Gasifikasi Biomassa

Gasifikasi adalah suatu teknologi proses konversi bahan padat menjadi gas yang mudah terbakar. Bahan padat yang dimaksud dari bahan bakar padat misalnya, biomassa, batubara, dan arang yang mengandung karbon (C), sedangkan gas yang dimaksud adalah gas-gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi seperti CO, H₂, dan CH_4. Melalui gasifikasi, kita dapat mengkonversi hampir semua bahan organik kering menjadi bahan bakar, sehingga dapat menggantikan bahan bakar fosil sebagai sumber bahan bakar. Bahan baku untuk proses gasifikasi dapat berupa limbah biomassa, yaitu potongan kayu, tempurung kelapa, sekam padi maupun limbah pertanian lainnya.

Gasifikasi umumnya terdiri dari empat proses, yaitu pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi. Pada gasifier jenis unggun terfluidakan, kontak yang terjadi saat pencampuran antara gas dan padatan sangat kuat sehingga perbedaan zona pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi tidak dapat dibedakan. 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: 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). Pada pengeringan, kandungan air pada bahan bakar padat diuapkan oleh panas yang diserap dari proses oksidasi. 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. 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. Penjelasan lebih lanjut mengenai proses-proses tersebut disampaikan pada uraian berikut ini.

2.1.1. Proses Pengeringan (Drying)

            Reaksi ini terletak pada bagian atas reaktor dan merupakan zona dengan temperatur paling rendah di dalam reaktor yaitu di bawah 150 ^oC. Proses pengeringan ini sangat penting dilakukan agar pengapian pada burner dapat terjadi lebih cepat dan lebih stabil. Pada reaksi ini, bahan bakar yang mengandung air akan dihilangkan dengan cara diuapkan dan dibutuhkan energi sekitar 2260 kJ untuk melakukan proses tersebut sehingga cukup menyita waktu operasi.

            Menurut Kurniawan (2012), penelitian yang telah dilakukannya menunjukan bahwa pengeringan manual oleh sinar matahari berperan penting dalam mempercepat proses pengeringan didalam reaktor oleh panas reaksi pembakaran (oksidasi). Penjemuran dengan sinar matahari pada suhu diatas 32 ⁰C selama dua jam dapat mempercepat waktu pengeringan di dalam reaktor hingga 30% atau kurang dari 25 menit. Jika dibandingkan dengan penjemuran pada suhu 30 ⁰C yang mencapai 25-40 menit untuk proses pengeringan saja.

2.1.2.Pirolisis
            Pirolisis atau devolatilisasi disebut juga sebagai gasifikasi parsial. Suatu rangkaian proses fisik dan kimia terjadi selama proses pirolisis yang dimulai secara lambat pada T < 350 °C dan terjadi secara cepat pada T > 700 °C. Ketika suhu pada zona pirolisis rendah maka akan dihasilkan banyak arang dan sedikit cairan (air,hidrokarbon dan tar). 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.

2.1.3. Reduksi (Gasifikasi)

            Reduksi atau gasifikasi melibatkan suatu rangkaian reaksi endotermik yang disokong oleh panas yang diproduksi dari reaksi pembakaran. Reduksi terjadi pada suhu < 800 ⁰C dan menghasilkan gas mampu bakar (syngas) berupa H­₂, CO, dan CH₄. Reaksi berikut ini merupakan empat reaksi yang umum telibat pada gasifikasi.

• Water-gas reaction

Water-gas reaction merupakan reaksi oksidasi parsial karbon oleh kukus yang dapat berasal dari bahan bakar padat itu sendiri (hasil pirolisis) maupun dari sumber yang berbeda, seperti uap air yang dicampur dengan udara dan uap yang diproduksi dari penguapan air. Reaksi yang terjadi pada water-gas reaction adalah:

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

Pada beberapa gasifier, kukus dipasok sebagai medium penggasifikasi dengan atau tanpa udara/oksigen.

• Boudouard reaction

Boudouard reaction merupakan reaksi antara karbondioksida yang terdapat di dalam gasifier dengan arang untuk menghasilkan CO. Reaksi yang terjadi pada Boudouard reaction adalah:

 CO₂    +    C                       2CO           – 172.58 kJ/mol

• Shift conversion

Shift conversion merupakan reaksi reduksi karbonmonoksida oleh kukus untuk memproduksi hidrogen. Reaksi ini dikenal sebagai water-gas shift yang menghasilkan peningkatan perbandingan hidrogen terhadap karbonmonoksida pada gas produser. Reaksi ini digunakan pada pembuatan gas sintetik. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

CO + H₂O                CO₂ + H₂            – 41.98 kJ/mol

• Methanation
  Methanation merupakan reaksi pembentukan gas methan. Reaksi yang terjadi pada methanation adalah:

C + 2H₂                            CH₄               + 74.90 kJ/mol

Pembentukan methan dipilih terutama ketika produk gasifikasi akan ppdigunakan sebagai bahan baku indsutri kimia. Reaksi ini juga dipilih pada aplikasi IGCC (Integrated Gasification Combined-Cycle) yang mengacu pada nilai kalor methan yang tinggi.

2.1.4. Oksidasi (Pembakaran)

            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:

1.                              C + O₂                                 CO₂                       + 393.77 kJ/mol

2.                              H₂ + ½ O₂                          H₂O                 + 742 kJ/mol

            Ada tiga elemen penting untuk melakukan reaksi pembakaran ini, yaitu panas (heat), bahan bakar (fuel), dan udara (oxygen). Reaksi pembakaran hanya akan terjadi jika ketiga elemen tersebut tersedia. Didalam udara tidak hanya terkandung oksigen ( O₂) saja, tapi juga terdapat nitrogen (N₂) dengan berbandingan 21% dan 79%. Nitrogen ini jika terikat dengan O₂ akan menjadi polutan yaitu NO₂ yang bisa menjadi racun dan mencemari udara. Disamping menjadi polutan, N₂ juga dapat menyerap panas pada proses pembakaran sehingga bisa menurunkan efisiensi pembakaran. Dalam perhitungan neraca massa dan energi  jumlah nitrogen yang masuk sama dengan yang keluar dan sedikit membentuk NO₂ atau dengan kata lain gas ini hanya lewat dalam proses dan mengurangi efisiensi pembakaran.