LAPORAN DESAIN TEKNIK LINGKUNGAN II TL – 4102
PERANCANGAN INSINERATOR LIMBAH KELAPA SAWIT JENIS ROLLI NG GRAT E
Disusun oleh: Kelompok 4B
Vinson
15313040
Genniya Haya Nur S.
15313046
M. Naufan D.
15313041
Diana
15313047
Nadya Humaira
15313042
Charissa Alifah
15313048
Dhea Shofi Rachmadita
15313043
Ika Artika
15313049
Rafki Ismed Ghifari
15313044
Eva Fatonah Yunus
15313050
Ezwin Ilham Fauzi
15313045
M. Candra Purnama
15313087
Fenny Clara Ardiati
15313101
PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2016
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ................................................................................................................................... 1 BAB I PENDAHULUAN .............................................................................................................. 3 1.1
Latar Belakang ................................................................................................................. 3
1.2
Tujuan............................................................................................................................... 4
1.3
Ruang Lingkup ................................................................................................................. 4
1.4
Sistematika Penulisan ....................................................................................................... 4
1.5
Metodologi Penelitian ...................................................................................................... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................................... 7 2.1
Gambaran Umum Insinerator ........................................................................................... 7
2.1.1
Tujuan Insinerator ..................................................................................................... 9
2.1.2
Bagian-Bagian dalam Insinerator ........................................................................... 10
2.1.3
Jenis-Jenis Insinerator ............................................................................................. 13
2.2
Alat Pengendalian Pencemaran Udara (APC) ................................................................ 19
2.2.1
Electrostatic Precipitator (ESP) ............................................................................. 19
2.2.2
Selective Catalyst Reduction (SRC)........................................................................ 25
BAB III PEMBAHASAN ............................................................................................................. 27 3.1
Pemilihan Perancangan Teknologi Insinerator yang Digunakan ................................... 27
3.2
Karakteristik Limbah yang Diolah ................................................................................. 28
3.3
Prosedur Pengoperasian Pengolahan Insinerator ........................................................... 30
3.3.1
Penyiapan Limbah .................................................................................................. 31
3.3.2
Penerima Limbah .................................................................................................... 32
3.3.3
Penyuplai Limbah ................................................................................................... 33
3.3.4
Pembakaran Limbah ............................................................................................... 33
3.3.5
Penanganan Residu ................................................................................................. 33 1
3.3.6 3.4
Pengendalian Pencemar Udara ............................................................................... 34
Desain Unit Pengolahan Insinerator Rolling Grate........................................................ 34
3.4.1
Ruang Penyimpanan (Storage) ............................................................................... 35
3.4.2
Ruang Bakar............................................................................................................ 36
3.4.3
Tungku (Rolling Grate) .......................................................................................... 37
3.4.4
Kebutuhan Udara serta Emisi yang Dihasilkan ...................................................... 40
3.4.5
Desain Cerobong (Stack) ........................................................................................ 42
3.4.6
Temperatur, Media Pendingin, serta Energi yang Dihasilkan ................................ 43
3.4.7
Jumlah, Karakteristik, dan Proses Penanganan Abu yang Dihasilkan.................... 45
3.4.8
Desain Alat Pengendalian Pencemaran Udara (APC) ............................................ 48
4.1
Faktor yang Mempengaruhi Proses pada Insinerator ..................................................... 57
4.2
Kelebihan dan Kekurangan Insinerator Rolling Grate ................................................... 58
BAB IV PENUTUP ..................................................................................................................... 60 5.1
Kesimpulan..................................................................................................................... 60
6.1
Saran ............................................................................................................................... 60
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................... 61
2
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Minyak kelapa sawit (CPO) saat ini adalah sumber minyak nabati terbesar di dunia. Menurut laporan oil world pada tahun 2011, minyak kelapa sawit memberikan andil sekitar 27% atau 46 juta ton terhadap total mnyak nabati dunia. Produksi minyak nabati berikutnya diikuti oleh soybean, rapeseed dan sunflower (Oil World, 2011) dalam (PTPN, 2015). Sementara itu, sebagai negara dengan paling besar penghasil minyak kelapa sawit adalah Indonesia. Produksi minyak kelapa sawit di Indonesia mencapai 22, 2 juta ton minyak atau 48% dari pasokan total dunia (USDA, 2011) dalam (Ratnawati & Sembiring, 2012). Pabrik Kelapa Sawit (PKS) yang berjumlah lebih dari 640 di seluruh Indonesia memproduksi CPO sekitar 23 juta ton atau 46% dari total produksi CPO di dunia (Oil World, 2011) dalam (PTPN, 2015). Seiring dengan bertambahnya produksi minyak kelapa sawit, maka limbah yang akan dihasilkan akan bertambah banyak. Roliandi dan Fatriasar (200) dalam (Ratnawati & Sembiring, 2012) menjelaskan bahwa tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan limbah utama dari industri kelapa sawit dengan potensi ± 2,5 juta ton per tahun. TKKS berpotensi mencemari lingkungan dan menarik hama pengganggu (Law dkk, 2007) dalam (Ratnawati & Sembiring, 2012). Oleh karena itu, perlu adanya suatu pengolahan agar dapat mereduksi pencemaran akibat dari limbah padat kelapa sawit. Salah satu pengendalian pencemaran lingkungan yang disebabkan oleh limbah padat kelapa sawit adalah dengan cara insinerasi. Insinerasi adalah proses pengolahan limbah yang melibatkan pembakaran dari organik zat yang terkandung dalam limbah. Insinerasi dan sistem pengolahan limbah suhu tinggi lainnya digambarkan sebagai “perlakuan termal”. Insinerasi limbah mengubah sampah menjadi abu, gas buang, dan panas. Abu ini sebagian besar dibentuk oleh anorganik konstituen dari limbah, dan dapat berupa benjolan padat atau partikel yang dibawa oleh gas buang. Gas buang harus dibersihkan dari polutan gas dan partikulat sebelum mereka tersebar ke atmosfer. Dalam beberapa kasus, panas yang dihasilkan oleh pembakaran dapat digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik. (Waste To Energy, 2015). Selain dapat menghasilkan energi, alternatif pengolahan insinerator juga digunakan karena sulitnya pendistribusian produk hasil olahan apabila menggunakan metode composting. 3
1.2
Tujuan
Adapun tujuan yang ingin dicapai dari pembuatan makalah ini, yaitu: 1.
Mengetahui proses insinerasi ( roller grate) yang dipakai pada limbah padat kelapa sawit
2.
Mengetahui faktor apa saja yang diperhitungkan dalam proses insinerasi limbah padat kelapa sawit.
3.
Mengetahui dan memahami cara perhitungan desain insinerator (roller grate).
4.
Mengetahui gambaran peralatan dari jenis insinerator ( roller grate).
5.
Mengetahui kelebihan dan kekurangan dari jenis insinerator (roller grate).
6.
Merancang alat pengendali pencemaran udara/ Air Pollution Control (APC) berupa
Electrostatic Precipitator (ESP) dan Selective Catalyst Reduction (SCR).
1.3
Ruang Lingkup
Ruang lingkup di dalam pembahasan makalah ini yaitu: 1.
Penjelasan proses insinerasi ( roller grate) pada limbah padat kelapa sawit.
2.
Perencanaan unit penerima limbah, cara penyupalain limbah, ruang bakar, jenis tungku, suplai udara, penanganan abu, pendinginan gas, desain APC berupa ESP dan SCR, dan cerobong.
3.
Perhitungan temperatur di dalam proses, jumlah oksigen yang dibutuhkan, jenis jumlah dan metode suplai media pendingin, dimensi ruang bakar, jumlah karakteristik energi yang dihasilkan, jumlah karakteristik dan proses penanganan abu, waktu operasi insinerator dan waktu pembakaran.
4.
Faktor yang mempengaruhi proses insinerasi (roller grate) pada limbah padat kelapa sawit.
5.
Kelebihan dan kekurangan dari insinerator ( roller grate).
1.4
Sistematika Penulisan
Makalah ini terdiri dari beberapa bab yaitu sebagai berikut:
Bab 1 adalah pendahuluan yang berisi latar belakang, tujuan, ruang lingkup, sistematika penulisan, dan metodologi penelitian.
Bab 2 adalah tinjauan pustaka yang berisi tentang hasil studi literatur mengenai penjelasan tentang gambaran umum insinerator, jenis-jenis insinerator, dan karakteristik limbah yang 4
akan diolah serta alat pengendali pencemaran udara/ Air Pollution Control (APC) untuk incinerator.
Bab 3 adalah pembahasan mengenai perancangan keseluruhan pengolahan limbah padat kelapa sawit dengan incinerator rolling grate, termasuk alat pengendali pencemaran udara yang digunakan yaitu Electrostatic Precipitator (ESP).
Bab 4 adalah simpulan dan saran. Kesimpulan menjelaskan mengenai hasil akhir yang didapatkan pada penelitian ini dan menjawab tujuan-tujuan yang telah ditentukan di awal. Saran memaparkan mengenai solusi yang ditawarkan untuk menyelesaikan permasalahanpermasalahan yang diangkat pada penelitian ini
1.5
Metodologi Penelitian
Metodologi penelitian dimulai dari identifikasi atau perumusan masalah tentang limbah padat kelapa sawit hingga penyusunan laporan. Alur penelitian tersebut ditunjukkan oleh Gambar 1.1.
Identifikasi dan Perumusan Masalah
Studi Pendahuluan
Analisis Data dan Pembahasan
Penyusunan Laporan
Gambar 1.1 Metodologi Penelitian a) Identifikasi dan Perumusan Masalah
Sebelum melaksanakan kajian ilmiah perlu dilakukan identifikasi masalah. Proses identifikasi masalah penting dilakukan agar rumusan masalah menjadi tajam dan sebagai bentuk data awal bahwa dalam kajian ilmiah tersebut memang dibutuhkan pemecahan masalah melalui kajian. Identifikasi masalah dirumuskan berdasarkan jenis dan karakteristik limbah padat kelapa sawit dan adanya dampak apabila tidak dilakukan pemrosesan lebih lanjut.
5
b) Studi Pendahuluan
Di dalam kajian ilmiah, perlu dilakukan sebuah studi pendahuluan. Studi pendahuluan dilakukan dengan menelusuri dan memahami landasan teori tentang pengolahan limbah padat kelapa sawit. Studi literatur ini didapat dari berbagai sumber yaitu buku, jurnal, media elektronik, dan sebagainya. Selain itu, studi pendahuluan yang dilakukan penulis melalui pengkajian kepustakaan akan dapat membuat penulis lebih fokus pada masalah yang diteliti sehingga dapat memudahkan penentuan data apa yang nantinya akan dibutuhkan. c) Analisis Data dan Pembahasan
Data yang terkumpul dari studi pendahuluan kemudian dianalisis dengan melakukan diskusi serta brain storming dengan anggota kelompok. Data yang diperoleh dapat dianalisis dengan menggunakan berbagai teknik sesuai dengan data yang dimiliki. Bila kajian ilmiah yang dilakukan bersifat kuantitatif, maka jenis data akan bersifat kuantitatif juga. Bila kajian bersifat kualitatif, maka data yang diperoleh akan bersifat kualitatif dan selanjutnya perlu diolah menjadi data kuantitatif. Analisis data yang telah dilakukan akan dijadikan sebagai bahan kajian bersama dengan anggota kelompok. Pada kajian ilmiah dengan pengajuan hipotesis, maka pada langkah inilah hipotesis itu dinyatakan diterima atau ditolak dan dibahas mengapa diterima atau ditolak. Bila hasil kajian mendukung atau menolak suatu prinsip atau teori, maka dibahas pula mengapa demikian. Pembahasan kajian harus dikembalikan kepada teori yang menjadi sandaran kajian ilmiah yang telah dilakukan. d) Penyusunan Laporan
Seorang penulis yang telah melakukan penelitian ilmiah wajib menyusun laporan hasil kajiannya. Penyusunan laporan hasil kajian merupakan langkah terakhir dalam pelaksanaan kajian ilmiah. Format laporan ilmiah seringkali telah dibakukan berdasarkan institusi atau pemberi sponsor di mana penulis itu melakukannya. Desiminasi dapat dilakukan dalam bentuk menuliskannya dalam jurnal-jurnal. Ini penting dilakukan agar hasil kajian diketahui oleh masyarakat luas (masyarakat ilmiah) dan dapat dipergunakan bila diperlukan.
6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Gambaran Umum Insinerator
Insinerator adalah tungku pembaka ran untukmengolahlimbah padat yang mengonver si materi padat (sampah) menjadi materi gas dan abu (bottom ash dan fly ash). Metode ini menggunakan o pembakaran pada temperatur lebih dari 800 C untuk mereduksi sampah yang mudah terbakar (combustible) yang sudah tidak dapat didaur ulang lagi, membunuh bakteri, virus,dan kimia toksik. Proses insinerasi berlangsung melalu i tiga tahap, yaitu: 1.
Proses pengubahan air dalam samp ah menjadi uap air seh ingga menghasilkanlimbah yang kering dan siap terbakar.
2.
Proses pirolisis dengan pembakaran tidak sempurna menggunakantemperatur tidak terlalu tinggi.
3.
Proses pembakaran sempurna. Salah satu kelebihan yangdikembangkan dalam teknologi insi nerasiialahdalam hal pemanfaatan
energi. Dengan menggunakan insinerator, sampah dapat dimusnahkan dengan cepat, terkendali, dan secara in-situ. Insineratoruga j tidak memerlukan lahan yang luas. Selain itu, teknologi insinerasi juga mempunyai beberapa tujuan/ sasaran, yaitu: 1. Mengurangi massa atau volume limbah dengan proses oksidasi limbah pada pembakaran temperatur ti nggi sehinggadihasilkan abu, gas, dan ener gi panas. 2.
Mendestruksi berbagai kopone berbahaya dengan aplikasinya untuk membakar limbah industri (termasuk limbah B3) adn limbah medis (limbah infeksius).
3.
Pemanfaatan energi (energi panas). Proses insinerasi dapat mengurangi berat sampah hingga 70-80 % atau mengurangi volume 85-
95 %. Insinerasi juga merupakan salah satu sarana yang memungkinkan untuk pemulihan energi, mineral, atau kandungan kimia dari limbah. Insinerator terdiri dari berbagai jenis tungku dan ukuran, serta kombinasi treatment pra dan pasca-pembakaran. Pada umumnya, insinerator dirancang untuk pembakaran oksidatif penuh dengan kisaran suhu 850oC – 1400oC. Kegiatan yang dilakukanpada area instalasi insinerator limbah diantaranya adalah pengiriman limbah, penyimpanan, pretreatment, pemulihan insinerasi/ energi, pengendalian emisigas buang,pengendalianresidu padat, dan pengolahanair limbah.
7
Sifat limbah yang dimasukkanmemiliki dampakyang signifikanterhadap bagaimana rancangankomponen dan operasi instalasi yang akan dilakukan. Faktor yang memengaruhi proses insinerasi di antaranya ialah: 1.
Waktu (Time) Waktu yang cukup harus tersedia dalam proses pembakaran untuk menyediakan partikel yang terbakar secara lambat ataupundroplet untuk terbakar secara sempurna sebelum didinginkan dengan cara kontak dengan permukaan yang dingin atau atmosfer. Jumlah waktu yang dibutuhkan berpengaruh pada temperatur, ukuran bahan bakar, dan tingkat turbulensi yang tercapai.
2.
Temperatur T ( emperature) Faktor ini dikontrol setelah unit insinerator dibangun. Temperatur dapat tercapai dengan memvariasikan rasio udara dan bahan bakar. Apabila limbah padat berkarbon dibakar tanpa menimbulkan asap, temperaturminimum yang harus dijagaialah 760oC atau 1400oF. Batas atas temperatur pada insinerator ditentukan oleh material tahan panas yang tersedia untuk melapisi dinding bagian dalam dari tungku pembakaran.
3.
Turbulensi T ( urbulence) Tingkat turbulensi dari udara untuk oksidasi bahan bakar limbah padat akan berpengaruh pada performa insinerator. Secara umum, baik perlakuan secara mekanis maupun aerodinamis dilakukan untuk mencapai pencampuran antara udara dan bahan bakar. Kesempurnaan pembakaran dan wakut yang diperlukan untuk mencapai pembakaran sempurna secara signifikan dipengaruhi oleh nilai dan efektivitas dari turbulensinya. Turbulensi merupakan salah satu faktor yang signifikan untuk memastikan destruksi dari limbah yang diinsinerasi. Pada Gambar 2.1menunjukkanflow process insinerator dan skema proses insinerator limbah
padat perkotaan skala besar.
8
Gambar 2.1 Flow Process pada Insinerator
(Sumber: http://sib3pop.menlhk.go.id/) Sedangkan pada Gambar 2.2 adalah skema proses insinerasi untuk limbah perkotaan dalam skala besar.
Gambar 2.2 Skema Proses Insinerasi untuk Limbah Padat Perkotaan (Skala Besar)
(Sumber: http://www.mdpi.com/) 2.1.1
Tujuan Insinerator
Sasaran atau tujuan dari pengolahan limbah padat menggunakan insinerator antara lain adalah sebagai berikut:
Mengurangi massa atau volume 9
Proses insinerasi adalah proses oksidasi (dengan oksigen atau udara) limbah combustible pada temperatur tinggi. Akan dikeluarkan abu, gas, limbah sisa pembakaran dan abu, dan diperoleh pula enersi panas. Bila pembakaran sempurna, akan tambah sedikit limbah tersisa dan gas yang belum sempurna terbakar (seperti CO). Panas yang tersedia dari pembakaran limbah sebelumnya akan berpengaruh terhadap jumlah bahan bakar yang dipasok. Insinerator yang bekerja terus menerus akan menghemat bahan bakar.
Mendestruksi komponen berbahaya Insinerator tidak hanya untuk membakar sampah kota. Sudah diterapkan untuk limbah nondomestik, seperti dari industri (termasuk limbah B3), dari kegiatan medis (untuk limbah infeksius). Insinerator tidak hanya untuk membakar limbah padat. Sudah digunakan untuk limbah non-padat, seperti sludge dan limbah cair yang sulit terdegradasi. Teknologi ini merupakan sarana standar untuk menangani limbah medis dari rumah sakit. Sasaran utamanya adalah mendestruksi patogen yang berbahaya seperti kuman penyakit menular. Syarat utamanya adalah panas yang tinggi (dioperasikan di atas 800 oC). Dalam hal ini limbah tidak harus combustible, sehingga dibutuhkan subsidi bahan bakar dari luar.
Insinerasi adalah identik dengan combustion Yaitu dapat menghasilkan enersi yang dapat dimanfaatkan. Faktor penting yang harus diperhatikan adalah kuantitas dan kontinuitas limbah yang akan dipasok. Kuantitas harus cukup untuk menghasilkan enersi secara kontinu agar suplai enersi tidak terputus.
2.1.2
Bagian-Bagian dalam Insinerator
Insinerator memiliki berbagai komponen pendukung proses insinerasi sampah. Komponen utama pada insinerator yaitu tungku pembakaran sampah. Komponen pendukung insinerator merupakan peralatan umum yang perlu terdapat dalam fasilitas insinerator sebagai berikut. 1. Waste registration room Ruangan ini merupakan tempat untuk melakukan pembayaran sampah yang masuk, penimbangan berat sampah dan registrasi. 2. Storage dan sorting room Menyimpan sampah yang baru masuk ke dalam fasilitas dan memisahkannya sesuai jenis sampah.
10
Gambar 2.3 Ruang unloading dan penyimpanan sampah
(Sumber: Weber, 2014) 3. Feeding system Pengangkutan sampah yang siap untuk dibakar. 4. Furnace Tungku pembakaran sampah dengan temperatur > 800 oC 5. Cooling system Sistem pendingin abu hasil pembakaran bertemperatur tinggi dan mencegah overheating dalam sistem dan konduksi panas dari sistem ke luar lingkungan yang menggunakan air atau udara yang disuplai oleh blower 6. Energy recovery system Penangkapan panas yang terbentuk dan mengubahnya menjadi energi listrik, kemudian didistribusikan, atau energi panas untuk kebutuhan operasional.
11
Gambar 2.4 Alternatif pengolahan sampah dan pembangkitan listrik
(Sumber: Weber, 2014) 7. Residu splitter Residu sampah yang tidak terbakar tetapi bukan abu dipilah dan diangkut menuju landfill menggunakan truk 8. Ash handling Penanganan fly ash dan bottom ash yang terbentuk pada hasil pembakaran menggunakan silo atau fabric filter 9. Air pollution control Alat pengendali pencemaran udara yang menggunakan wet atau dry system dengan adanya dioxin filter yang mampu menangkap HCl, HF, SO2, NOx, dioksin dan logam
Gambar 2.5 Air Pollution Control untuk Insinerator
(Sumber: Weber, 2014) 12
10. Stack Cerobong untuk mengalirkan udara yang sudah diolah melalui APC dan ash handling sehingga aman untuk dikeluarkan ke lingkungan. 11. Water supply Penyediaan air bersih untuk kebutuhan operasional. 12. Wastewater treatment or discharge Pengolahan limbah cair yang terbentuk ketika proses maupun operasional seperti lindi pada storage room. 13. Control room Ruang untuk memantau seluruh proses yang terjadi secara manual maupun otomasi.
Gambar 2.6 General incinerator plant layout
(Sumber: Weber, 2014) 2.1.3
Jenis-Jenis Insinerator
1. Rotary kiln Tipe ini cocok untuk menginsinerasi limbah sludge atau limbah yang mempunyai kandungan air (water content) yang cukup tinggi dan volumenya cukup besar. Sistem insinerator ini berputar pada bagian primary chamber, dengan tujuan untuk mendapatkan pembakaran limbah yang merata keseluruh bagian. Proses pembakarannya sama dengan type static, terjadi dua kali pembakaran dalam ruang bakar 1 (primary chamber) untuk limbah dan ruang bakar 2 ( seacondary
chamber) untuk sisa-sisa gas yang belum sempurna terbakar dalam primary chamber. Insinerator tungku putar terdiri dari tabung silinder yang berputar pelahan, yang dipasang 13
miring pada suatu tempat. Limbah dimasukkan ke insinerator dari salah satu ujung dan dibakar sampai menjadi abu setelah limbah tersebut bergerak sampai ke ujung lain. bahan bakar tambahan digunakan untuk menaikan suhu tungku dan mempertahankan suhu selama operasional. Insinerator tungku putar dapat mengelola berbagai limbah padatan, cairan dan gas yang dimasukkan secara terpisah atau bersama. Karena mahalnya bahan bakar guna memanaskan tungku putar, maka tungku ini digunakan terbatas bagi limbah dalam jumlah besar yang dimasukkan secara terus menerus.
Gambar 2.7 Rotary Kiln Insinerator
(Sumber: http://www.haat-india.com/incineration/types-of-incinerators/rotary-kilnincinerator) 2. Fluidized bed
Fluidized bed adalah teknologi pembakaran yang digunakan dalam pembangkit listrik. Fluidized bed menangguhkan bahan bakar padat di atas jet- meniup udara selama proses pembakaran. Hasilnya adalah pencampuran turbulen gas dan padatan. Aksi berjatuhan, seperti cairan menggelegak, memberikan reaksi kimia yang lebih efektif dan transfer panas. Sistem pembakaran bahan bakar padat untuk mengurangi jumlah belerang yang dipancarkan dalam bentuk emisi SOx. Kapur digunakan untuk mengendap sulfat selama pembakaran, yang juga memungkinkan transfer panas lebih efisien dari boiler ke peralatan yang digunakan untuk menangkap energi panas (biasanya tabung air). Endapan dipanaskan datang di kontak langsung dengan tabung (pemanasan dengan konduksi) meningkatkan efisiensi. Karena ini memungkinkan 14
tanaman batubara untuk membakar pada suhu dingin, kurang NOx juga dipancarkan. Namun, pembakaran pada suhu rendah juga menyebabkan emisi hidrokarbon aromatik polisiklik meningkat. FBC boiler dapat membakar bahan bakar lain selain batubara, dan suhu pembakaran yang lebih rendah (800°C/1500°F) memiliki manfaat tambahan lainnya juga. Sistem Fluidized bed Combustion ini menggunakan bahan bakar yang mudah terbakar seperti batubara, kertas, sekam padi, serpihan kayu ( saw dust), cangkang sawit. Memerlukan pasir silica sebagai media untuk menyimpan panas. Hembusan angin dari FDF ( Force Draft Fan) akan melewati furnace nozzle akan menggerakkan pasir silica yang bercampur dengan batubara yang terbakar sehingga menimbulkan panas yang menyerupa lava dan bergerak naik turun sesuai dengan tekanan angin yang telah di atur sedemikian rupa. Dengan menggunakan metode bubling makan panas di dalam dapur hingga sampai temperature 700-950 derajat celcius. Panas di dalam furnace di kontrol oleh FBC tube sehingga temperatur didalam furnace maksimal 900-1000 derajat celcius. Sehingga terhindar dari terbentuknya NOx yang berbahaya bagi lingkungan.
Gambar 2.8 Fluidized Bed Insinerator
(Sumber: http://www.sswm.info/content/incineration-large-scale) Dengan terjaganya suhu dalam temperatur rendah sehingga pasir silca dan abu pembakaran tidak akan meleleh. Apabila sampai meleleh hal ini menyebabkan pengerasan atau membatu sehingga operasi boiler berhenti. Pada sistem ini di lengkapi Silica Sand Vibrator yang berfungsi untuk menyaring kotoran di dalam dapur dengan pasir silica dan di masukkan kembali dengan otomatis tanpa boiler berhenti.
15
3. Stoker Bagian utama dari teknologi pembakaran stoker antara lain yaitu : fasilitas pembakaran, terdiri dari fasilitas receiving dan supply, fasilitas pendinginan gas pembakaran, fasilitas pengolahan gas emisi, fasilitas pembangkit listrik, fasilitas pemanfaatan panas sisa, fasilitas pengeluaran abu, serta pengolahan air buangan. Tungku pembakaran yang menjadi jantung fasilitas pembakaran, dari formatnya dapat dibagi secara gamblang menjadi tipe stoker dan tipe aliran dasar. Tipe stoker adalah mainstream tungku pembakaran, memiliki sejarah panjang, dan jumlah fasilitasnya jauh lebih banyak. Dengan stoker yang bergerak ke depan- belakang sampah diaduk, untuk pengeringan dan pembakaran digunakan berbagai macam tungku dari tipe kecil hingga ke yang besar. Selain itu, bentuk tungku pembakaran dapat dibagi menjadi tungku aliran berlawanan, tungku aliran tengah, dan tungku aliran searah. Bentuk tungku yang digunakan untuk pembakaran berbeda-beda tergantung karakter sampah yang dijadikan obyek.
Gambar 2.9 Stoker Insinerator
Dalam rangka memajukan teknologi proses pembakaran, pengolahan gas emisi merupakan sarana yang menjamin pengurangan beban lingkungan. Sarana tersebut mendominasi sekitar separuh dari kapasitas total fasilitas pembakaran, dan proporsi dana konstruksi serta biaya operasional pun besar. Pada tungku pelelehan berbahan bakar gas terdapat permasalahan sebagaimana disebutkan di depan, dan konfigurasi sistem pengolahan gas emisi pun tidak terlalu jauh berbeda dari tungku pembakaran stoker konvensional, tetapi jika pembakaran suhu tinggi rasio udara rendah dengan tipe tungku stoker konvensional, dapat dihasilkan efek yang serupa dengan tungku pelelehan berbahan bakar gas, karena itulah penggunaan tungku stoker generasi baru mulai dipertimbangkan. Tungku stoker memiliki reputasi nyata, dan reliabilitasnya tinggi. 16
Selain itu, karena suhu pembakarannya sekitar 1100 oC, keuntungannya adalah kerusakan bahan tahan api yang kecil. Dewasa ini, di berbagai perusahaan, sedang giat diterapkan uji demonstrasi atau uji mesin, dan konsep total tungku stoker generasi baru, kini bergeser dari pemapanan teknologi, menuju pelemparan ke pasaran. Konsep total masing-masing perusahaan mengenai tungku stoker generasi baru berbeda dalam hal pembakaran suhu tinggi dengan rasio udara rendah dan pencapaian efisiensi pembakaran tinggi, penurunan konsentrasi dioksin, pengurangan kuantitas gas emisi, rasio pemanfaatan panas dan peningkatan efisiensi pembangkit listrik, serta tingkat kebersihan dari debu, dan ke depan perkembangan ini perlu diamati terus. 4. Incinerasi grate Insinerasi grate memiliki beberapa fungsi sebagai berikut: •
Memindahkan material untuk diinsenerasi di furnace
•
Memasukkan dan mengeluarkan material untuk untuk insinerasi
•
Mengatur posisi dari zona insinerasi utama pada ruang insinerasi. Target dari insinerasi grate adalah terdistribusinya udara insinerasi ke furnace dengan baik,
berdasarkan kebutuhan pembakaran. Udara primer dari blower mendorong udara insinerasi melalui bukaan bagian kecil grate ke bagian bahan bakar. Udara dengan jumlah lebih banyak ditambahkan di atas dasar limbah untuk memenuhi pembakaran. Beberapa material biasa terjatuh melalui grate dan kemudian akan direcovery di bottom ash remover. Terkadang material direcover secara terpisah dan akan didaur ulang untuk proses insinerasi berikutnya atau langsung dibuang. Normalnya, waktu tinggal dari limbah pada grate adalah tidak lebih dari 60 menit. Secara umum, insinerasi grate dapat dibedakan menjadi continous (roller dan chain grates) serta discontinous (push grates). Gambar 2.9 berikut ini kenunjukkan beberapa tipe dari grates.
Gambar 2.9 Jenis-jenis grates (Sumber: Integrated Pollution Prevention and Control, 2006) 17
Grate yang berbeda dapat dibedakan dari cara limbah dialirkan melalui zona yang berbeda pada ruang pembakaran. Setiap jenisnya harus memenuhi kebutuhan pasokan udara, kecepatan pemasokan limbah, dan juga pencampuran limbah. 1. Rocking grates Bagian dari grate ditempatkan pada sepanjang lebar furnace. Baris grate ditekan secara mekanis untuk menghasilkan gerakan ke atas dan ke depan dan akan mengagitasi limbah. 2. Reciprocating grates Banyak fasilitas modern menggunakan reciprocating grates. Kualitas pembakaran yang dihasilkan secara umum baik. Desain ini terdiri dari bagian yang memanjangkan lebar furnace tetapi saling bertumpuk di atas satu sama lain. Bagian grate yang berlawanan bergerak ke depan dan belakang, sementara bagian yang berdekatan diam. Limbah jatuh ke bagian yang diam dan teragitasi dan tercampur di sepanjang grate. Terdapat beberapa variasi dari grate jenis ini, beberapa dengan bagian diam dan beberapa dengan bagian yang bergerak. Terdapat 2 variasi reciprocating grate, di antaranya adalah sebagai berikut. 3. Reverse reciprocating grate: Batang grate berosilasi maju mundur dengan arah berlawanan dari aliran limbah. Kemiringan grate diatur dari ujung tempat masuk limbah hingga tempat keluaran. 4. Push forward grate: Batang-batang grate membentuk bidang yang dapat berosilasi secara horizontal dan mendorong limbah ke arah pembuangan abu. 5. Travelling grates
Travelling grates terdiri dari conveyor belt yang kontinu yang bergerak sepanjang furnace. Potensi reduksi untuk mengagitasi limbah (hanya tercampur ketika berpindah dari satu belt ke belt lainnya) berarti bahwa hal ini jarang digunakan di fasilitas modern. [IAWG, 1997] 6. Roller grates
Roller grates terdiri dari roller yang berongga yang melewati lebar dari area grate. Beberapa roller dipasang secara seri dan proses pengadukan terjadi saat material jatuh ke roller. [IAWG, 1997]. Roller grate memiliki keuntungan bahwa roller grates memiliki unit drive yang rendah-berat dapat dioperasikan dengan keandalan yang tinggi dan dengan sedikit memakai unit drive. 18
7. Cooled grates
Kebanyakan grate telah terdinginkan dan paling sering terdinginkan oleh udara. Dalam beberapa kasus,
cairan pendingin melewati bagian dalam grate. Aliran dari media
pendingin berasal dari zona yang lebih dingin ke zona yang lebih panas dengan tujuan untuk memaksimalkan perpindahan panas. Panas yang diserap oleh media pendingin akan dapat dipindahkan untuk digunakan pada proses atau untuk pasokan eksternal. Pendinginan air paling sering diterapkan ketika nilai kalor dari air lebih tinggi >12 - 15 MJ/kg untuk MSW. Desain dari sistem pendinginan air lebih kompleks dari sistem pendinginan udara. Penambahan air pendingun memungkinkan temperatur grate yang terbuat dari logam dan temperatur pembakaran sekitar untuk diatur dengan independensi yang lebih besar dari suplai udara primer. Hal ini memungkinkan temperatur dan suplai udara (oksigen) menjadi lebih optimal dan sesuai dengan kebutuhan pembakaran grate yang spesifik sehingga dapat meningkatkan performanya. Kontrol yang lebih besar dari temperatur grate dapat memungkinkan insinerasi dengan kadar kalor limbah yang lebih tinggi tanpa meningkatkan masalah operasional dan perbaikan. 2.2
Alat Pengendalian Pencemaran Udara (APC)
2.2.1
E lectrostatic Precipitator (ESP) Electrostatic Precipitator (ESP) adalah sebuah teknologi untuk menangkap abu hasil
proses pembakaran dengan jalan memberi muatan listrik padanya. Prinsip kerja ESP yaitu dengan memberi muatan negatif kepada abu-abu tersebut melalui beberapa elektroda (biasa disebut discharge electrode). Jika abu tersebut dilewatkan lebih lanjut ke dalam sebuah kolom yang terbuat dari plat yang memiliki muatan lebih positif (biasa disebut collecting electrode), maka secara alami abu tersebut akan tertarik oleh plat-plat tersebut. Setelah abu terakumulasi pada plat tersebut, sebuah sistem rapper khusus akan membuat abu tersebut jatuh ke bawah dan keluar dari sistem ESP. Untuk lebih jelasnya, silahkan Anda perhatikan ilustrasi sistem ESP berikut ini.
19
Gambar 2.10 Prinsip Kerja Electrostatic Precipitators
Proses-proses yang terjadi pada ESP sehingga abu (fly ash) dapat terkumpul adalah sebagai berikut: 1. Charging . ESP menggunakan listrik DC sebagai sumber dayanya, dimana Collecting
Electrode (CE) terhubung dengan kutub positif dan ter- grounding, sedangkan untuk Discharge Electrodeterhubung dengan kutub negatif yang bertegangan 55-85 kilovolt DC. Medan listrik terbentuk diantara DE dan CE, pada kondisi ini timbul fenomena korona listrik yang berpendar pada sisi DE. Pada saat gas buang batubara melewati medan listrik ini, fly ash akan terkena muatan negatif yang dipancarkan oleh kutub negatif pada DE. Proses pemberian muatan negatif pada abu tersebut dapat terjadi secara difusi atau induksi, tergantung dari ukuran abu tersebut. Beberapa partikel abu akan sulit dikenai muatan negatif sehingga membutuhkan medan listrik yang lebih besar. Ada pula partikel yang sangat mudah dikenai muatan negatif, namun muatan negatifnya juga mudah terlepas, sehingga memerlukan proses charging kembali. 2. Pengumpulan. Abu yang sudah bermuatan negatif, akan tertarik untuk menuju ke CE atau bergerak menurut aliran gas yang ada. Kecepatan aliran gas buang mempengaruhi proses pengumpulan abu pada CE. Kecepatan aliran gas yang rendah akan memperlambat gerakan abu untuk menuju CE. Sehingga umumnya desain ESP biasanya digunakan beberapa seri CE dan DE yang diatur sedemikian rupa sehingga semua abu yang terkandung di dalam gas buang boiler dapat tertangkap. 3. Rapping. Lapisan abu yang terkumpul pada permukaan CE harus secara periodik dirontokan. Metode yang paling umum digunakan adalah dengan jalan memukul bagian CE dengan sebuah sistem mekanis. Sistem rapper mekanis ini terdiri dari sebuah hammer, motor penggerak, serta sistem gearbox sederhana yang dapat mengatur gerakan memukul agar terjadi secara periodik. Sistem rapper tidak hanya terpasang pada sisi CE, pada DE 20
juga terdapat sistem rapper. Hal ini karena ada sebagian kecil dari abu yang akan bermuatan positif karena ia ter-charging oleh CE yang bermuatan positif. 4. Abu yang rontok dari CE akan jatuh dan terkumpul di hopper yang terletak di bawah sistem CE dan DE. Hopper ini harus didesain dengan baik agar abu yang sudah terkumpul tidak masuk kembali ke dalam kompartemen ESP. Selanjutnya dengan menggunakan udara bertekanan, kumpulan abu tersebut dipindahkan melewati pipa-pipa ke tempat penampungan yang lebih besar. Gas buang yang keluar dari boiler mengandung banyak senyawa yang bersifat sangat korosif, jika senyawa-senyawa tersebut bereaksi dengan uap air yang terkandung di dalam gas buang itu pula. Pada temperatur rendah uap air hasil pembakaran hidrokarbon batubara dapat terkondensasi dan bereaksi dengan SO 2 atau NOx dan menghasilkan larutan asam yang sangat korosif. Larutan tersebut jika melewati ESP akan sangat mungkin dapat merusak komponenkomponennya. Maka pada prakteknya, pengoperasian ESP pada berbagai sistem boiler, baru dinyalakan jika temperatur gas buang boiler sudah mencapai nilai tertentu. Hal ini bertujuan selain untuk menghindari bahaya korosi, juga untuk menghindari terjadinya short circuit akibat adanya senyawa-senyawa asam tersebut.
Gambar 2.11 Bagian-bagian Electrostatic Precipitators
21
Secara umum bagian-bagian dari Electrostatic Precipitators (ESP) adalah sebagai berikut: 1. Casing. Casing dari ESP umumnya terbuat dari baja karbon berjenis ASTM A-36 atau yang serupa. Casing ini didesain untuk kedap udara sehingga gas buang boiler yang berada di dalam ESP tidak dapat bocor keluar. Selain itu ia didesain memiliki ruang untuk pemuaian karena pada operasional normalnya ESP bekerja pada temperatur cukup tinggi. Oleh karena itu pula sisi luar casing ini dipasang insulator tahan panas demi keselamatan kerja. Discharge electrode dan collecting electrode didesain menggantung dengan sisi support (penyangga) berada pada sisi casing bagian atas. Dan pada sisi samping casing terdapat pintu akses masuk untuk keperluan perawatan sisi dalam ESP. 2. H opper . Hopper terbuat dari bahan yang sama dengan casing. Ia berbentuk seperti piramida yang terbalik dan terpasang pada sisi bawah ESP. Hopper berfungsi sebagai tempat berkumpulnya abu fly ash yang dijatuhkan dari collecting electrode dan discharge
electrode. Abu hanya sementara berada di dalam hopper, karena selanjutnya ia akan dipindahkan menggunakan sebuah sistem transport khusus ke tempat penampungan yang lebih besar. Namun, hopper ini didesain untuk mampu menyimpan abu sedikit lebih lama apabila terjadi kerusakan pada sistem transport fly ashyang ada di bawahnya. 3. Collecting E lectrode. Seperti yang telah saya jelaskan sebelumnya, CE menjadi tempat terkumpulnya abu bermuatan negatif sebelum jatuh ke hopper. Jarak antar CE pada sebuah ESP didesain cukup dekat yakni 305-406 mm dengan kedua sisi plat (depan-belakang) yang sama-sama berfungsi untuk menangkap abu. CE dibuat dari plat yang didukung dengan baja penyangga untuk menjaga kekakuannya. Ia dipasang dengan suppot yang berada di atas dan menggantung pada casing bagian atas. Untuk mendapatkan medan listrik yang seragam pada CE, serta untuk meminimalisir terjadinya loncatan bunga api elektron, maka CE harus dipasang dengan ketelitian yang sangat tinggi. 4. Discharge Electrode. DE menjadi komponen paling penting di ESP. DE terhubung dengan sumber tegangan DC tinggi hingga berpendar menciptakan korona listrik. Ia berfungsi untuk men-charging abu sehingga abu menjadi bermuatan negatif. DE dipasang pada tiap tengah-tengah CE dengan jarak 152-203 mm tergantung jarak antar CE yang digunakan. Untuk mencegah short circuit, pemasangan DE harus dipasang juga insulasi yang memisahkan DE dengan casing dan CE yang bermuatan netral.
22
Gambar 2.12 Discharge Electrode
5. Sistem Kontrol Aliran Gas Buang. Efisiensi ESP sangat tergantung dengan distribusi aliran gas buang boiler yang melintasinya. Semakin merata pendistribusian gas buang tersebut ke seluruh kolom CE dan DE, maka akan semakin tinggi angka efisiensi ESP. Oleh karena itu dipasang sebuah sistem vane atau sudu pada sisi masuk gas buang ke ESP agar gas tersebut dapat lebih merata didistribusikan ke setiap kolom. 6. Rapper . Seperti yang sudah saya jelaskan di atas, sistem rapper berfungsi untuk menjatuhkan abu yang terkumpul pada permukaan CE ataupun DE agar jatuh ke hopper. Biasanya motor penggerak rapper terletak di bagian atas ESP, dan dihubungkan ke bagian pemukul dengan sebuah poros yang terinsulasi untuk menghindari short circuit. 7. Sumber Energi Listrik. Alat yang berfungsi untuk men- supply energi listrik ke sistem ESP disebut dengan Transformer Rectifier (TR). Sumber energi listrik berasal dari listrik AC bertegangan 480 Volt, yang ditingkatkan menjadi 55.000 sampai 75.000 Volt sebelum diubah menjadi tegangan DC negatif yang akan dihubungkan dengan discharge electrode. Karena secara elektris ESP merupakan beban kapasitif, maka sumber tegangannya didesain untuk menahan beban kapasitif tersebut. Selain itu, sumber tegangan ini didesain harus 23
tahan terhadap gangguan arus yang terjadi akibat adanya loncatan listrik ( sparking) dari abu fly ash Tipe Electrostatic Precipitator 1. Dry Electrostatic Precipitator (ESP) Dry Electrostatic Precipitator merupakan salah satu tipe dari ESP. Jenis ini menggunakan wire-plate type digunakan untuk menyisihkan PM (particulate matter), termasuk yang berukuran kurang atau sama dengan 10 mikron, 2.5 mikron, dan polutan berbahata (HAPs) dalam wujud partikulat seperti sebagian besar logam. Untuk alat baru dari ESP ini memiliki tingkat efisiensi pada rentang 99-99,9% sedangkan pada alat yang lama dan telah dipakai berada pada rentang 90-99%.
Gambar 2.13 Efisiensi penyisihan ESP berdasarkan ukuran partikulat
Pada wire-plate ESP, exhaust gas mengalir secara horizontal dan parallel menuju plat vertical dari kepingan logam. Jarak antar plat berkisar antara 19-38 cm (AWMA, 1992). Area antar plat disebut dengan ducts. Ketinggian dari ducts ini biasanya 6 – 14 m. Kelebihan dari wire-plate ini dari ESP secara umum, karena hanya berfungsi untuk penyisihan partikulat dan dengan hinder flue gas yang sedikit, sehingga penurunan tekanan yang terjadi cukup rendah, berkisar kurang dari 13 mm. Sebagai hasilnya kebutuhan energi dan biaya operasi cenderung lebih rendah. Kekurangan dari alat ini seperti ESP secara umum memiliki biaya awal yang sangat tinggi. Selain itu potensi terjadinye pengkaratan pada bagian dekat tali dikarenakan kebocoran udara dan kondensasi asam. Sehingga untuk biaya perawatan ini dapat bernilai cukup tinggi juga.
24
Gambar 2.14 Skema dry electrostatic precipitator (ESP)
2.2.2
Selective Catalyst Reduction (SRC) Selective Catalytic Reduction (SCR) telah digunakan pada pengendalian emisi pembakaran
bahan bakar fosil sejak tahun 1970an dan saat ini masih digunakan di beberapa negara seperti Jepang, Eropa, USA, dan lainnya dari berbagai jenis industri termasuk peralatan, boiler, pemanas proses, turbin gas, reaktor kimia, dan lainnya. SCR dapat diterapkan sebagai suatu instalasi tersendiri dalam pengendalian NOx atau digabungkan dengan teknologi lain seperti low NOx
burner (LNB) dan resirkulasi flue gas (FGR).
Gambar 2.15 Skema selective catalytic reduction (SCR) 25
Pada umumnya SCR diterapkan pada sumber tidak bergerak, seperti pembakaran yang memerlukan penurunan nilai NOx daripada penyisihan non- catalytic selektif atau pengendali pembakaran. Secara teori, desain SCR dapat digunakan untuk penyisihan NOx mendekati hingga 100%. Dalam penerapannya sendiri, sistem SCR untuk arang, minyak, dan gas alam didesain untuk target hingga 90% efisiensi. Bagaimana pun, penurunan dapat saja bernilai kurang dari 90% yaitu ketika SCR yang diikuti pengendali NOx lain seperti LNB dan FGR hanya mencapai efektivitas pada emisi rendah. Pada bagian outlet, konsentrasi NOx pada boiler sangat jarang bernilai kurang dari 0.04lb/MMBtu.
26
BAB III PEMBAHASAN
3.1
Pemilihan Perancangan Teknologi Insinerator yang Digunakan
Pada perencanaan kali ini, insinerator yang dirancang yaitu insinerator jenis rolling grate. Insinerator rolling grate merupakan salah satu jenis insinerator grate yang terdiri dari rol-rol perforasi (berlubang) yang dipasang secara seri dan pengadukan limbah terjadi pada transisi ketika material limbah terguling pada rol-rol yang bergerak tersebut (EU, 2006). Adapun berikut merupakan penjelasan detail mengenai pemilihan perancangan insinerator yang digunakan:
Jenis insinerator: insinerator roller grate.
Kapasitas pengolahan: 7 ton/hari.
Cara pengoperasian: sistem batch. Sistem batch dipilih karena tidak termasuk kriteria pengoperasian secara kontinu yaitu untuk kapasitas pengolahan di atas 40 ton/hari.
Jenis ruang bakar: multi chamber yang terdiri dari:
Primary chamber Primary chamber merupakan ruang bakar yang berfungsi sebagai tempat pembakaran limbah. Di dalam primary chamber dirancang kondisi pembakaran dengan jumlah udara untuk reaksi pembakaran yang kurang dari semestinya sehingga disamping pembakaran juga terjadi reaksi pirolisa. Pada reaksi pirolisa, material organik terdegradasi menjadi karbon dioksida dan metana. Temperatur dalam primary chamber diatur pada rentang 600oC-800oC dengan padatan sisa pembakaran yang dihasilkan yaitu karbon berupa arang dan abu (fly ash dan bottom ash) (http://eprints.polsri.ac.id, 2016).
Secondary chamber Secondary chamber merupakan ruang bakar yang berfungsi untuk membakar lebih lanjut gas hasil pembakaran dan pirolisa agar tidak mencemari lingkungan. Pembakaran gas-gas tersebut dapat berlangsung dengan baik jika terjadi pencampuran yang tepat antara oksigen (udara) dengan gas hasil pirolisa serta waktu tinggal yang cukup. Adapun gas pirolisa yang tercampur dengan udara, dibakar secara sempurna oleh burner di dalam ruang ini dalam temperatur sekitar 800oC-1000oC sehingga gas-gas pirolisa (metana, etana, dan hidrokarbon lainnya) terurai menjadi gas CO 2 dan H2O (http://eprints.polsri.ac.id, 2016). 27
Tungku yang digunakan: non-statis, tungku yang memungkinkan pengadukan limbah yaitu dengan jenis roller grate.
Pemasokan limbah: secara mekanis/ hidrolis untuk memperpanjang waktu operasi.
Pengeluaran abu: secara manual karena tidak termasuk kriteria desain secara mekanis yaitu diatas 20 ton/hari.
Pasokan oksigen: menggunakan blower, memasok udara dengan debit yang disesuaikan dengan dibutuhkan.
3.2
Karakteristik Limbah yang Diolah
Di dalam perancangan insinerator kali ini, limbah yang digunakan yaitu limbah kelapa sawit. Adapun limbah kelapa sawit yang digunakan terdiri dari tiga jenis yaitu Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS), cangkang, serta serabut ( fiber). Diketahui untuk 1 ton kelapa sawit akan mampu menghasilkan limbah berupa TKKS sebanyak 23%, limbah cangkang 6,5%, serta 13% serabut (Mandiri, 2012). Berdasarkan data tersebut, dilakukan perhitungan untuk mendapatkan berat setiap jenis limbah kelapa sawit melalui cara berikut: 1. Menjumlahkan presentase total limbah:
ℎ = 23% + 6,5% + 13% = 42,5% 2. Menghitung presentase setiap jenis limbah:
23% 100% = 54,1% = 42,5% 6,5% 100% = 15,3% = 42,5% 13% 100% = 30,6% = 42,5% 3. Menghitung berat setiap jenis limbah dengan kapasitas pengolahan 7 ton/hari:
= 54,1% 7 = 3,8 = 15,3% 7 = 1,1 = 30,6% 7 = 2,1 Berat diatas merupakan asumsi berat kering limbah. Selanjutnya, untuk mencari rumus empiris dari limbah campuran tersebut, digunakan karakteristik dari masing-masing limbah yang dapat dilihat pada Tabel 3.1.
28
Tabel 3.1 Karakteristik Limbah Kelapa Sawit Parameter Kadar air (%) Kadar abu (%) Karbon (C) (%) Hidrogen (H) (%) Sulfur (S) (%) Nitrogen (N) (%)
TKKS 60 3,45 33,24 4,4 0,098 2,2
Cangkang 21,77 6,5 50,7 6,15 0,19 1,71
Serabut 25,32 3,81 53,3 6,39 0,08 0,77
Oksigen (O) (%) Nilai Kalor, HHV (kkal/kg)
20,45 4492
34,7 4802
35,6 4554
(Sumber: Kamal, -; Wijono (2014); Syafriuddin dkk (2012); Budiarto dkk (2009); Romatua (2007)) Berikut merupakan langkah-langkah mencari rumus empiris limbah kelapa sawit: 1. Menghitung berat setiap unsur komposisi limbah:
= % ℎ Sebagai contoh, untuk komposisi karbon (C) pada limbah TKKS didapat:
= 33,24% 3,8 = 1,26 Berikut merupakan keseluruhan hasil perhitungan berat setiap unsur limbah kelapa sawit: Tabel 3.2 Hasil Perhitungan Berat Setiap Unsur Limbah (Berat Kering) Parameter C H S N O Abu
2.
TKKS 1,26 0,17 0,00 0,08 0,78 0,13
Cangkang 0,56 0,07 0,00 0,02 0,38 0,07
Serabut 1,12 0,13 0,00 0,02 0,75 0,08
Jumlah (ton) 2,94 0,37 0,01 0,12 1,91 0,28
Menghitung mol setiap unsur di dalam limbah:
= Sebagai contoh, untuk komposisi karbon (C) pada limbah TKKS didapat:
= 2,94 10 / = 245010 12 / Berikut merupakan keseluruhan hasil perhitungan mol unsur limbah kelapa sawit:
29
Tabel 3.3 Hasil Perhitungan Mol Setiap Unsur Limbah (Berat Kering) Unsur
C H S N O
Berat total (gram) 2940120,00 369040,00 7494,00 118580,00 1906400,00
Mr (gram/mol) 12 1 32 14 16
Mol
245010,00 369040,00 234,19 8470,00 119150,00
3. Menghitung rumus empiris limbah kelapa sawit: Setelah mendapatkan mol setiap unsur, maka dapat dilakukan penyederhanaan perbandingan mol untuk mendapatkan rumus empiris. Penyederhanaan perbandingan mol setiap unsur didapatkan dengan membagi setiap mol unsur dengan mol terkecil, yaitu mol sulfur sebesar 234,19. Adapun hasilnya dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 3.4 Hasil Perhitungan Rumus Empiris Limbah Kelapa Sawit
3.3
Unsur
Mol
Mol/234,19
C H S N
245010,00 369040,00 234,19 8470,00
1046 1576 1 36
O
119150,00
509
Rumus Empiris
C1046H1576O509N36S
Prosedur Pengoperasian Pengolahan Insinerator
Pada perencanaan ini, insinerator yang digunakan beroperasi dengan sistem batch. Insinerator tipe batch menererima satu kali pemasukan sampah ke ruang pembakaran dalam satu kali proses pembakaran. Laju pelepasan panas dikontrol dengan mengendalikan volume awal sampah dan udara yang tersedia untuk pembakaran. Ukuran ruang pembakaran dirancang untuk volume tertentu dan limbah dengan kandungan Btu tertentu pula. Jika insinerator diisi dengan limbah yang memiliki nilai Btu tinggi meskipun volume tidak melebihi kapasitas, kapasitas termal dari insinerator dapat terlampaui. Akibatnya, diperlukan pengurangan pemasukan volume sampah. Gambar 3.1 merupakan gambaran skema prosedur pengoperasian insinerator.
30
Gambar 3.1 Skema Prosedur Pengoperasian Insinerator
(Sumber: Ilustrasi Pribadi, 2016) 3.3.1
Penyiapan Limbah
Proses pertama kali pada pengolahan insinerator yaitu dengan menyiapkan limbah terlebih dahulu (pre-treatment). Limbah padat kelapa sawit yang digunakan pada insinerator yaitu limbah cangkang, serabut, dan TKKS. Adapun untuk limbah cangkang dan serabut tidak memerlukan pre-
treatment terlebih dahulu sedangkan limbah TKKS memerlukan pre-treatment untuk mengurangi kadar airnya hingga dibawah 30%. Berdasarkan penelitian, pre-treatment yang dilakukan yaitu perendaman selama 6 jam menghasilkan TKKS dengan kandungan K 2O hingga sebesar 5% dari 27%. Setelah itu, TKKS basah yang sudah tercacah dihantarkan lewat konveyor ke bagian atas unit pengering, lalu TKKS dijatuhkan ke bidang miring sehingga merosot ke bawah akibat gaya gravitasi. Ketika di bidang miring, TKKS disemprot udara panas sehingga ketika berjalan merosot, TKKS mengalami proses pengeringan. Berdasarkan penelitian tersebut, waktu tinggal 1 jam sudah cukup untuk mengeringkan dan suhu pengeringan yang efektif yaitu sekitar 90 oC (Wijono, 2014).
31
Gambar 3.2 Contoh Penyiapan TKKS
(Sumber: http://btbrd.bppt.go.id/, 2014) 3.3.2
Penerima Limbah
Setelah melalui proses penyiapan, limbah padat kelapa sawit diterima dan diangkut dengan
dump truck menuju ruang penyimpanan ( storage pit). Adapun kapasitas yang digunakan untuk menerima limbah yaitu 7 ton/hari dengan waktu operasi yang direncanakan yaitu 8 jam per hari. Unit penerima diperlukan untuk menjaga kontinuitas sampah.
Gambar 3.3 Ilustrasi Dump Truck yang Menerima Limbah
(Sumber: EPA, 1971)
32
3.3.3
Penyuplai Limbah
Untuk sistem feeding atau penyuplai limbah diperlukan agar instalasi terus bekerja dengan tanpa tenaga manusia. Adapun pada perencanaan kali ini, digunakan crane untuk mentrasfer limbah dari ruang penyimpanan menuju ruang pembakaran.
Gambar 3.4 Gambaran
(Sumber: EPA, 1971) 3.3.4
Pembakaran Limbah Pembakaran limbah dilakukan pada ruang bakar dengan tungku berjenis roller grate. Pada
pembakaran limbah, lamanya waktu yang dibutuhkan untuk sampah habis terbakar dipengaruhi oleh desain insinerator, karakteristik sampah, dan derajat kejenuhan yang diinginkan. Periode habis terbakar adalah 2 sampai 4 jam. Kualitas habis terbakar dapat dilakukan dengan memeriksa abu yang dihasilkan. Pemeriksaan abu adalah salah satu cara untuk mengevaluasi kinerja insinerator. 3.3.5
Penanganan Residu
Pada proses pengolahan insinerator, dihasilkan residu berupa abu ( bottom ash dan fly ash). Berikut ini merupakan pedoman untuk pengoperasian abu yang baik: o
Secara umum, incinerator membutuhkan waktu satu malam untuk proses pendinginan dan menghilangkan abu. Pendinginan dapat memakan waktu selama 8 jam (EPA, 1990).
o
Operator harus membuka pintu pengeluaran abu dengan pelan untuk meminimalkan kemungkinan kerusakan pada pintu, segel gasket dan untuk mencegah abu berterbangan. 33
o
Operator harus berhati-hati karena kemungkinan abu masih dalam kondisi yang panas pada titik tertentu serta danya benda tajam.
o
Ruang abu dan pembakaran tidak boleh disemprot dengan air dingin karena pendinginan cepat dari semprotan air dapat mempengaruhi ruang refraktori.
o
Sebuah sekop tumpul datar dan tidak tajam dan tahan api harus digunakan untuk pembersihan.
o
Hindari mendorong abu ke udara terbuka.
o
Tempatkan abu panas ke dalam wadah yang tidak mudah terbakar (logam). Basahi abu dengan air untuk mendinginkan dan mengurangi abu berterbangan.
o
Setelah abu dibuang dan sebelum menutup pintu pengeluaran abu, operator harus memeriksa gasket seal pintu. Jika rusak lakukan pergantian.
o
Untuk mencegah kerusakan pada segel pintu, operator harus menutup pintu pengeluaran abu dengan pelan dan tidak boleh menekan klem pintu terlalu kuat. Champs pintu yang terlalu kuat dapat menyebabkan gasket seal menjadi permanen dan memungkinkan infiltrasi udara luar disekitar permukaan pintu.
3.3.6
Pengendalian Pencemar Udara
Pada pengolahan insinerator, terdapat gas buang pencemar serta partikulat yang dihasilkan yang merupakan pencemar udara sehingga diperlukan alat pengendalian pencemar udara/ Air
Pollution Control (APC). Pada perencanaan kali ini, berdasarkan emisi yang dikeluarkan yaitu SO2, NO2, serta partikulat yang melebihi baku mutu maka dipilih APC menggunakan Electrostatic
Precipitator (ESP) serta Selective Catalytic Reduction (SCR) menggunakan ammonia (NH3).
3.4
Desain Unit Pengolahan InsineratorRolling Grate
Terdapat beberapa unit pengolahan insinerator rolling grate untuk limbah kelapa sawit yang direncanakan. Adapun desain dari setiap unit akan dijelaskan sebagai berikut:
34
Gambar 3.5 Contoh Ilustrasi Pengolahan Insinerator Rolling Grate
(Sumber: Stadtwerke, -) 3.4.1
Ruang Penyimpanan (Storage)
Pertama-tama, setelah proses pretreatment limbah, limbah kelapa sawit akan dipindahkan dengan menggunakan dump truck menuju ruang penyimpanan insinerator (Gambar 3.5 poin nomor 1). Beberapa faktor harus dipertimbangkan dalam mendesain ruang penimpanan, diantaranya kapasitas tungku, penyimpanan darurat, dan jadwal penerimaan limbah. Adapun desain dimensi dari ruang penyimpanan yaitu sebagai berikut: 1. Debit = 7 ton/hari 2. Waktu penyimpanan (t) = 7 hari karena Q ≤ 500 ton/hari 3. Kapasitas penyuplai crane = 3 m3 4. Kapasitas ruang storage untuk menampung limbah = 7000 kg 5. Densitas limbah = 140 kg/m 3 (Agustina dkk, 2016) 6. Volume limbah = 35
= 7000 = 350 ℎ = ℎ 140 / 7. Ruang penyimpanan direncanakan berbentuk balok, dengan dimensi:
Tinggi
=7m
Lebar
= 10m
Panjang = 5 m
Setelah limbah disimpan pada ruang penyimpanan, limbah akan disuplai menggunakan
crane menuju hopper yang akan dipindahkan menuju ruang bakar. Adapun crane yang dibutuhkan untuk insinerator limbah yaitu minimal 2 buah sebagai cadangan apabila salah satu crane diperbaiki atau dipelihara. Crane yang digunakan yaitu tipe bridge crane yang dapat bergerak menuju ruang penyimpanan dan juga area hopper . Hopper terbuat dari logam atau beton yang didesain sehingga limbah dapat turun secara gravitasi menuju tungku. 3.4.2
Ruang Bakar
Ruang bakar pada insinerator kali ini didesain sebanyak dua buah yaitu primary chamber dan secondary chamber. Primary chamber digunakan untuk tempat pembakaran limbah dan terjadinya reaksi pirolisa sedangkan secondary chamber digunakan untuk tempat pembakaran lebih lanjut gas hasil pembakaran dan pirolisa sehingga gas-gas pirolisa terurai menjadi CO2 dan H2O. Gambar 3.6 menunjukkan gambaran primary chamber (poin 10) dan secondary chamber (poin 11).
36
Gambar 3.6 Contoh Skema Pengolahan Insinerator Grate
(Sumber: EPA, 1971) Adapun berikut merupakan perhitungan ruang bakar: 1. Luas berbentuk segi empat = 0,5 m3/ton sampah/hari (kriteria desain). 2. Tungku 1 ruang untuk menampung = 7 ton/hari. 3. Volume ruang bakar =
0,5 = 3,5 = ℎ 7 ℎ 4. Direncanakan ruang bakar yang digunakan berbentuk balok:
3.4.3
Lebar
=1m
Panjang = 3,5 m
Tinggi
=1m
Tungku (R olling G rate)
Desain tungku merupakan salah satu elemen penting di dalam insinerator. Jika limbah yang dimasukkan pada tungku dan dibakar tanpa pembalikan, pembakaran hanya akan terjadi pada bagian atasnya saja sehingga limbah tersebut hanya akan meninggalkan tungku dengan 37
pembakaran tidak sempurna. Pada perencanaan kali ini, tungku yang digunakan yaitu berupa
rolling grate. Teknologi ini diterapkan contohnya pada insinerator sampah kota Stadtwerke Dusseldorf, sebuah waste to energy plant yang telah dibangun sejak tahun 1965. Insinerator rolling grate merupakan insinerator dengan melalui ruang bakar aliran parallel untuk memastikan kualitas pembakaran yang teroptimasi dan stabilitas pembakaran. Setelah limbah dimasukkan melalui feeder/hopper, kemudian limbah tersebut akan diputar/ diaduk dengan adukan lambat melalui 6 rollers dengan diinjeksikan udara primer. Pembakaran limbah tersebut terdiri dari empat tahapan yaitu: pengeringan ( drying); pembakaran (combustion); pendingan (extinction); dan pembuangan (discharge) bottom ash. Agar menjamin pembakaran yang terkontrol, maka roller grate memiliki 6 zona injeksi udara independen pada setiap roller nya. Proses pembakaran gas hasil pembakaran kemudian terjadi ketika udara sekunder diinjeksikan pada kecepatan yang tinggi. Tujuan utama ruang bakar dengan aliran paralel gas pembakaran serta limbah yang masuk yaitu untuk menciptakan distribusi aliran panas yang baik sekaligus meningkatkan waktu kontak antara gas panas dengan limbah.
Gambar 3.7 Ilustrasi Proses di dalam Ruang Bakar Insinerator Rolling Grate
(Sumber: Vinci, -) Adapun desain insinerator rolling grate memiliki kesamaan perancangan sistem insinerator
traveling grate, namun diubah menjadi berbentuk drum (EPA, 1971). Berikut merupakan spesifikasi teknis desain tungku rolling grate:
38
1. Slope = 30o dari sisi horizontal. 2. Kecepatan putaran = 50 ft/jam (roller pertama); 15 ft/jam (roller terakhir) 3. Dimensi roller:
Kapasitas kisi-kisi = 340 kg/m2/jam
Debit sampah = 7 ton/hari = 7000 kg/8 jam = 875 kg/jam
Luas kisi-kisi =
= () /) ℎ (/ ) 875 ( = 340 (//) = 2,5735
Dimensi roller: -
Panjang kisi (L) = 1,5 m
-
Diameter kisi (d) =
= = = 2,5735 ≈ , = 1,5
Beban pada kisi = 3,4 x 10 6 KJ/m2/jam
Bukaan pada kisi agar sampah tidak jatuh ke bawah tetapi udara tetap dapat masuk,
biasanya luasnya 2-30%. Maka dipilih 10% sehingga bukaannya yaitu 10% dari diameter kisi = 5 cm 4. Jumlah roller = 5 buah roller 5. Bahan konstruksi = cast iron dengan pinggir yang bergerigi tajam
39
(a)
(b)
Gambar 3.8 Tungku Pengolahan Insinerator Rolling Grate: (a) Tampak Atas; (b) Tampak Detail
(Sumber: Vinci, -) 3.4.4
Kebutuhan Udara serta Emisi yang Dihasilkan
Kebutuhan udara dalam proses pembakaran pada insinerator merupakan hal yang sangat penting. Kebutuhan udara tersebut dapat ditentukan dengan:
Perhitungan teoritis, yaitu ditunjukkan agar pembakaran sempurna
Pemberian udara berlebih (excess air) untuk mencegah pembakaran yang tidak sempurna, disamping untuk pendinginan. Adapun kebutuhan udara total yaitu jumlah udara dari perhitungan teoritis dan udara
berlebih yang diberikan. Secara teoritis, kebutuhan udara dihitung berdasarkan stoikiometri dari unsur yang terdapat pada limbah. Berdasarkan rumus empiris yang telah dipaparkan, maka didapat reaksi pembakaran limbah kelapa sawit yaitu sebagai berikut:
+ 1222,5 → 1046 + 788 + 36 + Melalui persamaan reaksi diatas, dapat dihitung bahwa jumlah oksigen teoritis yang dibutuhkan (dalam satuan volume) yaitu:
1222,5 = 27.384 = 27,384 ℎ =22,4 40
Karena suplai oksigen tersebut melalui suplai udara yang mengandung 21% O 2 (dalam volume) dan 23,95% O2 (dalam berat), maka kebutuhan udara teoritis yaitu:
ℎ = 27,384 100 21 = 130,4
10 − 100 ℎ = 1222,5 (2.16) 23,95 = 163,34 Setelah mendapatkan jumlah udara teoritis, akan dicari kebutuhan udara berlebih. Udara berlebih berfungsi juga untuk mendinginkan gas yang keluar dari ruang primer-sekunder. Besar udara berlebih yaitu kira-kira 50-100% dan dipilih 75% dari perhitungan kebutuhan udara, yaitu:
75 = 97,8 ℎ ℎ = 130,4 100 75 = 112,5052 ℎ ℎ = 163,34 100 Berdasarkan jumlah kebutuhan udara teoritis dan berlebih, maka didapat total kebutuhan volume udara yaitu:
= 97,8 + 130,4 = 228,2 = 112,5052 + 163,34 = 285,845 Adapun untuk menghitung kebutuhan udara yang masuk dari kisi-kisi di bagian bawah tungku, diketahui besarnya 25-100% dari total kebutuhan udara. Pada perencanaan kali ini, digunakan 100% dari total kebutuhan udara yaitu 228,2 m3. Udara tersebut berfungsi untuk mengontrol panas pembakaran serta mencegah panas berlebihan pada kisi-kisi. Sedangkan udara atas adalah udara yang masuk dari tungku bagian atas yang berfungsi untuk membakar gas dan mencampur gas volatil yang belum terbakar. Udara sekunder berguna untuk mengatur temperatur yang diinjeksikan di bagian hilir ruang pembakaran primer. Selain menghitung kebutuhan udara untuk pembakaran, akan dihitung juga emisi yang akan dihasilkan melalui reaksi pembakaran tersebut yaitu sebagai berikut:
41
Emisi CO2
1046 10 = 46.024.000 =(12+2.16) ℎ = ( 25℃ 1 ) 285,845 = 241,444 = 1,1839 / 46.024.000 = 241,444 = 190619,7978 /
Emisi SO2
1 10 = 64000 =(32+2.16) 64000 = 265,0718 / = 241,444
Emisi NO2
36 10 = 1656000 = (14 + 2.16) 1656000 = 241,444 = 6858,7342 /
Emisi H2O
788 10 = 14184000 =(1.2+16) = 14184000 241,444 = 58746,5498 / 3.4.5
Desain Cerobong (Stack)
Cerobong berfungsi untuk menyedot dan mendispersikan gas. Semakin tinggi ketinggian cerobong, maka semakin baik pula fungsi penyedotan dan pendispersian gasnya. Berikut merupakan perhitungan untuk mendapatkan desain tinggi cerobong: 1. Kapasitas = 7 ton/ hari = 7 ton/ 8 jam = 0,875 ton/jam 2. Tenaga sedotan (Dt) = 7 x 10-4 atm 42
3. Tekanan udara (Pb) = 1 atm 4. Temperatur udara luar (To) = 27oC = 300oK 5. Temperatur dalam (yang masuk dalam stack) (oK) = 230oC = 503oK 6. Tinggi cerobong (Hs) =
= (3,4 10 −) ( 1 1 ) 7 10 − = (3,4 10 −) (1 ) ( 1 1 ) = , ≈ 300° 503° 3.4.6
Temperatur, Media Pendingin, serta Energi yang Dihasilkan
Temperatur (suhu) pada pengoperasian insinerator berkaitan dengan pasokan oksigen (melalui udara). Selama pembakaran di dalam tungku bakar, temperatur maksimum dicapai pada kondisi stoikiometri. Adapun pada setiap tempat pada proses insinerator memiliki temperatur udara yang berbeda-beda. Berikut merupakan temperatur serta waktu tinggalnya di dalam pengoperasian insinerator:
Temperatur ruang bakar = 1200oC (waktu pembakaran = 50-55 menit)
Temperatur pada boiler vertikal = 800 oC o
Temperatur ketika masuk Air Pollution Control (APC) = 230 C Salah satu unit dalam pengolahan insinerator yaitu media pendinginan gas (udara atau air) ke insinerator. Pada perencanaan kali ini, media pendingin gas yang dipilih yaitu dengan pemakaian jenis water-walled combustion chamber, yaitu ruang pembakaran yang terdapat tabung-tabung berlapis baja yang didalamnya dilewati oleh air yang disirkulasikan untuk menghasilkan uap. Water walls dipanaskan hampir seluruhnya oleh radiasi dan konveksi serta kehadirannya dapat menyebabkan efek pendinginan suhu tungku dan dapat mereduksi jumlah udara berlebih untuk mendinginkan tungku. Dengan adanya pengurangan jumlah udara berlebih, maka suhu pembakaran akan meningkat dan menyebabkan pembakaran dapat berjalan sempurna serta jumlah gas pencemar yang harus diolah menjadi lebih sedikit.
43
Gambar 3.9 Grafik Hubungan Temperatur Gas dengan Udara Berlebih untuk Insinerasi
(Sumber: EPA, 1971) Pada insinerator kali ini, akan ditempatkan boiler sebagai metode efektif dan ekonomis untuk mendinginkan gas dari 2500oF menuju 450oF. Terdapat dua bagian boiler yang direncanakan yaitu boiler pertama, bagian setelah ruang bakar. Pada bagian tersebut, gas pembakaran akan naik ke atas melewati tabung-tabung boiler dengan kecepatan yang tidak me lebihi 30 ft/s. Karena masih terdapat banyak fly ash serta temperatur yang tinggi, maka tabung boiler harus diletakkan agak berjauhan untuk menghindari fouling antar tabung. Selanjutnya, gas akan menuju boiler kedua yang disebut economizer yang lebih berjarak dekat antar tabungnya karena masalah fouling telah berkurang pada suhu yang lebih rendah. Ketika gas meninggalkan economizer, gas tersebut dapat menuju alat pengendali pencemaran udara/ Air Pollution Control (APC) (EPA, 1971). Boiler dapat dilihat pada Gambar 3.10 poin 5.
44
Gambar 3.10 Temperatur serta Media Pendingin pada Insinerator Rolling Grate
(Sumber: Stadtwerke, -) 3.4.7
Jumlah, Karakteristik, dan Proses Penanganan Abu yang Dihasilkan
Berdasarkan perhitungan melalui karakteristik kadar abu yang dihasilkan pada setiap jenis limbah padat kelapa sawit, dihasilkan abu sebesar 0,28 ton yaitu dengan rincian:
TKKS
: 0,13 ton
Cangkang
: 0,07 ton
Serabut
: 0,08 ton
Adapun karakteristik abu yang dihasilkan, berdasarkan penelitian Wijono (2014), hasil analisa abu dari pembakaran limbah padat kelapa sawit yaitu sebagai berikut:
45
Tabel 3.1 Hasil Analisa Abu dari Pembakaran Limbah Padat Kelapa Sawit Sumber TKKS Parameter Uji
Ash Fusion Temperature (oC): - Initial deformation - Softening - Hemmispherical - Fluid
Tandun
Dolok Ilir #1
Dolok Ilir #2
Tinjowan
1018 1022 1072 1073
930 1011 1105 1162
1043 1148 1208 1254
940 1019 1024 1185
21,90 1,40 0,41 2,30 2,38 7,33 2,57 0,40 0,22
22,61 0,54 0,52 4,08 4,13 10,49 2,60 0,40 0,26
24,98 1,14 2,04 5,16 1,16 27,21 0,60 1,45 0,36
Komposisi Abu (wt.%): - SiO2 (silicon dioksida) - Al2O3 (aluminium trioksida) - Fe2O3 (iron trioksida) - CaO (kalsium oksida) - MgO (magnesium oksida) - K2O (kalium oksida) - Na2O (sodium oksida) - TiO2 (titanium dioksida) - MnO2 (mangan oksida)
(Sumber: Wijono, 2014) Menurut Thomas R. Miles (1995) dalam Wijono (2014), analisa abu memberikan indikasi mengenai potensi fouling dan slagging selama proses pembakaran dalam boiler. Pada fouling dan
slagging deposit material non-organik dari biomasa selama proses pembakaran menempel pada permukaan tube boiler dan kemudian menjadi sumber korosi. Deposit juga mengakibatkan turunnya heat absorption capacity dari tube sehingga menaikkan temperatur gas buang denan efek lanjutan menurunnya produk uap dan turunnya efisiensi boiler. Perhatian khusus harus ditujukan kepada kandungan kalium, klorin dan sulfur serta sulfatisasi kaliul klorida menjadi kalium sulfat. Kalium dan Natrium memiliki titik leleh dan penguapan yang relatif lebih rendah yaitu sekitar 900oC, apabila dibandingkan dengan logam alkali lainnya yang di atas 1.500 oC. Sementara itu, klorin jika bersenyawa dengan kalium menjadi senyawa KCl dengan titik leleh yang jauh lebih rendah lagi yaitu sekitar 500-600oC dengan sifat yang sangat korosif. Menurut Yin C.Y. (2011) dalam Wijono (2014), bahan bakar TKKS memiliki kandungan kalium dan natrium yang relatif tinggi jika dibandingkan dengan batubara. Meskipun demikian TKKS terbebas dari kandungan klor yang biasanya banyak terkandung dalam jerami gandum. Oleh karena itu jika mempergunakan boiler konvensional seperti stoker dengan temperature furnace 46
sekitar 1.400oC, maka kandungan kalium dan natrium harus dihilangkan atau minimal diuturunkan. Selama tidak ada klorin, penghilangan atau penurunan kadar kalium/ natrium tidak perlu dilakukan jika mempergunakam fluidize bed boiler karena temperatur furnace boiler tipe ini hanya sekitar 800 oC. Penanganan abu insinerator adalah suatu kegiatan pengumpulan dan pewadahan abu sisa hasil pembakaran incinerator. Penanganan diperlukan agar mencegah terjadinya kontaminasi/ pencemaran lingkungan dan gangguan kesehatan pada petugas. Adapun prosedur penanganan abu adalah sebagai berikut:
Secara umum, incinerator membutuhkan waktu satu malam untuk proses pendinginan dan menghilangkan abu. Pendinginan dapat memakan waktu selama 8 jam (EPA, 1990).
Operator harus membuka pintu pengeluaran abu dengan pelan untuk meminimalkan kemungkinan kerusakan pada pintu, segel gasket dan untuk mencegah abu berterbangan.
Operator harus berhati-hati karena kemungkinan abu masih dalam kondisi yang panas pada titik tertentu.
Ruang abu dan pembakaran tidak boleh disemprot dengan air dingin karena pendinginan cepat dari semprotan air dapat mempengaruhi ruang refraktori.
Sebuah sekop tumpul datar dan tidak tajam dan tahan api harus digunakan untuk pembersihan.
Hindari mendorong abu ke udara terbuka.
Tempatkan abu panas ke dalam wadah yang tidak mudah terbakar (logam). Basahi abu dengan air untuk mendinginkan dan mengurangi abu berterbangan.
Setelah abu dibuang dan sebelum menutup pintu pengeluaran abu, operator harus memeriksa gasket seal pintu. Jika rusak lakukan pergantian.
Untuk mencegah kerusakan pada segel pintu, operator harus menutup pintu pengeluaran abu dengan pelan dan tidak boleh menekan klem pintu terlalu kuat. Champs pintu yang terlalu kuat dapat menyebabkan gasket seal menjadi permanen dan memungkinkan infiltrasi udara luar disekitar permukaan pintu.
47
3.4.8
Desain Alat Pengendalian Pencemaran Udara (APC)
E lectrostatic Presipitator (ESP) Electrostatic Precipitator (ESP) adalah suatu perangkat listrik yang berfungsi sebagai alat
pengendap atau pemisah debu dari udara yang menggunakan listrik statis. ESP digunakan sebagai penyaring debu yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar pada burner. Untuk menghasilkan listrik statis digunakan unit transformator yang masing-masing melayani perangkat alat pada precipitator. Listrik statis yang diperlukan pada proses penyaringan debu diperoleh melalui Conventer AC/DC melalui transformator step up. Prinsip kerja ESP adalah melewatkan gas kotor melalui kamar-kamar yang berisi tirai-tirai elektroda. Elektroda-elektroda ini diberi tegangan tinggi DC sesuai dengan kebutuhan yang diinginkan.
Electrostatic Precipitator sangat sering digunakan di dalam berbagai operasi pembersihan gas. Di dalam sistem ini, produk gas mengalir melalui elektroda bertegangan tinggi yang mengalirkan arus listrik ke partikulat, namun tidak mempengaruhi aliran gas permanen. Partikulat kemudian dikumpulkan sementara aliran gas mengalir melewati pelat pengumpul pada kutub yang berlawanan. Partikulat yang sudah dialiri arus kemudian bermigrasi ke pelat pengumpul dan mengendap di permukaannya. Partikulat dipisahkan dari pelat menggunakan metode basah atau kering. Scrubber kering menggunakan aksi mekanik untuk memisahkan material dari permukaan secara periodik dan dioperasikan pada temperatur 500 oC atau lebih. Sedangkan scrubber basah memisahkan partikulat menggunakan aliran air yang membentuk film tipis di permukaan dan dioperasikan pada temperatur sekitar 65 oC. ESP dikelompokan sebagai berikut:
Desain struktural dan pengoperasian debit elektroda, ( rigid-frame, wires or plate) dan elektroda pengumpul (tubular or plate)
Metode pengisian (single stage or two-stage)
Operasi suhu (cold-side or hot-side)
Metode penghapusan partikel dari permukaan pengumpul (wet or dry)
48
Tabel 3.2 Alat Pengendalian Pencemaran Udara Berdasarkan Jenis Pollutant
Tabel 3.3 Kriteria Desain Untuk Jenis Fly Ash Precipitator Parameter Drift velocity (W)
Rentang Nilai 1-10 m/min
Channel width (D)
15-40 cm
Specific collection area (SCA)
0,25-2,1 m2/(m3/min) 1,2-2,5 m/s
Gas velocity (u)
70-150 m/min 0,5-1,5
Aspect ratio (R)
Not less than 1 for η
Corona power ratio
1,75-17,5 W/(m3/min)
Corona current ratio
50-750 μA/m2
Power density versus resistivity Power density, W/m2
Ash resistivity, ohm-cm 4
7
10 -10
43
49
Parameter
Rentang Nilai
107-108
32
9
10
10 -10
27
11
10
22
1012
16
13
10
10,5 460-7400 m2
Plate area per electrical set (As) Number of electrical section (Ns) a. in the direction of gas flow b. total
2-8 1-10 bus section/(1000m3/min)
Sumber: White 1977; Szabo 1982 Tabel 3.4 Nilai Rentang Tipikal Parameter Desain ESP
50
Tabel 3.5 Data Perencanaan Unit ESP Parameter
Satuan
Tinggi (H)Plate
8m
Panjang plate (Lp)
2m
Number of section (Ns)
2 buah
Spacing between electrical sections(Ls) Entrance section length (Len)
1m 3m
Exit section length (Lex)
3m 41,66666667 m3/s
Laju aliran gas (Q)
Channel (D) width
0,2 m
Aspect ratio (R)
0,5
Kecepatan migrasi (w)
0,122 m/s
Kecepatan gas (u)
1,8 m/s
Berikut adalah langkah-langkah perhitungan desain Electrostatic Precipitator: 1. Laju aliran gas buang (Q) Diasumsikan laju aliran gas buang (Q) adalah 150000 m3/jam = 41,66666667 m/s 2. Konsentrasi debu di inlet Jumlah abu
Fly ash
= 282,61 kg = 80%
Jumlah partikulat
=
× ℎ = × 282,61kg = 226,088 kg
Konsentrasi debu
=
, × 10 = , × 10 = 1733803,681 /
3. Efisiensi penyisihan mg/m3 250 300 50
Baku Mutu SO2 NO2 Partikulat
51
Nilai efisiensi penyisihan untuk partikulat adalah sebagai berikut:
×100= 1733803,681 50 = 1733803,681 = 99,99711617% 4. Kecepatan migrasi Kecepatan migrasi dapat dihitung menggunakan persamaan Deutsch-Anderson sebagai berikut:
=1 −() = [ln(1) ] Dimana: η = efisiensi pengumpul precipitator w = kecepatan migrasi, cm/s (ft/sec) A = luas area pengumpul precipitator, m2 (ft2) Q = laju aliran gas, m 3/s (ft3/s) Berdasarkan tabel dibawah ini dengan jenis partikulat yang dilakukan proses penanganannya menggunakan Electrostatic Precipitator adalah jenis fly ash, maka diasumsikan nilai kecepatan migrasi nya yaitu 12,2 cm/s= 0,122 m/s. Tabel 3.6 Tingkat kecepatan migrasi berbagai partikel
(Sumber: Theodore and Buonicore 1976; U.S EPA 1979) 52
5. Effective collecting plates area Dengan menggunakan persamaan Deutsch-Anderson, maka dapat diperoleh nilai luas area pengumpul sebagai berikut:
= [ln(1 )] = 41,66666667 0,122 [ln(199,99711617%)] = 2359,206038 6. Specific collecting area (SCA)
Specific collecting area (SCA) didefinisikan sebagai rasio luas permukaan pengumpul dengan laju aliran gas. Pentingnya istilah ini adalah bahwa hal itu mewakili Hubungan / Q dalam persamaan Deutsch-Anderson. Range SCA secara umum berkisar antara 200 ft2-800 ft2 per 1000 acfm (11m2-45 m2 per 1000m3/jam). Untuk desain Electrostatic Precipitator ini diasumsikan 45 m2. Sehingga nilai total collection surface dapat dihitung sebagai berikut:
= 7. Kecepatan gas (u) Berdasarkan Tabel 3.6 parameter desain fly ash precipitator diatas, range kecepatan gas berkisar diantara 1,2-2,5 m/s (1,5-1,8 m/s optimum). Maka diasumsikan kecepatan gas pada precipitator adalah 1,8 m/s. 8. Jarak antar plates (ducts width) Berdasarkan Tabel 3.4 parameter desain fly ash precipitator diatas, range jarak antar plates berkisar diantara 20-30 cm (20-23 cm optimum). maka diasumsikan jarak antar plates untuk desain precipitator adalah 23 cm = 0,23 m 9. Aspect ratio Berdasarkan Tabel 3.4 parameter desain fly ash precipitator diatas, range aspect ratio berkisar diantara 0,5-1,5 (dengan nilai tinggi plate kurang dari 9 m untuk efisiensi yang tinggi). Dengan nilai tinggi plate diasumsikan 8 m dan nilai Aspect ratio = 0,5 , maka dari persamaan berikut akan diperoleh nilai panjang plate:
53
() = () = × = 0,5 × 8 = 4 10. Number of fields Berdasarkan Tabel 3.4 parameter desain fly ash precipitator diatas, range number of fields berkisar diantara 4-8 buah. Maka untuk desain precipitator ini diasumsikan number of fields adalah 4 buah. 11. Number of ducts
= 41,66666667 = 14,46759259 ≈ 15 = 1,8 ×0,2 ×8 12. Number of section
0,5×8 = = 2 = 2 section
13. Overall length
=+ (1 )++=2×2+
(5 1) ×1 +3 +3 = 11
14. Actual collection area
= 2 × × × × = 2 × 8 × 2 × 2 × 15 = 960 Untuk memeriksa apakah desain sudah sesuai dengan kriteria desain pada pada tabel diatas maka dihitung nilai SCA dan plate area per electrical set sebagai berikut:
= 0,384 SCA= 2500960 / / = 960 2 =480
54
15. Corona power
Berdasarkan grafik diatas, dengan nilai efisiensi 99,9% maka diperoleh nilai corona power sebagai berikut:
480 ×9000 × 35,3 × 1 = 152,496 = 1000 1 1000
Selective Catalytic Reduction (SCR) Selective Catalytic Reduction (SCR) telah digunakan pada pengendalian emisi pembakaran
bahan bakar fosil sejak tahun 1970an dan saat ini masih digunakan di beberapa negara seperti Jepang, Eropa, USA, dan lainnya dari berbagai jenis industri termasuk peralatan, boiler, pemanas proses, turbin gas, reaktor kimia, dan lainnya. SCR dapat diterapkan sebagai suatu instalasi
55
tersendiri dalam pengendalian NOx atau digabungkan dengan teknologi lain seperti low NOx
burner (LNB) dan resirkulasi flue gas (FGR).
Gambar. Skema selective catalytic reduction (SCR) Pada umumnya SCR diterapkan pada sumber tidak bergerak, seperti pembakaran yang memerlukan penurunan nilai NOx daripada penyisihan non- catalytic selektif atau pengendali pembakaran. Secara teori, desain SCR dapat digunakan untuk penyisihan NOx mendekati hingga 100%. Dalam penerapannya sendiri, sistem SCR untuk arang, minyak, dan gas alam didesain untuk target hingga 90% efisiensi. Bagaimana pun, penurunan dapat saja bernilai kurang dari 90% yaitu ketika SCR yang diikuti pengendali NOx lain seperti LNB dan FGR hanya mencapai efektivitas pada emisi rendah. Pada bagian outlet, konsentrasi NOx pada boiler sangat jarang bernilai kurang dari 0.04lb/MMBtu. 1. Catalyst Cross-Sectional Area (Acatalyst ) Dengan nilai kecepatan = 16 ft/s = 4,8768 m/s. Maka diperoleh nilai A catalyst sebagai berikut:
/ = = 41,66666667 4,8768 m/s = 8,543853893 2. ASCR ASCR selalu lebih besar 15% dari Acatalyst , sehingga diperoleh nilai A SCR sebagai berikut:
=1,15×
=
1,15 × 8,543853893 = 9,825431977
3. Perhitungan dimensi SCR
56
==(
)/ = (9,825431977)/ = 3,13455451
4. Number of catalyst layers (nlayer) Dengan nilai ASR tipikal pada sistem SCR =1,05, K catalys = 6,38×105, A spesific = 2000 ft2/ft3= 6561,6769 m2/m3. h’layer = 3,1 ft = 0,94488 m
,
, ×(− , ) ×− . = × = ,××, =2,99×10
. = ℎ′ ×
4.1
2,99×10 − = 0,94488 × 8,543853893 =3,7037×10
−
−
Faktor yang Mempengaruhi Proses pada Insinerator
Pada pengolahan insinerator, untuk terjadinya proses pembakaran yang optimal maka terdapat beberapa aspek dari limbah yang harus diperhatikan, antara lain: 1. Aspek Keterbakaran Menyangkut nilai kalor, kadar air, kadar volatile, kadar abu dari limbah padat. 2. Aspek Keamanan Menyangkut titik nyala, tekanan uap, deteksi logam berat, yang berhubungan dengan keamanan selama operasional terhadap operator dari insinerator. 3. Aspek Pencegahan Pencemaran Udara Menyangkut penanganan debu terbang, gas toksik, dan uap metal. 4. Aspek Penanganan Abu/ Materi Inert dari Residu Akhir Adapun beberapa variable lain yang mempengaruhi efisiensi kinerja insinerator yaitu seperti ketebalan, densitas limbah, penempatan sampah dalam tungku, pencampuran, waktu detensi, dan lainnya. Agar pembakaran sempurna, maka diperlukan prinsip 3T, yaitu: 1. Time (waktu) Waktu dipengaruhi oleh kadar air dan ukuran limbah. 2. Turbulance (olakan) Olakan dipengaruhi oleh injeksi udara atas dan bawah, gerakan kisi yang baik, serta gas hasil pembakaran. 3. Temperature (suhu) 57
Suhu dan turbulensi berperan penting untuk mempertahankan suhu.Temperatur tergantung pada: titik nyala, kadar air, konfigurasi tungku, distribusi udara pembakaran dan udara berlebih. Bila temperature dalam ruang bakar naik maka waktu pembakaran menurun. Bila ruang cukup panas, maka laju pembakaran adalah kontrol transfer massa, sehingga waktu yang dibutuhkan menjadi tidak penting. Pada temperature rendah, laju pembakaran ditentukan oleh reaksi kimia (waktu pembakaran penting). Kelebihan dan Kekurangan InsineratorRolling Grate
4.2
Kelebihan Insinerator Rolling Grate 1. Dapat beroperasi secara terus menerus Pada insinerator ini proses dapat terus berlangsung secara terus menerus selama 24 jam selama 7 hari. Pada pengoperasian alat tidak dipengaruhi oleh cuaca yang ada dan dapat terus berjalan dikarenakan instalasi pada sistem tertutup. 2. Sisa proses pembakaran biasanya sudah stabil dan merupakan bahan anorganik Sisa pembakaran yang biasanya lebih stabil dan merupakan bahan anorganik. Pada insinerator ini terjadi pembakaran yang sempurna terkait adanya kombinasi dari aliran paralel dan grate. Hal ini dapat mengurangi jumlah konsentrasi NOx dan CO pada flue gas. 3. Umur alat yang cukup tinggi Dengan digunakannya grate dapat mengurangi resiko terjadinya pengkaratan (korosi) dari tabung boiler sehingga dapat memperpanjang umur alat atau menurunkan resiko perbaikan alat. 4. Dapat memberikan revenue (penghasilan) dari PLTU, logam bekas, dan lain sebagainya.
Kekurangan Insinerator Rolling Grate 1. Biaya investasi awal yang tinggi Biaya investasi awal dari insinerator ini cukup tinggi jika dibandingkan dengan landfill. Meskipun memerlukan lahan yang relatif lebih kecil namun dikarenakan teknologi yang digunakan serta kemampuan dari ahli untuk merancang dan membangun fasilitas insinerator bernilai cukup tinggi.
58
2. Menghasilkan polusi udara Dari proses insinerasi ini dihasilkan berupa unsur-unsur beracun seperti Karbon Monooksida (CO), Nitrogen Oksida (NOx), Asam Klorida (HCl), logam berat, hidrokarbon, polychlorinated–p-dioxin (PCDD), polychlorinated dibenzofurans (PCDF) dan debu. Produksi unsur-unsur ini sangat bergantung pada efisiensi dan efektivitas dari proses insinerasi sendiri. 3. Biaya operasi alat yang tinggi Biaya operasi yang tinggi, hal ini dikarenakan besarnya energi listrik yang digunakan dalam pengoperasian alat dan juga otomatisasi dari peralatan yang ada. 4. Diperlukan operator berkemampuan cukup tinggi, dan pemeliharaan instalasi Seperti yang telah disebutkan dimana untuk insinerator ini diperlukan teknologi yang tinggi, tentunya dibarengi dengan dibutuhkannya operator untuk menjalankan alat yang memiliki kemampuan yang sesuai. Selain itu pemeliharaan instalasi ini juga menjadi suatu tantangan dikarenakan proses operasinya yang dijalankan pada suhu tinggi. Hal ini akan terkait dengan semakin besarnya biaya yang perlu dikeluarkan.
59
BAB IV PENUTUP
5.1
Kesimpulan
Kesimpulan pada makalah ini yaitu sebagai berikut: 1. Proses insinerasi (roller grate) yang dipakai pada limbah padat kelapa sawit terdiri dari penyiapan limbah, penerima limbah, penyuplai limbah, pembakaran limbah, penanganan residu, serta pengendalian pencemar udara. 2. Faktor yang diperhitungkan dalam proses insinerasi limbah padat kelapa sawit seperti aspek keterbakaran, aspek keamanan, aspek pencegahan pencemaran udara, aspek penanganan abu/materi inert. Selain itu diperlukan juga prinsip 3T yaitu time, turbulence, dan temperature. 3. Desain insinerator (roller grate) terdiri dari perancangan ruang penyimpanan, ruang bakar, tungku, kebutuhan udara, cerobong, temperatur, media pendingin, energi yang dihasilkan, penanganan abu, dan desain APC. 4. Gambaran peralatan dari jenis insinerator ( roller grate) dapat dilihat pada bagian lampiran.
5. Kelebihan jenis insinerator (roller grate) yaitu dapat beroperasi terus-menerus, umur alat yang tinggi, dapat memberikan revenue sedangkan kerugiannya yaitu biaya investasi awal tinggi, menghasilkan polusi udara, biaya operasi tinggi dan diperlukan operator yang berkemampuan. 6. Electrostatic Precipitator (ESP) dipilih untuk menyisihkan partikulat dan SO2 sedangkan
Selective Catalyst Reduction (SRC) dipilih untuk menyisihkan NOx. 6.1
Saran
Saran pada makalah ini yaitu sebagai berikut: 1. Memastikan karakteristik limbah padat sesuai dengan proses insinerasi. 2. Memastikan debit/kapasitas yang digunakan sesuai dengan APC yang ingin didesain. 3. Memanfaatkan kembali by product seperti abu dari insinerasi. 4. Memastikan pembakaran terjadi dengan benar-benar sempurna dengan memperhatikan faktor-faktor.
60
DAFTAR PUSTAKA
Integrated Pollution Prevention and Control. Reference Document on the Best Available
Techniques for Waste Incineration. August 2006. Yul H. Bahar, Teknologi Penanganan dan Pemanfaatan Sampah, Jakarta, PT.Waca Utama Pramesti Kerjasama Pemda DKI jakarta, Cet.I, 1986. Weber, Falko. 2014. Layout Planning of Waste-to-Energy Plants. http://www.mekarjayatechnic.com/modifikasi-boiler/fluidized-bed-combustion (diakses 19 November 2016; 12.22) http://www.enviro.bppt.go.id/sipop/Pedoman/Insenerasi/Insenerasi.html (diakses
19
November 2016; 12.25) http://akreditasi.my.id/rs/spo-penanganan-abu-insinerator/ (diakses 19 November 2016; 12.25) http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/27811/5/Chapter I.pdf (diakses 19 November 2016; 12.25) http://aaobring.blogspot.co.id/2008/08/pengelolaan-janjang-kosong-kelapa-sawit.html (diakses 19 November 2016; 12.25) http://intisawit.blogspot.co.id/2012/12/manfaat-abu-janjang.html (diakses 19 November 2016; 12.25)
61
LAMPIRAN
62
PRODUCED BY AN AUTODESK EDUCATIONAL PRODUCT
KETERANGAN GAMBAR
Boiler T C U D O R P L A N IO T A C U D E K S E7.0m D O T U A N A Y B D E C U D O R P
P R O D U C E Program Studi Teknik Lingkungan D Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan B
Crane
Institut Teknologi Bandung
TUGAS DESAIN TEKNIK LINGKUNGAN II PERANCANGAN INSINERATOR ROLLER GRATE
Udara APC
Ruang Penyimpanan Limbah
GAMBAR POTONGAN PENGOLAHAN INSINERATOR
SKALA
Area Penerima Limbah
1:100 Udara
Bottom Ash 3.5m Tungku Roller Grate Limbah Kelapa Padat Sawit
DOSEN Dr. Ir. Tri Padmi Dr. Kania Dewi, S.T., M.T.
Ruang Bakar
d = 0,5 m bukaan kisi = 5 cm 5.0m
KELOMPOK 4B GenniyaDiana Haya(15313047) Nur S. (15313046) Charissa Alifah (15313048) Ika Artika (15313049) Eva Fatonah Yunus (15313050) M. Candra Purnama (15313087) Fenny Clara Ardiati (15313101) ASISTEN Najla Rahmawati, S.T.
T CUD ORP L AN O I T ACUDE KSE D OT UA NA Y B DE CUD ORP
No. Halaman
Jml Halaman
01
03
Y A N A U T O D E S K E D U C A T IO N A L P R O D U C T
B
Fak
Prog am St ud i T ekni Lingku an Sip ekni l d an L i ngk i t ut T ekn ol gi B and
ul t T as Inst
Tuga
Pengol
etri
E l e ctr
o sta i
P c reci
an g
s D TL 2 TL
Isom
ung un
- 4102
Li ah n
m Pad t bah
p i ta or G a m ba r B
E l ectrost
3.
20
at i
c P recipt
S kal
m
0.
23
at or
a
20 : 1 20 : 1
m m 2.0
K et er ang
G am
bar
m
m
.
.
m
K el o m
4 Bp o k
3 m 1 0 m
A si st ne: N a jl a N a d h i a R .
Pot
onga Ska
An 1l a
:20
- A
Pot
onga Ska
Bn 1l a
:20
- B
N o . L e m b a r 1
Ju m la h L e m b a r 1