PENELITIAN
PROSIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKAT
NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
PENENTUAN KEDALAMAN PENETRASI BERKAS ELEKTRON 350 keY DALAM GAS BUANG PAD A SISTEM PENGOLAHAN GAS BUANG SKALA LABORATORIUM MENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON Rany Saptaaji Puslitbang Tekn%gi Maju - BATAN Yogyakarta
ABSTRAK PENENTUAN KEDALAMAN PENETRASI BERKAS ELEKTRON 350 keV DALAM GAS BUANG PADA SISTEM PENGOLAHAN GAS BUANG SKALA LAS ORA TORIUM MENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON Da/am tulisan ini disajikan hasil perhitungan keda/aman penetrasi berkas elektron 350 keV dalam bahan gas buang (flue gas) dari PL TU berbahan bakar batu bara. Proses Electron Beam for Flue Gas Treatment (EB-FGT) adalah proses pengolahan kering gas buang menggunakan berkas elektron yang secara simultan dapat mereduksi 802 dan NOx. lradiasi gas buang menghasilkan radikal-radikal aktif yang kemudian bereaksi dengan 802 dan NOx membentuk asam sulfat dan asam nitrat. Dalam proses pengolahan ini diblltuhkan bejana proses yang berfungsi sebagai tempatlwadah terjadinya reaksi antara gas buang dengan berkas elektron. Untuk menentukan dimensi bejana proses perfu ditentukan/dihitung kedalaman penetrasi berkas elektron pada gas tersebut. 8ecara perhitungan diperoleh kedalaman penetrasi optimum berkas elektron 350 ke V ke dalam gas buang adalah 12,208 cm. Kata kunci: gas buang, berkas elektron 350 ke V, penetrasi, bejana proses. ABSTRACT DETERMINA TION OF PENETRA TION DEPTH OF 350 keV ELECTRON BEAM INTO FLUE GAS AT LABORA TORIUM SCALE FLUE GAS TREA TMENT SYSTEM USfNG ELECTRON BEAM MACHINE. Penetration depth calculation of 350 keV electron beam into flue gas from coal fired power plan is presented in this paper. Electron Beam for Flue Gas Treatment (EB-FGT) is a dry treatment process using electron beam to simultaneously reduce 802 and NOx. Flue gas irradiation produces active radicals and then reaction with 802 and NOx produces nitrate acid and sulphate acid. Process vessel is needed in this process as reaction container of flue gas with electron beam. The calculation of electron beam penetration depth into flue gas is used to determine the process vessel dimension. The result of calculation found that the optimum penetration depth of 350 keV electron beam into flue gas is 12,208 cm. Ke.v word: flue gas, electron beam 350 ke V, penetration, process vessel.
PENDAHULUAN Pencemaran dari hasil
udara oleh gas bahan buang bakar S02 danseperti NOx pembakaran minyak atau batu bara yang terjadi saat ini kalau tidak dikendalikan akan membahayakan kehidupan manusia, karena kedua gas buang tersebut dapat menimbulkan hujan asam. Kadar pencemaran S02
Rani Saptaaji
dan NOx ini dapat dikurangi melalui pengolahan gas buang (Flue Gas Treatment), baik secara konvensional maupun secara maju. Pengolahan gas buang menggunakan Mesin Berkas Elektron (MBE) di negara-negara maju seperti Cina, Jepang dan Polandia pada saat ini telah dilakukan tidak hanya dalam skala laboratorium atau pilot tetapi sudah mulai masuk dalam skala industri. Hal tersebut
ISSN 1410 - 8178
501
PENELITIAN
PROSIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
mengindikasikan bahwa teknologi MBE dipandang eukup baik sebagai sarana pengolah gas buang S02 dan NOx. Berkas elektron dari Mesin Berkas Elektron untuk pengolahan gas buang sejak dua dekade yang lalu telah dikembangkan di beberapa negara maju. Proses Electron Beam for Flue Gas Treatment (EBFGT) adalah proses pengolahan kering gas buang (flue gas) menggunakan berkas elektron yang secara simultan dapat mereduksi S02 dan NOx' lradiasi berkas elektron pada gas buang menghasilkan radikal-radikal aktif dan bereaksi dengan S02 dan NO, membentuk asam suifat dan asam nitrat.(1] Sejalan dengan keeederungan pengolahan gas S02 dan NOx yang dilakukan di negara-negara maju, serta telah tersediaanya peralatan MBE di PTAPB-BA TAN maka perlu kiranya dilakukan kajian mengenai pengolahan gas S02 dan NO, menggunakan MBE. Sebagai langkah awal maka dilakukan peraneangan perangkat .eksperimen pengolah gas buang skala laboratorium menggunakan MBE 350 keV/5 mA yang ada di PTAPB. Salah satu kegiatan yang dapat menunjang terealisasinya perancangan perangkat .eksperimen pengolah gas buang adalah perhitungan penetrasi berkas elektron di dalam gas buang sebagi dasar penentuan dimensi bejana proses (process vessel). Bejana proses berfungsi sebagai tempat/wadah terjadinya reaksi antara gas buang dengan berkas elektron. Dengan melakukan perhitungan penetrasi berkas elektron diharapkan dapat diperoleh data untuk menunjang pembuatan bejana proses gas buang, sehingga dapat mendukung terealisasinya perancangan perangkat .eksperimen pengolah gas buang skala laboratorium. Berkas Buang
Elektron
untuk
Pengolahan
Gas
Berbagai teknologi dan proses telah dikembangkan untuk mengurangi emisi S02 dan NO., di antaranya adalah FGD (Flue Gas Desulphurisation), SCR (Selective Catalitic Reduction) dan EB-FGT (Electron Beam for Flue Gas Treatment) menggunakan MBE. Penerapan teknologi EB-FGT di Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PL TU) yang menggunakan bahan bakar batu bara merupakan solusi terbaik untuk memeeahkan permasalahan yang berhubungan dengan peraturan mengenai pengelolaan Iingkungan hidup. 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 S02 dan NOx seeara 502
serentak dengan tingkat efisiensi tinggi; ~angat coeok untuk pengolahan gas buang dengan kandungan S02 yang tinggi dan membutuhkan air proses sedikit dibandingkan FGD; ramah lingkungan karena proses akan mengubah polutan menjadi pupuk pertanian dan tidak menghasilkan limbahlpolutan baru; lebih ekonomis ditinjau dari segi konstruksi dan operasi instalasi, serta pengaruh terhadap biaya produksi tenaga Iistrik relatif kecil bahkan ada kemungkinan berubah menjadi keuntungan bila produk pupuk dapat dikelola dengan baik; lahan yang dibutuhkan untuk instalasi ini relatif lebih kecil dibandingkan dengan teknologi sejenis yang lain. Pengolahan gas buang S02 dan NO, menggunakan berkas elektron pada umumnya merupakan teknologi desulfurisasi dan denitrasi yang dikombinasi dengan penambahan gas amoniak yang dimasukkan ke dalam suatu bejana proses. Ketika gas buang teriradiasi oleh berka..~elektron, komponen gas di dalam bejana tersebut bertumbukkan dengan elektron yang erenerginya eukup untuk menghasilkan ionisasi molekuler, atom bebas dan spesies radikal seperti 0, OH, N dan H02. Radikal bebas terbentuk sangat reaktif dan bila bertemu dengan sulfur dioksida (S02) dan nitrogen oksida (NOx) akan mengubahnya menjadi asam sufat dan asam nitrat, dan dengan adanya penambahan amoniak akan menghasilkan produk samping berupa bahan pupuk pertanian. Ada berbagai parameter yang dapat mempengaruhi pengolahan gas buang menggunakan berkas elektron, antara lain: efisiensi pengambilan polutan (removal eficiency), energi berkas elektron, arus berkas, dan dosis radiasi. Distribusi dosis dan penetrasi berkas elektron memegang peran penting dalam proses iradiasi suatu bahan
Gambar 1. Skemaj7ue gas treatment menggunakan berkas elektron Penetrasi Berkas Elektron Jangkau elektron (S) dalam materi adalah jarak tegak lurus dari permukaan bahan/materi
ISSN 1410 - 8178
Rani Saptaaji
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008 ketika te~jadi tumbukan sampai elektron berhenti memberikan energinya. Jangkau elektron sangat dipengaruhi oleh beberapa parameter antara lain: kerapatan/densitas bahan yang ditumbuk dan energi elektron yang menumbuk. Seeara pendekatan rumusan jangkau elektron dibedakan menjadi tiga katagori energi yaitu: energi rendah antara 10 - 100 keY, energi medium antara 100 keY - 1 MeV dan energi tinggi di atas 1 MeV[4] Pada rentang energi antara 10 keY < e VB < 100 keV,jangkau elektron, S= 2,1 x 10-12 U£i2/p
(1)
Rentang energi e1ektron antara 10 keY - 1 MeV, S = 6,67 x 10 -J ) VB 5/3/ P (2) Rentang energi elektron di atas 1 MeV, S= lip (5,1 X 10-7 VB-0,26) (3) -dengan : S = jangkau elektron (em) p = densitas bahan (gr/em3) VB = tegangan pemereepat (Volt) Dari rumus
di atas terlihat
bahwa makin
1
9 ·cm-l
61-LL~' 1.•.•..••.0 ,••--:"'-;""".'" ~'-
n Ilfl. ~-n'I
~
6 Ii
Z
:. -
; :::. i:
_.
~t .~ . :.,.. "i": 'I./. ':.:. ;'··---'-li~-.. ! ;~~'1.J --' 1
J
:·~;_~:}i7t:.;: -~I : '. i'"
. i.
...•••.
I'·
-1.--1,.
1[
--
Ii:
~~,:l; ii' I : I : :.!
_.L ••.
L_ •••••..••• J :I
:
L.'
:;!
Energi yang terserap pada bahan mempunyai distribusi tidak merata, berarti daya yang terserap per satuan volume merupakan fungsi dari jarak. Seeara pendekatan, daya berkas yang diserap persatuan volume pAz) pada jarak z dituliskan sebagai berikut: pA(Z)/pAmak =
-~-.~
I;
I'~- •••
1 - 9/4 (z1S -1/3)2
(4)
dengan: '7A VB J = harga maksimum daya yang terserap per satuan volume pada jarak z = S/3 di permukaan z = jarak dari permukaan bahan S = jangkau elektron VB = tegangan pemereepat J = rapat arus berkas '7A = bagian berkas yang terserap. Jangkau elektron (S) bergantung pada energi kinetik (Ek) dan dapat dihitung untuk bahan dengan nomor atom (Z) rendah menggunakan rum us empiris berikut:
PAmak
besar energi elektron yang menumbuk, maka makin dalam jangkau elektron masuk ke bahan, demikian juga semakin besar densitas bahan, jangkau elektron akan semakin dangkal/pendek.
--.,.--_:.. -t-t-=-"I I'" .. , ~ - - •... :.... j.~"1 'jt - I / f;/ .: .:; Ziu !'! • ~,~!'4 1r)
Pada Gambar 2 ditunjukkan hubungan antara kedalaman penetrasi pada bahan dengan berbagai energi elektron yang merupakan hasil pendekatan rumus di atas.
= 4/3
S = 0,412 Ek"
dengan: n = 1,265 - 0,095 In Ek, untuk 0,01 n = 0,53 Ek- 0,106, untuk 2,5 < Ek
(5)
< Ek < 2,5 Me V < 20 MeV.
Berkas elektron yang terukur pada target hanya berkas yang mempunyai daya cukup untuk menembus jendela pemayar (scanning window) pada MBE dan udara atmosfer dari jendela pemayar sampai ke target. Selain itu distribusi kedalaman penetrasi pada suatu bahan tidak sarna jangkauannya, tetapi distribusinya sesuai persamaan
(4). HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam pengolahan gas buang (S02 dan menggunakan mesin berkas elektron, perlu adanya bejana proses (process vessef) yang berfungsi sebagai tempatlwadah terjadinya reaksi antara gas buang dengan berkas elektron. Dimensi bejana proses perlu diperhitungkan guna memperoleh hasil penanganan gas buang yang optimal. Adapun salah satu hal yang cukup berperan untuk menentukan dimensi bejana proses adalah kemapuan berkas elektron menembus gas buang atau biasa disebut kedalaman penetrasi berkas elektron di dalam materi/bahan. Selain NOx)
, : '.- I
.'
j;--~-j":-Htl. I Ir __~...l.
~L_UJIIIt KJ4. 1 Gambar
~ 0 8 ms 1 8iJ8 ----
2. Kedalaman penetrasi eVn
.6:
I 8 1()$ $'1
J
Spdengan energi
Dimana besarnya energi elektron sebanding dengan tegangan pemercepatnya. Secara umum kedalaman penetrasi merupakan perkalian antara jangkau elektron clengan densitas bahan yang dilewati, dan satuan penetrasi tidak terpengaruh oleh densitasnya. Rani Saptaaji
penetrasi berkas elektron, untuk menentukan dimensi dan geometri bejana proses perlu disesuaikan dengan laju alir dari gas buang dan nilai
ISSN 1410 - 8178
503
PROSIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR
PENELITIAN
Pusat Teknologi
Akselerator
dan Proses Bahan
Yogyakar1:a, 28 Agustus 2008
dosis yang diterima gas buang selama berada di dalam bejana proses. Dalam peraneangan perangkat .eksperimen pengolah gas buang telah ditentukan spesifikasi MBE yang digunakan untuk pengolahan gas buang adalah MBE-PT APB dengan kapaisitas energi 350 keY, arus berkas elektron 5 mA, window MBE dan window bejana proses dari bahan Titanium dengan tebal masing-masing 50 J..lmdan 25 J..lm,dan eelah udara antara window MBE dengan window bejana proses 15 em. Untuk menentukan kedalaman penetrasi berkas elektron dalam gas buang, perlu dibuat distribusi dosis terhadap penetrasi berkas elektron seeara umum. Dengan menggunakan persamaan (4) dan (5) dan parameter lainnya seperti energi berkas elektron 350 keY,jarak z dimulai dari 0 hingga 0,12 g/em2, maka dapat diperoleh harga PA(Z)/PA mak = Dosis(z)/Dosismak sehingga dapat dibuat kurva distribusi dosis terhadap penetrasi berkas elektran seperti ditunjukkan pada Gambar 3, dengan Dosis(z)/Dosismak adalah dosis relatif. 1,2
~0,8 n; "§ 0,6 '" .~ 0,4
o
0,2
0,02
0,04
0,06
Penetrasi
Gambar
0,08
0,1
0,12
(grfcm2)
3. Dosis relatif vs penetrasi berkas elektron
Perhitungan kedalaman elektron 350 keV
penetrasi berkas
Besarnya kedalaman penetrasi (Pt) berkas elektron sebagi fungsi energi elektron dapat dilihat pada kurva Gambar 3. Sedangkan besarnya penetrasi (Pt,) setelah berkas melewati window dan eelah udara adalah: Pfj = Pf - ((Iebal window x
p...;ndow)
Pod.ra))
+ (Iebal celah udara x (6)
Untuk mengetahui penetrasi berkas elektron dalam gas buang (Pt2) dapat dihitung sebagi berikut. ~=~~
m
dengan p = densitas gas buang Dari data dosis relatif vs penetrasi berkas pada dosis relatif 0,7 (Iihat Gambar 3), besarnya penetrasi (Pt) pada energi berkas 350 keY adalah 0,07 gr/cm2• Sehingga besarnya penetrasi berkas (Pt I) setelah melewati window dan eelah udara
504
dapat dihitung menggunakan persamaan (6) sebagai berikut: Pt, = Pt - «(tebal window x PWlIldm..) + (tebal celah udara x Pudara» dengan: tebalwindow MBE = 50 J..lm= 0,005 em tebal window bejana proses = 25 J..lm = 0,0025 em tebal eelah udara = 15 em bahan window MBE dan window bejana proses dari Titanium P'i'anium Pudaro
= 4,6 gr/em3 = 0,00125 gr/em3
Sehingga diperoleh besarnya penetrasi setelah berkas melewati window dan eclah udara (Pt,) adalah: Pt, = 0,07 gr/cm2 - (0,005 em x 4,6 gr/em3) + (0,0025 em x 4,6 gr/em3) + (15 em x 0,00125 gr/em3» = 0,01675 gr/em2 Sedangkan besarnya penetrasi dalam gas buang (Pt2) dihitung menggunakan persamaan (7) sebagai berikut: Pt2 = Pt/Pgasbuang dengan Pgasbuang = 0,001372 gr/em3 Pt2= 0,01675 gr/em2: 0,001372 gr/em3 = 12,208 em Dari Gambar 3 dapat dilihat bahwa semakin besar energi berkas elektron maka kedalaman penetrasi semakin dalam, sehingga dapat dikatakan bahwa kedalaman penetrasi berbanding langsung dengan energi berkas elektron. Pada jarak Z = 0 (permukaan bahan), dosis relatif sebesar 75 % disebabkan karena iradiasi elektron belum seluruhnya diserap oleh bahan. Hal ini karena ada sebagian dari berkas elektron yang terharnbur pada saat berinteraksi dengan permukaan bahan. Pada kurva energi 350 keY, pada jarak z sekitar 0,04 g/em2 dosis relatifnya 100 % atau maksimum. Ini berarti bahwa dosis terserap semua, hal ini akibat terjadinya serapan berkas elektron seeara maksimal oleh bahan. Setelah jarak z melebihi 0,04 g/em2 kemudian turun secara eksponensial karena dosis mulai berkurang. Hal ini dikarenakan energi elektron berkurang, dimana dosis merupakan besarnya energi yang diserap per satuan volume. Kejadian seperti ini berlaku untuk semua t:nergi dari berkas elektron. Dari masing-masing kurva pada Gambar 3 dapat diketahui bahwa pada hakekatnya distribusi dosis meningkat dari nilai permukaan ke maksimum pada kedalaman tertentu pada bahan dan seeara perlahan menurun kembali sampai harga terendah pada ujung dari jangkauan elektron, Titik dimana dosis keluar sarna dengan dosis masuk akan menentukan batas ketebalan optimum untuk bahan yang diiradiasi satu sisi (single-sided treatment). Untuk iradiasi pada sisi berlawanan (iradiasi dua sisi), maka total tebal dapat 15 % lebih besar dari 2
ISSN 1410-8178
Rani Saptaaji
PENELITIAN
PROSIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKAT
NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
kali tebal optimum pada iradiasi satu sisi, karena adanya overlap ujung dari distribusi dosiskedalaman. Tebal optimum ditentukan agar dalam bahan yang diiradiasi menerima dosis yang seragam. Dalam praktek khususnya dalam industri, perbandingan dosis maksimum/dosis minimum (DmadDmin) yang diterima oleh bahan dapat mencapai I sampai 1,5.[6J Pada proses iradiasi tertentu perlu ditetapkan toleransi harga DmadDmin yang dianggap masih dapat memberikan hasil iradiasi yang baik. Hal ini tergantung kasus demi kasus terhadap perubahan kimia/fisika yang diinginkan terhadap bahan yang diiradiasi. perhitungan kedalaman penetrasi berkas elektron dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui kemampuan berkas elektron masuk di dalam suatu bahan/materi, sehingga ketebelan optimum dari bahan yang diiradiasi dapat ditentukan. Dari hasil perhitungan kedalaman 'penetrasi berkas elektron dalam bahan (Gambar 3) terlihat bahwa semakin besar energi berkas, maka kedalaman penetrasi berkas semakin besar. Untuk energi 350 keY, besar dosis efektif yang dapat digunakan agar dapat memenuhi keseragaman dosis relatif ~ 70 % atau DmadDmin dapat meneapai I sampai 1,5, maka kedalaman penetrasi berkas optimum adalah 0,01445 gr/em2. Kedalaman penetrasi optimum ini selanjutnya digunakan untuk menghitung kedalaman penetrasi pacta gas buang yang mempunyai P/{as huan/{ = 0,001372 gr/em3• Dari perhitungan di depan diperoleh kedalaman penetrasi berkas elektron 350 keY dalam gas buang adalah 12,208 em. Dengan demikian maka untuk rancangan ukuran ketinnggian bejana proses tidak lebih dari 12,208 em, agar dosis serap yang diterima gas buang masih homogen.
2. Tebal bahan yang dapat diiradiasi dengan berkas elektron berbanding langsung dengan energi berkas elektron dan berbanding terbalik dengan densitas bahan. Hal ini penting diperhatikan, khususnya untuk menentukan kedalaman penetrasi berkas elektron di dalam bahan. 3. Dari hasil perhitungan diperoleh kedalaman penetrasi berkas elektron 350 keY dalam gas buang adalah 12,208 em, sehingga ukuran ketinggian bejana proses tidak lebih dari 12,208 em.
DAFT AR PUST AKA
1. ANONIM, Proposal Pembuatan Spesifikasi Teknis Sistem Pengolahan Gas Buang PLTU Suralaya Menggunakan Mesin Berkas Elektron, BATAN 2005. 2. MIRZAN T. RAZZAK, Dosimetri Industri, Diktat Pelatihan PekeIja Akselerator, Pusdiklat BATAN, Jakarta 2003.
TANYAJAWAB Rachmi
~ Apa keunggulan alat counter/timer yang telah dibuat ini,jika dibandingkan dengan yang lama? Rani Saptaaji -¢. Keunggulan alat counter/timer dibandingkan dengan yang lama adalah akurasi data lebih baik, proses data lebih cepat, lebih efektif dan ejisien.
KESIMPlJLAN
Dari uraian di atas dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Teknologi MBE untuk pengolahan gas buang (flue gas treatment) bertujuan untuk mereduksi S02 dan NO,. seeara simultan.
Rani Saptaaji
ISSN 1410 - 8178
505
