PENGKAJIAN RECOVERY ENERGY HASIL PROSES INSENERA TORUNTUK PEMANASAN UDARA PEMBAKARAN

Osmen GultomPusat pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif

ABSTRAKPENGKAJIAN RECOVERY ENERGY HASIL PROSES INSENERATOR UNTUK

PEMANASAN UDARA PEMBAKARAN. Telah dilakukan pengkajian memanfaatkan panasyang terkandung dalam gas hasil pembakaran insenerator untuk digunakan pemanasan awalterhadap udara pembakaran yang diperlukan. Gas hasil panas hasil pembakaran yang keluartungku dilewatkan melalui alat penukar panas sehingga akan terjadi perpindahan panas darigas hasil pembakaran ke udara pembakaran. Dari studi yang dilakukan diketahui bahwa padapembakaran 20 kg/jam limbah cair pada suhu 1000°C akan dihasilkan udara kering sebanyak773,8 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 gaspanas yang masuk alat penukar panas dan temperatur gas panas yang keluar alat penukarpanas. Semakin tinggi beda temperatur maka panas yang diperoleh semakin besar.

ABSTRACTA 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 theincinerator flue gas for pre heat combustion air. Hot flue gas flow through a heat exchanger soit will occur heat transfer from flue gas to air combustion. The result of study show thatcombustion of 20 kglh of liquid waste with combustion temperature 1000°C will produce 773,8kglh of dry air and 47,2 kglh moisture with total heat content 1.136.490 kJIh. Available heatdepends of temperature difference between temperature flue gas entering heat exchanger andtemperature flue gas leaving heat exchanger. The higher difference temperature will result moreavailable heat.

PENDAHULUANProses pembakaran digunakan secra luas untuk mengontrol emisi

campuran volatil organik dalam proses industri. Dimana pada suhu tinggi danwaktu yang cukup uap hidrokarbon dioksidasi menjadi karbon dioksida dan uapair. Proses ini diterapkan untuk mengolah limbah radioaktif terbakar baik limbahcair maupun padat.

Salah satu keunggulan pembakaran adalah efisiensi pemisahan polutanyang tinggi serta reduksi volume yang sangat besar. Disisi lain sejumlahproblem bisa terjadi pada pembakaran limbah. Pembakaran yang tidaksempurna dari bahan-bahan organik menghasilkarl pembentukan aldehida danuap asam. Oksidasi hidrokarbon yang mengandung sulfur ataupun halogenakan menghasilkan polutan seperti sulfur dioksida, asam hidroklorida ataupunphosgen. 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 kimiayang mengasilkan pelepasan panas. Dalam pembakaran bahan bakar ataulimbah dimana komponen utama terdiri dari karbon dan hidrogen pelepasanpanas yang terjadi ditunjukkan oleh reaksi berikut:

Hasil Penelitian Tahun 2000

C + 02 ~ CO2 + energy

2H2 + O2 ~ 2H2O + energy

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

Salah satu titik kritis daiam pengolahan limbah radioaktif menggunakanproses pembakaran adalah sulitnya mengontrol gas hasil pembakaran (gasbuang). Hal ini terjadi karena energy yang timbul dari proses pembakaran akanterikut dalam aliran gas buang akibatnya diperlukan pengolahan awal untuk

mengambil panas (menurunkan temperatur) agar pengolahan gas buang dapatdilakukan. Untuk menurunkan temperatur dapat dilakukan dengan carapengenceran menggunakan udara luar pada ambien temperatur. Akibatnyavolume gas yang diolah bertambah. Cara lain untuk menurunkan temperaturadalah dengan mengambil kembali (recovery) panas yang ada denganmenggunakan alat penukar panas.

Dengan semakin meningkatnya harga bahan bakar dan biayaoperasional maka recovery energy merupakan salah satu alternatif yang perludipertimbangkan pada pengoperasian instalasi insenerator. Pada makalah iniakan dibahas pemanfaatan energy yang timbul dari proses pembakaran limbahuntuk digunakan bagi keperluan proses seperti pemanasan awal terhadapudara pembakaran, limbah cair yang akan dibakar atau pemanasan ulang gasbuang yang telah dicuci dalam kolom pencucian sebelum dilepas ke

lingkungan.

METODOLOGI PENEL/TIANStudi 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 atungku pembakaran. Kemudian ditentukan jumlah panas yang timbul dan panasyang keluar tungku. Panas yang timbul ini digunakan untuk pemanasan awalterhadap udara pembakaran dengan menggunakan alat penukar panas dandihitung jumlah panas yang bjsa direcovery.

RECOVERYENERGYPROSESINSENERATORBerhubung dengan semakin meningkatnya biaya operasional dan

keterbatasan bahan bakar yang ada maka recovery energy menjadi bagianpenting dalam pengoperasian instalasi insenerator. Alasan lain yang menjadipertimbangan 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 sistempengolahan gas buang

89HasH Penelitian Tahun 2000

.

Penerimaan masyarakat; untuk memperoleh penerimaan publik terhadapproyek insenerator. Masyarakat bisa lebih tetarik membuang limbah sambil

menghemat energy khususnya limbah yang bisa diinsenerasi.

Sejumlah perbandingan antara insenerator yang merecovery energy danyang 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 mungkinterhadap fluida yang dipanaskan. Ada dua faktor pembatas temperatur yangharus dipertimbangkan dalam merencanakan transfer panas yang maksimum.Pertama tingkay recovery dibatasi oleh titik embun komponen gas dalam alirangas buang. Jika gas buang didinginkan dibawah titik embun maka korosi a8ambisa terjadi. Faktor kedua, recovery panas dibatasi oleh auto ignition temperaturdari fluida yang dipanasi. Jika limbah (cair/gas) dipanaskan hingga auto ignitiontemperatur dapat menyebabkan terjadinya ledakan.

Salah satu metode untuk mengetahui unjuk kerja recovery panas adalahdengan mengetahui efektivitas perpindahan panas (E) yang ditulis derlganrumus:

(3)-T gas buang keluar HE)mCp(T gasbuang masuk HE

DASAR PERHITUNGANPerhitungan recovery energy diawali dengan menghitung neraca bahan danpanas pada tungku insenerator. Perhitungan neraca massa dan panasdidasarkan pada hukum termodinamika pertama yaitu dalam kondisi steadystate;

input yang masuk ke sistem = out put yang keluar sistem

HasH Penelitian Tahun 2000 90

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 = massah = entalpiQ :: panas pembakaran umpan

.

Temperatur pendekatan (Approach temperature)Untuk menentukan temperatur gas buang yang keluar alat penukar panasdilakukan dengan menggunakan temperatur pendekatan.

Gas buang keluar penukarAlat panas to

Gas buang keluar tungku @ t t Fluida panas

4 ~ Alat penukarpanas

t Fluida ding in

Temperatur pendekatan adalah perbedaan temperatur gas buang keluarpenukar panas dan temperatur fluida yang keluar dari penukar panas ditulisdengan:

tx = to -4

Semakin kecil temperatur pendekatan maka alat penukar panas semakinefisien. Dalam prakteknya temperatur pendekatan diambil 38°C untukpenukar panas yang efisien dan 65 °c untuk penukar panas standar.

.

Panas yang diperoleh (Available heat)Panas yang diperoleh sarna dengan panas yang terkandung dalam gashuang yang masuk alat penukar panas dikurangi panas yang terkandungdalam gas huang yang keluar alat penukar panas yang ditulis dengan:

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

HasH Penelitian Tahun 2000 91

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

WdgWm

ha

hm

= panas yang diperoleh= laju gas buang komponen kering= laju udara basah= entalpi udara kering= entalpi udara basah

HASIL DAN PEMBAHASANOari dokumen technicatome diketahui kom,posisi limbah cair yang

diinsenerasi adalah sebagai berikut : C = 87 %, H = 12 % dan S = 1 % dengankapasitas pembakaran 20 kg/jam. Oengan menggunakan data ini dihitungneraca massa dan neraca panas dalam tungku insenerator. Untuk menghitungneraca 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 MassaNo. Deskripsi Jumlah Satuan~

1. an limbah cair2. 20 I kg/jamHasil pembakaran

.CO2

.H2O

.802

.~

63,521,60,40

217,6

kg/jamkg/jamkg/jamkg/jam

6. I Kebutuhan udara total 424,81 kg/jam..!kg/jam I

7 Kelembaban udara (0,01 kg/kg udarakering)Total udara basah

4,53

26, amI otar udara kerin 451, am

Hasil Penelitian Tahun 2000 92

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 200093

Kemudian dari data yang ada pad a Tabel 2 dan Tabel 3 dihitung panas yang

diperoleh dengan menggunakan persamaan (8) dengan mengambil temperaturpendekatan 65°C. Gas buang yang keluar insenerator dan masuk ke alatpenukar panas adalah sebagai berikut :Laju alir udara kering, Wdg = 773,8 kgLaju alir udara basah, Wm = 47,2 kg/jamTemperatur, ti = 1.000°CEntalpi udara kering, hai = 1.168,3 kJ/kgEntalpi udara basah, hmi = 4.808,8 kJ/kg

Asumsi temperatur udara pembakaran keluar dari alat penukar panas = 260°CTemperatur 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/kgMaka 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 alatpenukar panas maka diperoleh data seperti yang terdapat pad a Tabel 4.

Tabel4. Panas Yanq DiDeroleh Dari Gas Buana Insenerator0> cn crncn rn.:£. rncn

crnrorn O>:J~ ro<U...:J C 'u C'" ..Q .:£. rn '- cn.:£. '- rn0> :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 :Jrn(15O>c Ern~ O)O>c

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

la

Q)

1.136.490-1.136.490

148

1.000603

Dari Tabel diatas terlihat bahwa panas yang diperoleh tergantung padatemperatur gas buang yang keluar alat penukar panas. Semakin tinggitemperatur gas buang yang keluar alat penukar panas maka panas yangdiperoleh semakin rendah dan efisiensi semakin kecil.

Hubungan antara perbedaan temperatur dengan panas yang diperolehditunjukkan pada Gambar 1.

HasiJ PeneJitian Tahun 2000 94

E 900000~ 800000-,C 700000~ 600000"'503 500000c..

~ 400000

g> 300000co>- 200000(/)

~ 100000co

0.. 0-

200 300 406 500 600 700

Beda temperatur (oC)

800 900

KESIMPULANOari pengkajian yang dilakukan terhadap insenerator P2PLR diketahui

bahwa pad a pembakaran 20 kg/jam limbah cair dengan temperaturpembakaran 1.000 °c dilepaskan panas melalui gas buang sebesar 1.136.490kJ/jam. Oengan menggunakan alat penukar panas maka panas tersebut dapatdirecovery untuk kebutuhan proses. Besarnya panas yang diperoleh tergantungpada temperatur gas buang masuk alat penukar panas dan temperatur gasbuang keluar alat penukar panas. Semakin tinggi bed a temperatur makaefisiensi alat semakin besar.

SARANPengkajian yang dilakukan terhadap insenerator P2PLR masih perlu dilanjutkanuntuk mengetahui beban pengolah gas buang setelah panas direcovery danparameter lain sehingga diperoleh efisiensi instalasi yang lebih tinggi.

DAFTAR PUSTAKA ,

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

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, Technicatome5. Hicks TG, Handbook of Mechanical Engineering Calculation McGraw-Hillin

Hasil Penelitian Tahun 2000 95