Pengaruh Variasi Kandungan Abu Batubara Sub-Bituminous dan ...

Pengaruh Variasi Kandungan Abu Batubara Sub-Bituminous dan Suhu Reaksi terhadap Yield & Rasio Mol H2/CO Gas Sintesis Dengan Metode Gasikasi

Kukus

Aula Arief Atmojo, Dijan Supramono

1. Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus UI, Depok, 16424, Indonesia

E-mail: [email protected]

ABSTRAK

Batubara sebagai sumber bahan bakar konvensional yang populer dapat dimanfaatkan menjadi sumber utama energi. Pengolahan batubara menjadi bahan bakar cair dapat melalui proses Fishcer-Tropsh. Untuk kemudahan proses ini yaitu melalui gasifikasi batubara yang mana menjadi gas H2 dan CO dengan perbandingan 2:1. Namun kandungan batubara yang kurang diperhatikan akan mengganggu proses gasifikasi dan mempengaruhi kualitas dan gas sintesis tersebut. Kenyataanya kandungan abu dalam batubara dapat menjadi katalis terhadap proses-proses gasifikasi. Oleh karena itu diperlukan teknologi penghilangan kadar abu dalam batubara yaitu acid-washing/acid-leaching yang mana dilakukan pencucian batubara menggunakan asam HCl encer, melihat fakta bahwa ketersediaannya yang banyak dan merupakan pelarut yang baik dan tidak meninggalkan karboksilat dalam reaktor maupun mudah untuk ditiriskan sebagai dasar pertimbangan. Penelitian ini bertujuan untuk melihat kandungan abu dan suhu reaksi gasifikasi terhadap yield dan rasio mol H2/CO gas sintesis. Gasifikasi dilakukan dengan metode gasifikasi kukus (steam gasification) yang menggunakan umpan arang dan kukus agar meningkatkan rasio mol H2/CO. Suhu operasi yang digunakan adalah 650°C, 700°C, 750°C dan 800°C. Rasio kukus terhadap arang, steam/C ditetapkan sebesar 2,7 dan waktu tinggal kukus dalam unggun arang adalah 3,5 detik. Dilakukan dua variasi gasifikasi batubara dalam satu feedstock yang masih memiliki kandungan abu (kandungan abu 5,28%) dan yang sudah dihilangkan kandungan abu, sebelum dilakukannya gasifikasi. The Effect of Ash Content in Sub-Bituminous Coal and Temperature Reaction to Yield

and Mol Ratio H2/CO Synthesis Gas through Steam Gasification

ABSTRACT

Coal as a popular source of conventional fuel can be utilized as major source of energy. Coal processing into conversed liquid fuel can be applied through Fishcer-Tropsh process. One of the technology that can convert coal into gas before liquid fuel is gasification. Where coal will be converted into Hydrogen and carbon monoxide gas with the ratio 2:1. Apparently, the mineral matter in coal can be a problem when it undergoes a process which can affect not only the quality of the syngas, but also the process equipment used. In reality, the ash or the mineral content in coal can act as a natural catalysts in gasification process under certain operation conditions. To this extent, we need to apply the method of cleaning the coal from the mineral matter with acid-washing using dilute sodium chloride, knowing its availability and its efficiency as a solvent and does not leave any carboxylic traces in reactor. Thus, the conducted research is to observe and analyze the effect of mineral matter in coal and temperature reaction of gasification against the yield and mol ratio of H2/CO through steam gasification technology;where the feed is coal char and steam to increase the mol ratio of H2/CO. The operation temperatures are 650, 700, 750, and 800°C. Ratio of Steam/carbon 2,7 and the residence time of steam in char bed 3,5 seconds. With 2 feed variables, one with char (5,28%) and without char(0,8%). Keywords: Sub-Bituminous Coal; Mineral Matter; Ash Content; Catalytic Effect; Steam Gasification; Acid-washing/Leaching Method; Fixed Bed Reactor

Pengaruh Variasi ..., Aula Arief Atmojo, FT UI, 2017

Pendahuluan

Indonesia merupakan negara yang kaya akan sumber daya alamnya, baik berupa

biodiversitasnya yang terkenal akan kekayaan plasma nutfah, namun juga kaya akan sumber

daya mineralnya. Dengan kekayaan ini, Indonesia sangat berpotensi untuk memaksimalkan

sumber daya tersebut terutama di bidang energi. Faktanya potensi energi baik berupa

konvensional dan apalagi yang non-konvensional masih belum termanfaatkan dengan baik,

bahkan kesiapan teknologi dalam pengelolaan energi masih kurang optimal. Menipisnya

cadangan energi di bidang konvensional menuntut dikembangkannya teknologi untuk

mengolah energi non-konvensional, yang mana salah satu contohnya yaitu batubara.

Berdasarkan data dari German Federal Institute for Geosciences and Natural Resources

(BGR), mengutip dari The Energy Study 2015, pada akhir tahun 2014, cadangan batubara di

dunia sekitar 985 gigaton (Gt) yang mana sekitar 699 Gt berupa batubara berjenis hard coal

dan sekitar 286 Gt berupa batubara berjenis lignite. Sumber daya global batubara jauh lebih

banyak daripada cadangannya;total ada 17.713 Gt (hard coal) dan 4.419 Gt (lignite). Produksi

batubara global total yaitu 8,2 Gt pada tahun 2014, yang mana sebagian besar berupa hard

coal (7,2 Gt). Dari aspek geologis, cadangan dan sumber daya hard coal dan lignite yang

tersebar di berbagai negara akan dapat memenuhi permintaan global dalam banyak dekade ke

depan. Data dari BP 2015, faktanya batubara adalah sumber bahan bakar fosil yang sampai

sekarang masih merupakan sumber daya global terbesar;konten energi dari semua cadangan

pada tahun 2014 total bernilai 37.934 Giga Joule, dan karena itu telah sedikit tumbuh sekitar

0,8% /tahun. Indonesia tercatat memiliki cadangan batubara sebesar 2.8017 juta ton(BP-

Statistical Review of World Energy 2016).

Batubara secara umum dibedakan berdasarkan jenis dan kedalamannya dari lapisan

tanah. Berdasarkan kedalamannya, jenis-jenis batubara adalah antrasit, bituminous, sub-

bituminous, dan lignite. Jumlah cadangan batubara antrasit dan bituminous yang menipis

mulai mendesak instansi penelitian dan perusahaan untuk menggunakan batubara jenis sub-

bituminous. Selama ini, kekayaan batubara Indonesia diekspor ke luar negeri, seperti

Tiongkok, India, Jepang, dan Korea. Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral pada

tahun 2012, mengeluarkan Peraturan Pemerintah No. 7 Tahun 2012 yang melarang ekspor

bahan tambang mentah ke luar negeri. Penerbitan peraturan ini dilakukan upaya diversifikasi

pemanfaatan energi di dalam negeri. Juga, pada tahun 2014, pemerintah Indonesia

mengeluarkan Peraturan Pemerintah No. 30 Tahun 2014 yang mengatur tentang pematokan

harga batubara jenis tertentu untuk keperluan tertentu, penetapan surveyor untuk analisis


kualitas dan kuantitas batubara tertentu, serta evaluasi permohonan rekomendasi persetujuan

ekspor produk pertambangan hasil pengolahan mineral logam. Penerbitan peraturan ini

dilakukan sebagai upaya kemandirian pemerintah dalam mengelola jenis batubara tertentu

dan batubara untuk keperluan tertentu dalam memverivikasi analisis kualitas dan kuantitas

batubara yang apabila ingin diekspor tidak dalam bentuk mentah, namun sudah diolah terlebih

dahulu, guna meningkatkan nilai jual dari produksi batubara (ESDM, 2014).

Produksi batubara berdasarkan data yang ada menyatakan bahwa pada 2015,

Indonesia merupakan negara dengan produksi batubara terbesar ke-4 (241,1 juta ton standard

barel minyak) di kawasan Asia Pasifik setelah Tiongkok(1827 juta ton standar barel minyak),

Amerika Serikat(455,2 juta ton standar barel minyak), India(283,9 juta ton standar barel

minyak), Australia(275 juta ton standar barel minyak) dan Indonesia posisi ke-5 dari seluruh

negara, yang mana disusul oleh Rusia (184,5 juta ton standard barel minyak), Afrika

Selatan(142,9 juta ton standard barel minyak), dan negara-negara lainnya(BP, 2015).

Indonesia memiliki potensi produksi batubara yang besar, namun sampai saat ini

belum bisa dimanfaatkan secara maksimal di dalam negeri. Selama ini, sebagian besar hasil

produksi batubara langsung diekspor ke luar negeri. Berdasarkan data dari worldcoal.org,

pada tahun 2013 Indonesia merupakan pengekspor batubara terbesar di dunia, di atas

Australia, Rusia, USA, Kolombia, Afrika Selatan, dan Kanada. Sedangkan, pada tahun

2013,Tiongkok merupakan pengimpor batubara terbesar di dunia, di atas Jepang, India, Korea

Selatan, Taiwan, Jerman, dan UK.

Pemanfaatan batubara di Indonesia, khususnya batubara sub-bituminous, melihat fakta

bahwa batubara jenis lignite dan sub-bituminous adalah jenis batubara terbanyak di Indonesia

(2807 juta ton) menurut data dari Tabel Total Proved Reserves of Coal (BP, 2016) pada

penghujung tahun 2015; melihat bahwa tidak ada lagi cadangan batubara jenis antrasit dan

bituminous, lebih banyak dilakukan melalui metode pembakaran langsung untuk pembangkit

listrik ataupun sumber energi industri. Berdasarkan tuntutan pengembangan teknologi ramah

lingkungan, penerapan teknologi gasifikasi lebih sesuai digunakan untuk pemanfaatan

batubara Indonesia karena teknologi ini lebih ramah lingkungan. Pembakaran langsung

batubara menimbulkan emisi pembakaran yang sulit dipisahkan, seperti CO2 dan SO2.

Kandungan dan tekanan CO2 yang dihasilkan dalam proses gasifikasi lebih tinggi sehingga

memungkinkan dilakukan proses pemisahan CO2 untuk direinjeksi ke dalam tanah kembali,

selain itu, dalam metode gasifikasi, kandungan sulfur dalam batubara diubah menjadi

hidrogen sulfida (H2S) dalam proses pirolisis yang memungkinkan untuk diekstrak menjadi

cairan atau padatan yang bernilai komersial (Department Of Energy, 2011). Hal inilah yang


menyebabkan teknologi gasifikasi lebih ramah lingkungan dibandingkan metode pembakaran

langsung.

Batubara sub-bituminous memiliki kandungan abu rata-rata sebesar 6 % dalam

keadaan kering. Nilai kadar abu dalam batubara menyebabkan rendahnya nilai kalor dari

jenis batubara tersebut. Pada saat proses pembakaran semua zat organik akan teroksidasi

menjadi zat-zat seperti CO2 dan H2O yang akan menghasilkan kalor, sedangkan

mineral-mineral tidak akan teroksidasi dan hanya akan mengendap. Kandungan abu yang

terkandung di dalam batubara, selain mengakibatkan nilai kalor & nilai jual yang rendah, juga

dapat mengakibatkan banyaknya emisi pembakaran (fly ash) yang dapat mencemari

lingkungan & mengganggu kesehatan manusia(Samaras et al., 1996). Untuk mengurangi

kandungan abu batubara, dapat digunakan metode pencucian batubara sebelum pembakaran,

yaitu metode acid-washing, dengan menggunakan asam.

Di lain pihak, kandungan abu dalam batubara bisa berfungsi sebagai katalis pada

reaksi-reaksi yang terjadi dalam proses gasifikasi karena ash tersusun dari senyawa-senyawa

mineral(Hattingh et al., 2011). Agar bisa berfungsi sebagai katalis, kandungan abu dalam

batubara setidaknya> 5% (Okuyama et al., 2014). Gasifikasi batubara dalam penelitian ini

hanya menggunakan umpan char(arang) dan uap air. Tujuannya agar meningkatkan rasio mol

H2/CO dari gas sintesis yang diproduksi(Jangsawang et al., 2006).

Pengurangan kandungan abu memiliki pengaruh yang cukup signifikan terhadap gas

sintesis dari proses gasifikasi. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Kong et al. (Kong

et al., 2014), gasifikasi batubara dengan kandungan abu yang tinggi mampu meningkatkan

rasio mol H2/CO 2 – 3 kali lebih besar daripada kandungan abu yang rendah. Penelitian lain

yang dilakukan oleh Namkung et al. (2014), konversi karbon dari gasifikasi batubara yang

kandungan abu yang tidak dihilangkan bisa mencapai 80% dengan waktu reaksi 60 menit.

Konversi karbon yang besar menunjukkan yield gas sintesis yang lebih besar. Untuk

membantu proses gasifikasi yang menghasilkan gas H2 dan CO2 tinggi, maka diperlukan

kandungan abu yang tinggi. Sementara kandungan abu yang rendah, meningkatkan produksi

gas CO dan CH4 (Jiang et al., 2015).

Pada penelitian ini, batubara yang digunakan adalah batubara jenis sub-bituminous.

Batubara jenis ini digunakan karena kandungan abu rata-rata sebesar 5,28%, memenuhi syarat

agar kandungan abu bisa berfungsi sebagai katalis(> 5%). Selain kandungan abu yang

memenuhi syarat, batubara sub-bituminous digunakan pada penelitian ini karena cadangan

batubara anthrasite dan bituminous sudah menipis(BP, 2016). Kedua jenis batubara tersebut


merupakan batubara lapisan terluar sehingga perlu menggunakan batubara dari lapisan yang

lebih dalam.

Pada penelitian sebelumnya oleh Dijan(Dijan et al., 2014), gasifikasi batubara lignite

menghasilkan rasio gas H2/CO 1,682 setelah ditambahkan katalis K2CO3. Sedangkan tanpa

menambahkan katalis K2CO3, rasio gas H2/CO menjadi lebih tinggi walaupun masih ≤ 2.Pada

penelitian ini, tidak digunakan senyawa lain sebagai katalis. Ash dalam batubara dianggap

sebagai katalis. Korelasi antara kandungan abu (tanpa abu dan dengan abu) dengan yield gas

dan rasio H2/CO akan ditinjau pada penelitian ini.

Rasio antara steam terhadap karbon dan waktu tinggal steam dalam unggun arang

batubara pada proses gasifikasi mempengaruhi rasio dan yield gas sintesis secara signifikan.

Maka, rasio steam terhadap karbon dan waktu tinggal steam ditetapkan menjadi kondisi

operasi. Penelitian yang dilakukan oleh Lv et al. (Lv et al., 2004), rasio steam terhadap

karbon lebih besar dari 2,7 tidak menunjukkan perubahan komposisi dan yield gas sintesis.

Penelitian yang dilakukan Pan et al.(Pan et al. , 2000) untuk gasifikasi arang campuran

batubara dan biomassa, menunjukkan bahwa waktu tinggal steam selama 3,5 detik di dalam

unggun char merupakan waktu yang cukup untuk steam bereaksi dengan arang. Pada

penelitian ini, kondisi operasi yang digunakan adalah rasio steam terhadap karbon sebesar 2,7

dan waktu tinggal steam selama 3,5 detik.

Banyaknya kandungan abu dalam batubara divariasikan (sebelum P tanpa abu dan setelah P

dengan abu) untuk melihat seberapa besar pengaruhnya sebagai katalis alami terhadap proses

gasifikasi. Suhu reaksi yang digunakan tidak lebih dari 800°C untuk menghindari

pembentukan gas CO yang berlebih sehingga rasio mol H2/CO bisa mendekati 2. Dengan

demikian, penelitian tentang pengaruh kandungan abu terhadap rasio mol H2/CO dan yield

dari gas sintesis hasil gasifikasi batubara harus dilakukan.

Tinjauan Teoritis Diperkirakan 30% cadangan batubara yang ada di dunia adalah batubara sub-bituminous

(World Coal Association, 2016); Walaupun cadangan sub-bituminous cukup besar, cadangan

ini belum sepenuhnya dieksploitasi karena heating value yang lebih kecil daripada

bituminous(Závodská, 2007). Batubara sub-bituminous memiliki tingkat reaktivitas yang

tinggi karena kandungan senyawa volatil dalam batubara jenis ini tergolong tinggi(Li, 2010).

Kandungan senyawa volatil yang tinggi ini menyebabkan batubara sub-bituminous akan

membentuk pori arang yang lebih besar dan lebih banyak(World Coal Institue, 2005). Luas

pori arang yang besar akan mengakibatkan pada luas permukaan reaksi gasifikasi yang


terbentuk semakin besar sehingga proses perengkahan ikatan karbon rantai panjang dari arang

menjadi karbon rantai pendek menjadi lebih mudah(Roberts et al., 2003). Kemudahan dalam

memutuskan rantai panjang karbon menyebabkan proses gasifikasi lebih mudah

menghasilkan gas sintesis(Závodská, 2006). Hal ini menjadi alasan pemanfaatan batubara

sub-bituminous dalam reaksi gasifikasi menghasilkan gas sintesis.

Metode gasifikasi kukus membutuhkan sumber panas eksternal apabila kukus digunakan

sebagai satu-satunya media gasifikasi. Kukus digunakan sebagai media gasifikasi dan

diperlukan sumber panas eksternal (misalnya pemanas elektrik) untuk memberikan suplai

panas bagi reaksi gasifikasi(Mohamad et al., 2011). Gas yang dihasilkan dari metode

gasifikasi kukus merupakan gas berenergi tinggi (15-20 MJ/Nm3) (Sadaka, 2009).

Dibandingkan metode gasifikasi oksigen, metode gasifikasi kukus masih lebih murah karena

biaya produksi oksigen diperkirakan 20% lebih mahal daripada biaya produksi listrik (Rocca,

2001).

Dalam proses gasifikasi, terjadi reaksi yang dapat digolongkan menjadi dua kelompok

besar yaitu reaksi heterogen dan reaksi homogen(Sadaka, 2009). Pada reaksi heterogen, arang

dalam fase padat bereaksi dengan gas membentuk gas sintesis. Reaksi heterogen pada proses

gasifikasi adalah:

a) Reaksi Boudouard

Reaksi Boudouard merupakan reaksi antara arang dengan gas karbon dioksida

membentuk gas karbon monoksida. Reaksi ini merupakan reaksi

endothermis(Williams et al., 2000). Reaksi tersebut ditulis pada persamaan

sebagai berikut:

C + CO2⇌ 2 CO ΔH : +173,0 kJ/mol [1]

b) Reaksi Water-Gas

Reaksi Water-Gas merupakan reaksi antara arang dengan uap air membentuk gas

karbon monoksida dan gas hidrogen. Reaksi Water-Gas merupakan reaksi

endothermis(Higman, 2006). Persamaan reaksi ditulis sebagai berikut:

C + H2O (g) ⇌CO + H2 ΔH : +131,4 kJ/mol [2]

c) Reaksi Methanation

Reaksi Methanation merupakan reaksi antara arang dengan gas hidrogen

membentuk gas metana. Reaksi ini merupakan reaksi eksotermis(Higman, 2006).

Persamaan reaksi ditulis sebagai berikut:

C + 2 H2⇌ CH4 ΔH :- 71,0 kJ/mol [3]


Reaksi homogen pada proses gasifikasi adalah reaksi yang reaktannya berada pada kondisi

fase yang sama. Reaksi homogen yang terjadi adalah:

a) Reaksi CO Shift atau Water-Gas Shift

Reaksi CO Shift merupakan reaksi antara gas karbon dioksida dengan uap air.

Reaksi ini merupakan reaksi eksothermis. Persamaan reaksi ditulis sebagai

berikut(Sadaka, 2009):

CO + H2O ⇌ CO2 +H2 ΔH : - 41 kJ/mol [4]

b) Reaksi Steam Methane Reforming

Reaksi ini merupakan reaksi pembentukan gas karbon dioksida dan gas hidrogen

dari reaksi antara gas metana dengan uap air. Reaksi ini membutuhkan panas

sehingga tergolong reaksi endothermis. Persamaan reaksi ditulis sebagai

berikut(Sadaka, 2009):

CH4 + H2O ⇌CO + 3 H2 ΔH : +206 kJ/mol [5]

Proses gasifikasi yang umum digunakan adalah gasifikasi udara, gasifikasi oksigen, dan

gasifikasi kukus.

Pada Gambar 1 berikut dapat dilihat block flow diagram yang disederhanakan dari penelitian

Gambar 1. BFD Produksi Penelitian Gasifikasi Kukus

Metode Penelitian

Urutan proses kerja yang dilakukan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 2

di bawah ini.


Gambar 2. Diagram Alir Penelitian

Persiapan Alat dan Bahan

Alat-alat utama tahapan pretreatment yaitu neraca digital, cawan kosong dengan penumbuk,

labu Erlenmeyer, gelas ukur, saringan 170 mesh, magnetic stirrer. Bahan utama yang

digunakan yaitu batubara sub-bituminous, aquades, asam HCl teknis (32%). Sedangkan untuk

proses berikutnya menggunakan alat desikator, muffle furnace, reaktor pirolisis, dan

rangkaian peralatan reactor gasifikasi(furnace, termokopel, steam generator, liquid water and

solid trap).

Analisis Batubara: Proksimat dan Ultimat

Analisis proksimat merupakan metode analisis batubara yang mengindikasikan persentase

dari berat fixed carbon(karbon terikat), volatile matter, kandungan abu (kadar abu) dan

moisture content (kadar kelembaban) di dalam batubara. Banyaknya fixed carbon dan volatile

matter berkontribusi secara langsung pada heating value (nilai pemanasan) dari batubara(Tan

et al., 2015). Fixed carbon memiliki fungsi sebagai generator panas selama pembakaran.

Volatile matter yang tinggi mengindikasikan kemudahan dalam pembakaran. Kandungan abu

berpengaruh terhadap perancangan bentuk furnace, volume pembakaran, peralatan pengendali

polusi, dan sistem pengendalian abu dari furnace(Parikh et al., 2005).

Analisis ultimat adalah metode analisis batubara yang mengindikasikan unsur-unsur

kimia konstituen seperti karbon, hidrogen, oksigen, sulfur, dan sebagainya (Tan et al., 2015).

Analisis ini berguna untuk mengetahui kuantitas udara yang dibutuhkan untuk pembakaran


dan volume serta komposisi dari gas hasil pembakaran. Volume dan komposisi gas

merupakan data yang diperlukan untuk mengetahui suhu nyala api dari pembakaran batubara.

Penumbukan Batubara dan Pengayakan

Batubara ditumbuk dengan mortar, kemudian diayak menggunakan dua saringan dengan

ukuran 170 mesh (0,25 mm). Batubara 100 gr ditimbang dengan neraca digital lalu

dimasukkan ke dalam wadah sampel.

Acid-Washing Batubara

Pencucian batubara sub-bituminous dilakukan dengan cara melarutkan batubara ke dalam

pelarut HCl encer 0,05 M dalam kondisi pengadukan (menggunakan magnetic stirrer) tanpa

penambahan suhu. Tahapan ini bertujuan untuk menghilangkan kadar abu yang berpengaruh

terhadap hasil dari gas sintesis yang akan dianalisis.

Pirolisis

Pirolisis dilakukan untuk mengasilkan char sebagai feed pada reaksi gasifikasi yang berupa

char(arang). Kualitas arang yang dihasilkan akan mempengaruhi feed dari gasifikasi. Pirolisis

dilakukan dengan laju reaksi 4,5/menit pada suhu 850°C.

Analisis BET

Analisis BET bertujuan untuk menghitung luas permukaan arang batubara. Arang batubara

tanpa abu memiliki perbedaan luas permukaan yang berbeda terhadap arang batubara dengan

abu karena kandungan abu meninggalkan partikel batubara sehingga membentuk ruang

kosong/pori-pori pada partikel batubara. Variasi kandungan abu dilakukan sebelum tahap

pirolisis. Batubara yang telah dipirolisis, akan memiliki luas permukaan yang lebih besar

daripada yang tidak dipirolisis. Volatile matter terurai saat proses pirolisis dan meninggalkan

permukaan batubara sehingga menambah jumlah pori-pori batubara. Analisis BET

menggunakan gas N2 sebagai gas yang akan mengalami adsorbsi fisik oleh arang batubara

sehingga luas permukaan arang dapat dihitung.

Gasifikasi

Gasifikasi kukus yang digunakan dalam penelitian ini memvariasikan kondisi feed char ada

abu(5,28%) dan tidak ada abu(0,8%). Serta variable penelitian ini adalah suhu operasi 650°C,

700°C, 750°C dan 800°C. Sehingga dilakukan run sebanyak 8 kali. Rasio kukus/karbon 2,7

dan waktu tinggal kukus di dalam unngun arang batubara 3,5 sekon.


Analisis Gas Chromatography

Sampel produk gas sintesis dianalisis untuk mengetahui konsentrasi komponen penyusun di

dalamnya (H2, CO, CO2, dan CH4). Analisis komposisi dilakukan dengan kromatografi gas

(GC). Berikut adalah tahapan pengambilan sampel dan analisis :

(1) Sampel gas sintesis diambil dengan menggunakan gas-tight syringe khusus

dari sampling port.

(2) Sampel gas tersebut kemudian diinjeksikan ke dalam injection port GC.

(3) Hasil analisis sampel dibaca melalui peak-peak yang muncul pada digital

electronic integrator.

Kromatografi gas yang digunakan pada penelitian ini merupakan jenis TCD (Thermal

Conductivity Detector). Detektor TCD dapat menganalisis komponen H2, N2, CO2, CO, dan

CH4.

Pengolahan Data

Data keluaran kromatografi gas diolah terlebih dahulu untuk dapat mengetahui rasio H2/CO,

yield gas sintesis, dan persentase konversi karbon yang menjadi parameter keluaran penelitian

ini. Perhitungan rasio H2/CO, yield gas, dan prosentase konversi karbon tercantum dalam

Tabel 1.

Tabel 1. Rumus Perhitungan Analisis Produk

Objek Analisis Rumus Perhitungan Massa karbon total yang terkonversi !! =

!"#$ !"# !"#×(!!" + !!"! + !!"!)22,4!!!

× 12 !"!!!

!!!"

Mol H2 !"#!! =!"#$ !"# !"# ×(!!!)

22,4!!!!"

!!!

!!!"

Mol CO !"#!" =!"#$ !"# !"# ×(!!")

22,4!!!!"

!!!

!!!"

Mol CH4 !"#!"! =!"#$ !"# !"# ×(!!"!)

22,4!!!!"

!!!

!!!"

Mol CO2 !"#!"! =!"#$ !"# !"# ×(!!"!)

22,4!!!!"

!!!

!!!"

Rasio H2/CO !!!"

=!!(!"#)!" (!"#)

Data kromatografi gas yang keluar pada pembacaan data adalah peak area dari masing-

masing komponen di dalam gas sintesis. Besarnya peak area tersebut akan dibagi dengan


persamaan gradien kurva kalibrasi masing-masing komponen. Perhitungan menggunakan

integral luas dari grafik yang terbentuk pada perolehan jumlah mol gas terhadap waktu.

Asumsi yang digunakan adalah gas sintesis yang dihasilkan sepanjang waktu ditampung pada

suatu wadah. Setelah proses gasifikasi selesai, dihitung jumlah gas H2, CO, CH4, dan CO2

rata-rata yang tersimpan. Gas yang dianalisis oleh gas chromatography, akan menghasilkan

data berupa besarnya peak area untuk masing-masing komponen yang terdapat dalam gas

hasil gasifikasi dan gas inert yang menjadi gas pendorong (H2, N2, CO, CH4, CO2). Besar

peak area yang dikeluarkan dari data gas chromatography akan dibagi dengan nilai

kemiringan kurva kalibrasi dari komponen-komponen gas hasil gasifikasi. Rumus perhitungan

konsentrasi (%-volume) komponen gas hasil gasifikasi adalah:

%− !!! =!"#$ !"#! !!

!"#$" !"#$%$&'(& !"#$% !"#$%&"'! !"# !!

%− !!! =!"#$ !"#! !!

!"#$" !"#$%$&'(& !"#$% !"#$%&"'$ !"# !!

%− !!" =!"#$ !"#! !"

!"#$" !"#$%$&'(& !"#$% !"#$%&"'$ !"# !"

%− !!!! =!"#$ !"#! !"!

!"#$" !"#$%$&'(& !"#$% !"#$%&"'$ !"# !"!

%− !!"! =!"#$ !"#! !"!

!"#$" !"#$%$&'(& !"#$% !"#$%&"'$ !"# !!!

Data yang keluar dari analisis GC dapat diolah untuk mencari mol dari masing-masing

komponen gas hasil gasifikasi dengan menggunakan Persamaan (6.) sampai dengan (9).

!"#!! =!"#$ !"# !"# ×(!!!)

!!,!!!!!"!!!

!!!" (6)

!"#!" =!"#$ !"# !"# ×(!!")

!!,!!!!!"!!!

!!!" (7)

!"#!"! =!"#$ !"# !"# ×(!!"!)

!!,!!!!!"!!!

!!!" (8)

!"#!"! =!"#$ !"# !"# ×(!!"!)

!!,!!!!!"!!!

!!!" (9)

Nilai integral dari persamaan dapat dihitung dengan metode luas permukaan grafik, sehingga

hasil perkalian dari persamaan di dalam kurung, dikalikan dengan waktu sehingga diperoleh

persamaan sebagai berikut: !"#$ !"# !"# ×(!!!)

!!,!!!!! ! (10)


Gambar 3. Pengaruh Suhu Reaksi pada Variasi Ada abu(5,28%) dan Tidak ada Abu(0,8%) terhadap (a) Yield Gas Sintetik, (b) Rasio Mol H2/CO

Hasil perkalian pada Persamaan (10) akan dijumlahkan untuk seluruh waktu pengambilan

sampel sehingga diperoleh mol komponen gas secara total selama reaksi berlangsung.

Hasil Penelitian Setelah didapatkan hasil dari penelitian, kemudian akan dibandingkan pengaruh variasi abu

terhadap yield dan rasio mol H2/CO gas sintesis pada setiap suhu reaksi. Pada Gambar 3

menjelaskan perbandingan pengaruh suhu reaksi terhadap yield gas sintetik dengan variasi

ada dan tidak adanya abu, serta pengaruh suh reaksi terhadap rasio mol H2/CO dengan ada

atau tidaknya abu.

Pembahasan Berdasarkan Gambat 6 (a,dan b), telah terbukti bahwa kenaikan suhu reaksi berpengaruh

terhadap yield dan rasio mol H2/CO gas sintetik; bahwa yield gas optimum berada pada suhu

750°C yang mana sesuai dengan teori bahwa kenaikan pada suhu rentangan 700-750°C tidak

terjadi kenaikan laju reaksi yang besar sehingga kenaikan yield tidak terlalu

signifikan(Killmeyer, 2003). Sedangkan rasio mol H2/CO maksimum adalah pada suhu

650°C, kemudian ada penurunan pada suhu 700°C lalu naik pada suhu°C dan turun lagi.

Perbandingan hasil perhitungan yield dan rasio mol H2/CO gas sintesis pada kondisi ada abu

dan tidak ada abu pada berbagai suhu dapat dilihat pada tabel 2.


Tabel 2. Persen pengurangan kesalahan setiap pengendali

No Suhu Reaksi

Parameter

Dengan Abu (5,28%) Tanpa Abu(0,8%)

Yield(mol/molC) Rasio Mol

H2/CO

Konversi Karbon(%) Yield(mol/molC)

Rasio Mol

H2/CO

Konversi Karbon(%)

1 650°C 0,09584 1,9356 7,52575 0,11726 0,766645 7,942738

2 700°C 0,20736 1,7781 9,66259 0,20427 0,600277 14,38278

3 750°C 0,23514 1,8678 11,4973 0,26317 0,68981 17,38629

4 800°C 0,21903 1,7461 10,9645 0,11237 0,76578 7,8326882 Evaluasi

Dalam melakukan optimasi dalam menghasilkan gas sintesis yang diinginkan, dapat

dilakukan menggunakan peralatan standard industry, walau begitu pada penelitian ini hal-hal

yang perlu fiperhatikan adalah ketelitian dan perangkaian peralatan utama gasifikasi. Hasil

yang diadaptkan dan penelitian ini sangat berhuungan dengan tahap pengoperasian peraltan

gasifikasi dari tahapan kalibrasi alat, seperti laju alir kukus, laju alir nitrogen, bubble column

sebagai patokan laju alir gas inert (nitrogen), pemasangan peraltan gaifikasi, serta tahapan

running, yang mana alat-alat yang sudah terpasang diperlukan dilakukan pemeriksaan

kembali. Diasumsikan pada suhu tinggi terjadi kendala vapour pressure yang tinggi sehingga

penutup katup karet dan pemasangan termokopel tidak rapat sehingga terjadi kontak udara

dengan partikel arang unggun batubara, sehingga hasil yang didapatkan seperti penelitian

diatas dimana pada suhu 800°C merupakan suhu paling tinggi dan dalam pengendaliannya

terdapat kesulitan. Namun, gangguan ini diatasi dengan cara penutupan katup karet dan

merapatkannya dengan menggunakan aluminium foil dan pengaplikasian gease untuk

mencegah katup terbuka karena tekanan uap dari kukus maupun suhu furnace yang tinggi.

Seperti yang telah diuraikan sebelumnya, faktor pertama yang mempengaruhi hasil yang

diinginkan apabila merujuk kepada teori dan penelitian-penelitian sebelumnya adalah tahapan

pretreatment dan penggunaan pelarut untuk mencuci batubara. Hal ini akan berdampak pada

kinerja proses-proses berikutnya. Untuk memastikan agar kandungan abu dapat dihilangkan

secara keseluruhan, diperlukan ketelitian dan kecermatan dalam pengerjaan acid-washing

serta ketepatan dalam mengkuantifikasi hasil yang diinginkan, berdasarkan rujukan. Sehingga

metode acid-washing dapat diterapkan dengan baik untuk proses berikutnya.

Faktor selanjutnya adalah terjadi fluktuasi kenaikan dan penurunan pada indikasi Temperature

control pada furnace gasifikasi. Hal ini terjadi karena katup karet penutup atas reactor kuarsa

gasifikasi terbuka sedikit karena tekanan uap dan suhu operasi yang tinggi, sehingga untuk


pergeseran rentang operasi sedikit saja dari rentang yang seharusnya, akan memberikan

dampak yang sangat signifikan terhadap kinerja sistem pengendalian, hasilnya terjadi

penurunan pada rasio mol daan yield dari gas sintetik, walau bukan hanya menjadi factor

utama. Untuk menanggulangi ini, salah satu caranya adalah dengan menggunakan penutup

yang lebih rapat, atau rancangan reactor yang lebih sophisticated agar dapat menahan tekanan

uap sehingga penutup tidak terbuka dan tidak terjadinya kontak dengan udara, yang mana

prinsip gasifikasi adalah tidak boleh ada kontak dengan udara. Dalam penelitian ini

menggunakan kukus sebagai medium gasifikasi. Penggunaan kukus ini(steam gasification)

akan bereaksi dengan dengan karbon monoksida (CO) menghasilkan hidrogen (H2) dan

karbondioksida (CO2) melalui reaksi water gas shift. Hal ini menyebabkan komposisi H2

dalam produk gas sintesis yang dihasilkan dengan metode gasifikasi kukus akan lebih tinggi

(>50%-volume).

Kesimpulan Berdasarkan hasil dan pembahasan dari penelitian ini, dapat kita ambil beberapa kesimpulan

sebagai berikut.

1. Kandungan abu dalam batubara memiliki pengaruh sebagai katalis alami terhadap

reaksi Water-Gas Shift yang mana akan meningkatkan pengaruh kesetimbangan

karena kandungan abu pada batubara akan meningkatkan yield H2 dan reaksi water

gas shift akan lebih baik, apabila disesuaikan dengan perbandingan mol H2O dan

reaksi Boudouard yang kurang dominan dibandingkan reaksi water gas shift pada suhu

operasi 700-750°C dari proses gasifikasi. Namun apabila suhu operasi diatas 750°C

maka reaksi Boudard akan semakin dominan daripada water gas shift, yang mana

menghasilkan CO lebih banyak(lebih buruk) sehingga rasio mol H2/CO bisa menurun.

2. Hasil terbaik diperoleh dari gasifikasi batubara yang tidak mengalami pencucian (non-

deashed-kandungan abu 5,28%) pada suhu reaksi gasifikasi 800°C menghasilkan

yield gas 0,96 mmol/mol C dan rasio mol akumulatifnya H2/CO sebesar 1,868;

sedangkan pada suhu 650°C menghasilkan yield gas 2,35 mmol/mol C(merupakan

rasio maksimum untuk kondisi abu tidak dihilangkan) dan rasio mol akumulatif

H2/CO sebesar 1,935(yang mana merupakan rasio maksimum pada kondisi kandungan

abu tidak dihilangkan).

3. Gasifikasi batubara yang mengalami pencucian (de-ashed-kandungan abu 0,8%)

menghasilkan yield gas tertinggi sebesar 2,632 mmol/mol C pada suhu 750°C dan


rasio mol akumulatif H2/CO sebesar 0,76; sedangkan rasio mol akumulatif tertinggi

adalah 0,77 pada suhu 650°C dengan nilai yield gas 0,117 mmol/mol C.

4. Waktu tinggal steam dalam unggun arang selama 3,5 detik belum cukup untuk

membantu reaksi Water-Gas Shift mencapai kesetimbangan dikarenakan masih

sebentar oleh karena itu diharapkan waktu tinggal >3,5 akan lebih meningkatkan rasio

mol H2/CO pada gasifikasi batubara dengan kandungan abu 5,28%.

Saran Untuk menghasilkan penelitian yang lebih baik, berikut beberapa saran yang sebaiknya

dilakukan oleh peneliti selanjutnya.

1. Penggunaan pelarut asam yang lebih hati-hati dan teliti pada tahapan pre-treatment

batubara sehingga dapat menghilangkan seluruh kandungan abu dalam batubara.

2. Peningkatan konsentrasi H2O(kukus) untuk menaikkan kinetika reaksi.

3. Penambahan waktu tinggal steam (residence time) dalam unggun batubara > 3,5 detik

agar reaksi Water-Gas Shift mampu mencapai kesetimbangan.

Daftar Referensi British Petroleum. (2015&2016). BP Statistical Review of World Energy.

British Petroleum. (2016). BP Energy Oulook 2016 edition; Outlook to 2035.

DOE. (2011). Fossil Energy: DOE’s Coal Gasification Technology R&D. Department of

Energy.

ESDM. (2012). Peningkatan Nilai Tambah Mineral Melalui Pengolahan dan Pemurnian Mineral. Peraturan Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia Nomor 7 Tahun 2012 BAB VII Pasal 20. Jakarta, Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral. Pp. 11.

ESDM. (2014). Tata Cara Penetapan Harga Patokan Batubara Jenis Tertentu Dan Batubara Utuk Keperluan Tertentu. Peraturan Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia Nomor 480K/30 Tahun 2014 Pasal 6. Jakarta, Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral. Pp. 11.

Hattingh, Burgert B., Everson, Raymond C., Neomagus, Hein W.J.P., and Bunt, John R.

(2011). Assesing The Catalytic Effect of Coal Ash Constituents on The CO2

Gasification Rate of High Ash, South African Coal. Fuel Processing Technology, 92,

Pp. 2048-2054.

Higman, C., van der Burgt, M. (2003). Gasification. Oxford: Gulf Professional Publishing.


Jangsawang, W., Klimanek, A. and Gupta, A.K. (2006). Enhanced Yield from Wastes using

High Temperatue Steam Gasification. ASME J. Energy Resources Technology, 128,

Pp. 179-185.

Jiang, L., Hu, S., Wang, Y., Su, S., Sun, L., Xu, B., He, L., dan Xiang, J. (2010). Steam

Gasification of Low Rank Coal Chars in a Thermobalance Reactor and a Fluidized

Bed Reactor. The 13th International Conference on Fluidization – New Paradigm in

Fluidization Engineering.

Li, J. (2010). Options for Introducing CO2 Capture and Capture Readiness for Coal-fired

Power Plants in China. Thesis. Imperial College London, UK. Pp. 143-149.

Lv, P.M., Xiong, Z.H., Chang, J., Wu, C.Z., Chen, Y., Zhu, J.X. (2004). An Experimental

Study on Biomass Air-Steam Gasification in Fluidized Bed. Bioresource Technology,

95. Pp. 95-101.

Mohamad, M.F., Ramli, A., Misi, S.E.E., dan Yusup, S. (2011). Steam Gasification of Palm

Kernel Shell (PKS) : Effect of Fe/BEA and Ni/BEA Catalysts and Steam to Biomass

Ratio on Composition of Gaseous Products. World Academy of Science, Engineering

and Technology, 60, Pp. 232-237.

Okuyama, N., Komatsu, N., Shigehisa, T., Kaneko, T., dan Tsuruya, S. (2014). Hyper-Coal

Process to Produce The Ash-Free Coal. Fuel Processing Technology, 85, Pp. 947-967.

Pan, Y.G., Velo, E., Roca, X., Manya, J.J., Puigjaner, L. (2000). Fluidized-Bed Cogasification

of Residual Biomass/Poor Coal Blends for Fuel Gas Production. Fuel, 79, Pp. 1317-

1326.

Parikh, J., Channiwala, S.A., Ghosal, G.K. (2005). A correlation for calculating HHV from

Proximate Analysis of Solid Fuels. Fuel, 84, Pp. 487-494.

Rocca, C.D. (2001). I processi e le tecnologie di gassificazione delle biomasse e dei rifiuti

solidi. Thesis. Chemical Engineering Universita degli Studi, Salerno. Pp. 88.

Roberts, D. G., Harris, D. J., dan Wall, T. F., (2003). On the effects of high pressure and

heating rate during coal pyrolysis on char gasification reactivity.Energy & Fuels,17(4).

Pp. 887-895.

Sadaka, S. (2009). Gasification, Producer Gas and Syngas Agriculture and Natural

Resources. Department of Agricultural and Country Government Cooperating. Pp. 3-7.

Tan, P., Zhang, C., Xia, Ji, Fang, Q.Y., Chen, G. (2015). Estimation of Higher Heating Value

of Coal Based on Proximate Analysis using Support Vector Regression. Fuel

Processing Technology, 138, Pp. 298-304.


Pengaruh Variasi Kandungan Abu Batubara Sub-Bituminous dan ...

Documents

Transcript of Pengaruh Variasi Kandungan Abu Batubara Sub-Bituminous dan ...