dan Konservasi Energi
Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan,
Naskah diterima: 31 Mei 2011, dinyatakan layak muat : 23 Desember 2011
PENGARUH KONSENTRASI ION BIKARBONAT LARUTAN PENJERAB
TERHADAP EFISIENSI PENJERAB SISTEM BIO-FGD PLTU BATUBARA
I Made Agus Dharma Susila1), Medhina Magdalena2), Ikrar Adilla3), Adolf Lepold S.M. Sihombing4), Endang Lestari5)
Jl. Ciledug Raya Kav. 109, Telp. (021) 7203530, Cipulir Keb Lama Jakarta Selatan
Abstrak
Penelitian efisiensi penjerab telah dilakukan pada sistem Bio-FGD skala pilot plant yang terpasang di PLTU Bukit Asam, Muara Enim, Sumatera Selatan. Dalam penelitian ini digunakan larutan bikarbonat artifisial untuk mengetahui efisiensi penjerab sistem tersebut dalam konsentrasi ion bikarbonat yang bervariasi pada larutan penjerab. Juga dilakukan pengukuran konsentrasi gas SO2, baik yang masuk maupun yang keluar dari penjerab. Laju alir gas cerobong diatur pada 1,34 m3/jam sedangkan laju alir larutan penjerab sekitar 0,9 l/menit pada tekanan 1 MPa. Konsentrasi bikarbonat pada saat pengujian adalah 36,4 mg/l, 145,6 mg/l, 200,2 mg/L dan 263,8 mg/L. Hasil pengujian menunjukkan efisiensi penjerab sistem Bio-FGD untuk mengurangi emisi gas SO2 ini bervariasi dari 88,7% sampai dengan 94,4%.
Kata kunci: Bio-FGD, efisiensi penjerab, laju alir larutan penjerab, bikarbonat artifisial
Abstract
A research on efficiency of scrubber reactor was carried out on the pilot plant installed in PLTU Bukit Asam, Muara Enim South Sumatera. The research applied artificial bicarbonate liquid as scrubber to determine the effect of bicarbonate concentration to efficiency of the scrubber of the system . Measurement of SO2 gas concentration was also conducted. Flow rate of flue gas was set on 1.34 m3/hour while that of scrubber was 0.9 l/minute . Bicarbonate concentrations of scrubber liquid were 36.4, 145.6, 200.2 and 263.8 mg/l. The result is that the efficiency of scrubber reactor is about 88.7 to 94.4%.
Keywords: Bio-FGD, scrubber efficiency, scrubbing liquid flow rate, artificial bicarbonate
Latar Belakang
Penggunaan batubara untuk bahan bakar pembangkit listrik di Indonesia dari tahun ke tahun terus meningkat, sejalan dengan peningkatan produksi listrik dan penambahan kapasitas pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) batubara. Di sisi lain, penggunaan batubara untuk pembangkitan listrik menimbulkan dampak terhadap lingkungan. Seperti diketahui, pembakaran batubara dapat mengemisikan polutan-polutan yang berdampak negatif terhadap lingkungan seperti gas SO2 dan NOx yang jika terakumulasi dapat mengakibatkan terjadinya hujan asam.
Pemerintah Indonesia melalui Keputusan Menteri Lingkungan Hidup Nomor 13/MENLH/3/1995 sebenarnya telah mengatur baku mutu emisi dari kegiatan penggunaan batubara[1]. Tapi permasalahannya adalah sebagian besar dari total cadangan batubara Indonesia mempunyai kandungan sulfur di atas 0,44% dan apabila dibakar akan mengeluarkan emisi SO2 lebih dari 750 m3. Hal ini melampaui nilai baku mutu emisi yang diatur dalam Keputusan Menteri Lingkungan Hidup tersebut di atas.
Di negara maju seperti Jepang, Amerika Serikat dan negara-negara di Eropa masalah emisi SO2 dari PLTU batubara ini diatasi dengan penggunaan teknologi batubara bersih atau dengan memasang peralatan Flue Gas Desulfurization (FGD). Teknologi FGD ini memanfaatkan absorben untuk mengikat gas SO2. Meskipun teknologi ini dapat mengurangi emisi SO2, metode ini masih memiliki
absorben yang telah digunakan. Pembuangan absorben tersebut selain menimbulkan polutan sekunder juga berbahaya bagi lingkungan karena masih mengandung sulfat. Selain itu teknologi FGD ini memerlukan biaya investasi dan biaya operasional cukup tinggi sehingga akan berdampak terhadap harga jual listrik yang tinggi pula.
Bagi Indonesia, permasalahannya adalah
total cost dari teknologi FGD tersebut cukup tinggi, terutama apabila diaplikasikan pada PLTU yang telah beroperasi dan PLTU mulut tambang atau PLTU berkapasitas kecil. Untuk itu, diperlukan suatu penelitian untuk mengembangkan teknologi alternatif yang ramah lingkungan dan relatif lebih murah untuk menangani masalah emisi SO2 dari gas cerobong (selanjutnya disebut flue gas) PLTU batubara.
TeknologiFlue Gas Desulfurization (FGD) Teknologi FGD konvensional
Teknologi desulfurisasi FGD sendiri adalah suatu teknologi untuk menghilangkan atau mengurangi emisi SO2 dari flue gas yang dihasilkan oleh pembakaran batubara. Teknologi ini umumnya diaplikasikan pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU).
Pada dasarnya, teknologi FGD ini merupakan suatu proses kimia dengan menggunakan senyawa yang bersifat alkali atau kaustik seperti air laut, kapur (Ca(OH)2), kapur tohor (CaO), batugamping (CaCO3), natrium hidroksida (NaOH) atau ammonia (NH3).
Naskah diterima: 31 Mei 2011, dinyatakan layak muat : 23 Desember 2011 Berdasarkan sistem penjerab yang
digunakan, teknologi FGD dikelompokkan menjadi empat sistem yaitu jeraban basah (wet scrubbing system), jeraban kering (dry scrubbing system), jeraban semi kering ( semi-dry scrubbing system) dan jeraban proses kimia katalis (catalytic chemical processes). Kemampuan teknologi FGD ini untuk mengurangi SO2 mencapai 80% pada sistem jeraban kering sedangkan pada sistem jeraban basah dapat mencapai 90% - 95%.
Di Indonesia, ada dua PLTU swasta yang sudah menggunakan teknologi FGD ini yaitu PLTU Amamapare (Freeport) dan PLTU Paiton (Powergen). PLTU Amamapare menggunakan
slurry batugamping sebagai bahan penjerab sedangkan PLTU Paiton menggunakan air laut. Besarnya biaya investasi dan operasional yang berimbas tingginya biaya pembangkitan merupakan salah satu hambatan dari penerapan teknologi FGD pada PLTU-PLTU lainnya di Indonesia.
Teknologi Bio-FGD
Selain teknologi FGD konvensional tersebut di atas, saat ini juga telah berkembang teknologi FGD alternatif yang lebih ramah lingkungan yaitu teknologi bioproses dengan menggunakan mikroba (bakteri). Teknologi yang dikenal sebagai biological flue gas desulfurization (Bio-FGD) ini pada dasarnya merupakan kombinasi dari teknologi FGD konvensional sistem jeraban basah dan bioreaktor.
Di dunia, teknologi Bio-FGD ini telah dikembangkan dan diaplikasikan pada kilang
minyak di Belanda. Teknologi yang disebut THIOPAQ dan Bio-FGD BIOSTAR ini mempunyai efisiensi sampai dengan 97%-98%. Di Indonesia, teknologi Bio-FGD ini juga tengah dikembangkan. Sejak tahun 2003 sampai dengan 2005, Puslitbang. Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi (P3TKEBTKE) telah melakukan penelitian untuk karakterisasi emisi gas PLTU batubara, merancang desain bioreaktor skala laboratorium dan melakukan isolasi serta optimasi bakteri desulfurisasi [2][3]. Dan pada tahun 2009, diperoleh nilai efisiensi penjerab sistem Bio-FGD sekitar 40-45% pada tekanan pompa penjerab 1-3,4 MPa[3].
Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh konsentrasi ion bikarbonat terhadap efisiensi penjerab dari sistem Bio-FGD skala pilot plant yang telah terpasang di PLTU Bukit Asam.
METODOLOGI
Studi ini merupakan salah satu rangkaian dari kegiatan pengujian efisiensi dan kinerja sistem Bio-FGD PLTU Batubara yang dilakukan di unit pilot plant yang sudah terpasang di PLTU Bukit Asam, Sumatera Selatan (Gambar 1.).
Gambar 1. Sistem Bio-FGD Skala Pilot plant di PLTU Bukit Asam
Metodologi yang diterapkan pada
kegiatan penelitian ini adalah dengan
percobaan langsung di lokasi
pilot plant
.
Peralatan yang digunakan meliputi sistem
Bio-FGD yang telah terpasang di lapangan,
peralatan dan bahan preparasi sampel dan
peralatan analisis. Sedangkan bahan yang
dipakai adalah bahan
-
bahan kimia untuk
membuat medium bakteri SRB dan bakteri
regenerasi feri sulfat serta bahan kimia
pendukung sistem Bio-FGD lainya.
Untuk mengetahui efisiensi penjerab
dalam mereduksi emisi gas SO2 dilakukan
analisa gas SO2 yang masuk dan keluar dari
reaktor penjerab. Laju alir gas emisi sekitar
1,34 m
3/jam sedangkang laju lair bahan
penjerab sekitar 0,054 m
3/jam yang
diperoleh pada tekanan 1 MPa. Kecilnya
laju alir gas emisi dan bahan penjerab
disebabkan karena kemampuan
ID fan
dan
pompa yang rendah. Sebagai bahan
penjerab, digunakan larutan larutan alkalin
(CaCO3) artifisial dengan berbagai
konsentrasi. Hal ini dilakukan untuk
menentukan konsentrasi optimum dari
konsentrasi ion karbonat dalam mereduksi
gas SO2.
Sistem Bio-FGD
Seperti yang digambarkan pada Gambar 2, sistem Bio-FGD terdiri dari dua siklus kontinyu tertutup. Siklus pertama diawali dari
flue gas dari duct boiler unit I yang dipompakan kepenjerab (R1) menggunakanID fan bereaksi dengan bahan penjerab yang dipompa dari bak penampung 2 (P2). Pada fase ini, gas SO2 teroksidasi secara kimiawi menjadi menjadi sulfat (SO42-). Larutan hasil jeraban ditampung di bak penampung 1 (P1) untuk mengendapkan kotoran dan selanjutnya dipompa ke dalam bioreaktor anaerobik (R2) dimana didalamnya ditumbuhkan konsorsium bakteri SRB yaituD. pigra danD. baculatum. Dari R2, larutan diteruskan ke tabung stipper
yang diaerasi sehingga terbentuk gas hidrogen sulfida (H2S). Sementara gas yang dihasilkan dialirkan ke tabung penjerab H2S (R3), larutan sisa ditampung di bak penampung (P2). Larutan ini kemudian dipompa kembali ke R1 sebagai bahan penjerab.
Siklus kedua diawali dari gas H2S dari
stipper yang dialirkan melalui bagian bawah reaktor R3 bereaksi dengan larutan feri sulfat Fe2(SO4)3 dari bioreaktor R4 yang disemprotkan dari bagian atas reaktor R3 membentuk sulfur (S) dan larutan fero sulfat (FeSO4). Larutan dari R3 ditampung di bak penampung 3 (P3) untuk mengendapkan sulfur
Naskah diterima: 31 Mei 2011, dinyatakan layak muat : 23 Desember 2011 elemen. Kemudian larutan fero sulfat dipompa
kembali ke dalam bioreaktor aerob (R4) yang berisi bakteri peregenerasi feri (T. ferooxidans).
Gambar 2. Diagram sistem Bio-FGD Efisiensi penjerab Bio-FGD
Secara umum, efisiensi penjerab Bio-FGD dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain komposisi dan kelarutan polutan, komposisi bahan penjerab, laju alir atau flow ratebahan penjerab dan laju alirflue gas.
Seperti diketahui, polutan yang akan dikurangi atau dihilangkan adalah SO2 yang dikenal sebagai polutan yang bersifat reaktif dan mudah larut sekalipun dengan pelarut air. Dalam sistem Bio-FGD ini, bahan penjerab yang digunakan adalah larutan yang mengandung ion bikarbonat (HCO3-) sehingga SO2 lebih mudah larut karena secara teori kemampuan bahan penjerab untuk merubah SO2 menjadi sulfat dipengaruhi oleh derajat keasaman (pH) dan konsentrasi ion bikarbonat dari bahan penjerab. Semakin tinggi pH dan konsentrasi bikarbonat semakin baik.
Tekanan bahan penjerab juga berpengaruh pada kelarutan SO2 karena akan mempengaruhi ukuran butiran bahan penjerab
yang disemprotkan oleh nozzle. Secara teori, kelarutan akan meningkat jika ukuran butirnya semakin kecil karena penambahan luas permukaan[4]. Namun ukuran butir harus cukup besar sehingga tidak terbawa keluar oleh flue gas.
Efisiensi penjerab juga dipengaruhi oleh laju alirflue gas. Laju alir akan mempengaruhi waktu tinggal flue gas di dalam reaktor sehingga mempengaruhi konsentrasi SO2 yang dapat dilarutkan oleh bahan penjerebab . Laju alirflue gas juga harus diatur agar tidak terlalu besar sehingga tidak menyebabkan butiran bahanpenjerab keluar.
Penjerab Bio-FGD
Tabung penjerab sistem Bio-FGD yang terpasang termasuk jenis counter current-flow spray tower dimana aliran flue gas berlawanan arah dengan arah semburannozzle.Penjerab ini mempunyai tinggi sekitar 200 cm dan diameter sekitar 50 cm. Gambar 3. menunjukkan spesifikasi tabungpenjerab tersebut.
D2” D2” Exhaust Gas in D5/8” Recirculation water from P2 W ater out to P1 SCRUBBER (R1)
Wire mesh Screen
Wire mesh Screen Demisting screen
Dumped Rashig Rings
Gambar 3. Spesifikasi penjerab pada sistem Bio-FGD
Parameter pengujian
Dalam studi ini ada beberapa parameter yang diukur yaitu laju alir flue gas dan bahan penjerab, konsentrasi gas SO2 yang masuk ke dan keluar dari penjerab serta konsentrasi ion bikarbonat larutan penjerab.
Pengukuran laju alir flue gas dan bahan penjerab dimaksudkan untuk menentukan perbandingan gas dan bahan penjerab (gas and liquid ratio). Idealnya, laju alir flue gas dibuat bervariasi akan tetapi karena kurangnya kemampuan ID fan maka laju alir yang digunakan adalah 1,34 m3/jam. Di sisi lain, laju alir bahan penjerab dibuat tetap sekitar 0,9 liter/menit pada tekanan sekitar 1 MPa. Kondisi ini merupakan kondisi laju alir dan tekanan optimal larutan penjerab berdasarkan hasil penelitian sebelumnya.
Pengukuran konsentrasi SO2 dilakukan secara langsung dengan alat ukur berupa Combustion Analyzers CA-Calc Series 6200.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil
Dari analisis laboratorium terhadap empat sampel larutan penjerab yang dibuat dengan konsentrasi senyawa CaCO3 yang bervariasi, diperoleh konsentrasi ion bikarbonat seperti disajikan pada Tabel 1. sebagai berikut. Tabel 1. Kondisi larutan penjerab
Nomor Konsentrasi (mg/L) pH CaCO3 HCO3 -1 0 36,4 8,07 2 400 145,6 8,62 3 600 200,2 8,66 4 800 263,8 8,57
Tabel 2. menyajikan hasil pengukuran konsentrasi gas SO2 yang masuk (inlet) maupun yang keluar dari penjerab.
Tabel 2. Konsentrasi gas SO2
No Konsentrasi HCO3- (mg/L) Konsentrasi SO2 (mg/m3) Konsentrasi SO2 rata-rata (mg/m3) 1 Inlet 100 97,5 2 Inlet 95 3 36,4 12 11,0 4 36,4 10 5 145,6 8 7,0 6 145,6 6 7 200,2 6 5,5 8 200,2 5 9 263,8 5 5,5 10 263,8 6
Tabel 3. Efisiensi penjerab Bio-FGD
No Konsentrasi HCO3- (mg/L) Efisiensi rata-rata (%) 1 36,4 88,7 2 145,6 92,8 3 200,2 94,4 4 263,8 94,4 Pembahasan
Naskah diterima: 31 Mei 2011, dinyatakan layak muat : 23 Desember 2011 Secara teori, efisiensi penjerab
dipengaruhi oleh beberapa hal yaitu tekanan larutan penjerab, komposisi larutan penjerab, komposisi gas polutan, laju alir emisi gas polutan dan perbandingan antara gas dan larutan penjerab.
Gambar 4. menunjukkan hubungan antara konsentrasi ion bikarbonat pada larutan penjerab dengan konsentrasi gas SO2 yang keluar dari reaktor penjerab. Sedangkan Gambar 5. memperlihatkan hubungan antara konsentrasi ion bikarbonat larutan penjerab dengan efisiensi penjerab.
Dari gambar-gambar tersebut terlihat bahwa semakin tinggi konsentrasi ion bikarbonat, semakin rendah konsentrasi gas SO2 yang keluar dari penjerab atau semakin tinggi konsentrasi ion bikarbonat semakin tinggi efisiensi penjerab tersebut. Walaupun demikian, hubungan antara konsentrasi ion bikarbonat dengan konsentrasi gas SO2 atau efisiensi penjerab tidak linier.
Dengan menggunakan air sebagai larutan penjerab diperoleh efisiensi sekitar 88,7%. Hal ini mungkin disebabkan karena di dalam air tersebut juga terdapat sedikit ion bikarbonat sekitar 36,4 mg/l. Dengan menambahkan senyawa CaCO3 kedalam air, konsentrasi ion bikarbonat meningkat tajam akan tetapi tidak terjadi peningkatan efisiensi yang sebanding. Efisiensi optimum sekitar 94,4% diperoleh pada larutan penjerab dengan konsentrasi ion bikarbonat sekitar 200 mg/l.
Dari kedua gambar tersebut juga ditunjukkan bahwa tidak terjadi peningkatan
efisiensi yang mencolok pada penggunaan larutan penjerab dengan konsentrasi ion bikarbonat di atas 100 mg/L. Kondisi ini mungkin terjadi karena efisiensi penjerab sudah mencapai titik optimalnya.
Gambar 4. Grafik hubungan konsentrasi gas SO2 dengan konsentrasi ion bikarbonat
Gambar 5. Grafik hubungan efisiensi sistem Bio-FGD dengan konsentrasi ion bikarbonat
Dengan laju alir flue gas yang kecil sekitar 1,34 m3/jam memberikan kesempatan yang lebih lama bagi gas SO2 untuk bereaksi dengan larutan penjerab. Hal ini juga sangat berpengaruh terhadap tingginya efisiensi reaktor penjerab pada penelitian ini walaupun laju alir larutan penjerab tidak terlalu tinggi yaitu sekitar 0,054 m3/jam. Dengan rasio gas emisi dan larutan penjerab sekitar 25:1,
cukup hemat.
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan
Berdasarkan uraian di atas maka dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Efisiensi penjerab sangat dipengaruhi oleh konsentrasi ion bikarbonat pada larutan penjerab dimana semakin besar konsentrasi ion bikarbonat, semakin tinggi efiensinya. Efisiensi optimal penjerab dalam mengurangi emisi SO2 pada penelitian ini adalah sekitar 89% sampai dengan 94%. 2. Tidak ada perbedaan efisiensi yang
mencolok pada konsentrasi ion bikarbonat di atas 100 mg/L.
Saran
Perlu dilakukan penelitian dengan menggunakan laju alir gas emisi yang bervariasi untuk mengetahui rasio optimal antara gas emisi dan larutan penjerab.
DAFTAR ACUAN
[1] Menteri Lingkungan Hidup, 1995.
Keputusan Menteri Lingkungan Hidup Nomor 13 Tahun 1995 Tentang Baku Emisi Sumber Tidak Bergerak.
Kementerian Lingkungan Hidup. (www.menlh.go.id, diakses tanggal 27 Mei 2011)
[2] Hendrison, M., I.M.A. Dharma Susila dan Faridha, 2005. Penelitian
Emisi SO2 pada PLTU Berbahan Bakar
Batubara. Prosiding Kolokium Hasil Litbang Tahun 2004 P3TEK, Jakarta [3] Hendrison, M., Faridha dan I.M.A.
Dharma Susila, 2005. Pengembangan Model Reaktor dan rangkaian Reaksi Biodesulfurisasi Emisi SO2 menjadi
sulfur Elemen pada PLTU Berbahan Bakar Batubara. Prosiding Forum Litbang Energi dan Sumber Daya Mineral, Jakarta.
[4] I Made Agus Dharma Susila, Endang Lestari, Medhina Magdalena, Ikrar Adila dan Adolf Leopold S.M. Sihombing. 2010. Efisiensi Penjerab Sistem Bio-FGD PLTU Batubara Skala Pilot Plant. Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan. 9(1):157-164
[5] Hefter, G.T. dan R.P.T. Tomkin (editor).
The Experimental Determine of Solubilities. John Wiley and Sons Ltd. 2003
