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

Transkripsi

1 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 (SO 2 dan NO x ) adalah 8 kgy untuk temperatur gas buang antara 63 o C sampai 67 o C 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 SO 2 dan NO x. 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 SO 2 and NO x flue gas treatment are 8 kgy for 63 o C until 67 o C 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 SO 2 and NO x 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 SO 2 dan NO x yang melebihi batas baku mutu emisi (BME 2000) yaitu maksimal 750 mg/m 3 untuk SO 2 dan 850 mg/m 3 [1] untuk NO x. Emisi gas buang dari pembakaran batubara yang tidak memenuhi BME dalam suatu PLTU akan menghasilkan SO 2 dan NO x yang dapat menimbulkan polusi udara. Emisi gas buang SO 2 dan NO x ke udara dari aktivitas industri berat dan terutama dari pembakaran bahan bakar fosil seperti batubara dan minyak bumi pada pembangkit listrik merupakan 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. SO 2 dan NO x 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 SO 2 dan NO x. Iradiasi gas buang menghasilkan radikal-radikal aktif dan 156

2 bereaksi dengan SO 2 dan NO x 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 SO 2 dan NO x 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. 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 HO 2. Radikal bebas terbentuk sangat reaktif dan bila bertemu dengan sulfur dioksida (SO 2 ) dan nitrogen oksida (NO x ) akan mengubahnya menjadi asam sufat dan asam nitrat, dan dengan adanya penambahan amoniak (NH 3 ) akan menghasilkan produk samping berupa bahan pupuk pertanian. Berkas Elektron untuk Pengolahan Gas Buang Berbagai teknologi dan proses telah dikembangkan untuk mengurangi emisi SO 2 dan NO x, 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 SO 2 dan NO x secara serentak dengan tingkat efisiensi tinggi; sangat cocok untuk pengolahan gas buang dengan kandungan SO 2 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 SO 2 dan NO x menggunakan berkas elektron pada umumnya merupakan teknologi desulfurisasi dan denitrasi 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, 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, ev/g Selanjutnya dapat dipahami bahwa 100 rad = 1 Gy PENENTUAN DOSIS SERAP BERKAS ELEKTRON UNTUK PENGOLAHAN GAS BUANG MENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON (MBE) Rany Saptaaji, dkk 157

3 TATA KERJA Kegitan penentuan dosis serap berkas elektron dilakukan dengan cara perhitungan sebagai berikut, untuk memenuhi removal SO 2 dan NO x 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/m 3 = 0, gr/cm 3 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] 1. Untuk kadar belerang (S) = 0,53%, kandungan SO 2 = 924 mg/m 3 2. Untuk kadar belerang (S) = 1%, kandungan SO 2 = 1550 mg/m 3 3. Untuk kadar belerang (S) = 1,53%, kandungan SO 2 = 2113 mg/m 3 Sedangkan kandungan NO x pada semua kadar belerang (S) ordenya 850 mg/m 3. Sesuai ketentuan Baku Mutu Emisi 2000 (BME 2000) ditetapkan bahwa gas buang yang diijinkan untuk lingkungan di bawah 750 mg/m 3 untuk SO 2 dan 850 mg/m 3 untuk NO [1] x.. Akan tetapi untuk penelitian pengolahan gas buang yang sedang dilakukan oleh BATAN ditetapkan target gas buang setelah melewati MBE untuk SO 2 = 300 mg/m 3 dan untuk NO x = 400 mg/m 3 [3]. Berdasarkan data kandungan SO 2 dan NO x dalam batu bara, maka dapat dihitung besarnya removal efficiency (RE) dari SO 2 dan NO x sebagai berikut: Removal efficiency (RE) untuk SO 2 ; 1. Untuk kadar S = 0,53%, besarnya RE = 1 300/ % = 67% 2. Untuk kadar S = 1%, besarnya RE = 1 300/ % = 80% 3. Untuk kadar S = 1,53%, besarnya RE = 1 300/ % = 86% Removal efficiency (RE) untuk NO x ; Untuk kadar S = 0,53% sampai 1,53%, besarnya RE = 1 400/ % = 53%. Dari kurva removal efficiency vs dosis pada temperatur gas buang 67 o C seperti ditunjukkan dalam Gambar 1, dosis yang diperlukan untuk menurunkan konsentrasi SO 2 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 NO x dengan RE = 53 % adalah 5,8 kgy. Gambar 1. Removal efisiensi vs dosis pada SO 2 dan NO x [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

4 Sesuai ketentuan Baku Mutu Emisi 2000 (BME 2000) ditetapkan bahwa gas buang yang diijinkan untuk lingkungan di bawah 750 mg/m 3 untuk SO 2 dan 850 mg/m 3 untuk NO [1] x.. Berbagai negara telah menetapkan batas emisi gas buang industri, dimana batasannya tergantung pada situasi dan kondisi masing-masing negara, seperti di Austria: 200 mg/m 3 SO 2, Australia: mg/m 3 SO 2 untuk pembangkit energi yang sama, sedangkan Protocol Tokyo menetapkan baku mutu emisi maksimal 750 mg/m 3 SO 2. 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 SO 2 dan NO x. Teknologi konvensional FGD untuk SO 2 dan SCR untuk NO x 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 SO 2 dan NO x dengan MBE yang dapat mengurangi kadar polutan gas buang sampai batas ambang aman untuk lingkungan. Dalam penelitian pengolahan gas buang yang sedang dilakukan oleh BATAN ditetapkan target gas buang setelah melewati MBE untuk SO 2 = 300 mg/m 3 dan untuk NO x = 400 mg/m 3[3] Hal ini untuk meyakinkan bahwa berkas elektron betul-betul mampu menurunkan konsentrasi gas buang (SO 2 dan NO X ). 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 138 o C, sedangkan persyaratan temperatur gas buang untuk diolah dengan berkas elektron adalah sekitar 65 o C dengan kandungan uap air 11,5% (volume) [4]. Dalam perhitungan dosis serap ini diasumsikan temperatur gas buang 67 o C, sehingga dengan interpolasi kurva pada Gambar 1 diperoleh dosis yang diperlukan untuk mnurunkan konsentrasi SO 2 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 NO x 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 65 o C dan 63 o C, dan hasilnya ditunjukkan pada Tabel 1. 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 NO x, dimana target gas buang setelah melewati MBE untuk NO x = 400 mg/m 3. Sedangkan kebutuhan dosis untuk dapat memenuhi removal efficiency SO 2, dimana target gas buang setelah melewati MBE untuk SO 2 = 300 mg/m 3 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 SO 2 dan NO x pada semua temperatur gas buang. 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 (SO 2 dan NO X ) No Temperatur gas buang Gas buang SO 2 Gas buang NO x Dosis serap Dosis serap Keterangan RE = 67% RE = 80% RE = 86% RE = 53% o C < 1 kgy 0,2 kgy 2,8 kgy 5,8 kgy o C < 1 kgy 3,2 kgy 5,9 kgy 5,8 kgy o C 4,2 kgy 6,6 kgy 8,0 kgy 5,8 kgy RE = Removal Efficiency PENENTUAN DOSIS SERAP BERKAS ELEKTRON UNTUK PENGOLAHAN GAS BUANG MENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON (MBE) Rany Saptaaji, dkk 159

5 KESIMPULAN Secara perhitungan besar dosis serap optimal untuk pengolahan gas buang (SO 2 dan NO x ) adalah 8 kgy untuk temperatur gas buang antara 63 o C sampai 67 o C 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 SO 2 dan NO x DAFTAR PUSTAKA [1] DAGSTAN-INDONESIA POWER, Executive Summary, Study Kelayakan Instalasi Pengolahan Gas Buang dengan Mesin Berkas Elektron UBP Suralaya, Desember [2] ZBIGNIEW ZIMEK, Introduction to Elektron Beam Application in Flue Gas Treatment Process, National Training Course on Elektron Machine Technology-BATAN, Yogyakarta, Indonesia, Proposal Pembuatan Spesifikasi Teknis Sistem Pengolahan Gas Buang PLTU Suralaya Menggunakan Mesin Berkas Elektron, BATAN [3] Proposal for Electron Beam Flue Gas Treatment System, EB-Tech Co., Ltd., Daejon, Republic of Korea,