PENGKAJIAN RECOVERY ENERGY HASIL PROSES INSENERA TOR UNTUK PEMANASAN UDARA PEMBAKARAN

PENGKAJIAN RECOVERY ENERGY HASIL PROSES INSENERA TOR UNTUK PEMANASAN UDARA PEMBAKARAN

Osmen Gultom

Pusat pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif

ABSTRAK

PENGKAJIAN RECOVERY ENERGY HASIL PROSES INSENERATOR UNTUK PEMANASAN UDARA PEMBAKARAN. Telah dilakukan pengkajian memanfaatkan panas yang terkandung dalam gas hasil pembakaran insenerator untuk digunakan pemanasan awal terhadap udara pembakaran yang diperlukan. Gas hasil panas hasil pembakaran yang keluar tungku dilewatkan melalui alat penukar panas sehingga akan terjadi perpindahan panas dari gas hasil pembakaran ke udara pembakaran. Dari studi yang dilakukan diketahui bahwa pada pembakaran 20 kg/jam limbah cair pada suhu 1000°C akan dihasilkan udara kering sebanyak 773,8 kg/jam dan udara basah 47,2 kg/jam dengan kandullgan panas 1.136.490 kJ/jam. Recovery energy yang diperoleh tergantung pad a beda temperatur antara temperatur gas panas yang masuk alat penukar panas dan temperatur gas panas yang keluar alat penukar panas. Semakin tinggi beda temperatur maka panas yang diperoleh semakin besar.

ABSTRACT

A STUDY OF ENERGY RECOVERY OF FLUE GAS INCINERA TOR FOR USING PRE HEA TING COMBUSTION AIR. It has been done a study of using heat containing in the incinerator flue gas for pre heat combustion air. Hot flue gas flow through a heat exchanger so it will occur heat transfer from flue gas to air combustion. The result of study show that combustion of 20 kglh of liquid waste with combustion temperature 1000°C will produce 773,8 kglh of dry air and 47,2 kglh moisture with total heat content 1.136.490 kJIh. Available heat depends of temperature difference between temperature flue gas entering heat exchanger and temperature flue gas leaving heat exchanger. The higher difference temperature will result more available heat.

PENDAHULUAN

Proses pembakaran digunakan secra luas untuk mengontrol emisi campuran volatil organik dalam proses industri. Dimana pada suhu tinggi dan waktu yang cukup uap hidrokarbon dioksidasi menjadi karbon dioksida dan uap air. Proses ini diterapkan untuk mengolah limbah radioaktif terbakar baik limbah cair maupun padat.

Salah satu keunggulan pembakaran adalah efisiensi pemisahan polutan yang tinggi serta reduksi volume yang sangat besar. Disisi lain sejumlah problem bisa terjadi pada pembakaran limbah. Pembakaran yang tidak sempurna dari bahan-bahan organik menghasilkarl pembentukan aldehida dan uap asam. Oksidasi hidrokarbon yang mengandung sulfur ataupun halogen akan menghasilkan polutan seperti sulfur dioksida, asam hidroklorida ataupun phosgen. Jika polutan ini timbul maka diperlukan scrubber untuk pemisahan polutan.

Pembakaran merupakan suatu proses kimia yang terjadi karena kombinasi yang sangat cepat antara oksigen dan elemen atau campuran kimia yang mengasilkan pelepasan panas. Dalam pembakaran bahan bakar atau limbah dimana komponen utama terdiri dari karbon dan hidrogen pelepasan panas yang terjadi ditunjukkan oleh reaksi berikut:

C + 02

~

CO2 + energy

2H2 + O2

~

_{2H2O + energy}

Dari reaksi diatas terlihat bahwa produk utama dari pembakaran bahan bakar organik adalah CO2, H2O dan energy (panas).

Salah satu titik kritis daiam pengolahan limbah radioaktif menggunakan proses pembakaran adalah sulitnya mengontrol gas hasil pembakaran (gas buang). Hal ini terjadi karena energy yang timbul dari proses pembakaran akan terikut dalam aliran gas buang akibatnya diperlukan pengolahan awal untuk mengambil panas (menurunkan temperatur) agar pengolahan gas buang dapat dilakukan. Untuk menurunkan temperatur dapat dilakukan dengan cara pengenceran menggunakan udara luar pada ambien temperatur. Akibatnya volume gas yang diolah bertambah. Cara lain untuk menurunkan temperatur adalah dengan mengambil kembali (recovery) panas yang ada dengan menggunakan alat penukar panas.

Dengan semakin meningkatnya harga bahan bakar dan biaya operasional maka recovery energy merupakan salah satu alternatif yang perlu dipertimbangkan pada pengoperasian instalasi insenerator. Pada makalah ini akan dibahas pemanfaatan energy yang timbul dari proses pembakaran limbah untuk digunakan bagi keperluan proses seperti pemanasan awal terhadap udara pembakaran, limbah cair yang akan dibakar atau pemanasan ulang gas buang yang telah dicuci dalam kolom pencucian sebelum dilepas ke lingkungan.

METODOLOGI PENEL/TIAN

Studi yang dilakukan mengambil data-data teknis insenerator yang ada di P2PLR dan dokumen technicatome serta literatur yang berhubungan. Perhitungan diawali dengan menghitung neraca bahan dan neraca panas pad a tungku pembakaran. Kemudian ditentukan jumlah panas yang timbul dan panas yang keluar tungku. Panas yang timbul ini digunakan untuk pemanasan awal terhadap udara pembakaran dengan menggunakan alat penukar panas dan dihitung jumlah panas yang bjsa direcovery.

RECOVERYENERGYPROSESINSENERATOR

Berhubung dengan semakin meningkatnya biaya operasional dan keterbatasan bahan bakar yang ada maka recovery energy menjadi bagian penting dalam pengoperasian instalasi insenerator. Alasan lain yang menjadi pertimbangan recovery energy adalah:

.Ekonomi; untuk memperoleh pendapatan atau menghemat energy

.Konservasi; untuk mengurangi jumlah bahan bakar yang diperlukan serta mengurangi ketergantungan pada pihak lain

.Pendinginan gas hasil pembakaran; untuk menurunkan temperatur gas buang yang keluar dari tungku insenerator sebelum masuk ke sistem pengolahan gas buang

89

.

Penerimaan masyarakat; untuk memperoleh penerimaan publik terhadap proyek insenerator. Masyarakat bisa lebih tetarik membuang limbah sambil menghemat energy khususnya limbah yang bisa diinsenerasi.

Sejumlah perbandingan antara insenerator yang merecovery energy dan yang membuang energy dapat dilihat pad a Tabel1.

Tabel1.

Perbandingan insenerator yang merecovery panas dan yang

.me.mb~ang

panas_-Insenerator dengan recovery Insenerator tanpa recovery panas

panas

Temperatur gas buang lebih tinggi

Induced drat tan yang kecil

Pengambilan panas gas buang dilakukan dalam alat penukar panas. Panas yang terdapat dalam gas buang harus ditransfer sebanyak mungkin terhadap fluida yang dipanaskan. Ada dua faktor pembatas temperatur yang harus dipertimbangkan dalam merencanakan transfer panas yang maksimum. Pertama tingkay recovery dibatasi oleh titik embun komponen gas dalam aliran gas buang. Jika gas buang didinginkan dibawah titik embun maka korosi a8am bisa terjadi. Faktor kedua, recovery panas dibatasi oleh auto ignition temperatur dari fluida yang dipanasi. Jika limbah (cair/gas) dipanaskan hingga auto ignition temperatur dapat menyebabkan terjadinya ledakan.

Salah satu metode untuk mengetahui unjuk kerja recovery panas adalah dengan mengetahui efektivitas perpindahan panas (E) yang ditulis derlgan

rumus:

(3)

-T gas buang keluar HE)

mCp(T gasbuang masuk HE

DASAR PERHITUNGAN

Perhitungan recovery energy diawali dengan menghitung neraca bahan dan panas pada tungku insenerator. Perhitungan neraca massa dan panas didasarkan pada hukum termodinamika pertama yaitu dalam kondisi steady state;

input yang masuk ke sistem = out put yang keluar sistem

umpan, Mf

~

udara pendingin, Ma gas buang, Mg

~

Tungku insenerator _{Abu, Mr}

~

Neraca massa :

.

Mf + Ma -Mg -Mr = 0

(4)

Neraca panas:

.

Qf + Maha + Mfhf -Mghg -Mrhr = 0 (5) Dimana M = massa h = entalpi

Q :: panas pembakaran umpan

.

Temperatur pendekatan (Approach temperature)

Untuk menentukan temperatur gas buang yang keluar alat penukar panas dilakukan dengan menggunakan temperatur pendekatan.

Gas buang keluar penukar Alat panas to Gas buang keluar tungku @ t t Fluida panas

4 _{~ Alat penukar}

panas

t Fluida

ding

in

Temperatur pendekatan adalah perbedaan temperatur gas buang keluar penukar panas dan temperatur fluida yang keluar dari penukar panas ditulis dengan:

tx = to -4

Semakin kecil temperatur pendekatan maka alat penukar panas semakin efisien. Dalam prakteknya temperatur pendekatan diambil 38°C untuk

penukar panas yang efisien dan 65 °c untuk penukar panas standar.

.

Panas yang diperoleh (Available heat)

Panas yang diperoleh sarna dengan panas yang terkandung dalam gas huang yang masuk alat penukar panas dikurangi panas yang terkandung dalam gas huang yang keluar alat penukar panas yang ditulis dengan:

Q = W(h@ti- h@to)

Gas buang akan selalu mempunyai komponen basah dan komponen kering. Jika dianggap komponen kering mempunyai sifat yang sarna dengan udara kering (Wdg, ha) dan Wm komponen udara basah maka persamaan (7) ditulis:

Q = Wdg (hai -hac) + Wm (~mi -hmo)

(8) Dimana Q Wdg Wm ha hm

= panas yang diperoleh

= laju gas buang komponen kering = laju udara basah

= entalpi udara kering = entalpi udara basah

HASIL DAN PEMBAHASAN

Oari dokumen technicatome diketahui kom,posisi limbah cair yang diinsenerasi adalah sebagai berikut : C = 87 %, H = 12 % dan S = 1 % dengan kapasitas pembakaran 20 kg/jam. Oengan menggunakan data ini dihitung neraca massa dan neraca panas dalam tungku insenerator. Untuk menghitung neraca massa dibuat beberapa asumsi yaitu :

.Kandungan air dalam limbah = 0 .Kandungan abu = 0

.Panas pembakaran limbah = 8.440,8 kJ/kg \

Hasil perhitungan terdapat pada Tabel 2. Tabel 2. Hasil Perhitun~an Neraca Massa

No.

~ Deskripsi Jumlah

Satuan

1. an limbah cair

2.

20 I _kg/jam

Hasil pembakaran .CO2 .H2O .802

.~

63,5 21,6 0,40 217,6 kg/jam kg/jam kg/jam kg/jam

6. I Kebutuhan udara total _424,81

kg/jam..!

kg/jam I

7

Kelembaban udara (0,01 kg/kg udara kering)

Total udara basah

4,53

26,

am

I otar udara kerin 451, am

Untuk menghitung neraca panas dibuat beberapa asumsi yaitu .Tidak ada aliran udara pendingin ke dalam tungku

.Temperatur pembakaran 1000 °c

.Bahan bakar dibakar dengan 30 % udara berlebih

.Panas yang hilang karena radiasi 3 % dari panas masuk Hasil perhitungan neraca panas diperoleh pada Tabel 3,

Hasil Penelitian Tahun 2000

Kemudian dari data yang ada pad a Tabel 2 dan Tabel 3 dihitung panas yang diperoleh dengan menggunakan persamaan (8) dengan mengambil temperatur pendekatan 65°C. Gas buang yang keluar insenerator dan masuk ke alat penukar panas adalah sebagai berikut :

Laju alir udara kering, Wdg = 773,8 kg Laju alir udara basah, Wm = 47,2 kg/jam

Temperatur, ti = 1.000°C

Entalpi udara kering, hai = 1.168,3 kJ/kg Entalpi udara basah, hmi = 4.808,8 kJ/kg

Asumsi temperatur udara pembakaran keluar dari alat penukar panas = 260°C Temperatur pendekatan = 66°C

Maka temperatur gas buang keluar alat penukar panas adalah : to = 66 + 260 = 326°C

Pada to = 326°C diperoleh hac = 334,5 kJ/kg dan hmo = 3.096,6 kJ/kg

Maka Q = 773,8 (1.168,3 -334,5) + 47,2(4.808,8 -3.096,6) = 726.008 kJ/jam Dengan memvariasikan temperatur udara pembakaran yang keluar dari alat penukar panas maka diperoleh data seperti yang terdapat pad a Tabel 4.

Tabel4. Panas Yanq DiDeroleh Dari Gas Buana Insenerator

0> crncn cn rn.:£. rncn

crnrorn O>:J~ ro<U

...:J C 'u C '" ..Q .:£. rn '- cn.:£. '- rn 0> :J 0. E :J rn :J cn Irn rn rn 0. c cn cn E c rn 1'- '- :J :J rn rn '-.~ rn 0) c U 0) rn °rn -'--C 0> E ~:::; I"j 0> 0. rn 0 a. -C ..Q ~ ~ Ccn :J.:£. -1-c o. :JE :J

rn(15O>c Ern~ O)O>c

~c~O) O).3rn 0.~0) ~>-o. >-0.

la

Q)

1.136.490

-1.136.490

148

1.000

603

Dari Tabel diatas terlihat bahwa panas yang diperoleh tergantung pada temperatur gas buang yang keluar alat penukar panas. Semakin tinggi temperatur gas buang yang keluar alat penukar panas maka panas yang diperoleh semakin rendah dan efisiensi semakin kecil.

Hubungan antara perbedaan temperatur dengan panas yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar 1.

E 900000

~ 800000

-,

C 700000

~ 600000 "'5 03 500000 c.. ~ 400000 g> 300000 co

>- 200000

(/) ~ 100000 co 0.. 0-200 300 406 500 600 700 Beda temperatur (oC)

800

900

KESIMPULAN

Oari pengkajian yang dilakukan terhadap insenerator P2PLR diketahui bahwa pad a pembakaran 20 kg/jam limbah cair dengan temperatur pembakaran 1.000 °c dilepaskan panas melalui gas buang sebesar 1.136.490 kJ/jam. Oengan menggunakan alat penukar panas maka panas tersebut dapat direcovery untuk kebutuhan proses. Besarnya panas yang diperoleh tergantung pada temperatur gas buang masuk alat penukar panas dan temperatur gas buang keluar alat penukar panas. Semakin tinggi bed a temperatur maka efisiensi alat semakin besar.

SARAN

Pengkajian yang dilakukan terhadap insenerator P2PLR masih perlu dilanjutkan untuk mengetahui beban pengolah gas buang setelah panas direcovery dan parameter lain sehingga diperoleh efisiensi instalasi yang lebih tinggi.

DAFTAR PUSTAKA ,

1. Brunner, C.R, Hazardous Waste Incineration, second edition McGraw-Hili

Inc.

2. EPA, Handbook Control Technologies for Hazardous Air Pollutants, EPA/625/6-91/014 June 1991

3. John C, Handbook of Air Pollution Control Engineering and Technology, Lewis Publisher

4. Dimension Calculation Note, WSPG 820NPL8003, Technicatome

5. Hicks TG, Handbook of Mechanical Engineering Calculation McGraw-Hillin