat kimia batubara (abu dan sulfur) berubah secara berarti
selama pengolahan. Proses terakhir merupakan satuan operasi
untuk meminimalkan dampak lingkungan dari 5 tahap proses
sebelumnya.
a. Size Reducti on
Ada tujuan utama dalam pemecah (kominusi) batubara, yaitu
untuk:
1). Mengecilkan ukuran batubara bongkahan hasil penambangan
(run of mine = ROM) menjadi ukuran yang sesuai dengan
proses pembersihan atau pemanfaatan lain dari batubara;2). Mengecilkan ukuran batubara ke ukuran pasar (market sizes).
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
5/48
Peralatan pemecah atau pengecilan ukuran dapat dibedakan
berdasarkan bagaimana tenaga pemecah dilakukan, yaitu
sebagai berikut:
1). Antara dua permukaan padatan, seperti pada crushing
dan shearing ;
2). Pada satu permukaan padatan, seperti pukulan (impact );
3). Tidak pada permukaan padatan tertentu, tetapi sebagai
aksi media sekitar tempat padatan, seperti pada colloid
mill.
4). Tidak dengan energi mekanis, melainkan digunakan
thermal shock, explosive shattering , dan electrohydrraulic.
Pemilihan peralatan pemecah (kominusi) tergantung dari
reduction ratio (ratio ukuran maksimum umpan dengan
ukuran produk, yaitu antara 4 – 10 untuk tiap tahap),
kerapuhan zat, kapasitas, adanya batuan keras serta ukuran
produk yang diinginkan.
Berdasarkan ukuran zat padat yang akan dikecilkan
(umpan), maka peralatan pemecah atau pengecilan ukuran
dibedakan atas:
1). Pemecah kasar ( primary), yaitu menghasilkan padatan
dengan ukuran umpan antara 2 sampai 96 inchi.
2). Pemecah antara (intermediate/ secondary), yaitu
menghasilkan padatan dengan ukuran antara 1 sampai 3
inchi.
3). Pemecah halus (tertiary), menghasilkan padatan denganukuran 0,25 hingga 0,5 inchi.
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
6/48
Beberapa contoh peralatan kominusi di atas, antara lain:
1). Pemecah kasar (Crusher )
a). Jaw Crusher: Blake dan Dodge Crusher
b). Gyratory Crusher
c). Smooth Roll Crusher (Gambar 2.)
d). Toothed Roll Crusher
2). Pemecah antara (Grinder ):
a). Hammer Mill (Gambar 3.)
b). Impactor
c). Atrition Mill
d). Tumbling Mill
e). Ball Mill, Tube Mill
f). Desintegrator
3). Pemecah halus:
a). Raymond Grinder
b). Roller Mill
c). Buhrstone
d). Ultrafine Grinder (Classifying Hammer Mill dan Fluid
Energy Mill , Gambar 4)
Untuk peralatan pemotong (Cutting Machine) digunakan
Knife Cutter (Gambar 5).
Gambar 2. Roll Crusher Gambar 3. Hammer Mill
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
7/48
Gambar 4. Fluid Energy Mill Gambar 5. Knife Cutter
b. Screening ( Ayakan )
Pemisahan partikel batubara berdasarkan ukuran seringkali
menjadi tahapan penting dalam penyiapan batubara baik
untuk keperluan proses berikutnya maupun untuk dipasarkan.
Selain itu juga penting dalam mengendalikan atau menaksir
keefektifan operasi lainnya, seperti crushing dan grinding
atau untuk menentukan nilai klasifikasi penjualan dari
ukuran batubara. Salah satu proses pemisahan berdasarkan
ukuran adalah ayakan (Screening ), kecuali untuk partikel
kurang dari ½ inchi digunakan centrifuges atau pealatan
lainnya.
Berbagai metoda yang digunakan untuk memisahkan zat
padat berdasarkan ukuran ditunjukkan pada Gambar 6.
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
8/48
Gambar 6. Macam Peralatan Pemisah atas Dasar Ukuran
Secara komersial terdapat 5 kelompok ayakan yang
dibedakan atas grakan ayakannya, yaitu:
1). Grizzly Screen (Gravity Bar) ;(Gambar 7.)
Ayakan ini terdiri dari kisi-kisi batangan logam (bars)
yang parallel dan dipasang miring pada rangka
stasioner. Kemiringan dan lintasan itu sejajar dengan arah
panjang batangan. Bukaan antara batangan, kemiringan
batangan dan panjangnya akan menentukan pengayakan.
Gambar 7. Grizzly Screen(Gravity Bar);
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
9/48
2). Revolving Screen (Gambar 8.)
Sering disebut Trommel. Bentuknya dapat berupa silinder
atau kerucut yang miring terhadap horizontal.
Kemiringan ayakan dimaksud untuk mmemudahkan
pengeluaran partikel kasar. Ayakan berputar dengan
kecepatan rendah antara 15-20 rpm.
Gambar 8. Revolving Screen
3). Shaking Screen (Gambar 9.)
Ayakan ini mempunyai bingkai berbentuk segi empat
yang digerakkna maju mundur. Ayakan ini mempunyai
keuntungan, yaitu hemat tempat kebutuhan tenaga
rendah. Tetapi kerugian ayakan ini, ialah biaya perawatan
tinggi dan kapasitas rendah.
Gambar 9. Shaking Screen
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
10/48
4). Vibrating Screen (Gambar 10.)
Permukaan ayakan tipe ini digerakkan naik turun dengan
suatu alat bantu. Ayakan memiliki simpangan getaran
yang kecil dengan frekuensi getaran antara 1200 sampai
1800 per menit. Getaran dpat dilakukan dengan elektrik
dan mekanik.
Gambar 10. Vibrating Screen
5). Oscilating Screen
Ciri khas dari ayakan ini ialah adanya osilasi kecepatan
rendah (5 sampai 7 osilasi atau 300 sampai 400 rpm pada
bidang datar yang berosilasi sejajar dengan permukaan
ayakan). Biasanya digunakan untuk mengayak material
yang berukuran0,013 m (½ inchi sampai 60 mesh).
c. Coal Dewatering
Batubara diinginkan dalam keadaan dewatered dan kering
untuk tujuan tertentu seperti:
1). Untuk menghindari pembekuan selama transportasi.
2). Untuk mengurangi kehilangan panas dalam proses
pembakaran atau konversi lainnya.
3). Untuk mengurangi ongkos transportasi.
Untuk batubara yang berukuran ¼ inch, proses dewatered
dapat dilakukan secara mekanis pada shaker screens atau
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
11/48
pada virbrating screens kecepatan tinggi. Untuk partikel
halus digunakan centrifuges.
Centrifuges adalah alat untuk memisahkan solid dan liquid
dengan menggunakan gaya sentrifugal. Ada 2 (dua)
klasifikasi Centrifuges, yaitu:
1). Perforated Basket (Gambar 11.)
Peralatan ini merupakan basket yang berlubang
( perforate) dan berputar dengan cepat. Zat padat akan
tinggal dalam basket sementara liquid akan keluar
menuju sumbu rotasi melalui perforate.
Gambar 11. Perforated Basket Gambar 12. Solid Bowl Basket
2). Solid Bowl Centrifuges (Gambar 12.)
Prinsip kerjanya sama seperti perforate basket, tetapi
basketnya tidak berlubang. Zat padat akan menjadi cake
pada dinding bagian dalam, sedangkan liquid mengalir
ke atas basket .
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
12/48
d. Pengeri ngan Batubara
Penghilangan air dengan perlakuan panas, merupakan cara
terakhir untuk mengatur kandungan air dalam batubara.
Dalam industri perbatubaraan, semua peralatan pengering,
menggunakan prinsip perpindahan panasnya dengan cara
kontinyu dan terjadi kontak langsung dengan menggunakan
peristiwa konveksi. Gas panas atau gas buang ( flue gas)
bagian pembangkit tenaga dan batubara basah mengadakan
kontak satu dengan lain dengan cara pengaliran yang
kontinyu antara keduanya.
Secara komersial, untuk pengeringan batubara digunakan
flash dryer dengan sistim fluidized bed atau suspension bed .
Pada fluidized bed , udara panas ditiupkan ke atas melalui
unggun batubara yang akan dikeringkan sehingga batubara
itu akan terfluidisasi dalam bejana. Fluidized bed dryer lebih
disukai karena mempunyai kapasitas yang besar.
Sedangkan pada suspension dryer , gas kering yang
dihasilkan dari stoker-fired furnaces dilewatkan ke dalam
bejana pengering. Pada kedua peralatan pengering ini,
dilakukan pengaturan laju pengumpanan batubara dan aliran
gas panas sehingga dapat dihindari terbawanya partikel halus batubara dan menjaga agar temperatur keluar mencapai
275 - 375oF. Ukuran bejana pengering dan laju gas panas
dipilih agar waktu tinggal batubara dapat optimum sehingga
dapat diperoleh kehilangan kandungan uap airnya antara
90 - 95%.
Jenis peralatan pengering yang lain, misalnya multi louver,vertical tray and cascade, continous carrier dan drum.
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
13/48
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
14/48
memanaskan batubara hingga suhu sekitr 100 oC dengan
jalan meninjeksi uap air dan mengaduk campuran itu.
Kemudian campuran ini dipanaskan hingga suhu sedikit di
atas titik leleh zat perekat sebelum dilakukan penekanan
dengan peralatan penekan yang sering digunakan ialah
double roll atau ring roll type. Kerapuhan dari briket
tergantung dari kandungan air dan zat perekat yang
digunakan. Kekuatan dan sifat tahan abrasi briket dievaluasi
dengan ASTM D 3402-72.
Pelettizing menggunakan batubara umpan berukuran lebih
kecil dari 0,1 mm yang berbeda dengan Briquetting. Likuid
yang biasanya air ditambahkan ke dalam rotating disks atau
drum sehingga campuran batubara itu akan mengaglomerasi
menjadi bulat. Aksi kapiler dari likuid yang ditambahkan
akan merperkuat ikatan pelet. Akan tetapi pelet ini tidak
tahan terhadap teknan selama tranportasi atau
pemanfatannya. Sebagai likuid pengikat sering dapat
digunakan zat perekat anorganik.
2. Benefisiasi Batubara
Proses Banefisiasi batubara adalah proses up-grading dari
batubara ROM ( Run of Mine), melalui dua proses berikut:
a. Mengurangi kandungan mineral, dan
b. Mengurangi kandungan sulfur dari batubara ROM.
Penghilangan kedua unsur tersebut tanpa merusak karakter fisik
dari matrik batubara asalnya.
Penggunaan benefisiasi batubara didorong oleh beberapa tujuan berikut:
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
15/48
a. Meminimisasi operasi boiler dan biaya pemeliharaan, panas
hilang bersama abu, emisi elemen jejak (trace element ) dan
biaya transportasi.
b. Mengurangi emisi gas pencemar dan limbah padat, karena
bertambah kerasnya penegakan hukum/ regulasi terhadap
emisi gas pencemar dan limbah padat tersebut.
c. Pada batubara peringkat rendah, selain menghilangkan unsur
pencemar, juga merupakan usaha menaikkan nilai kalor
batubara sehingga dapat memberikan nlai tambah yang mirip
dengan batubara peringkat tinggi. Usaha ini dilakukan tanpa
mengubah material carboneceous-nya
Sepereti diketahui, ada 3 (tiga) macam sulfur dalam batubara,
yaitu: sulfur organik, yang terikat dengan matrik batubara,
sulfur pirit dan sulfat.
a. Proses Pengurangan Sul fur (Desul fur isasi)
Teknologi pemisahan sulfur batubara dapat dilakukan pada
tahap sebelum, selama, atau sesudah proses pemanfaatannya,
serta kombinasi diantaranya. Apabila ditinjau dari prosesnya,
desulfurisasi melibatkan proses fisika, kimia dan biologi,
atau kombinasi diantaranya.
1). Desulfurisasi secara Fisik ( Physical Coal Cleaning = PCC)
Saat ini teknik PCC banyak dilakukan. Dan dibedakan
atas: metoda benefisiasi kering (dry) dan basah (wet ).
Wet PCC sering digunakan. Metoda PCC tergantung
dari perbedaan densitas batubara bersihnya dengan
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
16/48
pengotornya (impurities). Tingkat pemisahan menurut
densitas tergantung dari kandungan abu. Untuk
menentukan densitas media pembersih (cleaning
medium) yang dapat memberikan kandungan abu tertentu
digunakan kurva Washability yang ditunjukkan pada
Gambar 13. Dari kurva ini bila diinginkan kandungan
abu menjadi 8%, maka dari kurva B diperoleh yield dari
8% adalah 85%, selanjutnya dari kurva A diperoleh
densitas media pembersih adalah 1,61.
Gambar 13. Kurva Washability
Kebanyakan peralatan PCC digunakan untuk batubara
bituminous. Untuk batubara peringkat rendah tidakdibenefisiasi dengan air, karena batubara peringkat ini
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
17/48
bersifat hidropilik. Peralatan yang sering digunakan
untuk benefisiasi antara lain:
a) Jig (Gambar 14)
b)
Dense Media, and Dense Media Cyclones
c) Concentrating Tables
d)
Hydrocyclones
e) Froth Flotation (Gambar 15)
Gambar 14. Jig Gambar 15. Froth Flotation
2). Desulfurisasi secara Kimia (Chemical Coal Cleaning = CCC)
Banyak proses pembersihan sulfur batubara secara Kimia
telah dikembangkan dalam skala industri, seperti proses
Meyers. Proses Meyers adalah proses leaching secara
kimia menggunakan cairan sulfat besi ( ferrisulphate)
yang dapat dibersihkan dan digunakan kembali
(regenerable) untuk mengkonversi dan mengambil secara
kimia kandungan sulfur pirit dalam batubara dengan hasil
elemen sulfur dan besi. Tabel 1. menunjukkan beberapa
proses desulfurisasi dalam tahap pengembangan.
Proses kimia ini umumnya hanya mampu menurunkan
kadar sulfur pirit, tetapi tidak untuk sulfur organik dalam
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
18/48
batubara. Proses desulfurisasi secara kimia selanjutnya
adalah proses dengan oksidasi, yaitu oksidasi dengan
udara. Pada prinsipnya kadar sulfur dikurangi dengan
konversi melalui oksidasi dengan udara menjadi hasil
yang mudah menguap (terutama sulfur dioksida) dan
sulfur-sulfur yang mudah larut yang dapat dipindahkan
dengan medium air pencuci dalam tahap berikutnya.
Tabel 1. Beberapa Proses Benefisiasi secara Kimia
No. ProsesPengurangan Zat Pengotor (impurities)
Pirit AbuYield
BatubaraSolvent
1. TRW-Meyers → 95 10-30 82-92 Ferisulfat
2. Battelle
Hydrothermal90-98 *) 97-100 NaOH
3. Ledgemont Lab
Copper Kennecott
Inc.
> 90 NA NA Oksigen, air
4. KVB Coal Desul-furization Process,
KVB Eng. Inc.
→ 90 NA NA NH3, O2, air
5. PERC OxidationDesulfurisasi
Process, Pittsburgh
> 95 NA 90 Asam sulfat
6. Low Temp.
Chlorinolysis,
Caltech.
→ 90 NA 98 Chlorine
*) : Kandungan batubara hasil bertambah
NA: not available
Hidrodesulfurisasi (metode reduksi) adalah juga proses
desulfurisasi secara kimia yang menghasilkan reduksi
sulfur ke hdirogen sulfida yang mudah menguap pula.
Adapun proses kimia yang lain melibatkan aktivitas
reaksi pada suhu tinggi terhadap karbonat dan batubara
untuk menghasilkan sulfat yang mudah larut.
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
19/48
Masalahnya sekarang adalah tidak ada satu metode
kimiapun yang dikembangkan untuk secara khusus
melarutkan sulfur organik dalam batubara, dan teknik
desulfurisasi secara kimia sering memerlukan energi
yang besar. Selain itu, jika metode desulfurisasi secara
kimia harus diterapkan selama atau setelah proses
pembakaran, diperlukan peralatan pendukung dengan
desain khusus untuk proses itu, yang harganya relatif
mahal. Biaya peralatan desulfurisasi batubara secara
kimia dan masalah-masalah sehubungan dengan
perawatan peralatan dan pembuangan limbah sulfur yang
dihasilkan dari proses ini juga mahal. Dengan demikian,
jika perlu, industri lebih baik menghindarinya daripada
menggunakannya. Oleh karena itu, desulfurisasi batubara
yang dilakukan sebelum pembakaran dan dengan biaya
murah, perlu ditemukan.
3). Desulfurisasi secara Biologi( Biologycal Coal Cleaning = BCC)
Metode desulfurisasi batubara dengan memanfaatkan
aktivitas mikroorganisme sudah banyak dilakukan
penelitiannya dan secara umum dianggap cukup murah
biayanya. Masalahnya sekarang adalah bagaimana secara
teknis teknologi itu dapat dikembangkan (Chen, 1990 dan
Kilbane II, 1990). Hal ini merupakan tantangan bagi
peneliti bidang perbatubaraan.
b. Proses Pengurangan Kandungan M ineral
Penghilangan abu dapat dilakukan dengan proses
demineralisasi batubara umpan atau dengan penghilangan
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
20/48
abu (ash removal ) dari produk. Proses demineralisasi inin
dapat menghilangkan sulfur organik dan umumnya sama
dengan proses desulfurisasi fisik. Sedangkan proses ash
removal dapat dilakukan secara kering (dry process) dan
secara basah (wet process). Proses kering dikenal sebagai
proses non-slagging , yaitu penghilangan abu padat. Abu
padat ini dapat menyumbat ( plugging ) dan membuat kerak
( fouling ) pada peralatan sehingga proses non-slagging ini
sering menimbulkan kesulitan. Proses basah, yang dikenal
sebagai proses slagging , sering menimbulkan kesulitan,
yaitu timbulnya masalah korosi dan ketidak seragaman (non
uniformity) perpindahan panas. Untuk mengatasi hal ini
semua, sekarang digunakan molten bath gasifier (Edgar,
1983 dan Tsai, 1982).
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
21/48
C. PROSES PEMBAKARAN
1. Pendahuluan
Beberapa langkah dasar dalam pemanfaatan batubara
untuk pembangkit tenaga dengan proses pembakaran adalah
sebagai berikut:
a.
Mengubah energi kimia yang tersimpan dalam batubara
menjadi energi panas dalam bentuk gas bersuhu tinggi
melalui pembakaran batubara dengan udara dalam dapur
( furnaces).
b. Memindahkan panas dari gas panas hasil pembakaran ke
fluida kerja dalam bentuk uap lewat jenuh bertekanan di
dalam boiler atau gas panas bertekanan tersebut langsung ke
turbin gas.
c. Ekspansi fluida kerja ini ke dalam turbin uap (siklus uap)
atau turbin gas yang dapat menghasilakan tenaga mekanis.
d.
Mengubah tenaga mekanis ini menjadi tenaga listrik.
Teknologi ini merupakan cara yang paling efisien dalam
memanfaatkan energi panas dalam batubara dan di Indonesia
dijumpai pada PLTU dan pabrik semen. Nilai panas dari
batubara diubah menjadi panas sensibel yang mengubah air
menjadi uap pada PLTU atau dapat membakar batu kapur
menjadi klinker pada pabrik semen.
2. Reaksi-reaksi yang terjadi
Secara umum reaksi pembakaran batubara (char atau arang
batubara), terdiri dari reaksi-reaksi berikut:
2 C (grafit) + O2 (g) 2 CO (g) + 95.100 Btu (52,8 kkal)
2 CO (g) + O2 (g) 2 CO2 (g) + 243.490 Btu (135,3 kkal)
C (grafit) + CO2 (g) 2 CO (g) – 74.200 Btu (41,2 kkal)
C (grafit) + O2 (g) CO2 (g) + 189.290 Btu ( 94,1 kkal)
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
22/48
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
23/48
Kandungan sulfur akan menimbulkan masalah korosi dan
polusi lingkungan dan akan berpengaruh pada saluran, hopper
dan kenaikan temperatur keluar gas buang. Kadar sulfur yang
rendah mengakibatkan fly-ash mempunyai electrical resistivity
yang sangat tinggi dan berpengaruh terhadap precipitator .
Kadar sulfur melebihi 0,8% dan kadar alkali pada abu melebihi
2% akan terjadi gangguan pada operasi tanur putar pembuatan
klinker dan akan menurunkan kualitas semen.
Kadar zat terbang dalam batubara sangat penting dalam
mengendalikan asap dan penyalaan. Batubara dengan
kandungan zat terbang rendah akan memberikan lidah nyala api
yang pendek dan biasanya digunakan untuk keperluan
domestik. Untuk tanur diharapkan adanya lidah api yang
panjang, untuk itu sebaiknya digunakan batubara dengan kadar
zat terbang sedang hingga tinggi.
Akan tetapi kadar zat terbang yang besar akan cenderung
menimbulkan lebih banyak asap. Kandungan asap yang banyak
dapat diatasi dengan mengatur temperatur dan waktu tinggal
secukupnya dalam tanur atau dengan mengatur percampuran
yang baik antara udara masuk dengan hidrokarbon yang
ditimbulkan oleh batubara tersebut.
Kandungan air yang tinggi terutama bila butir batubara lebih
halus dari 0,5 mm akan menyulitkan pada operasi handling ,
ongkos angkutnya menjadi tinggi, dapat merendahkan titik
penyalaan dan akan mengakibatkan masalah penyumbatan
dalam aliran batubara. Kandungan air ini berpengaruh terhadap
volume furnace dan temperatur keluar dari flue gas, sistem
pengering dan pembakar batubara. Kadar air yang baik adalah
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
24/48
sekitar 8%. Untuk batubara kualitas rendah seperti peat dan
brown coal , kandungan air dapat diturunkan dengan menjadikan
batubara itu menjadi bentuk briket.
Kehalusan batubara akan menimbulkan masalah mudah
terbakar pada timbunan, pembentukan debu dan mempengaruhi
sifat alirnya.
Dari penjelasan di atas disimpulkan bahwa semua jenis
batubara dapat digunakan untuk proses pembakaran baik untuk
PLTU maupun untuk pembentukan klinker pada pabrik semen.
Akan tetapi harus dilakukan persyaratan mutu dengan melalui
tahapan penyiapan maupun pengolahan awal. Khusus dalam
desain suatu PLTU batubara pengoperasiannya hanya sesuai
untuk membakar batubara yang mempunyai kualitas yang sama
dengan batubara perhitungan desainnya. Dengan kata lain suatu
PLTU tidak dapat menggunakan sembarang batubara, hanya
mungkin menggunakan batubara yang sesuai dengan desainnya.
Untuk itu perlu dilakukan pengolahan awal.
D. PROSES KARBONISASI
1. Pendahuluan
Proses karbonisasi/ pirolisa merupakan proses
pengubahan batubara yang konvensional, dimana batubara
dipanaskan tanpa adanya kontak dengan udara. Batubara
mengalami pemecahan dan penggabungan kembali ikatan
molekul (distilasi destruktif) menjadi produk berupa padatan
kokas atau arang (karbonisasi); cairan berupa tar, fenol dan
minyak; dan gas berkalor sedang (pirolisa). Arang yang
dihasilkan dijadikan gas melalui proses gasifikasi untuk
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
25/48
digunakan sebagai umpan pada internal combustion engine atau
dibakar pada pembangkit uap. Selain itu, produk padat tersebut
digunakan sebagai bahan bakar padat pada boiler atau industri
metalurgi. Proses karbonisasi ini juga menghasilkan produk
samping seperti tar, minyak, dan gas (lihat Gambar 3.1).
2. Macam-Macam Proses Karbonisasi
Proses karbonisasi dibedakan atas: (a) karbonisasi suhu
rendah tidak lebih dari 700 oC dan (b) karbonisasi suhu tinggi di
atas 900 oC. Karbonisasi suhu rendah menghasilkan bahan
bakar padat tak berasap untuk keperluan domestik dan boiler
industri. Sedangkan bahan bakar padat dari karbonisasi suhu
tinggi digunakan untuk industri metalurgi.
3. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi
Zat terbang (volatiles) yang dihasilkan dari proses
pirolisa batubara terutama terdiri dari: (a) gas dapat terbakar
(combustible gases) seperti H2, CO, CH4 dan hidrokarbon; (b)
gas tak dapat terbakar (incombustible gases) dan (c) uap tar.
Hidrokarbon dan H2
di dapat dari pemecahan dan
penggabungan kembali ikatan C-C dan H-H dari struktur
batubara. Gas CO didapat dari pemecahan gugus karbonil (pada
suhu di bawah 500 oC) dan desorpsi ikatan C-O (pada suhu
diatas 500 oC). Gas CO2 didapat dari pemecahan gugus
karboksil. Senyawa H2O didapat dari reaksi hidroksil dengan
hidrogen. Sedangkan uap tar diperoleh dari reaksi sekunder
yang terjadi selama pirolisa berupa reaksi perengkahan danreaksi kondensasi atau polimerisasi.
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
26/48
Beberapa karakteristik batubara yang berpengaruh dalam
proses pirolisa/ karbonisasi diantaranya adalah: (a) rank (jenis)
batubara dan (b) sifat plastis (coking ) batubara.
Gas hasil pirolisa bervariasi dengan rank batubara.
Pirolisa dari lignit didominasi gas CO, CO2 dan H2O, sedangkan
pirolisa batubara bituminus akan menghasilkan tar dan cairan
hidrokarbon. Karbonisasi suhu rendah biasanya digunakan
batubara rank rendah seperti lignit, sub bituminus dan batubara
high volatile bituminus. Sedangkan karbonisasi suhu tinggi
menggunakan batubara rank tinggi dengan kandungan zat
terbang antara 16% hingga 41%.
Batubara coking seperti batubara bituminus (batubara
plastis) akan menghasilakan struktur arang koheren yang baik
untuk industri metalurgi. Sifat plastis batubara ditentukan oleh
komposisi petrografinya.
Dari uraian di atas disimpulkan bahwa untuk proses
karbonisasi dapat menggunakan batubara rank rendah seperti
lignit, sub bituminus hingga bituminus. Semua jenis batubara ini
banyak terdapat di Indonesia.
D. PROSES GASIFIKASI
1. Pendahuluan
Kedua proses pemanfaatan batubara yang diuraikan
sebelum ini, umumnya menginginkan batubara kualitas tinggi
walaupun batubara kualitas rendah dapat juga digunakan
dengan melakukan sejumlah pengolahan terhadap batubara
umpannya. Pada proses gasifikasi ini lebih menitikberatkan
pemanfaatan batubara kualitas rendah dengan menghasilkan gas
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
27/48
yang bersih yang dapat digunakan sebagai sumber energi
maupun sebagai bahan baku kimia.
Gasifikasi batubara merupakan reaksi batubara dengan
media gasifikasi seperti udara, oksigen, uap air, karbon dioksida
dan campurannya. Produk gas diperoleh dari zat terbang
(volatiles) yang keluar dari batubara dan dari hasil reaksi
batubara dengan media gasifikasi. Komponen utama adalah H2,
CO, CH4, CO2 dan tercampur sedikit hidrokarbon (C2+), gas
inert dan gas pengotor seperti NH3, COS, H2S dan lain-lain).
Skema reaksi gasifikasi ditunjukkan oleh Gambar 4.1
2. Penggolongan Proses Gasifikasi
Proses gasifikasi digolongkan atas dasar beberapa prinsip
operasi. Penggolongan yang didasarkan pada metode kontak
antar reaktan membedakan gasifikasi secara fixed bed , fluidized
bed , entrained bed dan molten bed . Penggolongan yang lain
berdasarkan pada jenis media gasifikasi yang digunakan
(apakah mengandung nitrogen atau tidak), metode penyediaan
panas untuk reaksi endotermik yang terjadi (autotermik dan
allotermik), kondisi abu yang dikeluarkan (lelehan atau kering),
arah aliran reaktan (co-current atau counter-current ) dan
berdasarkan tekanan operasi (tekanan normal atau tekanan
tinggi).
Penggolongan berdasarkan metode kontak antar reaktan
digambarkan pada Gambar 4.2. Pada gasifier unggun tetap
( fixed bed ) batubara dionggokkan di dalam reaktor diatas grate.
Sifat khas metode kontak ini ialah adanya perbedaan
temperature pada berbagai tempat dalam reaktor, batubara yang
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
28/48
digunakan berkualitas non-caking dengan ukuran 6 - 50 mm.
Secara komersial metode kontak ini dipakai dalam proses Lurgi
dan Wellman.
Pada gasifier fluidized bed digunakan batubara non-
caking berukuran lebih kecil dari 3 mm, pencampuran dan
cepatnya perpindahan panas dalam reaktor menyebabkan
temperatur menjadi seragam di seluruh reaktor. Secara
komersial metode kontak ini telah dipakai sejak tahun 1926
dalam proses Winkler .
Pada gasifier entarined bed , batubara dimasukkan ke
dalam reaktor bersama-sama media gasifikasi dalam bentuk
suspensi, ukuran batubara yang digunakan lebih kecil dari
0,10 mm dan dapat menggunakan batubara caking . Secara
komersial metode kontak ini digunakan dalam proses
Kopper-Totzek dan Texaco.
Pada gasifier molten bed , batubara yang berukuran lebih
kecil dri 1,0 mm dimasukkan secara co-current dengan gas
pereaksi ke dalam reaktor. Sumber panas untuk reaksi
endotermik diperoleh dari molten bed , yang diperoleh dengan
melelehkan besi tua ( scraps) di dalam reaktor tersebut. Cara
kontak ini sedang dikembangkan oleh Saarberg , Sumitomo dan
Rummel-Otto.
Jika sebagai media gasifikasi digunakan campuran udara
dan uap air, maka dihasilkan gas kalor rendah (5400 - 6300 kJ/
Nm3 atau 80 - 150 Btu/ Scf). Gas ini tidak ekonomis untuk
disalurkan jarak jauh. Gas kalor sedang (10.0000 - 18.0000 kJ/
Nm3 atau 300 - 320 Btu/ Scf) akan diperoleh jika gasifikasi
dilakukan dengan menggunakan media campuran oksigen dan
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
29/48
uap air. Gas yang dihasilkan dapat dipakai untuk sumber energi
sebagai gas kota atau untuk keperluan industri atau bahan baku
industri kimia dalam pembuatan metanol, amonia dan lain-lain.
Bila dilakukan proses lanjut terhadap gas ini dengan bantuan
katalis akan diperoleh gas yang mirip dengan gas alam
(Subtituted Natural Gas) dengan nilai kalor 33.400 - 37.600 kJ/
Nm3 atau 950 - 1000 Btu/ Scf. Diagram sedrhana dari prosess
gasifikasi ditunjukkna oleh Gambar 4.4.
Tabel 4.1 memberikan perbandingan beberapa kondisi
operasi serta komposisi gas hasil yang diperoleh dari berbagai
proses komersial yang ada sekarang
3. Faktor-faktor yang mempengaruhi
Efisiensi dari suatu proses gasifikasi dan pemilihan tipe
unggun ( fixed bed , fluid bed , entrained bed , dan molten bed ),
dipengaruhi oleh: (a) rank batubara; (b) sifat coking dan
aglomerasi batubara; (c) temperatur fusi abu dan komposisi abu
batubara.
Kereaktifan arang batubara akan bertambah dengan
makin rendahnya rank batubara. Hal ini disebabkan, bahwa
pada batubara rank rendah terdapat tiga faktor yaitu: (a)
banyaknya puncak aktif tempat terjadinya reaksi gasifikasi; (b)
porositasnya besar; dan (c) mempunyai kandungan kalsium
yang berperan sebagai katalis pada reaksi gasifikasi.
Sifat coking batubara akan mengganggu pola aliran
(hidrodinamika) dalam gasifikasi fluid bed dan fixed bed , akan
tetapi tidak berpengaruh pada entrained bed seperti proses
Koppers-Totzek .
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
30/48
Temperatur fusi abu akan membatasi suhu yang
dilakukan pada proses gasifikasi. Bila gasifukasi berlangsung
diatas temperatur fusi batubara umpan, maka pengaruhnya akan
sama dengan batubara coking . Komposisi abu akan dapat
berpengaruh pada sifat katalis yang dipunyai oleh abu batubara
tersebut. Unsur kalsium, kalium, dan natrium akan mempunyai
efek katalis pada gasifikasi dengan media udara dan CO2 dan
akan mengurangi reaktifitas arangnya pada gasifikasi dengan H2
dan H2O. Sebaliknya bila komposisi abu didominasi oleh unsur
besi dan magnesium, maka akan bersifat katalis pada gasifikasi
dengan media H2 dan H2O dan akan mengurangi reaktifitas
bila gasifikasi berlangsung dengan media udara dan CO2.
Unsur-unsur kalsium, natrium, kalium, besi dan magnesium
tersebut banyak terdapat pada batubara rank rendah seperti
lignit dan sub bituminus. Batubara jenis ini banyak terdapat di
Indonesia, sehingga proses gasifikasi batubara untuk batubara
Indonesia perlu dipelajari.
Pernah diteliti bahwa, batubara Airlaya dari
penambangan Tanjung Enim merupakan batubara yang
mempunyai reaktifitas yang tinggi. Beberapa contoh proses
gasifikasi adalah sebagai berikut: (a) Proses Lurgi, Wellman-
Galusha ( fixed bed ); (b) Koppers Totzek (entrained bed ); (c)
Winkler ; (d) Saarberg-Otto (molten bed ).
4. Proses Winkler
Salah satu proses untuk menghasilkan gas bakar dari
batubara adalah Proses Winkler , yang dikenal sejak 1926. Pada
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
31/48
waktu itu, proses ini dibuat untuk memanfaatkan brown coal
yang kurang reaktif.
Semua macam batubara dapat diolah, kecuali caking
coal . Sebelum diproses, bahan baku harus di giling sampai di
bawah 10 mm. Kebasahannya boleh sampai 18%. Kadar abu
dalam batubara tidak terlalu penting, tetapi ash fusion
temperaturenya harus diperhatikan.
Kalor bakar gas hasil yang keluar reaktor, kira-kira:
2250 - 3500 kcal/ Nm3 (250 - 400 BTU/ scf), bila media
gasifikasinya oksigen. Kapasitas reaktor-reaktor, kira-kira:
5 103 - 60 103 Nm3/ h (190 103 - 2240 103 scf/ h).
a. Uraian Proses
Satuan-satuan proses winkler secara garis besar terdiri dari:
pengolahan bahan baku, reaksi gasifikasi, pembersihan gas
dan pembuangan abu. Blok diagram aliran proses
diperlihatkan di gambar 4.5.
1). Pengolahan Bahan Baku
Bahan baku harus berukuran di bawah 10 mm (40%
berukuran diatas 1 mm, 60% dibawah 1 mm), untuk
maksud ini harus ada penggilingan bahan baku.
Kadar air yang baik adalah dibawah 8%, tetapi bahan
baku dengan kebasahan 18% masih dapat di proses.
Biasanya pengeringan sebelum proses lebih
menguntungkan, sebab suhunya dapat diatur.
Pengeringan sebelum proses harus dijaga jangan sampai
volatile matter hilang.
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
32/48
Bila kadar air bahan baku masih tinggi ketika masuk
reaktor, maka pengeringan terjadi di dalam reakor. Dalam
hal terakhir, konsumsi batubara proses meningkat. Tetapi
hal ini diimbangi oleh keuntungan lain, yaitu
penghilangan alat-alat pembersih gas sisa pengeringan.
2). Proses Gasifikasi
Bahan baku dimasukkan ke bagian bawah reaktor dengan
screw conveyor , yang kemudian terangkat oleh media
gasifikasi dan terjadi fluidisasi. Reaksi gasifikasi barjalan
cepat dan terjadi di seluruh bagian fluidized bed .
Fluidisasi mengakibatkan kontak reaktan yang baik dan
perpidahan panas yang merata.
Sebagian dari bahan baku ada yang tidak sempat
bereaksi, karena itu media gasifikasi kedua dimasukkan
ke bagian tengah reaktor. Dengan cara ini konversi bahan
baku diharapkan makin tinggi.
Perbandingan oksigen terhadap steam menentukan suhu
reaktor gasifikasi, sedangkan perbandingan bahan baku
terhadap media gasifikasi menentukan kapasitas
produksinya. Suhu reaktor harus dijaga dibawah titik
leleh abu, untuk mencegah penggumpalan partikel-
partikel. Begitu juga suhu gas segera didinginkan untuk
maksud yang sama. Di bagian atas reaktor dipasang heat
exchanger , sebagai pendingin gas dan pemanfaatan panas
sensible yang dibawa gas.
Konversi bahan baku kira-kira 90% lainnya akan
terbuang sebagai partikel padat yang terbawa gas atau
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
33/48
jatuh ke dasar reaktor bersama abu, 30% partikel padat
(abu dan sisa bahan baku) dikeluarkan dari dasar reaktor,
sedangkan 70% lainnya terbawa gas hasil keluar reaktor.
3). Pembersihan Gas Hasil
Gas hasil yang keluar reaktor mengandung banyak
partikel padat dan suhu cukup tinggi, sehingga perlu
pembersihan. Mula-mula gas didinginkan dengan waste
heat boiler/exchanger . Panas sensibel gas dimanfaatkan
untuk membuat super heated steam, memproduksi uap
proses, atau memanaskan air umpan ketel.
Sebagian partikel padat yang terbawa gas 40 %
mengendap di waste heat boiler tersebut (terutama
partikel yang besar, akibat kecepatan gas yang menurun).
Pembersihan lebih lanjut dilakukan di cyclone 50 % partikel
padat mengendap di alat ini.
Partikel padat yang sangat halus harus dihilangkan
dengan direct contact wet scrubber dan kemudian
electrostatic precipitator .
4). Pembuangan Abu
Sebagian besar partikel padat dibuang dalam keadaan
kering, yaitu yang berasal dari dasar reaktor, dan waste
heat boiler . Sedangkan yang dari dua alat terakhir berupa
bubur, hingga perlu pemekatan sebelum dibuang.
b. Gasifier
1). Uraian Alat
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
34/48
Gasifier berupa reaktor fluidized-bed , sehingga
operasinya dibatasi oleh syarat-syarat fluidisasi, misalnya
ukuran partikel dan kecepatan gas. Tetapi fluidisasi
mengakibatkan kontak reaktan yang sangat baik,
sehingga kecepatan reaksi tinggi. Disamping itu
perpindahan panas berjalan baik, sehingga pemanasan
setempat yang tinggi local overheating dihindari.
Media gasifikasi dimasukkan reaktor dua kali. Satu di
dasar reaktor untuk fluidisasi dan pereaksi. Yang lain
dimasukkan di tengah reaktor, bila diperlukan, untuk
mempertinggi konversi bahan baku.
Dibagian atas reaktor dipasang boiler, yang berfungsi
sebagai pendingin gas-gas hasil reaksi. Boiler tersebut
dapat menghasilkan uap air bertekanan tinggi, karena
suhunya cukup tinggi.
2). Kondisi Proses
tekanan proses yang biasa dipakai atmosfer, sehingga
memudahkan penanganan operasi. Tetapi proses
bertekanan lebih tinggi sedang dikembangkan, untuk
mengurangi ongkos produksi, dan mempertinggi
kapasitasnya.
Suhu proses tergantung macam bahan baku yang dipakai,
800 - 1000 oC. suhu proses rendah bila batubaranya
reaktif, dan makin tinggi untuk hard coal .
3). Sifat-sifat Gasifikasi
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
35/48
a). Segala macam batubara dapat diproses, dari lignite
sampai anthrasite.
- Suhu proses naik, bila bahan baku kurang reaktif.
- Efisiensi turun, bila suhu proses naik (sensible heat
gas dan abu tinggi).
- Derajat konversi bahan baku tinggi, bila batubara
reaktif.
b). Batubara berkadar abu tinggi dapat diproses.
- Ongkos penggilingan bahan baku naik, bila kadar
abunya makin tinggi.
- Harga bahan baku berkadar abu tinggi relatif
murah.
- Kadar abu yang tinggi menyebabkan banyak abu dan
partikel padat lainnya.
c). Dalam satu proses, perubahan macam batubara dan
kadar abu tidak terlalu mempengaruhi hasil gasifikasi.
d). Gasifier Winkler dapat memproses bahan bakar cair,
misalnya minyak residu atau tar. Pemakaian bahan
bakar cair dapat mempertinggi kalor bakar gas hasil
dan menambah kapasitas produksi.
e). Kapasitas produksi mudah dirubah. Kapasitas terkecil
ditentukan oleh syarat fluidisasi, sedangkan kapasitas
terbesar dibatasi oleh waktu tinggal bahan baku.
Perubahan kapasitas dapat dilakukan antara 25 - 150%
kapasitas terencananya.
f). Penghentian proses mudah dilakukan, dengan
mematikan aliran media gasifikasi. Demikian pula
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
36/48
penyalaan kembali hanya dengan mengalirkan media
gasifikasi, karena pendinginan reaktor cukup lama.
g). Jumlah bahan baku yang berada di dalam gasifier
cukup banyak, 1 - 2 jam proses, sehingga
keterlambatan pengisian tidak menganggu produksi
gas hasil.
h). Perawatan mudah, sebab bentuknya sederhana dan
operasi pada tekanan atmosfer. Bagian penting adalah
“nozzles” untuk menimbulkan fluidisasi yang merata.
c. Keunggulan Dan Kelemahan
1). Keunggulan
a). Kontak reaktan cukup baik.
b). Suhu reaktor seragam.
c). Kecepatan proses tiap volume reaktor tinggi.
d). Perubahan kapasitas produksi mudah dilakukan.
e). Pembentukan climker dihindarkan.
f). Bermacam-macam bahan baku dapat diproses.
g). Kadar abu dalam bahan baku tidak terlalu
diperhatikan.
h). Kadar air dalam bahan baku tidak terlalu penting.
2). Kelemahannya
a). Umpan harus kering (permukaanya).
b). Ukuran umpan harus tertentu.
c). Pembagian medium gasifikasi harus baik.
d). Caking Coal harus diolah sebelum diproses.
e). Ash Fusiaon Temperature harus diperhatikan.
f). Banyak bahan baku yang hilang, tidak tereaksi.
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
37/48
g). Kadar padatan dalam gas hasil tinggi.
h). Suhu gas hasil yang keluar reaktor tinggi.
E. PROSES LIKUIFAKSI
1. Pendahuluan
Bahan bakar cair merupakan kebutuhan utama di dalam
dunia modern sekarang ini. Sebagai salah satu sumber energi,
bahan bakar cair mempunyai sifat yang mudah dan efisien
untuk ditarnspor, begitu juga untuk penyimpanannya. Laju
kebutuhab akan bahan bakar cair dunia berkisar antara 55 - 60
juta barrel per harinya. Cadangan minyak yang masih tersedia
dengan laju kebutuhan tersebut akan hanya cukup untuk
persediaan 30 tahun saja. Kenyataan ini mengharuskan kita
untuk mencari sumber energi lain yang mempunyai
karakteristik yang mirip dengan crude oil.
Hidrogenasi batubara yang diikuti dengan
penyempurnaan dari coal oil yang terbentuk, merupakan suatu
langkah yang utama dalam mengisi kekurangan akan persediaan
bahan bakar cair tersebut. Upaya ini dilakukan dengan
pencairan batubara atau dikenal dengan nama likuifaksi
batubara.
Proses likuifaksi batubara merupakan proses pemecahan
ikatan reaktif molekul batubara yang besar yang akan dapat
membentuk suatu hidrokarbon cair dengan berat molekul
rendah setelah ditambah molekul hidrogen secukupnya. Dengan
pecahnya molekul batubara akan dihasilkan zat organic rantai
kecil yang akan pecah membentuk radikal bebas. Pecahan
radikal bebas ini distabilkan pada proses pencairan batubara
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
38/48
(lihat gambar 5.1). Bermacam-macam proses pencairan
batubara perbedaannya terletak pada metode yang dilakukan
dalam penstabilan pecahan radikal bebas ini.
2. Macam-Macam Proses Likuifaksi Batubara
Proses pencairan batubara dapat dilakukan dengan dua
cara, yaitu pencairan langsung dan pencairan tak langsung (lihat
gambar 5.2). Beberapa proses pencairan batubara secara
langsung yaitu: proses pirolisa, solven ekstraksi dan pencairan
dengan katalis (hidroliquefaction).
Pada proses pirolisa, batubara dipanaskan pada suhu
diatas 400 derajat celcius yang menghasilkan gas, liquid (tar)
dan arang. Tar yang terbentuk dihidrogensasi menghasilkan
cairan berkadar sulfur rendah, sedangkan arang dapat
digasifikasi dengan media gasifikasi campuran uap air dan
oksigen menghasilkan CO dan H2. Contoh proses ini yaitu:
Coalcon, Garret, COED dan lain-lain.
Pada solven ekstraksi, batubara dijadikan Lumpur dengan
solven donor (anthracene, tetralin), direaksikan pada suhu dan
tekanan yang cukup tinggi. Hasil reaksi berupa gas, cairan
batubara dan hasil bawah yang terdiri dari Spent solvent ,
batubara yang tidak bereaksi dan abu. Spent solvent ini
dihidrogenasi secara katalitis pada temperature dan tekanan
yang tinggi menghasilakan cairan donor untuk didaur ulang.
Contoh proses ini yaitu: Exxon, Cresap dan lain-lain.
Sedangkan pencairan secara katalitis, hydrogen
ditambahkan pada batubara dengan menggunakan katalis yang
sesuai seperti proses Synthoil dan H-Coal.
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
39/48
Proses pencairan batubara secara tak langsung, dilakukan
dengan mengubah batubara menjadi campuran CO dan H2
melalui proses gasifikasi. Gas sintesa ini kemudian diubah lebih
lanjut menjadi hidrokarbon dengan jumlah karbon yang cukup
besar. Contoh proses ini adalah proses Fischer-Tropsch.
3. Mekanisme Pencairan Batubara
Proses pencairan batubara merupakan pemecahan ikatan
yang reaktif dari molekul batubara yang besar. Pada pemecahan
ini dilakukan penambahan molekul hydrogen sehingga
membentuk cairan hidrokarbon dengan berat molekul besar.
Untuk memperoleh keadaan ini batubara dipanaskan
hingga temperature likuifaksi, yaitu antara temperature
400 - 500 oC. Batubara kelas bituminous, subbituminus dan
lignit dapat diubah menjadi likuid, sedangkan batubara antrasit
cenderung menghasilkan gas, karena itu sukar untuk dijadikan
likuid.
Batubara bituminous umumnya akan melunak dan akan
bersifat kenyal (plastis) bila dipanaskan antara temperature 325
- 350 oC. Pada keadaan kenyal ini batubara akan melengket
pada hamper semua benda dan akan sukar untuk ditangani
sehingga akan menimbulkan masalah pada reactor dimana akan
menghasilkan operasi pencairan dan keadaan terfluidisasi sukar
diperoleh.
Pencairan batubara biasanya berlangsung pada
temperature 400 - 500 oC, untuk menghindari keadaan plastis
maka batubara bituminous akan dipanaskan secara cepat.
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
40/48
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
41/48
Memaksimalkan hasil likuid memerlukan perhatian yang
besar antara temperature, tekanan, heat up time, residence time
pada temperature tinggi dan penambahan katalis yang tepat.
Secara umum residence time yang singkat pada heated zone
adalah lebih baik untuk menghasilkan likuid yang tinggi bila
kondisi yang lebih baik.
Beberapa factor yang mempengaruhi pencairan batubara
antara lain:
a.
Reaktifitas
Antrasit sukar dicairkan dan cenderung untuk menghasilakn
gas. Batubara bituminous kualitas tinggi memerlukan
kondisi yang tertentu dibandingkan dengan batubara kualitas
rendah. High volatile bituminous coal menghasilkan likuid
yang lebih banyak, sedangkan batubara muda, lower rank
bit. Coal atau lignit akan mencair dengan cepat tetapi
memberikan hasil yang sedikit dan ratio likuid dan gas
rendah.
b.
Laju Pemanasan
Laju pemanasn diusahakan secepat mungkin untuk
menghindari repolimerisasi dari radikal bebas yang tebentuk
dari pemecahan ikatan kimia dari batubara. Temperatur yang
baik untuk memperoleh likuid yang banyak berkisar antara
400-500 derajat celcius.
c. Katalis
Kebanyakan metal dapat dipakai sebagai katalis pada
hidrogenasi batubara. Abu batubara dapat juga bertindak
sebagai katalis pada proses hidrogenasi.
d.
Tekanan
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
42/48
Tekanan yang diperlukan untuk produksi likuid berkisar
antara 500-600 psi. Batubara kualitas rendah dapat dicairkan
pada tekanan yang lebih rendah.
e.
Waktu kontak
Pada solven ekstraksi, campuran batubara dengan carrier oil
memerlukan waktu antar 20 menit hingga 2 jam dalam
preheater dan reactor untuk menhasilkan 2,7 barrel likuid per
ton batubara yang masuk reaktor.
Ratio likuid dengan gas akan bertambah dengan makin
singkatnya waktu kontak dan laju pemanasan yang cepat
4. Teknologi dan Proses Pencairan Batubara
Empat konsep utama untuk mengubah batubara menjadi
likuid ditunjukkan oleh gambar 5.2. Keempat proses tersebut
yaitu: pirolisa, solven ekstraksi, katalistik likuifaksi dan
likuifaksi tak langsung.
Beberapa modifikasi telah dilakukan terhadap keempat
konsep diatas, misalnya pada pirolisa yang dilakukan pada
atmosfir hydrogen yang kemudian dikenal sebagai proses
hidrokarbonisasi, begitu juga pada proses yang lain.
Dibawah ini akan diuraikan secara rinci masing-masing
konsep proses d atas.
a. Pirolisa dan Hidrokarbonisasi (lihat gambar 5.4)
Pirolisa atau karbonisasi merupakan proses pemanasan
batubara tanpa udara atau oksigen yang menghasilkan heavy
oil, light oil, gas dan char. Komposisi dan jumlah relatif dari
produk dipengaruhi oleh laju pemanasan, temperature
maksimum yang dapat dicapai, residence time batubara dan
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
43/48
produk, tekanan parsial hydrogen, ukuran partikel batubara
serta konfigurasi dari reaktor yang dipakai. Hasil maksimum
likuid diperoleh dengan laju pemanasan yang cepat, ukuran
batubara yang halus dan waktu kontak yang pendek.
Berbagai penelitian telah dilakukan terhadap proses ini,
hanya Lurghi Ruhr Gas proses yang dikembangkan secara
komersial dengan menggunakan brown coal Eropah, akan
tetapi menghasilakn likuid yang rendah sekitar 20 %
konversi. Sedangkan COED proses masih dalam tahap pilot
plant.
Hidrokarbonisasi adalah karbonisasi dalam atmosfir
hydrogen. Hal ini untuk meminimumkan kerugian-kerugian
pada proses pirolisa sehingga dapat mempertinggi produk
likuid dan mengurangi kandungan sulfur dan nitrogen pada
produk.
Keuntungan proses pirolisa, antara lain:
1). Tekanan bias rendah atau keadaan atmosfir biasa.
2). Tidak memerlukan tambahan hydrogen atau bahan kimia
terhadap kecuali pada hidrokarbonisasi.
3). Waktu reaksi bias sangat meningkat.
4). Peralatannya sederhana da murah.
Kerugian proses pirolisa dalam menghasilkan bahan bakar
cair:
1). Hanya3
1 jumlah batubara umpan berubah menjadi likuid.
2). Kebanyakan likuid yang dihasilkan adalah heavy oil dan
secara komersial untuk pengembangan lebih lanjut tidak
ekonomis dalam memisahkan char dan abu.
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
44/48
3). Char yang dihasilkan sulit mendapatkan pemasarannya
dan sukar ditransporkan dan akan lebih menguntungkan
bial unit gasifiaksi merupakan integrated unit dengan
likuifaksi.
4). Likuid yang dihasilkan memrlukan pengolahan.
5. Solven Ekstraksi (lihat Gambar 5.4)
Solven ekstraksi adalah proses yang mengkontakkan
batubara pada temperature diatas 500 derajat celcius dengan
donor solven. Solven donor ini dapat memindahkan hydrogen
ke batubara, dengan demikian akan memaksimasi fraksi
batubara menjadi larutan.
Keuntungan Proses Solven Ekstraksi adalah sebagai berikut:
a. Temperatur operasi lebih rendah dari proses pirolisa.
b. Konfigurasi proses dapat disesuaikan denga kualitas
batubara umpan dan dengan kualitas produk yang
diinginkan. Misalnya untuk low sulfur coal dapat diekstraksi
pada kondisi yang ringan untuk menghasilkan low sulfur
produk. Sedangkan high sulfur coal memerlukan kondisi
yang hebat untuk menghasilkan low sulfur produk.
Kerugian Proses Solven Ekstarksi adalah sebagai berikut:
a. Pemisahan dari uncorverted coal dan abu akan menimbulkan
kesukaran, kecuali ekstraksi berlangsung pada kondisi yang
hebat.
b. Material yang dihasilkan pada kondisi ringan akan
menghasilakn padatan yang mudah hancur dan sukar untuk
ditranspor, penyimpanan dan penanganannya .
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
45/48
c. Preheating dan handling dari coal oil slurry masih
merupakan masalah dan perlu diadakan penelitian lebih
lanjut.
6. Likuifaksi Katalitis (lihat Gambar 5.5)
Proses ini pertama kali dikembangkan oleh Berguis pada
decade 1915-1940. Proses Berguis terdiri dari dua langkah
proses. Lumpur heavy recycle hydrogenated oil dicampur
dengan batubara yang dihidrogenasi pertama kali dalam fase
likuid dengan bantuan katalis yang didispersikan pada batubara.
Produk likuid yang dihasilkan kemudian dihidrogenasi
dalam fase uap pada permukaan katalis. Proses ini termasuk
pmebuatan gas hydrogen, purifikasinya serta recycling
hydrogen dari off gas.
Sepuluh hingga lima belas tahun berikutnya diadakan
perbaikan terhadap proses Berguis ini, yaitu slurry coal khusus.
Proses ini dikembangkan oleh Gulf Oil Company dan oleh
ERDA secara terpisah denga menggunakan katalis pellet dalam
reaktor unggun tetap (fixed bed).
Keuntungan proses yang terakhir ini antara lain:
a.
Dispersi katalis pada batubara dan recovery solid residus
tidak diperlukan. Sedangkan pad proses Bergius kedua hal
ini diperlukan.
b. Tekanan operasi lebih rendah dan biasanya dibawah 4000
psi. Sedang pada proses Bergius antara 3000 - 10000 psi.
c. Waktu retensinya lebih rendah dari proses Bergius, pada
proses Bergius waktu retensinya antara 1 - 2 jam.
d.
Kualitas produk dapat dikendalikan.
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
46/48
Kerugian proses ini adalah:
a.
Pemisahan uncorverted coal dan abu dari heavy oil suakr
dilakukan.
b.
Heavyoil harus direcycle ke proses sehingga mengurangi
jumlah batubara yang akan dihidrogenasi.
c.
Katalis harus dengan cepat diaktivasikan, karena terlalu
cepat tidak aktif dan kadang-kadang harus didanti.
d. Biaya untuk menghasilkan dan kompressi hidrogen tinggi.
Proses closed cycle dianjurkan untuk hidrogenasi katalitis
batubara dalam atmosfir hidrogen untuk menghasilkan produk
total likuid. Batubara recycle hidrogen dan hot reformer gas
dimasukkan ke dalam reactor dimana terjadi hidrogenasi
menjadi likuid, tar dan gas yang berlangsung sempurna setelah
20 detik.
Distillable oil dipisahkan dari heavy oil dan heavy oil ini
kemudian dihidrogenasi kembali menjadi distillable oil. Zat
padat (solid) dipisahkan dari uap dan oil dengan jalan
dikondensasi. Gas digunakan untuk pembuatan hydrogen dalam
reformer bertekanan.
Keuntungan proses ini antara lain:
a.
reaksi hidrogenasi berlangsung sempurna kurang dari satu
menit.
b.
Recycle oil dan preheater untuk coal oil slurry tidak
diperlukan.
c.
Semua oil yang dihidrogenasi menjadi distillable oil dalam
single cycle.
d.
Pemisahan heavy oil dari solid dari solid tidak diperlukan.
e.
Hidrogen dihasilkan pada tekanan sistem.
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
47/48
f. Konversi batubara menjadi likuid dipebanyak, sedangkan by
product dan char berkurang.
Kerugian proses ini adalah:
a.
Feeding dari dry pulverized coal pada system bertekanan
tinggi adalah sukar.
b.
Terjadi masalah melekatnya atau agglomerasi batubara
selama keadaan plastis.
c. Recovery dari katalis sukar.
7. Likuifaksi Tak Langsung (Indirect Liquefaction) (lihat
Gambar 5.5)
Pada proses ini gas sintesa, yaitu campuran antara gas
CO dan H2 yang dihasilkan dari gasifikasi batubara dengan
media gasifikasi uap air dan oksigen dimurnikan dan diubah
menjadi hidrokarbon alifatik dengan molekul lebih besar
dengan menggunakan katalis besi atau cobalt.
Proses dapat berlangsung dalam reactor fixed bed
maupun fluidized bed.
Proses ini beroperasi baik di Jerman selama perang dunia
kedua dan telah beroperasi secara komersial di SASOL Afrika
Selatan sejak 1956.
Urutan reaksi-reaksi yang terjadi:
CO + 2H2 CH3OH
CO2 + 3H2 CH3OH + H2O
CH3OH CH3 - O - CH3 + H2O
CH3 - O - CH3 Metilen group
Metilen Group Hidrokarbon
Metilen group hidrokarbon
Dehidrasi
-
8/16/2019 Bab VI - Proses Perbatubaraan Dan Aspek Lingkungan
48/48
Keuntungan proses indirect liquefaction antara lain:
a.
Secara praktisnya semua batubara dapat diubah menjadi
likuid, jadi sifat batubara bukan merupakan variable.
b.
Komposisi produk dapat dikendali dengan baik.
c. Produk akhir bebas dari kandungan sulfur dan nitrogen.
d.
Teknologinya sudah memadai secara komersial.
Kerugian proses ini diantaranya:
a. Semua batubara harus dapat digasifikasi dengan oksigen dan
uap air dan gas yang dihasilkan harus murni sekali.
b.
Plantnya komplek dan biaya per unit produk tinggi.
c.
Efisiensi termalnya rendah, sekitar 40%.
Telah diuraikan proses pencairan batubara sebagai salah
satu cara memanfaatkan batubara.
Batubara kelas antrasit sukar untuk dicairkan bila
dibandingkan dengan high volatile bituminous coal . Sedangkan
batubara muda seperti lignit memberikan hasil dengan ratio
likuid dan gas rendah.
Pengaruh katalis, waktu kontak serta tekanan operasi
sangat mempengaruhi terbentuknya produk. Katalis yang
selektif serta tekanan operasi yang tinggi akan memperbanyak
hasil yang diinginkan. Waktu kontak yang singkat akan
memperbesar ratio likuid dengan gas.
Proses pencairan batubara (coal liquefaction) masih
merupakan proses yang mahal dan memerlukan IPTEK
yang tinggi.