Teknologi Gasifikasi Untuk Biomassa – Bagian 2

Unit gasifikasi updraft

Unit gasifikasi updraft ini juga dikenal sebagai gasifikasi counter-current di mana biomassa bergerak secara berlawanan arah dengan udara pembakar. Reaksi oksidasi terjadi di titik terendah di dalam unit gasifikasi itu. Aliran produk gas yang terbentuk mengalir ke atas dan memanaskan umpan biomassa yang masuk. Proses2 yang terjadi selama gasifikasi ini mencakup pengeringan (drying), pyrolysis, reduksi (reductions), dan oksidasi (oxidation). Proses2 ini ditunjukkan di Gambar 5. Karena konfigurasi ini, biomassa mengalami kontak dengan produk gas pada temperature yang lebih rendah. Sebagian material yang mengalami pyrolysis (spt tar) keluar dari reactor bersama produk gas. Bagian pembakaran (oksidasi) di bagian bawah dapat mencapai 1000oC, sementara bagian atasnya sekitar 500oC (7). Sumber energinya adalah pembakaran char.

Gambar 5

Gambar 5. Gasifikasi updraft air blown (5, 7)

Keuntungan gasifikasi updraft adalah teknologinya yang telah terbukti, proses yang mudah dan murah (7), dapat menggunakan biomassa dengan kandungan air konsentrasi inorganic (spt limbah padat perkotaan) yang tinggi (7), dan keberadaan tar di produk gas meningkatkan nilai bakarnya, yang berguna untuk aplikasi pembangkit energy.

Kerugian gasifikasi updraft adalah rendahnya temperature produk gas yang berakibat pada tingginya konsentrasi tar (10 – 20wt%). Hal ini memerlukan unit terpisah untuk membersihkan gas dari tar, atau mengubah tar menjadi gas, sebelum produk gas tsb digunakan untuk aplikasi turbin gas (7). Scale-up nya jg akan sangat sulit karena pengumpanan biomassa (feeding) secara seragam tidak bisa digaransi, ukuran partikel yang berbeda-beda (dpt menyebabkan channeling), dan sulitnya mengontrol distribusi temperature sehingga hot spots dapat terjadi. Kesulitan terakhir adalah bagaimana mengatasi/membuang partikel debu yang meleleh (molten ash) (6).

Beberapa pemilik teknologi gasifikasi updraft adalah:

  • PUROX (Pure Oxygen Process) dari Union Carbide di awal tahun 1970an (http://www.biomass2methanol.org/pureox01.htm). Skala aplikasinya adalah 180 t/d di West Virgnia dan 75 t/d di Jepan (8). Konsumsi energinya tinggi karena keperluan oksigen.
  • Sofresid/Caliqua process dari Andco-Torrax dengan 6 unit yang telah didirikan, tetapi hanya tinggal satu pada tahun 1993. Kebanyakan tutup karena masalah operasional seperti fouling (8).
  • Bioneer gasifier dengan udara sebagai zat pengoksidan atau media gasifikasinya. Unit ini digunakan untuk pemanasan local sekitar 1 – 15 MWth, CHP berskala 1 – 3 MWe, kiln pengering dan oven proses, dan pembangkit listrik setelah unit pembersih gas dengan menggunakan katalis (9).

Unit gasifikasi downdraft

Di unit ini, biomassa dan produk gas bergerak searah (co-current). Udara dimasukkan lewat samping, seperti yang ditunjukkan di Gambar 6. Throat atau bagian yang menyempit di unit tsb berguna untuk menghasilkan efek pencampuran antara biomassa dengan udara. Oleh karena produk gas harus melewati zona pembakaran (oksidasi dan reduksi), maka tar yang terbentuk akan terurai (cracked). Hal ini mengakibatkan produk gas yang dihasilkan akan memiliki tar dengan konsentrasi yang cukup rendah.

Gambar 6

Gambar 6. Gasifikasi downdraft (5,7)

Keuntungan gasifikasi downdraft adalah produksi tar yang sangat rendah, sehingga produk gas, setelah melalui filter biasa, dapat digunakan langsung di mesin pembakar internal (9). Teknologi ini telah diaplikasikan secara komersial, sederhana, dan murah (7).

Kerugian gasifikasi downdraft sama seperti gasifikasi updraft dari sisi scale-up (6).

Salah satu pemilik teknologi gasifikasi downdraft ini adalah Entimos Oy untuk CHP di Finlandia dengan 2 MWth umpan biomassa yang memproduksi 1.1 MWth untuk pemanasan local dan 450 kWe listrik (9).

Gasifikasi bubbling fluidized bed (BFB)

Seperti ditunjukkan di Gambar 7, unit gasifikasi ini menggunakan zat pengoksidannya sebagai medium fluidisasi (fluidizing medium). Zat pengoksidannya dapat berupa oksigen atau steam. Untuk aplikasi pembangkit tenaga skala kecil, udara juga kadang digunakan. Kecepatan superficial zat pengoksidannya adalah sekitar 1 – 3 m/s (4), hanya cukup untuk membuat kondisinya berada di rezim bubbling fluidized bed (BFB). Biomassa diumpankan dari samping dan temperature operasinya berada di bawah 900oC. Temperatur di atas ini akan menyebabkan debunya meleleh (molten ash) yang dapat mengakibatkan hancurnya rezim bubbling bed. Sumber energy unit gasifikasi ini adalah pembakaran parsial dari senyawa2 ringan yang terbentuk dan char. Gasifikasi BFB adalah teknologi yang telah diaplikasikan secara komersial di seluruh dunia.

Media penghantar kalornya dapat berupa silica atau alumina yang memiliki kapasitas kalor yang tinggi dan dapat bertahan pada temperature tinggi (10). Dolomite atau olivine digunakan untuk menurunkan produksi tar dan pembentukan char. Dolomite kurang kuat terhadap atrisi (gesekan antar partikel) sehingga ukurannya akan cepat menjadi kecil selama operasi, dan berubah menjadi debu. Olivine kurang efisien dalam menurunkan produksi tar dibandingkan dengan dolomite (atau batuan terkalsinasi lainnya), tetapi olivine memiliki kekuatan mekanik yang tinggi.

Gambar 7

Gambar 7. Gasifikasi bubbling fluidized bed (BFB) (6)

Keuntungan gasifikasi BFB adalah unit ini memiliki kontak gas-padat yang baik sehingga perpindahan energy dan massanya sangat baik, sehingga tidak terdapat hot spot dan mudah dalam scale-up (6). Tipikal konsentrasi tar cukup rendah (< 3 gr/Nm3)(5, 6). Distribusi temperature yang hampir seragam sepanjang reactor (7) karena rezim bubblingnya. Unit ini juga dapat menggunakan biomassa dengan berbagai ukuran (6, 7). Debu tidak akan meleleh (6) karena temperature operasi yang rendah, sehingga bednya tidak akan hancur. Unit ini jg telah dioperasikan secara komersial sampai tekanan 35 barg dan kapasitas 200 MWth umpan. Meskipun demikian, unit ini belum diaplikasikan dengan biomassa pada skala minimum yang diperlukan agar ekonomis (≥ 1500 ton-dry/day) (4). Oleh karena itu, di berbagai studi yang telah dilakukan, kapasitas yang besar dicapai dengan menggunakan beberapa unit gasifikasi secara paralel.

Kerugian gasifikasi BFB adalah operasinya yang lebih sulit daripada gasifikasi fixed bed, serta turn-down rasio yang lebih terbatas (6), karena kondisi yang diperlukan oleh rezim bubbling bed. Kerugian lainnya adalah jumlah partikel2 halus di produk gas karena atrisi media fluidisasinya (partikel padatnya).

Beberapa penyedia teknologi gasifikasi BFB ini adalah:

  • Andritz-Carbona, yang sebelumnya adalah dua perusahaan terpisah, yaitu Andritz yang memiliki teknologi circulating fluidized bed (CFB) dan Carbona yang memiliki teknologi BFB. Gasifikasi BFB telah diaplikasikan terutama untuk produksi bahan bakar cair, gas alam sintesis (SNG), dan produksi H2 dengan kapasitas 100 – 200 MWth (oksigen sbg zat pengoksidan). Aplikasi lain dengan menggunakan udara adalah untuk integrated gasification combined cycle (IGCC) di rentang 10 – 150 MWth (11). Aplikasi komersial terakhir adalah pabrik CHP di Skive, Denmark, dengan 20 MWth umpan menghasilkan 12 MWth dan 6 MWe (12).
  • Enerkem baru2 ini telah membangun pabrik biomass to fuel dengan kapasitas 300 t/d biomassa di Edmonton, Alberta untuk memproduksi 10 million gal/yr ethanol dan methanol (13).
  • TRI (Thermochem Recovery International) telah memiliki pabrik skala komersial dengan bahan baku biomassa cair atau black liquor sejak 2003. Kapasitas mereka dilaporkan sekitar 500 – 2000 t/d. Sedangkan untuk bahan baku biomassa padat, saat ini mereka berada di skala demo (14, 15).

Gasifikasi circulating fluidized bed (CFB)

Di unit gasifikasi CFB, kecepatan superficialnya harus cukup tinggi untuk berada di rezim fluidisasi cepat (fast fluidization) atau di atas kecepatan terminal medianya (spt silica, alumina, dolomite, atau olivine). Kecepatan tipikalnya kurang lebih sekitar 5-10 m/s (4). Kecepatan ini menghasilkan waktu tinggal yang singkat sehingga jika dibandingkan dengan BFB, gas produk dari CFB memiliki konsentrasi tar atau hidrokarbon rantai panjang yang cukup tinggi.

Gambar 8

Gambar 8. Gasifikasi circulating fluidized bed (CFB) (6)

Dari sisi tekanan dan temperature operasi, CFB telah diaplikasikan di rentang yang sama dengan BFB. Dari sisi media fluidisasi, CFB memerlukan partikel yang memiliki kekuatan mekanik yang lebih tinggi karena rezim sirkulasinya. Seperti halnya BFB, zat pengoksidan bisa berupa oksigen atau steam. Pada aplikasi pembangkit energi skala kecil, udara lah yang sering digunakan.

Keuntungan gasifikasi CFB pada dasarnya sama dengan BFB. Hanya saja, CFB memiliki koefisien perpindahan kalor yang lebih baik karena rezim turbulennya.

Kekurangan CFB pun kurang lebih sama dengan BFB. Perbedaannya adalah minimum kecepatan superficial di CFB ditentukan oleh ukuran partikel, massa jenis biomassa (bahan bakarnya) dan media fluidisasinya (alumina, silica, dolomite, olivine, dll). CFB memerlukan ukuran partikel yang lebih kecil drpd di BFB. Hal ini disebabkan oleh kecepatan superficial yang lebih besar, yang tentunya memerlukan energy yang lebih besar. Rezim sirkulasi di CFB ini jg membuat medianya rentan terhadap atrisi dan erosi.

Beberapa pemilik teknologi CFB adalah:

  • Andritz Carbona, menggunakan CFB biasanya untuk boiler dan kiln (10 – 150 MWth). CFB komersial terakhir adalah untuk lime kiln di Metsä-Botnia, Finland tahun 2012, dengan 22 t/h biomassa dan 48 MWth output (16, 17).
  • Foster Wheeler telah mengimplementasikan gasifikasi CFB. Kebanyakan digunakan utk pembangkit listik seperti pabrik Electrabel di Belgia thn 2002 dengan 50 MWth biomassa (18).
  • Metso juga telah membangun gasifikasi CFB utk pembangkit energy (IGCC) dengan biomassa (cth. Vasa, Finland 2012, 140 MWth biomassa) dan dari limbah padat perkotaan (685 t/d) di Lahti, Finlandia yang memproduksi 50 MWe dan 90 MWth kalor (19).
  • ThyssenKrupp Uhde dengan teknologi HTW (High Temperature Winkler) gasifikasi CFBnya telah membangun pabrik biomass to methanol (300 t/d methanol) di Värmlands dari 600 t/d kayu. Beberapa aplikasi komersial yang terkenal adalah 300 t/d pabrik NH3 (dari 30 t/h peat) di Kemira Oy, Finlandia dan 300 t/d pabrik methanol (dari 30 t/h lignite) di Jerman (20).

Gasifikasi dual bed

Gasifikasi BFB dan CFB menggunakan udara atau oksigen untuk keperluan energy mereka dalam pembakaran parsialnya. Untuk produksi senyawa kimia, penggunaan udara sangat tidak disarankan karena N2 yang ada harus dipisahkan dari produk gas dan ini tidak mudah. Oleh karena ini, oksigen menjadi satu2nya pilihan untuk memproduksi senyawa kimia lewat gasifikasi. Akan tetapi, pabrik oksigen sendiri tidaklah murah dan akan menjadi menarik secara ekonomi untuk skala besar. Gasifikasi dual bed hadir menyelesaikan permasalahan ini. Bed pertama melangsungkan proses gasifikasi dengan menggunakan steam sebagai zat pengoksidannya. Energy yang diperlukan datang dari pembakaran coke dengan udara di bed yang kedua (tempat pembakaran). Ini ditunjukkan di Gambar 9.

Gambar 9

Gambar 9. Gasifikasi dual fluidized bed (4)

Tergantung dari rezim fluidisasi di bed gasifikasi dan bed pembakaran, gasifikasi dual bed ini memiliki keuntungan dan kerugian yang sama dengan BFB dan CFB. Contohnya, unit gasifikasi MILENA menggunakan CFB untuk gasifikasinya yang memiliki waktu tinggal lebih singkat daripada BFB. Akibatnya, produk gasnya memiliki konsentrasi tar yang relatif tinggi. Sementara itu, unit gasifikasi FICFB menggunakan BFB untuk gasifikasinya dan menghasilkan tar yang lebih rendah.

Beberapa pemilik teknologi gasifikasi dual bed selama 10-15 tahun terakhir adalah:

  • TU Vienna dengan teknologi Fast Internal Circulating Fluidized Bed (FICFB). Bed gasifikasinya berada di mode bubbling (BFB), sementara bed pembakarannya di mode sirkulasi (CFB). Teknologi ini dikomersialkan oleh Metso dan Repotec. Aplikasi komersial terbesar saat ini adalah proyek GoBiGas di Göteborg dengan memproduksi 20 MW gas alam buatan (SNG) dari 32 MWth pellet kayu. Kapasitas ini kurang lebih sekitar 150-200 ton-dry/day kayu (21).
  • Battelle Columbus Laboratory (BCL) dengan gasifikasi BCLnya dan dikomersialkan oleh Rentech-SilvaGas (22). Kedua bed (gasifikasi dan pembakaran) menggunakan mode sirkulasi (CFB). Kapasitas terpasang di Burlington adalah 200 t/d kayu, tetapi Rentech tidak melanjukan pengembangan gasifikasi ini lebih lanjut karena alas an prioritas bisnis. Gasifikasi BCL diperkirakan dapat discale-up ke maksimum 2000 ton-dry/day biomassa.
  • ECN dengan gasifikasi MILENA di mana bed gasifikasi adalah CFB dan bed pembakaran dengan mode BFB. Implementasi unit ini mungkin akan ada di Alkmaar untuk 12 MW SNG (23).

Gasifikasi entrained flow

Di gasifikasi entrained flow (EF), bubuk biomassa (≤ 1mm) (4, 24), steam, dan oksigen dimasukkan dari atas unit gasifikasi. Biomassa terbakar sebagian dan energinya digunakan untuk menjaga temperature gasifikasi sekitar 1200 – 1500 oC. Karena temperature tinggi ini, sisa biomassanya berubah menjadi syngas berkualitas tinggi tanpa tar. Debu nya pun meleleh di dinding unit gasifikasi dan dibuang sebagai lelehan panas (molten slag). Gasifikasi EF ini telah digunakan untuk bahan baku batubara sejak lama.

Beberapa keuntungan penggunaan gasifikasi EF adalah produk syngasnya yang berkualitas tinggi dan telah diaplikasikan di banyak tempat sebagai gasifikasi batubara.

Beberapa kerugiannya adalah gasifikasi ini memerlukan umpan yang sangat spesifik karena waktu tinggalnya yang sangat singkat. Ukuran partikel harus sangat kecil (< 1mm) dan memiliki kandungan air yang rendah (15wt%) (4). Sementara itu, untuk membuat ukuran partikel yang kecil diperlukan energi yang cukup besar (24). Untuk menghindari permasalahan pengumpanan (feeding), beberapa perusahaan menggunakan teknologi pengolahan awal biomassa seperti torrefaction untuk mengecilkan ukuran partikel dan juga energi yang diperlukan (24). Atau dengan menggunakan reaktor pyrolysis (3). Hal ini berarti tambahan biaya investasi yang harus dikompensasi pada skala yang besar. Teknologi gasifikasi EF ini pun memerlukan oksigen untuk pembakaran parsialnya. Akibatnya, pabrik oksigen juga harus dimiliki.

Beberapa pemilik teknologi yang terkenal karena gasifikasi batubaranya adalah:

  • Linde dengan teknologi Carbo V (diakuisisi dari CHOREN). Sebuah proyek besar untuk membuat bahan bakar cair lewat Fischer Tropsch (FT liquid) dari biomassa untuk Finlandia telah dibatalkan di awal 2014. Tetapi, beberapa proyek besar telah direncanakan (15).
  • Mitsubishi Heavy Industries masih berada dalam skala lab dengan 0.25 – 2 t/d umpan biomassa (26).
  • ThyssenKrupp Uhde telah membangun beberapa pabrik dengan yang terbesar adalah IGCC 300 MW di ELCOGAS, Spanyol (27). Ada juga 3 pabrik CTL (coal to liquid) yang identik dengan kapasitas masing2 sebesar 2300 t/d bahan bakar cair (18000 barrel/d) di Kentucky (20).
  • Beberapa perusahaan terkenal lainnya seperti Shell dan Lurgi juga berpengalaman dalam mendesain dan membangun gasifikasi EF untuk batubara.

Gasifikasi plasma

Di gasifikasi plasma, biomassa dikontakkan dengan plasma yang dibuat dengan tenaga elektrik. Biasanya unit ini bekerja pada tekanan atmosferik dan obor plasma bisa mencapai lebih dari 10000oC. hasilnya adalah syngas berkualitas sangat tinggi dan material2 berubah menjadi inert glass (vitrified) (4). Teknologi ini telah dikembangkan terutama untuk mengolah limbah industri yang sangat berbahaya (28), limbah padat perkotaan (MSW), dan limbah2 sulit lainnya.

Meskipun harganya sangat mahal, teknologi ini dipilih oleh British Airways pada tahun 2014 untuk proyek GreenSky mereka untuk memproduksi bahan bakar dari biomassa. Proyek ini ditargetkan selesai pada tahun 2017 untuk memproduksi 120 kta bahan bakar dari 575 kta biomassa (29).

Keuntungan utama teknologi plasma ini adalah kualitas syngas yang sangat baik dan dapat mengolah berbagai jenis umpan. Kerugiannya adalah investasinya yang sangat tinggi ditambah dengan keperluan energy yang sangat besar. Akibatnya, efisiensi biomass to syngas menjadi sangat rendah (4).

Beberapa pemilik teknologinya adalah:

  • Westinghouse Plasma yang telah memiliki beberapa instalasi seperti 220 t/d MSW dan ASR di Jepang, 72 t/d limbah industri berbahaya di India, dan 150 t/d biomassa di China (30).
  • Solena, yang sekarang ini terlibat di proyek GreenSky nya British Airways (31).

2 thoughts on “Teknologi Gasifikasi Untuk Biomassa – Bagian 2

Leave a Comment