Kalium dan Klorin, 2 Unsur Perlu Perhatian Lebih Pada Wood Pellet

Sebagian besar pembangkit listrik saat ini menggunakan teknologi pulverized combustion yang beroperasi pada temperatur lebih dari 1400 C. Tingginya suhu operasi tersebut membuat persyaratan untuk bahan bakar yang digunakan cukup ketat, artinya tidak semua bahan bakar langsung bisa diterima. Bahan bakar pembangkit listrik tersebut standarnya dirancang dengan menggunakan batubara, sehingga apabila menggunakan bahan bakar biomasa bisa jadi akan membutuhkan modifikasi. Pada rasio cofiring kecil misalnya 5% pembangkit listrik tersebut besar kemungkinan bisa beroperasi secara standard tanpa modifikasi. Pertanyaan besarnya : mengapa pembangkit listrik teknologi pulverized combustion yang kapasitasnya bisa ratusan bahkan ribuan MW tersebut tidak langsung bisa menggunakan biomasa hingga 100% tanpa kendala? Hal itulah yang akan coba kita ulas pada tulisan dibawah ini. 

Perbedaan utama bahan bakar biomasa dengan batubara ditinjau dari pembangkit listrik tersebut adalah kimia abunya. Kimia abu batubara tersusun bahan anorganik yang memiliki titik leleh sangat tinggi dan cenderung tidak korosif terhadap logam-logam pada suhu tinggi. Hal ini membuat secara teknis bahan bakar batubara lebih friendly terhadap pembangkit listrik berteknologi pulverized combustion. Walaupun ditinjau secara lingkungan bahan bakar batubara kurang bersahabat karena fly ash banyak, limbah abunya tergolong B3 dan emisi SOx menyebabkan terjadinya hujan asam. Sedangkan tinjauan dari perubahan iklim dan pemanasan global, jelas batubara merupakan bahan bakar fossil dan merupakan carbon positive sehingga meningkatkan konsentrasi CO2 yang merupakan gas rumah kaca di atmosfer. Banyak negara saat ini yang dalam kebijakannya mengurangi bahkan menghilangkan penggunaan batubara.

Sedangkan bahan bakar biomasa memiliki kandungan kimia abu yang terdiri bahan anorganik yang memiliki titik leleh rendah dan cenderung korosif sehingga menjadi hambatan bagi teknologi pulverized combustion tersebut. Kalium adalah salah satu unsur kimia abu dalam biomasa yang menjadi sorotan utama, hal ini karena kalium memiliki titik leleh rendah dan dalam sejumlah biomasa jumlahnya cukup banyak. Abu kalium yang meleleh tersebut akan menutupi dan terdeposit pada pipa-pipa penukar panas pada boiler pembangkit tersebut. Deposit tersebut membuat efisiensi transfer panas menurun sehingga konsumsi bahan bakar akan meningkat. Hal tersebut diindikasikan dari temperatur cerobong meningkat yang berarti terjadi kehilangan panas yang besar. 

Mekanisme reaksi kimia korosi klorin

Unsur lain yang menjadi sorotan utama selain kalium yakni klorin. Klorin ini korosif dan ibarat hantu bagi pembangkit listrik pulverized combustion tersebut. Sifat korosif tersebut akan memperpendek umur pakai atau umur operasi pembangkit listrik tersebut, misalnya dengan kandungan klorin tinggi pada bahan bakarnya maka membuat umur operasi pembangkit listrik menjadi setengah atau seperempat dari yang seharusnya. Tentu saja hal tersebut sangat merugikan, untuk lebih detail bisa dibaca disini. Di samping kedua hal diatas yang dianggap tidak menguntungkan dari penggunaan bahan bakar biomasa, tetapi seiring masalah kerusakan lingkungan berupa perubahan iklim dan pemanasan global, maka bahan bakar biomasa menjadi solusi masalah tersebut. Hal tersebut karena bahan bakar biomasa merupakan energi terbarukan , berkesinambungan (sustainable), carbon neutral dan berbagai manfaat lingkungan lainnya.

Bahan bakar biomasa yang sangat populer hari ini adalah wood pellet. Ketika ternyata wood pellet yang merupakan bahan bakar biomasa mengandung kalium (potassium) dan klorin tinggi maka menjadi kurang diminati bahkan ditolak oleh pembangkit listrik pulverized combustion tersebut. Para produsen wood pellet harus memperhatikan masalah ini jika segmen pasarnya pembangkit listrik. Memastikan produk wood pellet dengan kandungan klorin dan potassium sesuai persyaratan teknisnya menjadi keharusan para produsen tersebut. Ketika wood pellet terlanjur telah diproduksi tetapi spesifikasinya tidak bisa memenuhi persyaratan, maka perlu mengubah pasarnya atau memperbaiki kualitas wood pelletnya.

Pada dasarnya untuk mengatasi kandungan klorin dan potassium (kalium) tersebut bisa dengan dua cara yakni dari sisi produksi wood pelletnya maupun dari sisi penggunanya. Produsen wood pellet bisa memilih bahan baku yang bisa memenuhi spesifikasi yang diminta atau bahkan melakukan sejumlah treatment sehingga spesifikasinya bisa tercapai. Sedangkan dari sisi penggunanya yakni dengan menggunakan teknologi pembangkit listrik dengan suhu operasi lebih rendah sehingga masalah kalium dan klorin bisa direduksi bahkan dieliminasi. Teknologi pembangkit listrik dengan fluidized bed dan gasifikasi bisa sebagai solusi hal tersebut. 

Masalah Abu Hingga Modifikasi Pembangkit Listrik Dalam Rangka Subtitusi Batubara ke Wood Pellet pada Pulverized System

Abu berbagai biomasa pada pembakaran menimbulkan sejumlah masalah tersendiri pada pulverized system. Hal itu karena pulverized system tersebut dibuat atau dirancang untuk membakar batubara. Bukankah pada batubara juga menghasilkan abu setelah pembakaran bahkan jumlahnya lebih banyak? Ya benar, tetapi kandungan kimia abu batubara berbeda dengan biomasa. Perbedaannya adalah abu batubara banyak mengandung logam berat seperti arsenic, cadmium, mercury, selenium, timbal, dan nickel yang memiliki titik leleh (melting point) yang tinggi sehngga tidak menimbulkan masalah pada pulverized tersebut, sedangkan abu biomasa terutama mengandung logam alkali seperti kalium/potasium dan alkali tanah yakni kalsium, yang memiliki titik leleh rendah sehingga menimbulkan masalah pada pulverized tersebut. Kadar atau kandungan abu batubara pada umumnya juga terpaut jauh dengan kandungan abu biomasa.

Ash Slagging : Deposit lelehan abu dinding air pada boiler atau secara umum pada radiant exposed surface di tungku pembakaran pada suhu diatas 1.000 C

High-temperature fouling (around 1000°C) sedangkan low-temperature fouling (300-600°C) biasanya terjadi pada pipa-pipa boiler

Masalah apa yang ditimbulkan oleh kimia abu biomasa tersebut? Ada beberapa masalah yang ditimbulkan oleh kimia abu tersebut pada pulverized system, yakni slagging dan fouling. Bagaimana menghindarinya? Ada beberapa cara menghindarinya, yakni pertama, menentukan prosentase yang tepat bahan bakar biomasa dalam pulverized system tersebut atau co-firing. Pada prosentase yang sesuai bahan bakar biomasa bisa digunakan bersamaan (co-firing) dengan batubara. Jenis bahan bakar biomasa juga menentukan prosentase-nya, misalnya wood pellet akan memiliki porsi lebih besar daripada agro-waste pellet. Kedua, yakni dengan melakukan modifikasi pada pembangkit listrik batubara tersebut sehingga bahkan bisa 100% dengan bahan bakar biomasa seperti wood pellet.

Pembakaran bahan bakar biomasa selain ramah lingkungan atau carbon neutral, emisi CO2 lebih sedikit, emisi SO2 juga sangat kecil, sangat sedikit bahkan tidak terjadi fly ash, dan abunya kaya kalium, dan phospur sehingga menjadi pupuk yang baik bagi tanaman. Sedangkan abu batubara sebaliknya dan bahkan dikategorikan limbah B3 karena kandungan sejumlah logam berat tersebut. Berdasarkan hal-hal tersebut wajar jika penggunaan bahan bakar biomasa terus ditingkatkan bahkan telah menjadi kebijakan pemerintah di sejumlah negara.

Entry point untuk penggunaan bahan bakar biomasa secara massif adalah dengan co-firing batubara. Modifikasi pembangkit listrik batubara tersebut telah menjadi peluang tersendiri, sehingga sejumlah perusahaan muncul untuk menangkap peluang tersebut seperti Ramboll dan Doosan Babcock. Sedangkan di Indonesia sepertinya masih cukup lama untuk menjadikan bahan bakar biomasa memiliki porsi yang besar sebagai sumber energi, khususnya pada pembangkit-pembangkit listriknya, karena belum ada kebijakan yang mendukungnya.

Fokus Pada Abu

Abu pembakaran kayu; photo diambil dari sini

Pemanfaatan biomasa dengan rute thermal yakni pembakaran (combustion) dan gasifikasi akan dihasilkan residue berupa abu. Sedangkan pada pirolisis karena bekerja pada suhu rendah  (400-600 C) dan  tanpa oksigen/udara maka tidak terjadi abu. Mineral-mineral yang terkandung dalam biomasa akan tetap tertinggal pada produk berupa arang pada proses pirolisis. Kadar abu (ash content) dan komposisi abu (ash composition/ash chemistry) sangat mempengaruhi proses pemanfaatan biomasa tersebut selain nilai kalor (heating value), ukuran partikel dan kadar airnya.

Secara umum karakterisasi dari abu dari biomasa dideskripsikan oleh Bryers  sebagai berikut :

1.       Kandungan abu silica (Si) dan potassium (K) yang tinggi dengan kalsium (Ca) yang rendah, dengan low fusion temperature berasal dari kelompok limbah-limbah biomasa pertanian.

2.       Kandungan abu silica (Si) dan potassium (K) yang rendah dengan kalsium (Ca) yang tinggi, dengan high fusion temperature berasal dari kelompok hampir semua biomasa kayu. Spesifikasi yang terbaik untuk pembakaran (combustion) dan gasifikasi.

3.       Kandungan abu potassium (K) dan phosphorus yang tinggi, dengan low fusion temperature berasal dari kelompok kotoran seperti kotoran unggas dan ternak.

Biomass Ash Content

Kandungan abu dari berbagai tipe biomasa mengindikasikan slagging behavior. Pada umumnya, semakin tinggi kandungan abunya, semakin besar kecenderungan slagging behavior-nya. Tetapi ini bukan berarti bahwa kandungan abu yang rendah tidak menunjukkan fenomena slagging tersebut. Suhu operasi, komposisi mineral (ash chemistry) dari abu dan prosentase-nya merupakan variable-variabel terjadinya slagging tersebut. Jika kondisinya mendukung maka slagging akan semakin besar. Mineral seperti SiO2, Na2O dan K2O lebih bertendensi terhadap terjadinya slagging. Biasanya slagging terjadi pada biomasa dengan kandungan abu lebih dari 4% dan non-slagging fuel dengan kandungan abu kurang dari 4%. Menurut komposisi melelehnya, bahan bakar-bahan bakar biomasa tersebut dikelompokkan menjadi severe atau moderate slagging.

Ash Chemistry; taken from here

 Masalah yang ditimbulkan dari abu ini adalah menyumbat lubang pemasukan udara ataupun meleleh (slagging) yang akan mengurangi efisiensi proses thermal gasifikasi dan pembakaran (combustion) tersebut  terkait suplai udara dan distribusi biomasa dalam unit proses tersebut.

Ash slagging; photo diambil dari sini

Sehingga sebelum mengolah suatu limbah biomasa,  pertimbangkan dan perhatikan kadar abu dan komposisinya sehingga bisa memberikan hasil yang optimum.