Gasifikasi batubara adalah proses untuk mengkonversi batubara yang berwujud padat menjadi campuran gas yang memiliki nilai bakar. Pada proses gasifikasi digunakan pereaksi udara, O2, , CO2 atau campuran dari gas tersebut. Gas produk gasifikasi memiliki komponen utama H2, CO dan CO2.Berdasarkan jenis pereaksi yang digunakan maka produk gas yang dihasilkan gasifikasi batubara dikelompokkan menjadi dua yaitu gas berkalori rendah (4 — 7 MJ/Nm3) dan gas kalori menengah (10 — 18 MJ/Nm3) yang sering disebut gas sintesis atau syngas. Penggunaan pereaksi udara akan menghasilkan produk gas kalori rendah dan mengandung pengotor N2 sekitar 50% yang berasal dari udara.
Penggunaan pereaksi oksigen, ,CO2 atau campuran dari gas tersebut akan menghasilkan syngas. Gas sintesis merupakan campuran gas H2 dan CO yang digunakan sebagai bahan baku untuk sintesa beberapa bahan kimia. Penggunaan pereaksi O2 akan menghasilkan reaksi eksotermal, sedangkan penggunaan pereaksi H2O dan CO2 akan menghasilkan reaksi endotermal. Proses-proses yang terjadi di dalam reaktor gasifikasi adalah:
- Pengeringan
- Pirolisis
- Pembakaran
- Reduksi
Tahap Pengeringan
Pada zona pengeringan, kandungan air dalam bahan bakar padat dikurangi dengan memanfaatkan bahang dan udara yang masuk ke gasifier. Pada zona ini, sebagian asam-asam organik juga akan diuapkan. Pengeringan terjadi pada suhu 100 - 200°C. Kebutuhan panas diperoleh dari reaksi oksidasi yang bersifat eksotermal. Kandungan asam ini dapat menyebabkan korosi pada dinding reaktor.
Tahap Pirolisis
Pirolisis batubara merupakan proses dekomposisi thermal batubara pada kondisi udara terbatas. Pada tahap ini terjadi perengkahan termal bahan bakar padat menjadi senyawa-senyawa CO, CO2,CH4, H2, H2O, tar dan arang. Gas-gas yang terbentuk pada tahap pirolisis akan menjadi reaktan pada tahap oksidasi dan tahap reduksi. Kebutuhan bahang untuk tahap pirolisis dipenuhi oleh bahang reaksi reduksi dan oksidasi. Laju reaksi pirolisis dipengaruhi oleh laju persamaan bahan di dalam zona pirolisis. Laju pemanasan bahan bergantung pada sifat-sifat termofisik bahan yang dinyatakan sebagai difusivitas bahang bahan. Semakin besar difusivitas bahang maka laju pemanasan bahan akan semakin tinggi, berarti laju pirolisis akan semakin tinggi, sehingga laju pembentukan gas akan semakin tinggi.
Proses pirolisis merupakan proses yang rumit dan belum sepenuhnya dimengerti. Beberapa catatan tentang pirolisis sebagai berikut, pada temperatur 200oC hanya uap air yang dilepaskan. Sedangkan pada temperatur 200-280oC, CO2, asam asetat, dan uap air dilepaskan. Proses pirolisis pada temperatur 280-500oC menghasilkan gas dalam jumlah yang besar. Pada temperatur 500-700oC gas yang dihasilkan lebih sedikit dan mengandung hidrogen. Proses pirolisis yang terjadi pada molekul batubara dapat dilihat pada gambar di bawah. Pemanasan terhadap partikel batubara menyebabkan pemutusan ikatan kimia dan ikatan paling lemah diikuti ikatan yang lebih kuat.Pada tahap pertama ikatan hidrogen terputus dan batubara melembek, yang disebut metaplast.
Pada tahap kedua, primary pyrolysis, ikatan kimia pada rantai alifatis mulai terputus sehingga membentuk molekul dengan berat molekul besar, uap air, metana, CO2, hidrokarbon ringan dan gas molekul ringan lainnya. Jika molekul besar yang terengkah memiliki jumlah molekul cukup ringan maka pada suhu pirolisis akan menguap sehingga pada suhu yang lebih rendah akan mengembun dan membentuk tar. Ikatan rantai silang menentukan terbentuknya tar dan reaktifitas arang yang terbentuk pada tahap berikutnya.
Pada tahap ketiga, secondary pyrolysis, terjadi pemutusan ikatan kimia dan gugus fungsi metilen membentuk gas metana, gugus fungsi eter membentuk gas CO dan proses kondensasi melepaskan gas hidrogen. Pada tahap ini juga terjadi proses polimerisasi molekul-molekul besar membentuk karbon padat.
Tahap Pembakaran
Pada tahap ini berlangsung reaksi antara oksigen dari media penggasifikasi dengan gas-gas yang mudah terbakar (combustible) dan karbon dari tahap pirolisis.Reaksi oksidasi ini sangat eksoterm sehingga bahang reaksi oksidasi dapat memenuhi kebutuhan bahang pada tahap pengeringan, pirolisis, dan reduksi.
Reaksi oksidasi yang berlangsung adalah:
Tahap Reduksi
Reduksi 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 terjadi pada reaksi reduksi.
-
Reaksi Boudouard (Boudouard reaction) Boudouard reaction merupakan reaksi antara karbondioksida yang terdapat di dalam gasifier dengan karbon untuk menghasilkan CO. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:
-
Water-Gas Reaction Water-gas reaction merupakan reaksi oksidasi parsial karbon oleh 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 sebagai berikut:
-
Reaksi Methanisasi (Methanation Reaction) Methanation reaction merupakan reaksi pembentukan gas metan. Reaksi yang terjadi pada methanisasi adalah sebagai berikut:
-
Reaksi Shift CO (CO Shift Reaction) CO shift reaction merupakan reaksi reduksi karbon monoksida oleh untuk memproduksi hidrogen. Reaksi ini dikenal sebagai water-gas shift yang menghasilkan peningkatan perbandingan hidrogen terhadap karbon monoksida pada gas produser. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
Pada tahap reduksi berlangsung reaksi-reaksi kesetimbangan antara gas-gas hasil tahap oksidasi dengan karbon padat yang diumpankan sebagai arang. Reaksi-reaksi kesetimbangan yang terjadi merupakan reaksi endoterm.Bahang yang dibutuhkan dipenuhi dari bahang oksidasi.
Reaksi-reaksi tersebut dapat berlangsung secara bertahap atau secara simultan tergantung pada jenis reaktor (gasifier) yang digunakan. Pada reaktor fluidized bed dan entrained bed reaksi gasifikasi berlangsung secara simultan seperti terlihat pada gambar di bawah.
