Perancangan dan Pengembangan Model Reaktor Circulating Fluidized Bed Untuk Gasifikasi Biomassa Dr. Haifa Wahyu, Ir. Imam Djunaedi, Ir. M. Affendi, Drs. Sugiyatno, MT., Drs. Yusuf Suryo Utomo MT. Pusat Penelitian Fisika (Research Centre fo Physics) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (Indonesian Institute of Sciences) Kompleks LIPI Jln. Cisitu-Sangkuriang 21/154D, Bandung 40135, Indonesia Telp. 62-22-2507771, 2507773, 2503052 Fax. 62-22-2514275 Email.
[email protected] ABSTRAK Gasifikasi biomassa didalam reaktor circulating fluidized bed (CFB) merupakan topik penelitian yang sering dibicarakan akhir-akhir ini karena teknologi CFB mempunyai potensi dalam hal pengembangan teknologi bersih dan peningkatan kualitas gas bakar yang dihasilkan. Proses gasifikasi merupakan proses pirolisa atau dekomposisi termal dimana rantai karbon dari biomassa terpecah menjadi gas-gas CO, CO2, CH4 dan H2. Proses dekomposisi termal dari biomassa dapat digunakan sebagai salah satu cara dalam menghasilkan gas bakar atau producer gas atau synthesis gas (syngas). Selama ini proses gasifikasi agak sulit dikontrol parameter operasinya karena banyaknya jumlah tar yang terbentuk yang menjadi masalah ketika dibuang kelingkungan. Untuk mengatasi hal tersebut, salah satu cara yang akhir-akhir ini mulai mendapat perhatian adalah penggunaan reaktor circulating fluidized bed (CFB). CFB mempunyai efisiensi yang tinggi dan dapat menghilangkan pembentukan tar karena adanya proses pembakaran tar yang terbentuk. Didalam makalah ini akan dijelaskan tentang kegiatan pengembangan model dan perancangan sistem gasifikasi biomasa dalam reaktor CFB melalui simulasi komputasi dinamika fluida. Model matematik digunakan untuk menentukan dimensi dan konfigurasi sistem, sedangkan simulasi dipakai untuk visualisasi parameter hasil rancangan sebelum konstruksi perangkat keras dilakukan. Kata kunci: gasifikasi biomasa, reaktor circulating fluidized bed, model matematik, simulasi komputasi dinamika fluida 1. PENDAHULUAN Produksi syngas atau producer gas dari biomassa melalui dekomposisi termal (gasifikasi) merupakan proses alternatif sebagai pengganti dari proses pembakaran sempurna yang biasa digunakan dalam sistem 1
pembangkit daya. Syngas mempunyai komposisi sekitar 18-20% H2, 18-20% CO, 2-3% CH4, 12% CO2, 2.5% H2O dan sisanya, N2, dengan nilai kalor gas, sekitar 4.7 – 5.0 MJ/Nm3. Jika proses dekomposisi biasa diubah menggunakan teknik dekomposisi termal menggunakan uap air maka komposisi gas berubah menjadi CO 50 % dan H2 40%, serta 10 % gas-gas lain (metan, karbon dioksida, nitrogen dan ketakmurnian). Gas yang dihasilkan mempunyai kualitas yang lebih tinggi dengan nilai kalor antara 8000 – 9000 kJ/Nm3. Gas hasil proses gasifikasi dapat digunakan langsung sebagai bahan bakar atau bahan baku kimia untuk proses pembuatan biofuel. Namun tar yang terbentuk sebagai hasil samping dari dekomposisi termal atau pirolisa bahan selulosa sangat mengganggu lingkungan. Untuk mengatasi pembentukan tar yang berlebihan tersebut berbagai upaya telah dilakukan, diantaranya penggunaan jenis reaktor downdraft, reaktor dengan unggun terfluidisasi, penggunaan katalis dan melakukan penambahan uap kedalam reaktor gasifikasi. Hasil yang diperoleh juga bervariasi, tergantung pada kondisi operasi. Jadi untuk mengembangkan proses dekomposisi termal biomassa yang efisien dan bersih dari polutan perlu diperhatikan jenis reaktor yang digunakan, jenis biomassa, jenis pereaksi serta kondisi operasi. Dinamika dari keterkaitan antara parameter-parameter tersebut mempunyai hubungan yang kompleks sehingga diperlukan studi simulasi sebelum dilakukan tahap perancangan alat. Studi dinamika dari ketiga faktor utama ini dapat disimulasi dalam reaktor gasifikasi menggunakan teknik komputasi dinamika fluida. Hasil studi simulasi merupakan masukan bagi perancangan alat dan setting kondisi operasional sistem. Didalam ulasan hasil riset (review) terhadap teknologi kontemporer gasifikasi termal yang ditulis oleh Wang et al, (2008), diperlihatkan kelebihan dan kekurangan masing-masing reaktor serta jenis pereaksi yang biasa digunakan untuk proses gasifikasi. Disamping keuntungan-keuntungan yang tersedia, ternyata proses gasifikasi termal biomassa masih mempunyai tantangan-tantangan dalam hal pembentukan tar dan char yang berlebihan serta nilai kalor syngas yang rendah jika kondisi operasi tidak sesuai dengan karakteristik biomassa yang diproses. Pemilihan reaktor gasifikasi berdasarkan pada salah satu faktor penting yang diperhatikan dalam pemodelan dan perancangan tungku yaitu aspek hidrodinamika. Sistem fluidized bed (unggun terfluidisasi) mempunyai hidrodinamika lebih baik dibandingkan tungku dengan unggun tetap. Yang dimaksud dengan hidrodinamika sistem fluidized bed adalah efektifitas dari pergerakan dan interaksi gas dan partikel didalam ruang reaktor[Basu,2006]. Dengan memperhatikan faktor hidrodinamika tersebut, kondisi operasi optimum dari sistem fluidized bed dapat ditetapkan. Jika reaktor fluidized bed dioperasikan tidak pada kondisi spesifik yang telah disyaratkan maka unjuk kerjanya akan turun. Hidrodinamika dari unggun yang terfluidisasi menghasilkan klasifikasi sistem fluidized menjadi beberapa jenis. Berdasarkan pada proses kontak gas-padatan serta kecepatan gas didalam unggun, maka jenis-jenis unggun dapat dilihat dalam tabel berikut. Jenisjenis unggun dibedakan dari kecepatan gas serta kemampuan untuk 2
mempertahankan suhu yang merata (uniform) secara keseluruhan selama proses. Tabel 1. Jenis-jenis unggun dan sifat hidrodinamikanya Packed bed Fluidized bed Sifat
0.03-3
Circulating FB 0.05-0.5
Pneumatic transport Pulverized coal fired 0.02-0.08
1-3
0.5-2.5
4-6
15-30
0.01
0.3
2
40
keatas Mendekati plug flow
keatas Kompleks dua fasa
Keatas Mendekati plug flow
Gerakan padatan
Statis
Pencampuran padatan-padatan
diabaikan
Kehampaan Gradasi suhu Koefisien perpindahan panas unggun ke permukaan, W/m2.K
0.4-0.5 Besar 50-150
Keatas dan kebawah Agak mendekati sempurna 0.5-0.85 Sangat kecil 200-550
keatas Plug flow tersebar (dispersed plug flow) Mayoritas keatas Mendekati sempurna 0.85-0.99 kecil 100-200
0.98-0.998 Agak signifikan 50-100
Aplikasi
Stoker fired
Bubbling FB
Diameter partikel ratarata, mm Kecepatan gas dalam zona pembakaran, m/sec Kecepatan fluidisasi terhadap kecepatan terminal, U/Ut Gerakan gas Pencampuran gas
<300
Fast bed
Keatas Kecil
Tabel diatas dapat dijadikan referensi dalam menentukan parameter dasar dari pemilihan jenis unggun untuk reaksi dekomposisi termal biomassa. Jenis pereaksi dan suhu unggun menentukan komposisi producer gas yang terbentuk dan seterusnya menentukan nilai kalor syngas. Berdasarkan pada prinsip Le Chatelier, efek dari suhu unggun yang mempengaruhi komposisi produk tergantung pada kondisi termodinamika dari reaksi. Suhu reaksi yang tinggi akan memperbaiki pembentukan produk dengan reaksi endotermik, tapi pada hakikatnya lebih memilih reaksi yang exotermis[Alimudin et al, 2010]. Reaksi utama yang terjadi saat gasifikasi dengan sifat termodinamikanya diperlihatkan dalam daftar berikut: Oksidasi: Oksidasi partial: Reforming uap: Water-gas
C + O2 ↔ CO2; H = +408.8 kJ/mol 2C + O2 ↔ 2CO; H = +246.4 kJ/mol CH4 + H2O ↔ CO + 3 H2; H = -206 kJ/mol CH4 + H2O ↔ CO2 + 4 H2; H = -165 kJ/mol C + H2O ↔ CO + H2; H = -131 kJ/mol 3
Boudouard Water gas shift reaction
C + CO2 ↔ 2CO; H = -172 kJ/mol CO + H2O ↔ CO2 + H2; H = -41.98 kJ/mol C + 2H2O ↔ CO2 + 2H2; H = +100 kJ/mol
Reaksi utama diatas digunakan sebagai basis oleh para peneliti untuk membangun kesetimbangan termodinamika, neraca massa, neraca energi serta kinetika reaksi. Didalam makalah ini akan dibahas segi perancangan dan pemodelan proses gasifikasi biomassa dalam reaktor circulating fluidized bed. Pemilihan reaktor circulating fluidized bed (CFB) dibuat karena reaktor tersebut berbeda dengan reaktor fluidized bubbling biasa. Dalam CFB ruang untuk tempat terjadinya reaksi dibagi menjadi dua, yaitu ruang gasifikasi dan ruang pembakaran. Reaktor CFB bekerja menggunakan pasir yang dipanaskan melalui preheater burner LPG yang disirkulasi dalam ruang gasifikasi dan ruang pembakaran. Pasir panas berfungsi sebagai pembawa energi yang akan memecah molekul biomassa menjadi syngas. Saat terjadi dekomposisi termal produk samping pirolisa berupa tar melekat pada pasir. Pasir harus disirkulasi kedalam ruang pembakaran supaya tar yang melekat pada pasir tersebut terbakar menjadi gas-gas inert yang dapat langsung dibuang keudara. 2. METODOLOGI Metodologi penelitian terdiri dari perancangan sistem untuk skala laboratorium dengan pendekatan simulasi dan perhitungan matematis. Sistem yang dibuat berupa model reaktor circulating fluidized bed (CFB) yang berkapasitas 15-25 kg biomass per jam. Reaktor tersebut dilengkapi dengan sistem pembangkit uap lewat jenuh kapasitas 50 kg per jam dengan tekanan maksimum 5 bar. Alat ukur tekanan, laju alir, dan analisis gas diperlukan untuk memonitor parameter yang akan menjadi karakteristik dari sistem. 2. 1 Konsep Disain Waktu tinggal campuran bahan bakar dan udara dalam reaktor merupakan faktor penting dalam perancangan sistem sehingga jumlah gas yang terbentuk maksimal dengan jumlah tar atau 'byproduct' yang minimal. Reaktor berbentuk silindris dengan open top re-burn dan unggun yang terfluidisasi merupakan reaktor yang telah teruji dapat meminimalkan pembentukan tar. Neraca massa dan energi dari suatu sistem dekomposisi termal biomassa dapat ditentukan dari analisis komponen bahan bakar dan produk. Secara umum, volume gas yang terbentuk adalah berkisar antara 1.5 – 2 Nm3 per kg bahan bakar. Perbandingan jumlah udara yang digunakan adalah 2.79 berat. Dengan adanya uap air jumlah tar dan residu berkurang drastis sehingga masalah lingkungan dapat dipecahkan. Kondisi optimum dari reaksi dekomposisi termal akan ditentukan dalam disain eksperimen. 4
2.2. Perancangan Sistem dan Simulasi Perancangan sistem menggunakan pendekatan formulasi matematis untuk menentukan dimensi dari reaktor dan alat bantu lainnya seperti jumlah udara yang berhubungan dengan spesifikasi blower yang akan digunakan. Faktorfaktor yang berpengaruh dalam perhitungan efisiensi pembakaran dan boiler dapat dievaluasi melalui pendekatan simulasi dinamika fluida menggunakan software PHOENICS. Simulasi akan menghasilkan perkiraan topografi dari pembakaran didalam tungku. Simulasi juga dapat digunakan untuk optimasi rasio udara dan bahan bakar supaya pembakaran sempurna dapat berlangsung yang akan mengurangi jumlah partikel yang terbawa didalam gas buang. Variasi parameter dilakukan untuk melihat topografi aliran yang terbentuk didalam reaktor. 2.2.1 Penentuan Dimensi Reaktor Sebagai panduan dalam penentuan dimensi reaktor, digunakan rumusrumus fluidized bed yang sudah dikembangkan oleh peneliti-peneliti lain[Ramirez, et al, 2007]. Parameter yang perlu dicari adalah: Kecepatan fluidisasi minimum Kecepatan terminal partikel Kecepatan fluidisasi saat gasifikasi Tinggi reaktor keseluruhan Kecepatan fluidisasi adalah fungsi dari densitas dan porositas dari unggun partikel. Kecepatan fluidisasi minimum diperlukan untuk mengatasi kehilangan tekanan karena gravitasi pada unggun saat fluidisasi dimulai. Kehilangan tekanan tidak lagi berubah secara signifikan apabila unggun telah terfluidisasi sempurna dan melewati ketinggian tertentu dari reaktor. Kecepatan fluidisasi minimum (minimum fluidization velocity), , ditentukan oleh kecepatan terendah superfisial dari gas yang mengalir melalui unggun. Masing-masing dihitung untuk unggun pasir dan unggun biomasa. .
=
− 150.
.
.∅ 1−
∗
Kecepatan fluidisasi saat proses gasifikasi merupakan perbandingan antara tinggi minimum dan tinggi ekspansi dari unggun yang terfluidisasi. = 1+
10.978 .
.
− .
.
.
.
.
.
.
Untuk bubbling fluidized bed digunakan batasan berikut: 1.2 <
< 1.4 5
Tinggi reaktor (
) keseluruhan dihitung menurut rumus berikut: =
+
TDH atau threshold disengaging height merupakan korelasi grafis yang dibuat oleh Zens and Weil diambil dari ref[5] dan ditunjukkan dalam gambar dibawah.
Bagan 1 Korelasi Zen & Weil untuk perhitungan TDH 2.2.2 Penentuan neraca massa dan energi Stoikhiometri reaksi antara hidrokarbon dan oksigen dapat dicari berdasarkan pada komposisi ultimate dari bahan bakar, yang secara umum diberikan dalam reaksi berikut:
C H O O2 3.76 N 2 CO 2 H 2 Ovapour 3.76 N 2 4 2 4 2 2 dimana dan adalah jumlah atom karbon (C), hidrogen (H) dan oksigen (O) yang terdapat dalam bahan bakar hidrokarbon. Untuk pekerjaan simulasi dan perancangan dalam digunakan sekam padi. Persamaan neraca massa untuk unsur-unsur elementer karbon, hidrogen dan oksigen dikembangkan berdasarkan pada analisis proksimat dan ultimat dari bahan bakar sekam padi dan perkiraan dari hasil gasifikasi menggunakan udara. Analisis elementer dasar kering dari sekam padi adalah sebagai berikut: Karbon 36.6 % Hidrogen 5.83 % Nitrogen 3.31 % Oksigen 36.65 % 6
Analisis proksimat dari sekam padi diperlihatkan dibawah ini: Kandungan kelembaban 9.3% Karbon tetap 15.4 % Zat terbang 57.7 % Abu 17.6 Perkiraan konsentrasi dari hasil pembentukan syngas terhadap gasifikasi sekam padi adalah: CO 12 % H2 4.0 % CH4 3.0% Dengan demikian persamaan reaksi gasifikasi dari sekam padi dapat dijabarkan secara stoikhiometris menggunakan persamaan berikut : (3.05 + 5.83 + 2.29 + 0.24 ) + ⎯⎯⎯
(12
+4
(
+3
)+
+ 3.79 +
+
+ +
)+
Jumlah udara yang diperlukan ( ) untuk proses gasifikasi diturunkan dari hasil perhitungan parameter fluidisasi yang ditunjukkan dalam persamaan berikut: = 3,600 .
. .
+ 0.648.
Diperoleh koefisien stoikhiometri ( ) untuk kebutuhan jumlah udara, yaitu: =
̇ 4.76 .
Faktor penting lain dalam operasional gasifikasi adalah rasio ekivalensi ( ) antara udara dan bahan bakar, yang diberikan dalam persamaan berikut: =
(
.
)
/
Neraca energi untuk proses gasifikasi merupakan energi input dari campuran biomassa ( ) dan udara ( ) serta energi yang digunakan untuk gasifikasi ( ) dan fluidisasi ( ). +
=
+
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam perancangan ini digunakan pasir kuarsa dan biomas sekam padi. Sifat kedua bahan tersebut ditunjukkan dalam tabel berikut.
7
Sifat Ukuran partikel rata-rata (µm) Kerapatan (kg.m-3) Porositas Sferisitas
Pasir 385 2,650 0.46 0.78
Sekam 856 389 0.64 0.49
Parameter perancangan untuk reaktor 1. Unit Gasifikasi Diameter, m Tinggi, m 2. Unit Combustor Diameter, m Tinggi, m
0.2 2.250 0.3 1.750
Parameter operasional Kecepatan fluidisasi untuk disain, m/s Kecepatan fluidisasi minimum untuk disain, m/s Jumlah nozzle Diameter nozzle, mm Kehilangan tekanan dalam unggun, kPa Tinggi unggun pasir, m Jumlah sekam, kg/jam
0.7 0.07 4 2.38 6.05 0.4 Maks 33.02
Parameter rancangan yang diperoleh dari perhitungan matematis disimulasi menggunakan program komputasi dinamika fluid PHOENICS. Hasil simulasi dinamika fluid menunjukkan bahwa dengan parameter hasil perhitungan dapat diperoleh aliran yang diinginkan didalam reaktor. Dibawah ini diperlihatkan konfigurasi tungku yang menggunakan koordinat polar silindris dan perubahan tekanan serta vektor kecepatan didalam reaktor. Bagian bawah reaktor dimulai dari sebelah kanan yang ditunjukkan oleh grid polar. Tekanan terlihat besar pada bagian bawah reaktor, sedangkan pada bagian atas tekanan sudah mulai mengecil. Sedangkan kecepatan aliran didalam reaktor relatif sama sepanjang tinggi reaktor, yang berarti tidak ada kehilangan kecepatan karena friksi. Bagan streamline menunjukkan aliran yang relatif konstan sepanjang reaktor.
Bagan 2 Konfigurasi dan grid reaktor CFB gasifikasi 8
Bagan 3 Kontur tekanan didalam reaktor
Bagan 4 Vektor kecepatan didalam reaktor
Bagan 5 Bagan streamline didalam reaktor
Bagan 6 Skema hasil rancangan untuk reaktor CFB kapasitas 15-25 kg/jam
9
4. KESIMPULAN DAN SARAN Metodologi yang digunakan dalam pengembangan sistem gasifikasi biomasa menggunakan reaktor CFB secara visual memperlihatkan konfigurasi aliran yang stabil. Variasi parameter tidak terlalu mempengaruhi topografi dari aliran partikel didalam reaktor tersebut. Representasi visual hasil simulasi memperlihatkan efektifitas dari pencampuran udara dan bahan bakar didalam tungku, efektifitas pembakaran, sebaran bahan bakar, serta sebaran partikel dan gas-gas buang. Verifikasi dari hasil pemodelan dan simulasi ini dilakukan dengan data eksperimen yang akan dilakukan tahun 2012. UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terimakasih pada Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah memfasilitasi program pengembangan gasifikasi biomasa ini sehingga program dapat berjalan dengan baik dan lancar. Penulis juga mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya pada jajaran staf di P2F LIPI, baik bagian administrasi maupun bagian bengkel yang telah ikut berpartisipasi penuh dalam perancangan dan konstruksi reaktor gasifikasi ini. DAFTAR PUSTAKA Alimuddin, Z., Lahijani, P., Mohammadi, M., and Mohamed, A.R., (2010), Gasification of lignocellulosic biomass in fluidized beds for renewable energy development: A review, Renewable and Sustainable Energy Review 14, 2852-2862. Basu, P., (2006), Combustion and Gasification in Fluidized Beds, CRC Taylor and Francis Group, USA Wang, L., Weller, C.L., Jones, D.D. and Hanna, M.A., (2008), Contemporary issues in thermal gasification of biomass and its application to electricity and fuel production, Biomass and Bioenergy 32, 573-581. Ramirez, J.J., Martinez, J.D. and Petro, S.L., (2007), Basic Design of A fluidized Bed Gasifier for Rice Husk On A Pilot Scale, Latin American Applied Research, 37:299-306 (2007).
10
