Teknologi Gasifikasi Biomassa Alternatif Solusi Bahan Bakar Oven Tembakau (Konsep dasar)

1. Pendahuluan

Gasifikasi merupakan proses yang menggunakan panas untuk merubah biomassa padat atau padatan berkarbon lainnya menjadi gas sintetik “seperti gas alam“ yang mudah terbakar. Melalui proses gasifikasi, kita bisa merubah hampir semua bahan organik padat menjadi gas bakar yang bersih, netral. Gas yang dihasilkan dapat digunakan untuk pembangkin listrik maupun sebagai pemanas.

Gasifikasi biomassa sangat populer pada periode perang dunia ke dua. Lebih dari satu juta mobil di masa itu menggunakan kayu atau batubara sebagai bahan bakarnya. Gas yang dihasilkan pada gasifikasi disebut gas produser yang kandungannya didominasi oleh gas CO, H2, dan CH4. Bahan bakar yang umum digunakan pada gasifikasi adalah bahan bakar padat, salah satunya adalah batubara. Jika ditinjau dari produk yang dihasilkan, pengolahan batubara dengan gasifikasi lebih menguntungkan dibandingkan pengolahan dengan pembakaran langsung. Dengan teknik gasifikasi, produk pengolahan batubara lebih bersifat fleksibel karena dapat diarahkan menjadi bahan bakar gas atau bahan baku industri yang tentunya memiliki nilai jual yang lebih tinggi. Untuk melangsungkan gasifikasi diperlukan suatu reaktor. Reaktor tersebut berfungsi sebagai tungku tempat berlangsungnya proses gasifikasi dan dikenal dengan nama gasifier. Ketika gasifikasi dilangsungkan, terjadi kontak antara bahan bakar dengan medium penggasifikasi di dalam gasifier. Kontak antara bahan bakar dengan medium tersebut menentukan jenis gasifier yang digunakan.

2. Proses Pembentukan Gas Sintetik

Secara sederhana, gasifikasi bisa dijelaskan sebagai proses pembakaran bertahap. Hal ini dilakukan dengan membakar padatan seperti kayu atau batu bara dengan ketersediaan oksigen yang terbatas, sehingga gak yang terbentuk dari hasil pembakaran masih memeliki potensi untuk terbakar. Bahan bakar gasifikasi dapat berupa material padatan berkarbon – biasanya biomassa (kayu atau limbah berselulosa) atau batubara. Semua senyawa organic mengandung atom karbon (C), hydrogen (H) dan oksigen (O), dalam wujud molekul komplek yang bervariasi. Tujuan dari gasifikasi adalah untuk memutuskan ikatan dari molekul komplek ini menjadi gas yang sederhana yaitu Hidrogen dan karbon monoksida (H2 dan CO). Kedua gas ini merupakan gas yang mudah terbakar serta memiliki kerapatan energi dan densitas. Keduanya merupakan gas yang sangat bersih dan hanya memerlukan satu atom oksigen untuk dibakar menghasilkan karbon dioksida dan air (CO2, H2O). Inilah yang menyebabkan pembakaran yang melalui proses gasifikasi memiliki emisi yang snagat bersih. Dalam prosesnya, gasifikasi merupakan rangkaian proses termal hingga terbentuk gas. Pembakaran tidak sempurna sangat kotor dan buruk. Tujuan dari gasifikasi adalah untuk mengendalikan proses termal secara terpisah yang biasanya tercampur dalam proses pembakaran sederhana dan diatur sehingga menghasilkan produk yang diinginkan.

Gasifikasi terdiri dari empat tahapan terpisah: pengeringan, pirolisis, oksidasi/pembakaran dan reduksi. Keempat tahapan ini terjadi secara alamiah dalam proses pembakaran. Dalam gasifikasi keempat tahapan ini dilalui secara terpisah sedemikian hingga dapat menginterupsi “api” dan mempertahankan gas mudah terbakar tersebut dalam bentuk gas serta mengalirkan produk gasnya ke tempat lain. Salah satu cara untuk mengetahui proses yang berlangsung pada gasifier jenis ini adalah dengan mengetahui rentang temperatur masing-masing proses, yaitu:

  • Pengeringan: T > 150 °C
  • Pirolisis/Devolatilisasi: 150 < T < 700 °C
  • Oksidasi/pembakaran: 700 < T < 1500 °C
  • Reduksi: 800 < T < 1000 °C

Proses pengeringan, pirolisis, dan reduksi bersifat menyerap panas (endotermik), sedangkan proses oksidasi bersifat melepas panas (eksotermik).

2.1 Pengeringan:

Pada pengeringan, kandungan air pada bahan bakar padat diuapkan oleh panas yang diserap dari proses oksidasi.

2.2 Pirolisis: Pada pirolisis, pemisahan volatile matters (uap air, cairan organik, dan gas yang tidak terkondensasi) dari arang atau padatan karbon bahan bakar juga menggunakan panas yang diserap dari proses oksidasi. Pirolisis atau devolatilisasi disebut juga sebagai gasifikasi parsial. Suatu rangkaian proses fisik dan kimia terjadi selama proses pirolisis yang dimulai secara lambat pada T 700 °C. Komposisi produk yang tersusun merupakan fungsi temperatur, tekanan, dan komposisi gas selama pirolisis berlangsung. Proses pirolisis dimulai pada temperatur sekitar 230 °C, ketika komponen yang tidak stabil secara termal, seperti lignin pada biomassa dan volatile matters pada batubara, pecah dan menguap bersamaan dengan komponen lainnya. Produk cair yang menguap mengandung tar dan PAH (polyaromatic hydrocarbon). Produk pirolisis umumnya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas ringan (H2, CO, CO2, H2O, dan CH4), tar, dan arang.

2.3 Oksidasi (Pembakaran):

Pembakaran mengoksidasi kandungan karbon dan hidrogen yang terdapat pada bahan bakar dengan reaksi eksotermik, sedangkan gasifikasi mereduksi hasil pembakaran menjadi gas bakar dengan reaksi endotermik. Oksidasi atau pembakaran arang merupakan reaksi terpenting yang terjadi di dalam gasifier. Proses ini menyediakan seluruh energi panas yang dibutuhkan pada reaksi endotermik. Oksigen yang dipasok ke dalam gasifier bereaksi dengan substansi yang mudah terbakar. Hasil reaksi tersebut adalah CO2 dan H2O yang secara berurutan direduksi ketika kontak dengan arang yang diproduksi pada pirolisis. Reaksi yang terjadi pada proses pembakaran adalah:

C + O2 –> CO2 + 393.77 kJ/mol karbon

Reaksi pembakaran lain yang berlangsung adalah oksidasi hidrogen yang terkandung dalam bahan bakar membentuk kukus. Reaksi yang terjadi adalah:

H2 + ½ O2 –> H2O + 742 kJ/mol H2

2.4 Reduksi (Gasifikasi)

Reduksi atau gasifikasi melibatkan suatu rangkaian reaksi endotermik yang disokong oleh panas yang diproduksi dari reaksi pembakaran. Produk yang dihasilkan pada proses ini adalah gas bakar, seperti H2, CO, dan CH4. Reaksi berikut ini merupakan empat reaksi yang umum telibat pada gasifikasi.

C + H2O –> H2 + CO – 131.38 kJ/kg mol karbon

CO2 + C –> 2CO – 172.58 kJ/mol

CO + H2O –> CO2 + H2 – 41.98 kJ/mol

C + 2H2 –> CH4 + 74.90 kJ/mol karbon

3. Jenis-Jenis Gasifier

Gasifier unggun tetap (Fixed bed gasifier) menggunakan sejumlah bahan padat dimana udara dan gas dapat lewat baik ke atas maupun ke bawah. Jenis ini merupakan tipe yang paling sederhana dan hanya digunakan untuk aplikasi dalam skala kecil. Yang termasuk dari jenis ini adalah up, down dan cross draft gasifier. Down-draft gasifier (gambar b) dikembangkan untuk merubah bahan bakar volatile (kayu, biomassa) menjadi gas dengan kandungan tar rendah. Up-draft gasifier (Gambar a) umum digunakan untuk gasifikasi batubara dan bahan bakar non-volatil seperti arang batu-bara. Namun demikian, karena tingginya kandungan tar-nya (5-20%) membuatnya tidak praktis untuk bahan bakar motor. Kros-draft gasifier (Crossdraft gasifier) merupakan gasifier yang paling sederhana dan paling ringan (gambar c). Sedangkan gasifier unggun terfluidakan (fluidized bed gasifier) lebih umum digunakan untuk skala besar dan gasifier yang menggunakan partikel yang relatif kecil. Dalam hal ini udara dialirkan dengan kecepatan tinggi sehingga bisa mengangkat partikel padatan. Gasifier suspensi partikel (suspended particle gasifier) menggerakkan suspensi menuju tungku panas, menyebabkan terjadinya pirolisis, pembakaran dan reduksi. Tipe ini hanya digunakan untuk gasifiksi skala besar. Untuk selanjutnya hanya akan dijelaskan lebih rinci mengenai gasifier unggun tetap (kros, up dan downdraft).

3.1 Gasifier Crossdraft

Pada tipe ini, udara masuk pada kecepatan tinggi melalui nozzle tunggal, termasuk beberapa aliran sirkulasi, dan mengalir sepanjang unggun dari bahan baku dan kokas (char). Hal ini menghasilkan temperature yang sangat tinggi pada volume yang sangat kecil sehingga menghasilkan gas tar yang rendah, sehingga memudahkan pengaturan yang cepat pada mesin bakar yang aa dijalankan. Bahan bakar beserta abu berguna sebagai isolator sepanjang dinding konstruksi gasifier, sehingga mild-steel dapat digunakan sebagai material konstruksi kecuali nozel dan grate-nya yang memerlukan bahan lain, refraktori atau pendingin. Nozel berpendingin udara atau air cukup umum digunakan. Pencapaian temperature yang tinggi memerlukan bahan bakar dengan kadar abu rendah untuk mencegah penyumbatan.

Gasifier tipe crossdraft hanya digunakan untuk kandungan bahan bakar dengan kandungan tar rendah. Beberapa yang berhasil menemukan adanya biomassa yang tidak terpiralisa, dan memerlukan pengaturan jarak antara nozzle dan grate. Bahan baku yang tidak tersortir dengan baik cenderung menyebabkan bridging, dan chanelling sehingga menyumbat inti ruang pembakaran yang memicu produksi tar yang tinggi. Ukuran bahan baku juga sangat penting untuk pengoperasian yang baik.

3.2 Updraft Gasifier

Tipe ini telah umum digunakan untuk bahan bakar batubara sejak 150 tahun yang lalu. Selama pengoperasian, biomassa diumpankan di bagian atas sementara udara masuk melalui grate yang umumnya di selubungi oleh abu. Grat berada dibagian bawah gasifier, dimana udara bereaksi dengan biomassa menghasilkan CO2 yang sangat panas dan H2O. Sebaliknya, CO2 dan H2O bereaksi kembali dengan kokas menghasilkan CO dan H2. Temperatur dibagian grate harus dibatasi dengan menambahkan kukus atau resirkulasi gas keluaran untuk mencegah rusaknya greate dan penyumbatan akibat tingginya temperature ketika karbon bereaksi dengan udara. Gas panas yang naik mempirolisa biomasa diatasnya kemudian mendingin sepanjang proses. Biasanya 5-20 persen tar dan minyak terbentuk pada suhu yang terlalu rendah dan terbawa pada aliran gas produk. Panas yang tersisa juga mengeringkan biomassa yang masuk sehingga hamper tidak ada energi yang hilang dari gas. Up draft gasifier terbtas digunakan hingga kapasitas 10 giga joule/jam.m2 dibatasi oleh stabilitas unggun atau fluidisasi, pengerakan atau pemanasan berlebih yang menurunkan efesiensi.

3.3 Downdraft Gasifier

Bagian atas dari silinder gasifier diisi bahan bakar yang selama operasi, setiap beberapa jam diisi dan diposisikan tertutup ketika beroperasi. Penutup ini juga difungsikan sebagai keran pengaman (safety valve) untuk mengantisipasi terjadinya ledakan. Kira-kira sepertiga bagian dari atas, terdapat nozel untuk mengalirkn udara ke biomassa yang siap di gasifikasi. Biasanya nozelnya berjumlah ganjil dan dihubungkan dengan distributor. Distributor ini juga terhubung dengan udara luar untuk menyediakan udara yg cukup untuk pembakaran. Biasanya juga terdapat lubang untuk pembakaran awal dalam memulai proses gasifikasi.

Selama operasi, udara yang masuk membakar dan mempiralisa sebagian bahan bakar, sebagian besar tar dan minyak, dan sebagain arang yang mengisi gasifier dibawah nozel. Sebagian besar padatan dikonversi menjadi biomassa di zona pembakaran ini karena biomassa mengandung sekitar 80% senyawa volatil. Gasifier memiliki sifat pengaturan mandiri. Jika arang tidak cukup, pada bagian nozel, lebih banyak kayu yang akan terbakar dan terpirolisa untuk menghasilkan lebih banyak arang. Jika arang terlalu banyak pada kondisi pengisian penuh, jumlah char meningkat sekitar nozel sehingga menghambat udara masuk dan pada akhirnya mengurangi jumlah arang. Begitulah zona reaksi dikendalikan pada bagian nozel.

Dibawah nozel udara merupakan zona reduksi, yang merupakan bagian inti gasifier. Biasanya bagian ini berbentuk „V“, namun model terbaru ada juga yang berbentuk datar. Peningkatan kualitas isolasi di bagian ini akan menurunkan produksi tar dan peningkatan efesiensi operasi. Gas CO2 dan H2O yang dihasilkan di zona pirolisis dan pembakaran mengalir melalui arang ini dimana terjadi reduksi parsial membentuk gas CO dan H2. Proses ini menyebabkan pendinginan gas karena sebagian panas dirubah menjadi energi kimia. Proses ini menghilangkan sebagian besar arang/kokas dan meningkatkan kualitas dari sin-gas. Ujung-ujungnya arang/kokas „dilarutkan“ oleh gas ini dan dipecah-pecah menjadi partikel kecil kemudian dipisahkan di siklon. Tar yang tidak terbakar pada nozel dapat terpecah lebih lanjut pada kokas panas. Abu kokas bisa menyumbat unggun kokas dan mengurangi aliran gas sehingga harus dibersihkan. Umumnya gasifier dilengkapi grate yang bisa di getar-getarkan untuk membersihkan gasifier dari penyumbatan oleh abu.

Sumber: Klik disini

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: