ANALISA EMISI NOx PADA BOILER FIRETUBE BERBAHAN BAKAR BIODIESEL SAWIT

(1)

ANALISA EMISI NOx PADA BOILER FIRETUBE

BERBAHAN BAKAR BIODIESEL SAWIT

Leily Nurul K

*

, Batara Kharizpati Wasito,

Muhammad Zakaria

*Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya Jln. Raya Palembang Prabumulih Km. 32 Inderalaya Ogan Ilir (OI) 30662

Email: [email protected]

ABSTRAK

Boiler merupakan peralatan industri yang intensif mengkonsumsi bahan bakar, pada saat ini penggunaan biodiesel sebagai bahan bakar alternatif semakin banyak mengingat sifatnya sebagai energi yang dapat diperbaharui dan lebih ramah lingkungan dibandingkan bahan bakar konvensional, oleh karena itulah pada Peraturan Menteri Energi Dan Sumber Daya Mineral No. 25 Tahun 2013 mewajibkan industri mengganti bahan bakar minyak dengan bahan bakar nabati secara bertahap. Penggunaan biodiesel dapat menurunkan kadar emisi CO, CO2, dan SOx, akan tetapi meningkatkan kadar NOx pada emisi pembakaran walaupun ada juga beberapa penelitian sebelumnya menemukan adanya penurunan kadar NOx. Ketidakpastian naik-turunnya kadar emisi NOx pada penggunaan biodiesel inilah yang mendasari penelitian ini dilakukan.

Kata Kunci: boiler, biodiesel, pembakaran, NOx

ABSTRACT

Boiler is an industrial equipment that intensively consume fuels, nowadays utilization of the biodiesel as an alternative fuels will be popular reckoning its trait as renewable energy and more enviro-friendly than the conventional diesel fuel, because that in ministerial regulation of energy and mineral resources no. 25 year 2013 obligate the industrial to subtitute fossil fuels with biofuels gradually. Utilization of biodiesel will decrease CO, CO2, and SOx emission but increase the NOx emission on combustion although some previous researches found decreases on NOx emission. The uncertainly increase-decrease of NOx emission on biodiesel combustion underlie this research.

Keywords : boiler, biodiesel, combustion, NOx

1. PENDAHULUAN

Boiler, termasuk ke dalam peralatan industri kimia yang intensif mengkonsumsi bahan bakar. Boiler berbentuk tabung atau bejana yang berfungsi untuk menghasilkan

steam dengan cara memanaskan air hingga menjadi uap. Bahan bakar yang digunakan pada boiler bermacam-macam tergantung pada rancang proses dan keperluan. Bahan bakar boiler dapat berupa minyak solar, biomassa padat, batubara, ataupun gas alam. Emisi gas buang dari pembakaran di boiler merupakan masalah yang timbul akibat penggunaan bahan bakar diesel karena efeknya berdampak negatif ke lingkungan. Emisi gas buang ini terdiri dari CO2, CO, SOx, dan NOx, serta abu yang dapat mencemari lingkungan sekitar. Selain faktor emisi, penggunaan biodiesel sebagai bahan bakar alternatif akan meningkat mengingat

jumlah persediaan bahan bakar fosil semakin lama semakin berkurang dan dapat habisi. Dalam pengaplikasiannya pada mesin diesel atau peralatan pembakaran seperti boiler, biodiesel umumnya digunakan dalam bentuk campuran antara biodiesel murni dengan minyak solar

Pada penelitian sebelumnya, Hoekmann et al (2012), Macor et al (2008), Basha et al

(2009) dan J.Xue (2010) menyatakan bahwa penggunaan biodiesel dapat menurunkan kadar emisi CO, CO2, dan SOx dengan kompensasi bahwa kadar emisi NOx akan meningkat. Walaupun demikian, Ghorbani et al (2011) dan Dorado et al (2003) justru menemukan penurunan kadar emisi NOx pada penggunaan biodiesel.

(2)

emisi NOx pada penggunaan biodiesel, hal inilah yang menjadi dasar penelitian sebagai pertimbangan penggunaan biodiesel sebagai campuran bahan bakar boiler.

a. Boiler

Boiler adalah alat penghasil steam yang berbentuk tabung silindris pada industri yang digunakan untuk pembangkit daya dan juga pemanas. Untuk menghasilkan steam ataupun panas, boiler membutuhkan energi yang berasal dari bahan bakar. Berdasarkan sumber panas dan sirkulasinya boiler dapat diklasifikasikan menjadi:

1) Watertube Boiler 2) Firetube Boiler

b. Burner

Burner adalah alat yang mereaksikan udara dengan bahan bakar di dalam ruang bakar pada kecepatan, turbulensi, dan konsentrasi yang dibutuhkan untuk memulai pengapian dan membakar bahan bakar di dalam ruang pembakaran. Bahan bakar diinjeksikan melalui

spray nozzle menjadi tetesan-tetesan kecil agar memperbesar area kontak bahan bakar dengan udara sehingga terjadilah reaksi pembakaran secara simultan.

c. Biodiesel

Metil ester yang terbuat dari minyak nabati, atau yang juga sering disebut sebagai "biodiesel" merupakan kandidat utama sebagai bahan bakar diesel alternatif. Nama biodiesel diberikan untuk minyak nabati yang telah ditransesterifikasi sebagai penggambaran atas penggunaannya sebagai bahan bakar diesel. Minyak nabati dapat dikonversi menjadi metil ester melalui proses transesterifikasi dengan bantuan katalis. Metil, etil, 2-propil, dan butil ester telah dibuat dari minyak nabati melalui reaksi transesterifikasi dengan menggunakan potassium atau natrium alkoksida sebagai katalisnya. Idealnya, transesterifikasi berpotensi menjadi cara yang lebih efisien untuk mengubah struktur molekul minyak dari yang besar menjadi lebih kecil, dari yang bercabang menjadi molekul rantai lurus berdasarkan jenis yang diperlukan dalam mesin pembakaran minyak solar biasa.

d. Pembakaran

Pembakaran adalah reaksi eksotermik antara bahan bakar dengan oksidator yang diiringi dengan produksi panas dan pengkonversian senyawa kimia. Pada pembakaran yang sempurna senyawa hidrokarbon (𝐶𝑥𝐻𝑦) akan terkonversi menjadi

karbon dioksida (𝐶𝑂2) dan uap air (𝐻2𝑂). Reaksi dapat digambarkan oleh rumus umum pembakaran sebagai berikut:

𝐶𝑥𝐻𝑦+ 𝑥+ ₄𝑦 𝑂2+ 𝑥+ 𝑦₄ 3,78 𝑁2 → 𝑥𝐶𝑂2+ 𝑦

2 𝐻2𝑂 + 𝑥+ 𝑦

4 3,78 𝑁2+ ∆𝐻𝑟

dimana Δ𝐻𝑅 merupakan entalpi reaksi mewakili panas yang dilepaskan oleh proses pembakaran

e. Emisi

Emisi adalah hasil dari sisa pembakaran (polutan) yang berupa zat kimia, materi partikel ataupun material biologis yang dapat merusak atau mengganggu kehidupan makhluk hidup,dan berdampak buruk bagi lingkungan dan atmosfir. Emisi yang berlebihan umumnya disebabkan oleh kondisi pembakaran yang tidak sempurna, antara lain rasio udara – bahan bakar yang tidak ideal, adanya kontaminan pada bahan bakar, dan kinerja burner yang buruk.

f. NOx

Nitrogen oksida adalah salah satu polutan pada udara, dimana sumber antropogeniknya yang utama berasal dari pembakaran. Sebagian besar kendaraan bermotor ikut ambil bagian dalam menyumbang pembentukan dari emisi nitrogen oksida, namun sumber pembakaran stasioner mulai dari plant pembangkit listrik ataupun kompor masak berbahan bakar gas juga menghasilkan nitrogen oksida.

NOx dapat terbentuk dari nitrogen atmosperik, N2, ataupun dari nitrogen yang terkandung dalam bahan bakar. Walaupun ada banyak penyebab tebentuknya emisi NOx pada pembakaran, ada beberapa faktor utama dalam pembentukan NOx yaitu:

a) Thermal NOx

Thermal NOx terbentuk dari reaksi nitrogen dan oksigen yang dipasok oleh aliran udara pembakaran dan sangat bergantung pada suhu yang tinggi. Puncak pembentukan NOx berada pada suhu 1900-2000 derajat celcius.

b) Fuel NOx NOx akan meningkat disaat kandungan nitrogen di dalam bahan bakar meningkat

c) Prompt NOx

(3)

terkecil pada pembentukan NOx. Seperti namanya, prompt NOx terjadi sangat cepat dalam rekasi pembakaran, hanya dalam seperlima milisekon karena adanya keberadaan zat organik yang teroksidasi parsial ikut pada nyala api burner.

2. METODE PENELITIAN

a. Variasi Campuran Bahan Bakar

Biodiesel (B100)

Solar

(B0) Kode

0% 100% B0

5% 95% B5

10% 90% B10

20% 80% B20

50% 50% B50

b. Variasi Fan Damper Number 1. 4

2. 4,3 3. 4,6 4. 4,9

c. Alat Yang Digunakan 1. Fire Tube Boiler

2. Gas Analyzer IMR 1400 3. Stopwatch

d. Bahan Yang Digunakan

1. Minyak Solar produksi kilang Pertamina Refinery Unit (RU) III Palembang

2. Biodiesel PT. Sumi Asih Oleochemical Industry di Bekasi Jawa Barat

3. Air umpan boiler

e. Skema Alat

f. Prosedur Penelitian

3.HASIL DAN PEMBAHASAN

Pembahasan ini berdasarkan dari data pengamatan dan pengukuran yang diambil, meliputi: kandungan NOx pada gas buang, temperatur gas buang, temperatur ruang pembakaran, dan perhitungan excess air. Data-data yang didapat dari operasi selama satu jam telah dirata-ratakan dan disajikan dalam bentuk grafik.

a. Pengaruh penambahan biodiesel pada bahan bakar terhadap pembentukan NOx

Gambar 1. Profil emisi NOx pada gas buang boiler dengan penambahan biodiesel pada bahan bakar

Pada penggunaan B5, NOx yang dihasilkan dengan FDN 4 dan 4,3 meningkat

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0

0 5 10 20 50

K

andung

an

NO

x

(ppm

)

dal

am

g

as

buang

% Biodiesel dalam campuran bahan bakar

4

4,3

4,6

(4)

dibandingkan B0, sedangkan dengan FDN 4,6 dan 4,9 terlihat NOx yang dihasilkan pada B5 menurun. Untuk penggunaan B10, terlihat penurunan kadar NOx disetiap variasi FDN. Kemudian pada B20, kadar NOx mengalami peningkatan dibandingkan sebelumnya dengan variasi FDN 4; 4,3; dan 4,6. Kadar NOx kembali mengalami penurunan pada penggunaan B50 dengan variasi FDN 4; 4,3; dan 4,6; akan tetapi pada FDN 4,9 terjadi sedikit peningkatan kadar NOx.

Secara keseluruhan, dari grafik tersebut terlihat bahwa kadar NOx yang terkandung dalam gas buang cenderung semakin turun seiring dengan penambahan biodiesel pada bahan bakar. Hal ini berlawanan dengan hipotesa penelitian yang digunakan bahwa penambahan biodiesel pada bahan bakar akan meningkatkan emisi NOx yang dihasilkan karena pada biodiesel terkandung lebih banyak nitrogen (fuel-bound nitrogen) (Sara et al, 2011). Penurunan NOx ini diduga disebabkan oleh penurunan temperatur ruang pembakaran, yang akan dibahas pada bagian selanjutnya. Sehingga dapat disimpulkan bahwa kandungan nitrogen yang terkandung pada bahan bakar (Fuel NOx) tidak berpengaruh terhadap pembentukan emisi NOx.

b. Hubungan temperatur ruang bakar terhadap kandungan NOx yang terbentuk

(a.) FDN 4

(b.) FDN 4,3

(c.) FDN 4,6

(d.) FDN 4,9

Gambar 2. Hubungan Antara Temperatur

Ruang Bakar Terhadap Kandungan NOx Dari grafik 2. (a) dan (b) terlihat pada penggunaan B5 ketika temperatur ruang bakar meningkat, kandungan NOx yang dihasilkan juga ikut meningkat. Pada saat terjadi penurunan temperatur ruang bakar di B10, maka kandungan NOx ikut menurun. Begitu juga pada penggunaan B20, terjadi peningkatan temperatur ruang bakar sehingga kandungan NOx-nya naik, kemudian mengalami penurunan

0.0

% Biodiesel Dalam Bahan Bakar

Temp.

(5)

temperatur ruang bakar lagi pada penggunaan B50 diiringi dengan penurunan kandungan NOx.

Grafik 2. (c) menunjukkan pola yang serupa dari dari (a.) dan (b.), hanya saja pada penggunaan B5 terjadi penurunan temperatur dan kandungan NOx disaat (a.) dan (b.) mengalami peningkatan. Akan tetapi pada grafik 2. (d.) terlihat anomali pada penggunaan B5, B20 dan B50, dimana pada B5 dan B20 ketika temperatur ruang bakar meningkat, kandungan NOx menurun. Kemudian di B50 justru pada saat temperatur ruang bakar menurun, kandungan NOx terlihat meningkat.

Menurut Richard (2008) kadar NOx pada gas buang cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur pembakaran, oleh karena itu temperatur pada ruang bakar yang rendah berpotensi menurunkan kadar NOx yang dihasilkan. Penurunan temperatur ini diduga disebabkan akibat reaksi pembakaran dari biodiesel. Dibandingkan dengan reaksi pembakaran minyak solar (eq. 1), pada reaksi pembakaran biodiesel udara yang dibutuhkan lebih sedikit karena adanya oksigen yang terkandung pada biodiesel (eq. 2).

𝐶𝑥𝐻𝑦+ 𝑥+ 𝑦₄ 𝑂2+ 𝑥+ 𝑦₄ 3,78 𝑁2

dengan berkurangnya udara yang bereaksi, maka karbon dioksida dan uap air yang dihasilkan juga berkurang sehingga energi panas reaksi yang dihasilkan biodiesel lebih rendah dan menyebabkan penurunan temperatur pembakaran.

Gambar 3. Profil Temperatur Gas Buang Dari gambar 3. terlihat bahwa temperatur gas buang juga cenderung menurun seiring bertambahnya kandungan biodiesel di dalam campuran bahan bakar, walaupun pada pengunaan B5 dengan FDN 4 dan 4,3 mengalami peningkatan temperatur ruang bakar. Hal ini diduga pada saat pengunaan B5 dengan FDN 4 - 4,3 pembakaran di ruang bakar boiler sedang berada di titik puncak sehingga temperatur gas buang meningkat.

Ghorbani (2011) juga menemukan adanya penurunan kandungan NOx saat terjadi penurunan temperatur boiler pada penelitiannya, selain itu ia menyatakan bahwa peningkatan aliran udara yang masuk juga menurunkan temperatur pembakaran karena temperatur udara yang masuk ke ruang bakar lebih rendah dibandingkan temperatur di dalam boiler sehingga temperatur dalam boiler menurun.

Gambar 4. Hubungan Temperatur Ruang Bakar

Terhadap FDN

Walaupun pada hasil yang didapat (Gambar 4.) hanya pada penggunaan B0, B5 dan B10 terlihat penurunan temperatur seiring bertambahnya bukaan udara, sedangkan pada B20 dan B50 temperatur ruang bakar cenderung meningkat dengan bertambahnya skala bukaan udara. Hal ini dikarenakan saat jumlah udara yang masuk

% Biodiesel Dalam Campuran Bahan Bakar

(6)

meningkat, maka kandungan oksigen pada pembakaran juga meningkat sehingga bahan bakar terkonversi lebih sempurna dan menyebabkan kenaikan temperatur reaksi pembakaran (Hendershot, 2010)

c. Hubungan FDN & Excess air terhadap kandungan NOx yang terbentuk

Gambar 5. Hubungan Antara FDN Terhadap

Excess Air

Selain dipengaruhi oleh temperatur, pembentukan NOx juga dipengaruhi oleh jumlah udara yang dipasok kedalam burner. Pengukuran udara excess dalam hal ini yang ditentukan berdasarkan pengukuran jumlah udara sisa yang terdapat pada gas buang.

Dari gambar 4. terlihat pada FDN 4,3; campuran bahan bakar B5, B20 dan B50 mengalami peningkatan excess air akan tetapi pada bahan bakar campuran B0 dan B10 terjadi penurunan excess air. Kemudian pada FDN 4,6 penggunaan B0, B20, dan B50 terjadi penurunan excess air sedangkan dengan B5 dan B10, excess air mengalami peningkatan. Pada FDN 4,9; bahan bakar campuran B0, B10, B20 dan B50 terlihat mengalami peningkatan excess air namun hanya pada penggunaan B5 yang mengalami penurunan excess air.

Pada pengunaan minyak solar (B0), bertambahnya skala FDN (4,0-4,6) cenderung menurunkan besaran % excess air. Hal ini diduga bahwa solar memiliki kandungan rantai jenuh yang lebih rendah dibandingkan biodiesel sehingga udara dapat bereaksi sepenuhnya pada bahan bakar (Palash, 2013). Sedangkan penambahan biodiesel pada bahan bakar (B5) membentuk profil yang sebaliknya. Dari keseluruhan plot data pada gambar 4.5, terlihat bahwa excess air cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya skala bukaan udara (FDN). Ini artinya semakin besar aliran udara

yang dipasok, maka excess air yang dihasilkan juga akan meningkat.

Dengan membandingkan data antara %

excess air dengan temperatur flue gas (Gambar 6), terlihat bahwa peningkatan excess air

berbanding terbalik dengan temperatur flue gas

dimana pada saat kandungan excess air

meningkat, maka temperatur flue gas menurun, begitu juga sebaliknya. Pada B0 (grafik 6.a.) pada saat terjadi penurunan excess air dengan FDN 4,3 dan 4,6; temperatur flue gas meningkat dan mengalami penurunan di FDN 4,9 disaat

excess air meningkat. Di grafik B5 (6.b.) terlihat pada FDN 4,0 - 4,3 terjadi peningkatan

excess air, diiringi penurunan temperatur flue gas dan excess air menurun pada FDN 4,9. Kemudian di B10 (grafik 6.c.) terlihat penyimpangan pada FDN 4,6 dan 4,9 dimana pada saat excess air meningkat, temperatur flue gas juga meningkat, hal ini terjadi karena pada . Pada B20 (grafik 6.d.) di FDN 4,3 dan 4,6

excess air meningkat diiringi penurunan temperatur flue gas sedangkan pada FDN 4 dan 4,9 excess air menurun dengan kenaikan temperatur flue gas. Terakhir, pada penggunaan B50 dengan FDN 4,3 terlihat penurunan excess air diikuti peningkatan temperatur flue gas, kemudian di FDN 4,6 excess air meningkat dan temperatur flue gas menurun, pada FDN 4,9

excess air kembali mengalami penurunan dengan peningkatan temperatur flue gas.

(7)

(b). B5

(c). B10

(d.) B20

(e). B50

Gambar 6. Hubungan Antara Excess Air

Terhadap Temperatur Gas Buang

Adanya perubahan % excess air terhadap temperatur gas buang berkaitan pada pembentukan NOx dalam gas buang, hal ini dijelaskan Salhab (2011) dalam penelitiannya yang mengungkapkan bahwa dengan excess air

yang tinggi, maka temperatur pembakaran akan menurun sehingga laju reaksi pembentukan NOx menjadi lambat, begitupun sebaliknya.

4. KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

a. Penambahan biodiesel di dalam campuran bahan bakar dapat menurunkan temperatur ruang bakar karena reaksi dari pembakaran biodiesel yang menghasilkan panas lebih rendah , sehingga menyebabkan turunnya kandungan NOx yang terbentuk.

b. Peningkatan udara berlebih (excess air) berbanding terbalik dengan kandungan NOx. Pada saat excess air meningkat, maka temperatur di ruang bakar akan menurun sehingga laju pembentukan NOx pada pembakaran berjalan lambat.

c. Dari hasil grafik 2, dapat disimpulkan bahwa faktor utama penyebab pembentukan NOx pada pembakaran adalah temperatur. Saran

d. Disarankan untuk melakukan penelitian lebih lanjut mengenai hubungan karakteristik biodiesel (nitrogen content,

cetane number, viskositas, densitas dll) terhadap pembentukan NOx pada pembakaran.

e. Sebaiknya dilakukan pembersihan filter bahan bakar dan ruang bakar boiler secara berkala, agar tidak terbentuk prompt NOx

pada pembakaran. DAFTAR PUSTAKA

A. Macor, P. Pavanello. 2008. Performance and emissions of biodiesel in a boiler for residential heating. Universita di Padova, Vicenza

Dermibas, Ayhan. 2008. Biodiesel. Springer, London

G. Afshin & B. Bazooyar. 2011. A comparative study of combustion performance and emission of biodiesel blends and diesel in an experimental boiler. Ahvaz, Iran Jinlin Xue, Tony E. Grift, Alan C. Hansen.

2010. Effect of biodiesel on engine performances and emissions.

(8)

Oxides Formation Trends in Biodiesel Combustion. Chalmers University of Technology. Sweden.

Magin Lapuerta, Octavio Armas, Jose Rodriguez-Fernandez. 2008. Effect of biodiesel fuels on diesel engine emissions.

University of Castilla-La Mancha, Spain M.P. Dorado et all. 2003. Exhaust emissions

form a diesel engine fueled with transesterified waste olive oil fuel

Reed. J. Hendershot. 2010. Use Oxygen to Improve Combustion and Oxydation.

Ameican Institute of Chemical Engineer Richard. C. Flagan. 2008. Combustion

Fundamentals – Second Edition. California Institute of Technology. USA

Sara McAllister, Jyh-Yuan Chen, A. Carlos Fernandez-Pello. 2011. Fundamentals of Combustion Processes. Springer, London Syed Ameer Basha, K. Raja Gopal. 2009. A

review of the effects of catalyst and additive

on biodiesel production, performance, combustion and emission characteristics. King Khalid University, Saudi Arabia S.K. Hoekman. 2012. Review of the effects of

biodiesel on NOx emissions in journal Fuel Processing Technology. Desert Research Institute, Nevada

S.M. Palash, M.A.Kalam, H.H.Masjuki, B.M.Masum, I.M.Rizwanul Fattah, M.Mofijur. 2013. Impacts of biodiesel combustion on NOx emissions and their reduction approaches. Kuala Lumpur, Malaysia

Zuhdi Salhab, Mohammad G. Qawasmi, Hussein Amro, Mosa Zalloum, Mohammad S. Qawasmi and Nafez Sharawi. 2011.

Comparative Performance and Emission Properties of Spark-Ignition Outboard Engine Powered by Gasoline and LPG.