PENENTUAN DOSIS SERAP BERKAS ELEKTRONUNTUK PENGOLAHAN GAS BUANGMENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON (MBE)

Volume 10, Oktober 2008

ISSN 1411-1349

PENENTUAN DOSIS SERAP BERKAS ELEKTRONUNTUK PENGOLAHAN GAS BUANGMENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON (MBE) Rany Saptaaji, Elin Nuraini, Iswani Gitawati Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Badan Tenaga Nuklir Nasional

ABSTRAK PENENTUAN DOSIS SERAP BERKAS ELEKTRON UNTUK PENGOLAHAN GAS BUANG MENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON (MBE). Perhitungan dosis serap berkas elektron bertujuan untuk menentukan seberapa besar dosis serap yang diperlukan untuk pengolahan gas buang. Besar dosis serap dipengaruhi oleh temperatur gas buang dan removal efficiency yang dikehendaki. Dari hasil perhitungan diperoleh dosis serap optimal untuk pengolahan gas buang (SO2 dan NOx) adalah 8 kGy untuk temperatur gas buang antara 63oC sampai 67oC dengan removal efficiency 67% sampai 86%. Hasil perhitungan ini dapat digunakan sebagai data perencanaan operasi dan perhitungan parameter lain yang berkaitan dengan perancangan sistem pengolahan gas buang SO2 dan NOx.

ABSTRACT THE DETERMINATION OF ELECTRON BEAM ABSORBED DOSE FOR FLUE GAS TREATMENT USING ELECTRON BEAM MACHINE (EBM). The calculation of electron beam absorbed dose to determine the magnitude of absorbed dose that was needed for flue gas treatment has been done. The magnitude of absorbed dose was influenced by flue gas temperature and desired removal efficiency. From the calculation result, the optimum absorbed dose for SO2 and NOx flue gas treatment are 8 kGy for 63oC until 67oC flue gas temperature and 67% until 86% for removal efficiency. The calculation result can be used as operation plan data and other parameter calculation that be connected with design of SO2 and NOx flue gas treatment system.

PENDAHULUAN

I

ndonesia merupakan salah satu penghasil batu bara di dunia, dimana kondisi batubara yang dihasilkan mempunyai kadar belerang lebih dari 0,5% jumlahnya mencapai 90% dari hasil total batu bara. Berdasarkan hasil evaluasi cadangan batubara nasional terutama dari cadangan lokasi explorasi PT Bukit Asam, dalam 10 sampai 20 tahun mendatang diperkirakan batubara dengan kadar belerang 0,7% masih tersedia dalam jumlah yang banyak[1] Sayangnya batubara dengan kadar belerang yang tinggi jika digunakan sebagai bahan bakar Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) menimbulkan gas beracun seperti SO2 dan NOx yang melebihi batas baku mutu emisi (BME 2000) yaitu maksimal 750 mg/m3 untuk SO2 dan 850 mg/m3 untuk NOx.[1] Emisi gas buang dari pembakaran batubara yang tidak memenuhi BME dalam suatu PLTU akan menghasilkan SO2 dan NOx yang dapat menimbulkan polusi udara. Emisi gas buang SO2 dan NOx ke udara dari aktivitas industri berat dan terutama dari pembakaran bahan bakar fosil seperti batubara dan minyak bumi pada pembangkit listrik merupakan

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 10, Oktober 2008 : 156 - 160

salah satu sumber polusi dalam skala besar. Reaksi yang terjadi di udara akan menyebabkan hujan asam yang berbahaya bagi lingkungan. Keadaan ini diperparah dengan meningkatnya penggunaan batubara berkualitas rendah yang mengandung kadar belerang tinggi di dalam industri. Berbagai negara telah berusaha untuk mengurangi dan mengendalikan polusi udara. Unsur-unsur beracun dalam gas buang dapat bergerak lebih dari ribuan kilometer dan dapat menimbulkan masalah lingkungan tempat/negara lain. SO2 dan NOx merupakan penyebab utama hujan asam yang dapat menimbulkan kerusakan hutan, tanah pertanian, danau dan sebagainya yang berdampak pada semua makhluk hidup. Berkas elektron dari Mesin Berkas Elektron (MBE) untuk pengolahan gas buang sejak dua dekade yang lalu telah dikembangkan di Jepang, Amerika, Jerman, Polandia dan China[2]. Proses Electron Beam for Fue Gas Treatment (EB-FGT) adalah proses pengolahan kering gas buang (flue gas) menggunakan berkas elektron yang secara simultan dapat mereduksi SO2 dan NOx. Iradiasi gas buang menghasilkan radikal-radikal aktif dan

156


bereaksi dengan SO2 dan NOx membentuk asam sulfat dan asam nitrat[3]. Salah satu program Landmark BATAN pada tahun 2006 adalah membuat Basic Engineering Design Package (BEDP) untuk EB-FGT guna mengurangi kadar emisi gas buang SO2 dan NOx dari PLTU bebahan bakar batu bara. Sejalan dengan program tersebut, maka salah satu kegiatannya adalah melakukan pengkajian untuk menentukan kebutuhan dosis serap dalam pengolahan gas buang sebagi dasar penentuan parameter-parameter lainnya yang berkaitan dengan pembuatan BEDP untuk FGT. Sebagai dasar perhitungan digunakan data batu bara yang banyak digunakan di Indonesia yaitu batu bara yang berasal dari Bukit Asam. Dengan melakukan perhitungan dosis serap untuk gas buang diharapkan dapat memperoleh data untuk menunjang pembuatan BEDP EB-FGT.

ISSN 1411-1349

yang dikombinasi dengan penambahan gas amoniak yang dimasukkan ke dalam suatu bejana proses. Ketika gas buang teriradiasi oleh berkas elektron, komponen gas di dalam bejana tersebut bertumbukkan dengan elektron yang energinya cukup untuk menghasilkan ionisasi molekuler, atom bebas dan spesies radikal seperti O, OH, N dan HO2. Radikal bebas terbentuk sangat reaktif dan bila bertemu dengan sulfur dioksida (SO2) dan nitrogen oksida (NOx) akan mengubahnya menjadi asam sufat dan asam nitrat, dan dengan adanya penambahan amoniak (NH3) akan menghasilkan produk samping berupa bahan pupuk pertanian.

Berkas Elektron untuk Pengolahan Gas Buang Berbagai teknologi dan proses telah dikembangkan untuk mengurangi emisi SO2 dan NOx, di antaranya adalah FGD (Flue Gas Desulphurisation), SCR (Selective Catalitic Reduction) dan EB-FGT (Electron Beam for Flue Gas Treatment) menggunakan MBE (Mesin Berkas Elektron). Penerapan teknologi EB-FGT di Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) yang menggunakan bahan bakar batu bara merupakan solusi terbaik untuk memecahkan permasalahan yang berhubungan dengan peraturan mengenai pengelolaan lingkungan hidup karena keterbatasan lahan. Selain itu proses radiasi menggunakan MBE mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan proses konvensional (FGD dan SCR) antara lain: merupakan suatu sistem proses yang kompak karena dapat mengolah SO2 dan NOx secara serentak dengan tingkat efisiensi tinggi; sangat cocok untuk pengolahan gas buang dengan kandungan SO2 yang tinggi dan membutuhkan air proses sedikit dibandingkan FGD; ramah lingkungan karena proses akan mengubah polutan menjadi pupuk pertanian dan tidak menghasilkan limbah/polutan baru; lebih ekonomis ditinjau dari segi konstruksi dan operasi instalasi, serta pengaruh terhadap biaya produksi tenaga listrik relatif kecil bahkan ada kemungkinan berubah menjadi keun-tungan bila produk pupuk dapat dikelola dengan baik; lahan yang dibutuhkan untuk instalasi ini relatif lebih kecil dibandingkan dengan teknologi sejenis yang lain[3]. Pengolahan gas buang SO2 dan NOx menggunakan berkas elektron pada umumnya merupakan teknologi desulfurisasi dan denitrasi PENENTUAN DOSIS SERAP BERKAS ELEKTRON UNTUK PENGOLAHAN GAS BUANG MENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON (MBE) Rany Saptaaji, dkk

Gambar 1. Skema flue gas treatment menggunakan berkas elektron [2] Dosis Serap Bila radiasi pengion digunakan, maka parameter pokok yang harus dikendalikan adalah dosis radiasi terserap. Ternyata besarnya dosis radiasi terserap berbanding langsung dengan perubahan kimia maupun perubahan fisika, bahkan perubahan biologi sekalipun di dalam bahan yang diproses. Karena bila besarnya dosis radiasi terserap dikendalikan dengan baik maka kualitas bahan yang diirdaisai dapat pula terkendali. Dosis radiasi terserap (biasa pula disebut ”dosis”) D, didefinisikan sebagai banyaknya atau jumlah energi yang terserap per satuan massa dari bahan yang diiradiasi. Menurut International Commision on Radiation Units and Measurements (IRCU), secara matematik ditulis, D = dE/dm dengan E adalah energi radiasi dan m adalam massa bahan.Dan dalam satuan internasional (satuan SI), dosis radiasi terserap dinyatakan dalam satuan Gray (Gy). 1 Gy = 1 J/kg = 6,24.1015 eV/g Sebelumnya satuan dosis radiasi terserap dinyatakan dalam rad (radiation absorbed dose). 1 rad = 0,01 J/kg = 0,01 Gy = 100 erg/g = 6,24.1013 eV/g Selanjutnya dapat dipahami bahwa 100 rad = 1 Gy 157


TATA KERJA Kegitan penentuan dosis serap berkas elektron dilakukan dengan cara perhitungan sebagai berikut, untuk memenuhi removal SO2 dan NOx yang diinginkan, perlu dihitung nilai dosis serap yang dibutuhkan, sehingga pengurangan konsentrasi gas buang setelah diiradiasi sesuai yang diharapkan. Perhitungan dosis serap berkas elektron Data teknis batu bara : [1] Asal batu bara : Bukit Asam Kadar belerang (S) : 0,53 % - 1,53% Kerapatan gas buang (ρ) : 1,372 kg/m3 = 0,001372 gr/cm3 Batu bara pada umumnya mempunyai kadar ratarata (S): 0,7% Sebagai dasar perhitungan digunakan data batu bara yang banyak digunakan di Indonesia yaitu batu bara yang berasal dari Bukit Asam. Dari kajian BPPT dan Indonesia Power, batu bara asal Bukit Asam mempunyai kadar belerang (S) antara: 0,53 % - 1,53%, yang dapat dijelasakan sebagai berikut,[1] Untuk kadar belerang (S) = 0,53%, kandungan SO2 = 924 mg/m3 2. Untuk kadar belerang (S) = 1%, kandungan SO2 = 1550 mg/m3 3. Untuk kadar belerang (S) = 1,53%, kandungan SO2 = 2113 mg/m3 Sedangkan kandungan NOx pada semua kadar belerang (S) ordenya 850 mg/m3.

ISSN 1411-1349

Untuk kadar S = 0,53% sampai 1,53%, besarnya RE = 1 – 400/850 × 100% = 53%. Dari kurva removal efficiency vs dosis pada temperatur gas buang 67oC seperti ditunjukkan dalam Gambar 1, dosis yang diperlukan untuk menurunkan konsentrasi SO2 dengan, RE = 67% adalah 4,2 kGy RE = 80% adalah 6,6 kGy RE = 86% adalah 8 kGy Sedangkan besarnya dosis yang diperlukan untuk menurunkan konsentrsai NOx dengan RE = 53 % adalah 5,8 kGy.

1.

Sesuai ketentuan Baku Mutu Emisi 2000 (BME 2000) ditetapkan bahwa gas buang yang diijinkan untuk lingkungan di bawah 750 mg/m3 untuk SO2 dan 850 mg/m3 untuk NOx.[1]. Akan tetapi untuk penelitian pengolahan gas buang yang sedang dilakukan oleh BATAN ditetapkan target gas buang setelah melewati MBE untuk SO2 = 300 mg/m3 dan untuk NOx = 400 mg/m3 [3]. Berdasarkan data kandungan SO2 dan NOx dalam batu bara, maka dapat dihitung besarnya removal efficiency (RE) dari SO2 dan NOx sebagai berikut: Removal efficiency (RE) untuk SO2; 1. Untuk kadar S = 0,53%, besarnya RE = 1 – 300/924 × 100% = 67% 2. Untuk kadar S = 1%, besarnya RE = 1 – 300/1550 × 100% = 80% 3. Untuk kadar S = 1,53%, besarnya RE = 1 – 300/2113 × 100% = 86% Removal efficiency (RE) untuk NOx;


Gambar 1. Removal efisiensi vs dosis pada SO2 dan NOx [2]

HASIL DAN PEMBAHASAN Dosis serap merupakan energi yang terserap (terdeposit) persatuan massa dari bahan dan biasa disebut dosis terserap (absorbed dose). Besarnya dosis radiasi terserap berbanding langsung dengan perubahan kimia maupun perubahan fisika, bahkan perubahan biologi sekalipun di dalam bahan yang diiradisai. Untuk mengetahui dan mengontrol besarnya energi terserap pada bahan sesuai yang diperlukan, maka peranan dosimetri menjadi penting dalam merancang iradiasi suatau bahan. Karena itu bila besarnya dosis radiasi terserap dikendalikan dengan baik maka kualitas produk yang dihasilkan dapat pula terkendali. Upaya pemberian dosis yang tepat agar bahan yang diproses sesuai dengan yang direncanakan merupakan bagian penting dalam proses radiasi dalam industri. Dalam makalah ini sebagai dasar perhitungan dosis serap digunakan data gas buang dari hasil pembakaran batu bara yang banyak digunakan di Indonesia yaitu batu bara yang berasal dari Bukit Asam. Dari kajian BPPT dan Indonesia Power, batu bara asal Bukit Asam mempunyai kadar belerang (S) antara: 0,53 % - 1,53%[1].

158


ISSN 1411-1349

Sesuai ketentuan Baku Mutu Emisi 2000 (BME 2000) ditetapkan bahwa gas buang yang diijinkan untuk lingkungan di bawah 750 mg/m3 untuk SO2 dan 850 mg/m3 untuk NOx.[1]. Berbagai negara telah menetapkan batas emisi gas buang industri, dimana batasannya tergantung pada situasi dan kondisi masing-masing negara, seperti di Austria: 200 mg/m3 SO2, Australia: 2.000 mg/m3 SO2 untuk pembangkit energi yang sama, sedangkan Protocol Tokyo menetapkan baku mutu emisi maksimal 750 mg/m3 SO2. Sejumlah negara telah menetapkan batas emisi polutan dari gas buang, namun hasil emisi tidak selalu memenuhi batas yang ditetapkan. Hal ini mendorong usaha untuk mendapatkan solusi yang murah guna mengendalikan kelebihan emisi SO2 dan NOx. Teknologi konvensional FGD untuk SO2 dan SCR untuk NOx telah dimanfaatkan secara luas di berbagai negara maju, namun teknologi tersebut masih terlampau mahal dan penerapannya memerlukan lahan yang luas. Suatu teknologi baru yang mulai diterapkan dalam skala industri adalah proses pembersihan gas buang SO2 dan NOx dengan MBE yang dapat mengurangi kadar polutan gas buang sampai batas ambang aman untuk lingkungan.

temperatur gas buang untuk diolah dengan berkas elektron adalah sekitar 65oC dengan kandungan uap air 11,5% (volume)[4] . Dalam perhitungan dosis serap ini diasumsikan temperatur gas buang 67oC, sehingga dengan interpolasi kurva pada Gambar 1 diperoleh dosis yang diperlukan untuk mnurunkan konsentrasi SO2 dengan RE = 67% adalah 4,2 kGy, RE = 80% adalah 6,6 kGy, RE = 86% adalah 8 kGy. Sedangkan besarnya dosis yang diperlukan untuk menurunkan konsentrasi NOx pada semua kadar belerang dalam batu bara, dengan RE = 53% adalah 5,8 kGy. Dengan cara yang sama dapat dihitung kebutuhan dosis serap untuk pengolahan gas buang pada kondisi temperatur gas buang 65oC dan 63oC, dan hasilnya ditunjukkan pada Tabel 1.

Dalam penelitian pengolahan gas buang yang sedang dilakukan oleh BATAN ditetapkan target gas buang setelah melewati MBE untuk SO2 = 300 mg/m3 dan untuk NOx = 400 mg/m3[3] Hal ini untuk meyakinkan bahwa berkas elektron betul-betul mampu menurunkan konsentrasi gas buang (SO2 dan NOX).

Berdasarkan hasil perhitungan (Tabel 1) dapat dijelaskan bahwa besar dosis serap yang dibutuhkan untuk pengolahan gas buang bergantung pada temperatur gas buang yang diolah dan removal efficiency yang dikehendaki. Dengan menggunakan dosis serap 5,8 kGy sudah dapat memenuhi removal efficiency untuk NOx, dimana target gas buang setelah melewati MBE untuk NOx = 400 mg/m3. Sedangkan kebutuhan dosis untuk dapat memenuhi removal efficiency SO2, dimana target gas buang setelah melewati MBE untuk SO2 = 300 mg/m3 adalah bervariasi antara < 1 kGy sampai 8 kGy tergantung dari besarnya temperatur gas buang dan removal efficiency. Berdasarkan hal tersebut dapat diartikan bahwa dengan menggunakan dosis 8 kGy sudah dapat memenuhi removal efficiency untuk SO2 dan NOx pada semua temperatur gas buang.

Biasanya gas buang yang keluar dari boiler suatu PLTU temperaturnya masih cukup tinggi dan mengandung debu layang, oleh karena itu gas buang dilewatkan electronic precipitator (ESP). Di dalam ESP debu layang dan gas dipisahkan sehingga gas buang keluar dari ESP sudah bersih dari debu layang. Namun demikian gas buang yang keluar dari ESP masih mempunyai temperatur yang cukup tinggi yaitu sekitar 138oC, sedangkan persyaratan

Dengan data hasil perhitungan dosis serap berkas elektron untuk pengolahan gas buang dapat digunakan sebagai data perencanaan operasi dan perhitungan parameter lain yang berkaitan dengan pembuatan BEDP untuk EB-FGT. Salah satu contoh penentuan parameter yang memerlukan data dosis serap yaitu perhitungan daya optimal mesin berkas elektron yang diperlukan untuk pengolahan gas buang.

Tabel 1. Nilai dosis serap fungsi temperatur dan removal efficiency gas buang (SO2 dan NOX)

No

Temperatur gas buang

1. 2.

63oC 65oC

RE = 67% < 1 kGy < 1 kGy

3.

67oC

4,2 kGy

Gas buang SO2 Dosis serap RE = 80% 0,2 kGy 3,2 kGy

RE = 86% 2,8 kGy 5,9 kGy

Gas buang NOx Dosis serap RE = 53% 5,8 kGy 5,8 kGy

6,6 kGy

8,0 kGy

5,8 kGy

PENENTUAN DOSIS SERAP BERKAS ELEKTRON UNTUK PENGOLAHAN GAS BUANG MENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON (MBE) Rany Saptaaji, dkk

Keterangan RE = Removal Efficiency

159


KESIMPULAN Secara perhitungan besar dosis serap optimal untuk pengolahan gas buang (SO2 dan NOx) adalah 8 kGy untuk temperatur gas buang antara 63oC sampai 67oC dengan efficiency removal 67% sampai 86%. Hasil perhitungan ini dapat digunakan sebagai data perencanaan operasi dan perhitungan parameter lain yang berkaitan dengan perancangan sistem pengolahan gas buang SO2 dan NOx

DAFTAR PUSTAKA [1] DAGSTAN-INDONESIA POWER, Executive Summary, Study Kelayakan Instalasi


ISSN 1411-1349

Pengolahan Gas Buang dengan Mesin Berkas Elektron UBP Suralaya, Desember 2002. [2] ZBIGNIEW ZIMEK, Introduction to Elektron Beam Application in Flue Gas Treatment Process, National Training Course on Elektron Machine Technology-BATAN, Yogyakarta, Indonesia, 2005. Proposal Pembuatan Spesifikasi Teknis Sistem Pengolahan Gas Buang PLTU Suralaya Menggunakan Mesin Berkas Elektron, BATAN 2005. [3] Proposal for Electron Beam Flue Gas Treatment System, EB-Tech Co., Ltd., Daejon, Republic of Korea, 2005.

160

PENENTUAN DOSIS SERAP BERKAS ELEKTRONUNTUK PENGOLAHAN GAS BUANGMENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON (MBE)

Recommend Documents