PENCEMARAN UDARA
3.4 Pengaruh Jenis Bahan Bakar Boiler terhadap Emisi Gas Buang
Telah dijelaskan sebelumnya bahwa jenis serta kuantitas dari bahan bakar dapat menentukan emisi gas buang. Penggunaan bahan bakar baik padat maupun cair akan menghasilkan gas-gas seperti CO2, SO2, NO2 dan abu, baik yang merupakan bottom ash maupun fly ash. Sedangkan metoda atau cara sederhana untuk menentukan emisi gas buang dari jenis bahan bakar boiler dapat dilakukan dengan stoikiometri reaksi kimia pembakaran, perhitungan dengan asumsi tipikal dari berbagai kondisi pembakaran rata-rata, atau dengan menggunakan data tipikal rata-rata emisi berbagai jenis bahan bakar serta hasil pengukuran lapangan.
Perhitungan ini dengan asumsi bahwa pembakaran sempurna (pembakaran dengan rasio F/A yang sesuai dengan excess udara yang cukup akan menghasilkan pembakaran yang mendekati sempurna, perhitungan ini boleh digunakan sebagai pendekatan). Data yang dibutuhkan dalam perhitungan gas emisi dalam hal ini, antara lain:
1. Rumus kimia bahan yang akan dibakar, secara umum bahan bakar fosil terdiri atas C, H, O, N, S dengan rumus umum CaHbOcNdSe; sehingga bisa dihitung reaksi stoikiometrinya dengan oksidasi (pembakaran sempurna) CaHbOcNdSe + f O2 a CO2 + b/2 H2O + e SO2 + d NO2
2. Berat molekul masing-masing senyawa yang ada pada stoikiometri
3. Kebutuhan bahan bakar tiap waktu atau dapat juga dihitung berdasarkan energi yang dihasilkan (per kW energi)
4. Jenis gas emisi dapat dilihat dari reaksi yang terjadi di atas, sangat berhubungan dengan kandungan unsur dalam rumus kimia bahan bakar. Sehingga jika bahan bakar hanya mengandung CHONS, maka emisi gas yang dihasilkan CO2, H2O, SO2, NO2 (pembakaran sempurna) atau C, CO, CO2, H2O, SO2, NO2 (pembakaran tidak sempurna, kekurangan pasokan udara; rasio F/A tidak terpenuhi) atau C, CO, CO2, H2O, SO2, NO2, dan uap bahan bakar (jika pembakaran pada suhu terlalu rendah).
Contoh:
Batu Bara, dengan asumsi umum rumus kimia C100H85S21N15 O95
Jika dalam suatu industri, untuk menghasilkan 10000 kW energi dibutuhkan 1 ton batubara, maka emisi yang dikeluarkan dapat dihitung dengan cara berikut, atau jika dalam industri tersebut dibutuhkan 2 ton batu bara tiap hari, maka dapat diestimasikan beban emisi yang dikeluarkan adalah sebagai berikut:
Reaksi yang terjadi secara umum dan ideal:
C100H85S2.1N1.5O9.5 + 120.1O2 → 100CO2 + 42.5H2O + 2.1SO2 + 1.5NO2
Sehingga setiap 1 mol batu bara (1,525 kg) akan menghasilkan emisi sebanyak, (berat molekul batu bara = 1525 g/mol):
CO2 = 100 mol (BM = 44 g/mol) beban emisi = 44 g/mol x 100 mol = 4400 gram SO2 = 2,1 mol (BM = 64 g/mol) beban emisi = 64 g/mol x 2,1 mol = 134,4 gram NO2 = 1,5 mol (BM = 46 g/mol) beban emisi = 46 g/mol x 1,5 mol = 69 gram
Untuk tiap 1 ton batu bara dengan jenis di atas maka beban emisi masing-masing gas (dapat juga dihitung per kW energi yang dihasilkan)
CO2 = (4,4 kg CO2/1,525 kg batu bara)*1000 kg/ 1 ton = 2885,45 kg CO2/ton batubara SO2 = (0,1344 kg SO2/1,525 kg batu bara)*1000 kg/ 1 ton = 88,13 kg SO2/ton batubara NO2 = (0,069 kg NO2/1,525 kg batu bara)*1000 kg/ 1 ton = 45,25 kg NO2/ton batubara Perhitungan emisi gas per kW energi
CO2 = 2885,45 kg CO2/ton batubara * 1 ton batubara/10000 kW =0,2885 kg/kW SO2 = 88,13 kg SO2/ton batubara * 1 ton batubara/10000 kW =0,0088 kg/kW NO2 = 45,25 kg NO2/ton batubara * 1 ton batubara/10000 kW =0,0045 kg/kW
Atau jika diketahui kebutuhan batubara perwaktu, seperti kebutuhan batu bara 2 ton/hari, maka beban emisi tersebut adalah:
CO2 = 2885,45 kg CO2/ton batubara x 2 ton batu bara/hari = 5770,9 kg/hari = 240,45 kg/jam SO2 = 88,13 kg SO2/ton batubara x 2 ton batu bara/hari = 176,26 kg/hari = 7,34 kg/jam NO2 = 45,25 kg NO2/ton batubara 2 ton batu bara/hari = 90,5 kg/hari = 3,77 kg/jam
Perhitungan ini dengan asumsi bahwa pembakaran terjadi seperti keadaan rata-rata. Beberapa kemungkinan gas emisi dihasilkan dihitung berdasarkan analisis proximat kadar abu, kadar sulfur, kadar karbon (pada kasus ini kadar nitrogen dalam bahan bakar dianggap sesua perbandingan C dan S, secara umum). Data yang dibutuhkan dalam perhitungan gas emisi dalam hal ini, antara lain:
Data analisis proksimat kadar abu (%), kadar S (%), kadar C (%) dan kebutuhan bahan bakar (ton/jam)
Data-data lain diasumsikan mengikuti perbandingan dari data analisis proksimat di atas.
Jenis gas emisi dapat dilihat dari reaksi yang terjadi di atas, dengan asumsi pembakaran tidak sempurna benar, sangat berhubungan dengan kandungan unsur dalam rumus kimia bahan bakar. Sehingga jika bahan bakar hanya mengandung CHONS, maka emisi gas yang dihasilkan CO2, H2O, SO2, NO2 (pembakaran sempurna) atau atau CO, CO2, H2O, SO2, NO2, dan uap bahan bakar atau hidro karbon (HC) (jika pembakaran pada suhu terlalu rendah)
Kadar emisi dapat dihitung dengan pendekatan nilai sebagai berikut:
A (ash) %
Particullate
(g/s) SOx (g/s) CO (g/s) HC (g/s) NOx (g/s) CO2 (g/s)
S % 8A 19S 0,5 0,15 9 Bahan bakar (ton/jam) 8*A*BB* 1000/3600 19*S*BB* 1000/3600 0,5*BB* 1000/3600 0,15*BB* 1000/3600 9*BB* 1000/3600 BB*C*(44/12)* 1000/3600 Kadar C (%) Catatan: A = kadar abu (%) BB = bahan bakar S = sulfur (%) Contoh:
Dalam operasional pabrik dibutuhkan batu bara sebagai bahan bakar 12 ton/jam, jika data analisis bahan bakar menunjukkan kadar abu 8 %, kadar S 5 % dan kadar C 41 %, maka dapat diperkirakan emisi yang dihasilkan adalah sebagai berikut:
Partikulat (g/s) = 8 x 8 x 12 x 1000/3600 = 213,33 g/s SOx (g/s) = 19 x 5 x 12 x 1000/3600 = 316,67 g/s CO (g/s) = 0,5 x 12 x 1000/3600 = 1,67 g/s HC (g/s) = 0,15 x 12 x 1000/3600 = 0,5 g/s NOx (g/s) = 9 x 12 x 1000/3600 = 30 g/s CO2 (g/s) = 12 x 41 x (44/12) x 10000/36000 = 5011,11 g/s
Secara umum, jenis emisi gas tergantung pada jenis dan kandungan bahan bakar yang digunakan dalam pembakaran. Emisi yang dikeluarkan dari pembakaran batu bara akan berbeda dengan emisi yang dihasilkan oleh premium, demikian juga dengan yang lainnya. Data yang dibutuhkan dalam penentuan gas emisi dalam hal ini, antara lain:
Jenis bahan bakar yang digunakan akan menentukan secara kualitatif gas emisi yang dihasilkan. Secara umum, semua bahan bakar yang berasal dari senyawa hidrokarbon akan menghasilkan gas emisi berupa C, CO, CO2, H2O dan HC, tergantung peroses kesempurnaan kondisi dan pembakarannya. Gas-gas lain yang dihasilkan tergantung jenis bahan bakar. Solar dan minyak industri bahan dasarnya mengandung N-organik dan S-organik, sehingga pembakarannya akan menghasilkan gas emisi SOx dan NOx, selain gas emisi di atas. Premium biasanya hanya akan menghasilkan tambahan gas emisi pertikulat mengandung Pb. Batu bara akan hampir sama dengan solar namun kadar SOx dan NOx biasanya lebih besar
Jenis dan jumlah gas yang diemisikan dapat dianalisis langsung dengan metode analisis gas emisi.
Perhitungan menggunakan data tipikal rata-rata emisi berbagai jenis bahan bakar serta hasil pengukuran lapangan.
Selain berdasarkan perhitungan diatas, cara untuk menentukan jumlah gas buang yang dihasilkan adalah dengan menggunakan factor emisi. US EPA, mendekati pentuan emisi berdasarkan metoda ini. Pada Tabel 3.1 sampai dengan 3.5 berikut.
Tabel 3.1 Faktor Emisi dengan Batubara Tanpa Peralatan Pengendali Ukuran Furnace (106 Btu/jam heat input) Partikulata Sulfur Oksidab Karbon Monoksida Hidrokarbonc Nitrogen Oksida Aldehid (lb /ton batubara yang terbakar) (lb /ton batubara yang terbakar) (lb /ton batubara yang terbakar) (lb /ton batubara yang terbakar) (lb /ton batubara yang terbakar) (lb /ton batubara yang terbakar) Lebih besar dari
100 (utilitas dan luas boiler industri) Dihancurkan - Umum - Wet bottom - Dry bottom 16A 13Ad 17A 2A 38S 38S 38S 38S 1 1 1 1 0.3 0.3 0.3 0.3 18 30 18 55 0.005 0.005 0.005 0.005 10 hingga 100 (luas boiler industri komersial dan umum) spreader stokere 13A f 38S 2 1 15 0.005 Kurang dari 10 (furnace komersil dan domestik) underfed stoker 2A 38S 10 3 6 0.005 Keterangan:
a. Huruf A pada seluruh unit lainnya dibandingkan dengan peralatan hand-fired mengindikasikan bahwa berat persentase abu pada batubara harus multiple dari nilai yag diberikan. Contoh jika faktor adalah 16 dan kandungan abu 10 %, emisi partikulat sebelum peralatan pengendali harus 10 kali 16, atau 160 pon partikulat per ton batubara.
b. S sama dengan kandungan sulfur. c. Merupakan methan.
d. Tanpa penginjeksian kembali fly ash.
e. Pada semua stoker yang menggunakan 5A untuk faktor emisi partikulat.
f. Tanpa penginjeksian kembali fly ash. Dengan penginjeksian kembali fly ash menggunakan 20A. Nilai ini bukan merupakan faktor emisi tetapi merepresentasikan beban masuk pada peralatan pengendali.
Tabel 3.2 Faktor Emisi dengan Menggunakan Bahan Bakar Minyak
Polutan
Tipe Boilera
Power Plant Industri dan komersil Domestik Residu Minyak Residu Minyak Distilasi Minyak Distilasi (lb/103 gal) (lb/103 gal) (lb/103 gal) (lb/103 gal)
Partikulatb C C 2 2.5 Sulfur dioksidad 157S 157S 142S 142S Sulfur trioridad 2S 2S 2S 2S Karbon monoksidae 5 5 5 Hidrokarbon (total, sebagai CH4)f 1 1 1 1 Nitrogen oksida (total, sebagai NO2) 105 (50) 8gh 60fi 22 18 Keterangan:
a. Boiler bisa diklasifikasikan, secara kasar, berdasarkan gross-nya (lebih tinggi) tingkat heat input sebagai berikut:
- Boiler power plant (utilitas) : lebih besar daripada 250 x 106 Btu/jam.
- Boiler industri : lebih besar daripada 15 x 106 tetapi kurang dari 250 x 106 Btu/jam. - Boiler komersil : lebih besar daripada 0,5 x 106 tetapi kurang dari 15 x 106 Btu/jam. - Boiler domestik (residen) : kurangb dari 0,5 x Btu/jam.
b. Partikulat pada tabel tersbut didefinisikan sebagai material yang dikumpulkan oleh EPA metode 5.
c. Faktor emisi partikulat untuk pembakaran minyak residu, secara rata-rata dideskripsikan paling baik, yang berfungsi sebagai tingkatan bahan bakar minyak dan kandungan sulfur, seperti berikut ini.
Minyak tingkat 6 : lb/103 gal = 10 (S) + 3
Dimana : S adalah persentase dari berat sulfur pada minyak. Minyak tingkat 5 : 10 lb/103 gal
Minyak tingkat 4 : 7 lb/103 gal
d. S adalah persentase dari berat sulfur pada minyak.
e. Emisi karbon monoksida bisa meningkat oleh faktor 10 hingga 100 jika sebuah unit dioperasikan tidak tepat atau tidak dirawat dengan baik.
f. Emisi hidrokarbon secara umum dapat diabaikan kecuali jika tidak dirawat dengan baik. Pada kasus emisi dapat meningkat oleh besarnya beberapa orde.
g. Menggunakan 50 lb/103 gal untuk boiler secara tangensial dan 105 lb/103 gal untuk lainnya, pada beban masuk penuh dan normal (lebih besar dari 15 %) kelebihan udara. Pada pengurangan beban masuk, emisi NOx tereduksi sebesar 0,5 hingga 1 persen, secara rata-rata untuk setiap persentase reduksi pada boiler load.
h. Beberapa modifikasi pembakaran bisa ditujukan untuk mereduksi NOx ; (1) keterbatasan kelebihan udara pembakaran bisa mereduksi emisi NOx sebesar 5 hingga 30 persen. (2) pembakaran bertahap bisa mereduksi emisi NOx sebesar 20 hingga 45 persen, dan (3) resirkulasi buangan gas bisa mereduksi emisi NOx sebesar 10 hingga 45 persen. Modifikasi kombinasi telah diterapkan untuk mereduksi emisi NOx sebanyak 60 % pada boiler tertentu.
i. Emisi nitrogen oksida dari pembakaran sisa minyak di boiler komersil dan industri sangat tergantung pada kandungan nitrogen pada bahan bakar dan bisa terpisah secara akurat berdasarkan hubungan empirik berikut;
lb NO2/103 gal = 22 + 400 (N)2
Dimana N adalah persentase dari berat nitrogen pada minyak.
Catatan : untuk minyak residu mempunyai kandungan yang tinggi (lebih besar dari 0,5 % dari berat), satu harus menggunakan 120 lb NO2/103 gal sebagai faktor emisi.
Tabel 3.3 Faktor Emisi untuk Pembakaran Gas Alam
Polutan
Tipe Unit Power Plant Proses Boiler
Industri
Domestik dan Komersil Heating (lb/MCF gas) (lb/MCF gas) (lb/MCF gas)
Partikulat 5-15 5-15 5-15
Sulfur oksida (SO2) 0.6 0.6 0.6
Karbon monoksida 17 17 20
Hidrokarbon (sebagai CH4)
1 3 8
Nitrogen oksida (NO2) 700b (120-230)c (80-120)d
Keterangan :
a. Berdasarkan kandungan sulfur rata-rata gas alam 2000 gr/million cubic feet (MMCF). b. Menggunakan 300 lb/MCF untuk unit pembakaran secara tangensial.
c. Hal ini merepresentasikan kisaran tipikal boiler industry. Untuk unit industri besar (lebih besar dari 100 MMBtu/hour) mengunakan factor NOx untuk power plant.
d. Menggunakan 80 untuk unit domestik heating dan 120 untuk unit komersil.
Tabel Lampiran 3.4 Faktor Emisi untuk Pembakaran Kulit Kayu dan Limbah Kayu
Polutan Emisi
(lb/ton)
Partikulata Kulit kayub
- Dengan penginjeksian kembali fly ashc - Tanpa penginjeksian kembali fly ash Pengadukan kayu / kulit kayub
- Dengan penginjeksian kembali fly ashc - Tanpa penginjeksian kembali fly ash Woodd 75 50 45 30 5-15
Sulfur oksida (SO2)e 1.5
Karbon monoksidaf 2-60
Hidrokarbonf 2-70
Nitrogen oksida (NO2) 10
Keterangan :
a. Faktor emisi ini ditentukan untuk pembakaran gas boiler atau minyak sebagai bahan bakar penolong, dan diasumsikan seluruh partikulat yang dihasilkan dari limbah bahan bakar terpisah. Ketika batubara dibakar sebagai bahan bakar penolong, faktor emisi yang tepat pada tabel di atas harus digunakan untuk penambahan faktor.
b. Faktor-faktor tersebut tergantung pada kandungan uap air terbakar sebesar 50 %.
c. Faktor ini merepresentasikan tipikal beban masuk debu pada alat pengendali untuk boiler dengan penginjeksian kembali fly ash.
nilai yang lebih rendah dan nilai yang lebih tinggi untuk lainnya. Faktor ini menunjukkan kandungan uap air terbakar dengan mengasumsikan tidak ada penginjeksian kembali fly ash.
e. Faktor ini dihitung oleh asumsi keseimbangan material kandungan sulfur maksimum 0,1 % pada limbah. Ketika bahan bakar penolong terbakar, faktor yang tepat dari tabel di atas harus digunakan pada penambahan untuk menentukan emisi sulfur oksida.
f. Menggunakan nilai yang lebih rendah untuk desain dan pengoperasian yang baik.
Berdasarkan berbagai metoda diatas maka dapat disimpulkan gas-gas emisi dari pembakaran bahan bakar di boiler dapat dikelompokkan seperti pada Tabel 3.5 berikut.
Tabel Lampiran 3.5 Pengelompokan Gas Buang Berdasarkan Jenis Bahan Bakar No Jenis Bahan Bakar Jenis gas emisi/ polutan
1 Solar C, CO, CO2, SOx, NOx, HC, partikulat
2 Premium C, CO, CO2, HC, partikulat-Pb
3 Batu bara C, CO, CO2, SOx, NOx, HC, partikulat, fly ash dan bottom ash