BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Studi pemanfaatan batubara di pabrik pupuk dilakukan untuk mendapatkan konfigurasi proses yang tepat. Pemanfaatan batubara di pabrik pupuk dilakukan melalui proses gasifikasi menghasilkan gas produser. Gas produser ini selanjutnya dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar maupun sebagai gas sintesis. Studi pemanfaatan batubara sebagai bahan baku amonia merupakan sebuah bahasan yang cukup menarik mengingat harga batubara yang lebih murah dibandingkan dengan gas alam, namun di lain pihak pemanfaatan gas produser hasil gasifikasi sebagai sumber gas H2 membutuhkan pengolahan yang cukup rumit. Pada tesis ini akan dilakukan pula studi mengenai pembandingan pemanfaatan batubara melalui proses gasifikasi dengan pembakaran langsung, selain itu juga akan dilakukan pembahasan mengenai pemanfaatan gas produser sebagai bahan bakar unit-unit utilitas di pabrik pupuk.
III. 1 Pemanfaatan Batubara di Pabrik Pupuk Pemanfaatan batubara dapat dilakukan melalui berbagai proses kimia diantaranya adalah sebagai berikut: 1. Pembakaran langsung, pemanfaatan melalui proses ini adalah mengubah energi ikatan kimia menjadi energi panas melalui pembakaran, energi panas ini digunakan untuk membangkitkan uap air yang selanjutnya dapat digunakan sebagai fluida penggerak turbin, utilitas panas ataupun bahan baku proses kimia. 2. Gasifikasi, melalui gasifikasi batubara diubah menjadi gas-gas CH4, CO, CO2 dan H2. Gas-gas ini dapat digunakan sebagai bahan baku bahan kimia lain seperti metanol, amonia, maupun gas H2. Selain itu, gas-gas tersebut juga memiliki nilai bakar sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar baik untuk pembangkitan steam maupun untuk turbin gas. Tahapan pengerjaan penelitian ini secara umum adalah sebagai berikut : 1. Simulasi proses untuk menghitung neraca massa dan energi, neraca massa steam dan konsumsi bahan bakar. 2. Studi kelayakan ekonomi dari masing-masing konfigurasi model.
Gas produser merupakan produk utama gasifikasi. Komponen yang terkandung dalam gas produser diantaranya adalah CH4, CO, CO2 dan H2. Komponen pada gas produser hampir serupa dengan gas sintesis, selain memiliki nilai bakar hal ini menyebabkan gas produser juga memiliki potensi untuk diolah menjadi bahan kimia lainnya. Pada studi ini dilakukan pemanfaatan batubara pada berbagai konfigurasi proses. Masing-masing konfigurasi proses ini yang selanjutnya kan dibandingkan satu sama lain untuk mendapatkan konfigurasi yang paling sesuai untuk saat ini.
III. 2 Model Konfigurasi Dari berbagai kemungkinan variasi konfigurasi pemanfaatan batubara di pabrik pupuk dilakukan penyusunan 3 model konfigurasi pemanfaatan batubara. Secara umum penjelasan mengenai model yang akan di simulasi dapat dilihat pada Gambar III.1. SKEMA SIMULASI PEMANFAATAN BATUBARA DI PABRIK PUPUK
Simulasi proses pembuatan gas sintesis berbahan baku gas alam (konvensional)
Simulasi utilitas : -Bahan bakar gas alam : - Primary Reformer - GTG - WHB GTG - Package Boiler aliran proses syngas - WHB steam system Model Konvensional
Simulasi proses pembuatan gas sintesis berbahan baku gas produser
Simulasi utilitas : bahan bakar gas alam - Primary Reformer - WHB steam system aliran proses syngas - Boiler batubara : - Turbin uap pengganti GTG - Steam utility pengganti WHB dan Package boiler
Model I
Simulasi utilitas : bahan bakar gas alam -Primary Reformer aliran proses syngas - WHB steam system -Bahan bakar gas produser - GTG - WHB GTG - Package Boiler aliran proses gas produser - WHB Gasifikasi Model II
Simulasi utilitas : - Bahan bakar gas produser : - WHB steam system - GTG - WHB GTG - Package Boiler aliran proses gas produser - WHB Gasifikasi
Model III
Gambar III. 1. Deskripsi umum model konfigurasi pemanfaatan batubara di pabrik pupuk Penjelasan untuk masing-masing model konfigurasi adalah sebagai berikut: 1. Konfigurasi konvensional, model ini merupakan model alur proses yang terjadi di pabrik pupuk saat ini (existing). Model ini merupakan model dasar bagi model-model selanjutnya. Kondisi proses yang digunakan pada mode ini akan digunakan pada model-model selanjutnya. Selain itu model ini juga akan digunakan untuk memvalidasi model simulasi yang dibuat dengan data sebenarnya (PT PUSRI). Pada model ini gas alam digunakan di pabrik pupuk baik sebagai bahan baku maupun bahan bakar untuk pemenuhan kebutuhan utilitas. Skema model ini dapat dilihat pada Gambar III.2, sedangkan skema
30
model pemanfaatan gas alam sebagai utilitas bahan bakar dapat dilihat pada Gambar III. 3. CONVENTIONAL H2O
Gas Alam
Udara + H2O
Primary Reformer
Proses
Secondary Reformer
Shift Converter
CO2 Removal
Metanasi
To Ammonia Converter
Primary Reformer ~ Q Gas Turbine ~ Listrik
Utilitas
CO2
Boiler ~ Steam ~ W
Udara
WHB ~ Steam ~ W
Gambar III. 2. Skema proses konvensional (existing)
SKEMA PEMENUHAN UTILITAS STEAM DAN LISTRIK Model Konvensional WHB Tungku Primary Reformer WHB aliran 2nd reformer
HPS, 100 bar, 460 0C
Steam system : - kompresor syngas - Steam proses 1st dan 2nd reformer - utilitas
WHB aliran HTSC
GTG
Gas Alam
Listrik beban neto 15 MW MPS, 625 psig, 401 0C
WHB GTG
Utilitas pabrik urea dll MPS, 625 psig, 399 0C Utilitas pabrik urea dll
Package Boiler
Gambar III. 3. Skema sistem utilitas listrik dan steam
2. Konfigurasi Model I, pada konfigurasi ini gas alam dimanfaatkan sebagai bahan baku dan bahan bakar di primary reformer, sedangkan batubara dimanfaatkan sebagai bahan baker pemenuhan utilitas melalui proses pembakaran dengan udara. Skema Model I dapat dilihat pada Gambar III. 4. Skema pemanfaatan batubara sebagai bahan bakar via pembakaran langsung dapat dilihat pada Gambar III. 5. Dengan digunakannya batubara sebagai bahan bakar via pembakaran langsung otomatis unit-unit turbin gas, WHB dan package boiler tidak digunakan lagi melainkan diganti dengan boiler batubara dan turbin uap sebagai penghasil listrik dan steam. Terdapat dua konfigurasi pemanfaatan batubara sebagai utilitas bahan bakar. Pertama, steam
31
dibangkitkan pada tekanan tinggi kemudian diekspansi hingga tekanannya mencapai tekanan steam utilitas, kedua steam dibangkitkan pada tekanan steam utilitas kemudian dibagi sebagaian untuk membangkitkan listrik dan sebagian untuk utilitas. Model I : Gas alam untuk proses dan bahan bakar Primary Reformer dan Batubara untuk bahan bakar utilitas H2O
Proses
Gas Alam
Utilitas
Udara + H2O
Primary Reformer
Secondary Reformer
Shift Converter
CO2 Removal
Metanasi
To Ammonia Converter
Primary Reformer ~ Q
Udara CO2
Batubara + Udara
Utilitas
Boiler ~ Steam ~ Listrik dan W WHB ~ Steam ~ W
Gambar III. 4. Skema proses konfigurasi Model I
Gambar III. 5. Skema pemanfaatan batubara sebagai utilitas bahan bakar via pembakaran langsung 3. Konfigurasi Model II, pada konfigurasi ini gas alam masih digunakan sebagai bahan baku dan bahan bakar primary reformer namun batubara digunakan sebagai bahan bakar setelah sebelumnya dikonversi menjadi gas produser melalui proses gasifikasi. Skema Model II dapat dilihat pada Gambar III. 6, sedangkan skema pemanfaatan gas produser sebagai utilitas bahan bakar pada Gambar III. 7. Pemanfaatan gas produser sebagai bahan bakar gas pengganti gas alam tidak memerlukan instalasi unit baru selain gasifier namun memerlukan
32
beberapa modifikasi perpipaan, kompresor dan ruang bakar. Selain itu pembangkitan steam juga dibantu dengan adanya WHB dari unit gasifikasi yang memanfaatan aliran keluaran gas produser. Model II : Gas alam untuk proses dan bahan bakar Primary Reformer dan Batubara untuk bahan bakar utilitas via gasifikasi H 2O
Proses
Gas Alam
Utilitas
Udara + H2O
Primary Reformer
Secondary Reformer
O2
Utilitas
CO2 Removal
Metanasi
To Ammonia Converter
Primary Reformer ~ Q
Udara
Batubara
Shift Converter
Gasifikasi
Gas produser
Gas Turbine ~ Listrik
CO2
Boiler ~ Steam ~ W WHB ~ Steam ~ W
H2O
Gambar III. 6. Skema proses konfigurasi Model II
Gambar III. 7. Skema pemanfaatan gas produser sebagai utilitas bahan bakar
4. Konfigurasi Model III, konfigurasi ini merupakan konfigurasi pemanfaatan batubara di pabrik pupuk yang paling lengkap. Pada konfigurasi ini gas produser hasil gasifikasi batubara digunakan sebagai bahan bakar utilitas maupun bahan baku sintesis ammonia. Sebagai sumber gas H2 gas produser yang masih banyak mengandung S, CO dan CO2 harus melalui unit Sulfur Removal, Shift Converter, CO2 Removal berturut-turut untuk meningkatkan kualitas gas sintesis. Unit-unit ini merupakan unit yang pasti terdapat pada sebuah pabrik pupuk, namun
33
tingginya konsentrasi gas CO dan CO2 di gas produser mengharuskan dibangun lagi unit-unit baru untuk mengolah gas produser menjadi gas sintesis. Pada konfigurasi ini tidak diperlukan reformer lagi. Unit penghilangan sulfur (Sulphur Removal) masih diperlukan pada upgrading gas produser karena walaupun batubara Indonesia pada umumnya memiliki kandungan sulfur yang kecil namun proses-proses
upgrading
selanjutnya
dan
ammonia
synthesis
memiliki
persyaratan kandungan sulfur yang cukup ketat sebesar maksimal 1 ppm. Skema konfigurasi Model III dapat dilihat pada Gambar III. 8 dan III. 9. Pada konfigurasi ini diperlukan boiler tambahan untuk membangkitkan steam pada steam system karena tidak ada lagi unit reformer. Model III : Batubara digunakan sebagai bahan bakar utilitas dan bahan baku ammonia via gasifikasi H2O
Proses
Gas Alam
Utilitas
Primary Reformer
Secondary Reformer
Shift Converter
CO2 Removal
Gas Gasifikasi produser
CO2
New Shift Converter
New CO2 Removal
Gas Turbine ~ Listrik Boiler ~ Steam ~ W
H2O Udara
To Ammonia Converter
Primary Reformer H2O
Batubara
Metanasi
O2
ASU
N2
WHB ~ Steam ~ W To Ammonia Converter
Gambar III. 8. Skema konfigurasi Model III
Untuk setiap konfigurasi proses diatas akan dilakukan penghitungan neraca massa dan energi melalui simulasi termodinamika menggunakan program aplikasi Aspen Plus. Nilai-nilai ini selanjutnya digunakan untuk menghitung beberapa parameter-parameter proses sebagai berikut : 1. Perhitungan konsumsi produk dan energi per satuan bahan baku 2. Neraca massa steam
III. 3. Simulasi Proses Simulasi proses dilakukan dengan menggunakan program aplikasi Aspen Plus. Tahapan pengerjaan simulasi dimulai dengan melakukan simulasi proses pembuatan gas sÃntesis konvensional (existing). Hasil simulasi ini kemudian dicocokan dengan data literatur untuk memvalidasi model. Hal ini dilakukan untuk
34
menguji kehandalan model simulasi. Persamaan keadaan yang digunakan dalam simulasi terbagi menjadi dua; yang pertama persamaan PR-BM (Peng Robinson dan Boston Mathias) untuk proses gasifikasi dan gas sintesis dan yang kedua ElecNRTL untuk absorbsi CO2. Penggunaan persamaan keadaan ini sesuai dengan rekomendasi dari Aspen pada simulasi proses yang melibatkan gas sintesis maupun absorbsi CO2.
Gambar III. 9. Skema sistem utilitas pembangkitan listrik dan steam Model III
Secara umum simulasi model dilakukan dengan bagian-bagian sebagai berikut : 1. Simulasi pembuatan gas sintesis konvensional, simulasi ini meliputi unit-unit reformer, shift converter, CO2 Removal dan Methanator. Kondisi tekanan dan temperatur yang digunakan pada simulasi ini ditetapkan dan sama dengan nilainya pada keadaan sebenarnya sedangkan approach temperature merupakan parameter yang di ubah-ubah sedemikian sehingga neraca massa hasil simulasi mendekati neraca massa data di PT PUSRI. Parameter-parameter kondisi proses ini yang akan digunakan untuk simulasi model III. Besarnya beban panas untuk setiap unit merupakan besaran yang terhitung pada simulasi. Spesifikasi gas alam yang digunakan pada simulasi ini adalah sebagai berikut dapat dilihat pada Tabel III. 1. Spesifikasi ini merupakan spesifikasi aliran gas alam pada PT PUSRI.
35
Tabel III. 1. Spesifikasi aliran gas alam o
Temperatur, C Heat loss, % thd bb Rasio O2/bb (kg/kg) Rasio steam/bb (kg/kg) Tekanan , atm Komposisi
CO H2 CH4 C2H6 C3H8 i-C4H10 i-C5H12 C6H14 CO2 N2 H2S H2O
GHV, kJ/Nm3 LHV, kJ/Nm3
Gas Alam 25 30 82,54% 6,46% 3,94% 0,63% 0,20% 0,07% 5,10% 8,44 ppm 40505
2. Simulasi pembakaran batubara, pada simulasi ini mulai dilibatkan batubara sebagai komponen non konvensional, dalam hal ini diperlukan masukan berupa analisis ultimat dan proksimat batubara. Besaran-besaran ini diperlukan Aspen untuk melakukan perhitungan neraca massa dan energi proses-proses yang melibatkan batubara. Pembakaran batubara dilakukan pada tekanan atmosferik sedangkan temperatur pembakaran didapat dari hasil perhitungan. Besarnya panas hilang yang digunakan pada simulasi ini adalah sebesar 10% dari panas pembakaran batubara. Banyaknya udara yang ditambahakan diatur sedemikian rupa sehingga konsentrasi O2 pada gas buang sebesar 2%. Gas buang yang masih mengandung abu dan tar kemudian memasuki unit siklon untuk dipisahkan abunya. Batubara yang akan digunakan pada simulasi ini adalah batubara Tanjung Enim yang memiliki spesifikasi yang terlihat pada Tabel III. 2. Batubara ini termasuk batubara jenis subbituminous yang memiliki kandungan energi yang rendah namun memiliki kadar volatile matter yang cukup tinggi. Batubara jenis seperti ini lebih baik jika dimanfaatkan menjadi gas produser melalui proses gasifikasi. 3. Simulasi gasifikasi batubara, pada dasarnya simulasi ini hampir sama dengan simulasi pembakaran batubara hanya saja terdapat perbedaan dari jumlah oksigen
36
yang digunakan. Perhitungan neraca massa unit ini dilakukan secara kualitatif saja berdasarkan data literatur. Hal yang sama dilakukan untuk mengevaluasi banyaknya tar dan abu yang dihasilkan dari pemrosesan batubara. Gasifikasi batubara dilakukan pada tekanan 30 bar, perbandingan oksigen terhadap batubara (O/C) sebesar 0.4 dan perbandingan steam terhadap batubara (S/C) sebesar 0.1. Gasifikasi batubara dilakukan dengan media penggasifikasi oksigen murni baik yang berasal dari unit ASU (Model III) ataupun dibeli dari luar pabrik (Model II). Tabel III. 2. Spesifikasi batubara Tanjung Enim Batubara
Tanjung Enim Ultimat, %berat (db)
Air Laya
Abu
5,29
2,78
C
63,6
58,06
H
3,8
6,89
S
0,55
0,36
N
0,7
0,93
O
26,1 Proksimat, %berat (db) Moisture (wb) 18,7 Abu 5,29 VM 51,78 FC 42,93 HHV, kcal/kg 4860
30,98 21,37 2,78 44,5 52,72 5666
4. Simulasi pembersihan dan upgrading gas produser, simulasi ini meliputi simulasi pembersihan gas produser dari abu, sulfur, kemudian shift converter dan CO2 Removal. Unit pembersihan abu dan sulfur tidak ikut disimulasikan namun hanya diwakili oleh unit pemisah saja. Efisiensi pemisahan pada unit ini dianggap 100%. 5. Simulasi pemisahan udara melalui proses kriogenik, oksigen yang dihasilkan dari unit ini digunakan untuk gasifikasi sedangkan nitrogen yang dihasilkan digunakan sebagai bahan baku ammonia. Simulasi yang dilakukan pada proses ini merupakan simulasi sederhana dari proses pemisahan udara, yang terdiri dari kompresi udara, pendinginan dan distilasi.
37
Hasil simulasi masing-masing konfigurasi proses digunakan untuk menghitung beberapa parameter yang akan digunakan sebagai parameter pembanding kinerja setiap konfigurasi. Unit-unit model Aspen Plus yang digunakan dalam simulasi ini diantaranya: 1. Reaktor: RStoic dan RGibbs. Model-model reaktor ini digunakan sebagai model reaktor pengeringan batubara, gasifikasi, reformer dan shift converter. 2. Pemisahan: Flash2, Separator, DSTWU dan RadFrac. Model unit pemisah ini digunakan sebagai model unit pemisahan uap-cair, gas-padat, distilasi dan absorber. 3. Penukar panas: Heater dan HeatX. Proses penukaran panas antar aliran disimulasikan dengan menggunakan model penukar panas HeatX sedangkan penukaran panas dengan utilitas dimodelkan dengan menggunakan penukar panas Heater. 4. Pengubah tekanan: Pump and Comp. Efisiensi unit ini menggunakan nilai efisiensi yang telah ditetapkan oleh Aspen. 5. Pembagi dan penggabung aliran: FSplit dan Mixer. Mixer dioperasikan untuk mencampurkan aliran-aliran dengan tekanan yang sama. 6. Fasilitas pendukung: beberapa fitur dalam Aspen yang sanagt berguna dalam melakukan simulasi proses dinataranya sebagai berikut. a. Design Spec, untuk melakukan spesifikasi variabel aliran dengan memanipulasi satu variabel masukan b. Sensitivity, untuk melihat pengaruh suatu variabel masukan terhadap besaran lainnya. c. Optimization, untuk melakukan optimisasi suatu parameter dengan memaksimalkan atau meminimasi fungsi objektif tertentu. Pada fitur ini dapat dilakukan manipulasi terhadap berbagai variabel. d. Calculator,
digunakan
untuk
melakukan
perhitungan-perhitungan
berdasarkan persamaan tertentu dalam menspesifikasi variabel masukan, maupun perhitungan lainnya. e. Transfer, digunakan untuk mentransfer data suatu aliran ke aliran lainnya.
38
III. 4. Studi Kelayakan Ekonomi Studi kelayakan ekonomi dilakukan dengan menghitung variabel-variabel analisis ekonomi. Besaran-besaran yang dihitung diantaranya: 1. Investasi, perhitungan investasi meliputi perhitungan pembuatan unit baru seperti boiler batubara, gasifier dan lain-lain termasuk biaya modifikasi peralatan lama. Perhitungan investasi dilakukan terhadap peralatan utama, sedangkan harga peralatan pendukung lainnya dihitung sebagai fraksi dari harga peralatan utama. 2. Modal kerja, dihitung berdasarkan fraksi dari investasi, atau dapat juga dihitung berdasarkan biaya operasi selama tiga bulan pertama setelah pabrik dijalankan. 3. Biaya produksi, dihitung dengan mempertimbangkan biaya sebagai berikut: a. Bahan baku: batubara, steam untuk gasifikasi dan O2 b. utilitas: udara tekan, steam, air pendingin dan listrik c. upah buruh bulanan d. plant overhead: biaya untuk keselamatan kerja, perawatan mesin, transportasi dan lain-lain e. marketing expenses f. administration and office expenses g. gaji pegawai: h. asuransi i. depresiasi peralatan j. research and development 4. Pajak dan suku bunga Penjualan, penjualan dihitung berdasarkan banyaknya produk yang dihasilkan terhadap harga jual produk. Pada evaluasi ekonomi masing-masing model produk merupakan komponen-komponen yang bernilai jual yang dihasilkan dari lingkup simulasi. Penghitungan harga peralatan utama dihitung berdasarkan kapasitas dari peralatan yang didapat dari perhitungan neraca massa dan energi hasil simulasi. Studi kelayakan ekonomi dilakukan dengan menghitung pay back period, ROI, IRR dan NPV.
39
