Senin, 30 Mei 2011

PROSES PENGERINGAN DENGAN MEMANFAATKAN PANAS BUANGAN UNIT FBC

Muhammad Affendi,  Suwarto Martosudirjo,  Mamat

ABSTRAK

Industri pulp dan kertas pada umumnya menghasilkan limbah padat dalam bentuk sludge yang tidak dapat langsung dibuang di lingkungan, limbah padat organik berupa lumpur (sludge) tersebut berasal dari unit IPAL (instalasi pengolahan air limbah) dan mempunyai komposisi rata-rata: kandungan padatan  25%, kadar air 75%, dimana kandungan padatan terdiri dari bahan organik 78% dan anorganik 22%, serta nilai kalor ± 3000 kcal/kg. Penelitian yang telah dilakukan (tahun anggaran 2001-2002) adalah memanfaatkan limbah padat/sludge sebagai bahan bakar pada tungku FBC (fluidized bed combustion), sehingga diharapkan dapat mengurangi tumpukan limbah padat dan akan diperoleh bahan bakar padat  alternatif pada industri yang bersangkutan. Penelitian selanjutnya (tahun 2004-2005) adalah memanfaatkan gas panas dari cerobong asap tungku FBC sebagai  proses pengeringan sludge basah atau produk lainnya. Kegiatan penelitian meliputi: rancang bangun ruang pengering yang akan dikombinasikan dengan unit FBC, sampling dan karakterisasi limbah padat industri kertas, serta uji pengeringan.

Kata kunci :    FBC, tungku unggun pancar, pengering,  proses pengeringan, pemanfaatan panas buang, insinerator, lumpur organic



ABSTRACT

Pulp and paper industry, in general yield solid waste in the form of sludge which cannot be direct thrown in environment, organic solid waste in the form of mud (sludge) come from unit of IPAL (installation processing of waste water) and have mean composition: obstetrical of solid 25%, moisture content 75%, where content of solid consist of organic materials 78% and inorganic 22%, and also assess calorific value ± 3000 kcal /kg. Research which have been conducted (in 2001-2002) is to exploit solid waste/sludge upon which burn at stove of FBC (fluidized bed combustion), so that expected can lessen solid waste heap and will be obtained by solid fuel of alternative at pertinent industry. Research hereinafter (on 2004-2005) is to exploit hot gas of stove smokestack of FBC as process draining of wet sludge or other product.  Activity of research cover: design to wake up dryer room to be combined with unit of FBC, and sampling of caracterisation solid waste of paper industry, and also test draining.

Key word : FBC, fluidized bed combustion, dryer, drying proses, waste heat recovery, incinerator, sludge


1.    Pendahuluan
1.1  Tujuan Kegiatan
Melakukan proses pengeringan dengan memanfaatkan panas buang dari unit FBC. Langkah-langkah yang dilakukan dengan redesain dan konstruksi unit FBC yaitu perbaikan tungku FBC, penambahan/pembuatan bagian penukar kalor (heat exchanger), dan pembuatan ruang pengering (dryer).
1.2   Sasaran Kegiatan
Pemanfaatan limbah padat industri kertas (dalam bentuk sludge) sebagai bahan bakar padat alternatif pada tungku FBC dalam rangka konservasi energi dan lingkungan di industri.
1.3  Ruang Lingkup Kegiatan
Penelitian tersebut dilakukan dalam beberapa kegiatan, antara lain :
v  Pengumpulan data teknis FBC dengan bahan bakar limbah biomassa
v  Studi dan survei ke pabrik kertas (JABAR)
v  Karakterisasi sludge (data sekunder)
v  Desain bagian furnace FBC, heat exchanger, dryer
v  Konstruksi dan instalasi bagian furnace FBC, heat exchanger , dryer
v  Instalasi peralatan penunjang : blower tiup untuk fluidisasi, blower hisap ke cerobong asap, blower HE ke ruang pengering, serta pengaturan burner LPG
v  Instalasi peralatan ukur : digital termometer dengan sensor-sensor termokopel
v  Uji fungsi bagian-bagian dari unit FBC tersebut
v  Laporan akhir

2. Latar Belakang Masalah

Dalam upaya meningkatkan kemampuan pengendalian dampak lingkungan, industri pulp, dan kertas saat ini dihadapkan pada masalah penanganan limbah padat (sludge). Sludge, sebagian besar adalah serat dan bahan organik lain, merupakan limbah padat yang berasal dari unit proses produksi dan unit pengolahan air limbah pabrik pulp dan kertas. Karena sludge terdiri dari serat dan bahan organik, pemanfaatannya sebagai landfill dapat dilakukan, tetapi dalam jumlah besar dan dalam waktu yang panjang. Hal ini akan menimbulkan masalah terhadap pemanfaatan tanah bagi pemukiman dan akan menimbulkan pencemaran bagi air tanah.
Salah satu cara penanggulangan sludge tersebut adalah dengan cara memanfaatkannya sebagai bahan bakar padat. Agar sludge dapat terbakar sempurna dan efisien, maka perlu dilakukan proses pengeringan. Hal ini mengingat kadar air sludge yang cukup tinggi (sekitar 70 %) dan perlu diturunkan menjadi sekitar 20%. Proses pengeringan tersebut dilakukan dengan memanfaatkan panas buang unit FBC. Hal tersebut dilakukan mengingat bahwa temperatur gas buang FBC (sekitar 200 – 300ºC) cukup memadai untuk mamasok kebutuhan energi pada proses pengeringan tersebut.

2.1  Sumber Limbah Padat berupa Sludge(2)
Limbah padat yang dikeluarkan oleh industri pulp dan kertas salah satunya berasal dari unit pengolahan limbah cair yang menghasilkan lumpur (sludge). Adapun proses pengolahan lumpur cair menjadi lumpur padat (cake) adalah sludge dari thickener dan sludge dari settling tank dipompakan ke mesin belt press atau mesin screw press menjadi sludge padat dalam bentuk cake
Tungku FBC dipengaruhi oleh dua hal pokok yang saling berkaitan, yaitu:
a.    masalah yang berhubungan dengan pembakaran bahan padat, yaitu faktor-faktor yang tergabung di dalam laju pembakaran menyeluruh
b.        masalah yang berhubungan dengan hidrodinamika unggun pancar/ fluidisasi atau sering dikenal dengan karakteristik unggun pancar/fluidisasi, yaitu faktor-faktor yang akan menentukan laju sirkulasi dan laju elutriasi
2.2  Pembakaran Bahan Bakar Padat(1,9)
Pembakaran limbah organik padat/biomassa dalam insinerator fluidisasi didasarkan pada kontak gas‑padat melalui tahap pengeringan, pirolisa, dan oksidasi, selanjutnya menghasilkan zat terbang (volatile matter) dan arang.  Tahap pirolisa untuk bahan bakar padat berukuran kecil sejenis serbuk berlangsung sangat cepat dan terkonversi menjadi zat terbang.   Zat terbang terbakar dan menyala dalam waktu singkat dan terlihat sebagai lidah api.  Proses pembakaran arang relatif lebih lambat dari proses pembakaran zat terbang. Kayu atau biomassa kering bebas abu (rumus empiris C6H8,39O3,54 ) terdiri dari 52,5 % massa karbon; 6,16 % hidrogen; 41,24 % oksigen, dan 0,1 % nitrogen. Panas pembakaran neto (Net Heating Value) biomassa kering bebas abu  20.900 kJ/kg.
Persamaan stoikiometri pembakaran biomassa menyeluruh :

          C6H8,39 O3,54 + 12,3 O2  ‑‑‑‑‑>  6 CO2 + 4,2 H2O

Dari persamaan di atas, secara teoritis pembakaran 1 kg kayu/biomassa kering membutuhkan 5,38 m3 udara.  Sering juga diperlukan udara lebih, supaya pembakaran  sempurna.

2.3 Hidrodinamika Unggun Pancar/Fluidisasi(1,9)
Beberapa persamaan yang dapat dimanfaatkan untuk rancangan tungku FBC standar adalah sebagai berikut :

a.      Kecepatan Minimum Pancar, Ums, (minimum spouting velocity) adalah kecepatan superfisial minimum agar unggun tetap terpancar. Harga Ums dapat diperkirakan dari persamaan:

                                                                  (1)
     dimana :
     Dp, Dc, Di           = diameter partikel padat, kolom, nosel
     H                 = tinggi unggun statik (saat tidak terpancarkan)
     g                  = percepatan gravitasi
     rgrp          = densitas gas dan partikel padat

     Satuan Ums di dalam persamaan di atas tergantung pada satuan H  dan g.  Harga Ums ini digunakan untuk menentukan laju volumetrik gas pancar minimum dan selanjutnya kapasitas blower. Di dalam penggunaan unggun pancar sebagai tungku, kesesuaian Ums dengan kebutuhan udara pembakaran perlu diperhatikan.

a.      Kecepatan superfisial nyata gas di dalam unggun pancar biasanya 2‑3 kali Ums, tetapi harus dibawah kecepatan terminal agar partikel tidak terelutriasi. Untuk kondisi di dalam sebuah unggun pancar/fluidisasi, dengan Re > 2, kecepatan terminal dapat diperkirakan dengan :

                                                                                (2)
  
dimana :
   µ   = viskositas gas, dalam poise (g.cm-1. S-1)
   Dp = dalam meter;  rp dan  rg dalam kg/m3


Gambar 2.1  Kurva karakteristik fluidized bed

b.      Hilang tekan unggun pancar (pressure drop) merupakan salah satu parameter untuk menunjukkan kualitas unggun pancar. Jika pancaran terjadi dengan kualitas baik, hilang tekan unggun pancar,  DPs tidak lagi dipengaruhi oleh laju alir superfisial (gambar 2.1). Harga  DPs dapat diperkirakan dengan persamaan:
                                                       (3)
dimana :
     h        = H/Hm ;
     H       = tinggi unggun statik (saat tidak terpancar)
     Hm           = tinggi unggun maksimum (lihat pasal berikut)
     DPmf     = hilang tekan pada saat laju minimum fluidisasi

     Persamaan (3) menunjukkan, bahwa harga  DPmf dapat diperkirakan dengan :

                                                                            (4)

dimana :
     Îmf                           =   porositas unggun saat awal fluidisasi, sifat khas unggun dengan harga sekitar 0.6
    
Walaupun  DPs lebih rendah dari pada  DPmf, awal pembentukan unggun pancar memerlukan tekanan blower tinggi untuk mengatasi peak pressure drop DPM (Gambar 2.1). Harga  DPM kira‑kira adalah :

                                                                           (5)

dimana : tan y =    koefisien gesek antar permukaan partikel, sifat khas unggun, misalnya: 1,25 untuk biji‑bijian dan 3,2 untuk batubara

Persamaan di atas tidak berdimensi, sehingga satuan DPM tergantung pada satuan H, rb dan g. Dalam praktek, ketinggian harga DPM dapat diatasi dengan jalan operasi awal unggun pancar dengan unggun rendah, kemudian diikuti penambahan material unggun sampai ketinggian yang diinginkan.

d. Tinggi unggun maksimum, Hm (Maximum spoutable bed depth) adalah tingggi unggun statik maksimum yang masih dapat dipancarkan dengan baik. Jika unggun statik lebih dari Hm, pancaran mungkin terjadi hanya dibagian bawah unggun dengan kualitas jelek dan unggun fluidisasi terjadi dibagian atas unggun. Harga Hm dapat dihitung dengan persamaan:

                                                                         (6)

dimana :
Hm                              =   tinggi unggun maksimum, cm
q                  =   faktor bentuk partikel, tak‑berdimensi dan tergantung pada jenis          partikel, misal 1 untuk bola dan 1,65 untuk kerikil
     rp                =   dalam g/cm3 ; Dc, Dp dan Di dalam cm


2.4   Mekanisme Pembakaran pada Tungku FBC(1,8,9)
Setelah material pasir dihembus aliran udara (dengan blower) sehingga membentuk lapisan yang mengambang (terfluidisasi), kemudian dipanaskan dengan menggunakan bahan bakar sekunder (gas atau minyak) sampai temperatur sekitar 500°C. Temperatur lapisan mengambang naik secara bertahap sampai mencapai titik bakar bahan bakar primer (limbah biomassa/sludge). Kemudian dilakukan pengumpanan bahan bakar primer secara kontinyu pada kecepatan yang telah ditentukan, sesuai kapasitas pembakarannya sampai dicapai pembakaran tunak (steady state). Pada saat temperatur cukup tinggi (± 800°C), bahan bakar sekunder dihentikan sehingga yang terbakar hanya bahan bakar primer, yaitu limbah biomassa/organik padat, juga sludge(1).

3.  MetodE
Limbah padat berbentuk sludge memiliki karakteristik kurang menguntungkan untuk dibakar di dalam tungku unggun diam yang sederhana. Kelemahan-kelemahan bahan bakar berbentuk sludge antara lain  disebabkan oleh :
a. ukuran partikel kecil, menyulitkan aliran udara
b. kadar air tinggi, menurunkan panas pembakaran
c. abu, menghambat kontak bahan bakar dengan udara
d. sifat caking, bridging dan titik leleh abu rendah dapat mengakibatkan penggumpalan partikel-partikel
e. densitas curah (bulk density) rendah, memperburuk panas pembakaran persatuan volume yang akhirnya menurunkan intensitas pembakaran.
Karena pembakaran sludge tidak efektif dilakukan pada tungku unggun diam yang sederhana, maka teknologi pembakaran yang lebih tepat yaitu dengan tungku unggun fluidisasi.
Dengan teknik pembakaran secara fluidisasi pada tungku FBC, akan terjadi kontak padatan (pasir kuarsa) sebagai media pengisi unggun dengan udara pembakar dan menjadikan massa mengambang (terfluidisasi), sehingga sludge sebagai bahan bakar selalu teraduk dalam media pasir yang terfluidisasi di dalam ruang bakar, sehingga proses pembakaran sempurna dapat tercapai pada temperatur ruang bakar (freeboard) 500 – 600oC. Panas hasil pembakaran dimanfaatkan untuk proses pengeringan (sludge segar atau material lainnya) melalui bagian penukar kalor (heat exchanger) menuju ruang pengering (dryer).
4. PERALATAN DAN BAHAN
4.1   Peralatan
a)  Unit FBC (Fluidized Bed Combustion) dengan spesifikasi sebagai berikut:
§  Sistem pembakaran               : fluidization/bubble
§  Bahan yang dibakar               : sludge (limbah padat industri kertas) dan serbuk kayu
§  Kapasitas pembakaran          : 10 - 15 kg/jam
§  Pengapian awal                     : burner gas LPG dengan pemantik elektrik
§  Blower tiup, kapasitas           : 2 – 3.5 m3/menit (120 – 210 m3/jam)
Tekanan           : 1200 mmH2O
Daya listrik      : 2 HP
§  Blower hisap, kapasitas         : ³ 38 m3/menit (2280 m3/jam)
Tekanan           : ³115 mmH2O (1150 Pa)
Daya listrik      : 2,3 HP (1700 Watt)
§  Blower HE (ke dryer), kapasitas   :     9,5 m3/menit (570 m3/jam)
Tekanan           : 195 mmH2O (1950 Pa)
Daya listrik      : 0,5 HP (370 Watt)
§  Pengumpan, sistem               : Screwfeeder
Kapasitas         : ± 15 kg/jam serbuk biomassa
Daya listrik      : 1 HP
§  Panel instrumen ukur            : temperatur (6 kanal di bagian tungku FBC)
Temperatur (3 kanal di bagian dryer)
Tekanan negatif freeboard (0–50 mmH2O)
Saklar-saklar untuk penggerak motor listrik
§  Heat exchanger                      : shell and tube
§  Dryer                                      : sumber panas dari flue gas
Kapasitas         : ± 15 kg/jam sludge basah

b)      Pompa air
§  Kapasitas                                : 19 m3/menit
§  Daya listrik                             : 125 Watt
c)        Timbangan, kapasitas                 : 4 kg (untuk menimbang serbuk kayu dan sludge yang akan dibakar)
d)      Stop watch, untuk pencatatan waktu proses pembakaran
e)      Multi gas detector, menganalisa sisa pembakaran: gas CO; CO2; O2; SO2; NO2
f)       Moisture Content Analyzer, untuk mengukur kadar air serbuk kayu dan limbah padat industri kertas (sludge) yang akan dipakai sebagai bahan bakar.

4.2  Bahan
a)    Pasir kuarsa, digunakan untuk media pengaduk pada tungku FBC
b)    Serbuk kayu, digunakan sebagai pengujian awal pembakaran pada sistem FBC
c)    Sludge (hasil sampling limbah padat beberapa industri kertas di Jawa Barat)
d)    Gas LPG sebagai penyalaan dan pemanas awal tungku FBC
e)    Analisa gas cerobong
o   Liquid refil O2 Bacharach Fyrite
o   Liquid refil CO2 Bacharach Fyrite
o   Drager tube CO
o   Drager tube SO2
o   Drager tube NO2
f)     Ember dan kantong plastik 50 kg, digunakan untuk menyimpan limbah padat industri kertas (sludge) yang akan dibakar.
g)    Masker gas/debu, sarung tangan dan google, digunakan sebagai sarana keselamatan dan kesehatan kerja.


5. KEGIATAN PENELITIAN
o  Tabel 5.1 Jadwal Kegiatan Penelitian tahun 2004
 Kegiatan pengambilan contoh/sampling limbah padat industri kertas berupa sludge di beberapa lokasi industri kertas di Jawa Barat (Majalaya, Bogor, Karawang) dan Serang–Banten telah dilakukan pada periode penelitian 2002-2003. Sludge yang diperoleh adalah sludge yang berasal dari instalasi pengolahan air limbah (IPAL) yang telah dipisahkan padatan dan cairannya melalui beltpress atau screwpress machine menjadi cake/ sludge yang mempunyai komposisi rata-rata: kandungan padatan 25%, kadar air 75%, dimana kandungan padatan terdiri dari bahan organik 78% dan anorganik 22%, serta nilai kalor 2000–3600 kkal/kg. Sedangkan persyaratan bahan bakar padat yang dapat terbakar yaitu:
-    kadar bahan terbakar (organik) minimal 66%
-       nilai kalor ± 3300 kkal/kg
-       kadar abu < 40%
 Contoh/sampel limbah padat industri kertas (sludge) telah diuji sebagai bahan bakar pada tungku FBC.
o  Kegiatan redesain, konstruksi dan instalasi unit FBC yang semula dioperasikan sebagai proses pembakaran/insinerasi, kemudian dikembangkan untuk proses insinerasi dan proses pengeringan, yaitu dengan perbaikan dan penambahan pada bagian:
-          Perbaikan tungku/ furnace FBC
-          Penambahan bagian penukar kalor/ heat exchanger
-          Penambahan bagian ruang pengering/ dryer


Gambar 5.1. Bagian tungku/ furnace FBC


Gambar 5.2. Bagian penukar kalor/ heat exchanger FBC


Gambar 5.3. Bagian ruang pengering/ dryer FBC

 Gambar 5.4. Unit FBC sebelum dan setelah redesain (FBC sebagai insinerator dan pengering)


6. HASIL EKSPERIMEN DAN PEMBAHASAN
6.1  Karakterisasi Sludge
Untuk mengetahui potensi sludge sebagai alternatif bahan bakar padat, maka dilakukan analisa (penelitian 2002-2003) mengenai karakteristik sludge tersebut dengan mengambil sampel dari beberapa industri kertas di kabupaten Bandung, Bogor, Karawang, dan Serang. Hasil karakterisasi sampel sludge tersebut dapat dilihat pada Tabel 6.1
Tabel 6.1. Hasil pengujian sludge dari beberapa industri kertas
TEST
Sludge A
Sludge B
Sludge C
Sludge D
Sludge E
As Receiverd Basis
Total Moisture, % W
63,01
43,69
57,85
80,08
79,75
Dry Basis
40,12
24,7
33,09
34,5
19,8
Ash Content, % W
40,12
24,7
33,09
34,5
19,8
Volatile Matter, % W
54,67
-
64,92
62,29
-
Gross Calorific Value, kcal/kg
2614
2111
2047
2508
3624

Dari hasil analisa dapat diidentifikasi bahwa sludge E mempunyai potensi paling besar sebagai alternatif bahan bakar pada tungku FBC, karena mempunyai nilai kalor (calorific value) yaitu >3300 kkal/kg. Namun demikian semua sampel telah diuji proses pembakaran/unjuk kerjanya pada tungku FBC.

6.2  Proses Pembakaran pada Tungku FBC
Pemanasan tungku FBC diawali dengan penyalaan burner LPG kemudian diumpankan serbuk kayu melalui hopper dan screw feeder yang selanjutnya serbuk kayu teraduk dan berfluidisasi bersama unggun pasir serta terbakar dalam ruang bakar (freeboard) FBC. Apabila temperatur  pada bagian freeboard sudah mencapai  ± 500°C maka burner LPG dimatikan, selanjutnya proses pembakaran serbuk kayu dipertahankan agar terus terbakar  sempurna dan temperatur di ruang bakar/freeboard sampai mencapai ± 700°C dengan mengatur laju alir bahan bakar serbur kayu melalui screwfeeder dan mengatur kran laju alir udara pembakar dari blower tiup, demikian juga untuk proses pembakaran limbah padat industri kertas dalam bentuk sludge dilakukan seperti proses pembakaran serbuk kayu kemudian umpan bahan bakarnya dilanjutkan dengan umpan bahan bakar sludge. Eksperimen (penelitian 2002-2003) proses pembakaran limbah biomassa (serbuk kayu dan sludge) pada sistem FBC dapat dilihat pada grafik berikut:

Gambar 6.1 Proses pembakaran sludge B dengan diawali serbuk kayu lunak
Proses pembakaran dengan bahan bakar limbah padat industri kertas dalam bentuk sludge pada tungku FBC diawali seperti langkah-langkah proses pembakaran dengan serbuk kayu. Pemanasan awal tungku FBC dengan burner LPG selama 24 menit dan diikuti dengan umpan bahan bakar serbuk kayu lunak, temperatur pada ruang bakar atas (Tfreeboard atas) telah mencapai 660°C maka burner LPG dimatikan dan selanjutnya umpan bahan bakar serbuk kayu lunak (kadar air 10%) dengan kapasitas rata-rata 14 kg/jam dilanjutkan sampai pada menit ke 30. Pada saat itu proses pembakaran telah berlangsung dengan baik, sehingga bahan bakar alternatif (sludge, kadar air 11,52%) mulai diumpankan dengan kapasitas rata-rata 14,8 kg/jam untuk menggantikan bahan bakar serbuk kayu lunak. Proses pembakaran dengan bahan bakar sludge berlangsung dengan baik yang ditandai dengan penunjukan temperatur yang cenderung naik di ruang bakar atas (Tfreeboard atas) dan saluran ke siklon (Tsiklon) mencapai 600-750°C. Proses pembakaran pada tungku FBC dengan bahan bakar sludge menunjukkan performa yang cukup baik.
Hasil analisa data percobaan dari berbagai proses pembakaran limbah padat industri kertas berupa sludge diperhitungkan untuk memperoleh harga-harga energi gas cerobong (flue gas), bahan bakar limbah padat biomassa (sludge), dan energi tambahan untuk nilai-nilai efisiensi pembakaran, efisiensi termal, dan esisiensi sistem. Perhitungan tersebut ditampilkan pada tabel berikut:

Tabel 6.2. Perhitungan energi  flue gas

Per
Jenis Sludge
Kadar air
 (%)
O2
(kJ/kg)
CO2
(kJ/kg)
CO
 (kJ/kg)
N2
 (kJ/kg)
SO2 (kJ/kg)
NO2 (kJ/kg)
H20 (kJ/kg)
Q total
 (kJ/kg)
1
Sludge-1
13,24
5633,76
7363,27
27,65
61468,87
0,00
0,00
5247,88
79741,44
2
Sludge-2
6,97
9020,20
3092,10
11,91
30358,60
0,00
0,71
2927,38
45410,91
3
Sludge-2
6,97
6778,99
5360,81
4,61
28861,5
0,00
0,07
2758,53
43764,48
4
Sludge-2
6,49
5975,84
3701,85
0,61
30225,75
0,00
0,01
3093,74
42997,80
5
Sludge-2
6,49
3391,23
7788,77
25,42
45999,6
0,00
0,00
5016,65
62221,70
6
Sludge-3
7,92
9332,17
9593,20
29,54
94572,06
0,00
0,07
8813,50
122340,54
7,a
Sludge-3
4,41
5132,31
17586,90
24,45
68900,42
0,00
0,11
7378,65
99022,85
7.b
Sludge-2
6,49
8557,25
5007,84
28,79
64381,29
0,00
0,05
6841,11
84816,34
8.a
Sludge-4
10,29
8457,27
8788,26
19,89
69798,24
0,86
0,15
21920,0
108984,68
8.b
Sludge-2
+batubara
26,33
8490,24
10473,26
513,99
80344,41
0,00
0,05
5906,85
105728,80
9.a
Sludge-4
10,29
8273,50
6760,14
70,86
70097,71
0,00
0,00
5611,52
90813,72
9.b
Sludge-5
14,27
7584,28
8280,23
18,47
46879,01
0,70
1,26
4865,98
67629,93

Rata-rata
7218,92
7816,39
64,68
57657,29
0,13
0,21
6698,48
79456,10
standar deviasi
1837,83
3829,63
142,58
21201,84
0,30
0,38
5130,02
27204,60
Nilai max
9332,17
17586,90
513,99
94572,06
0,86
1,26
21920,00
122340,54
Nilai min
3391,23
3092,10
0,61
28861,47
0,00
0,00
2758,53
42997,80

Besarnya energi yang dibawa oleh flue gas dipengaruhi oleh besarnya temperatur dan komposisi.  Semakin besar temperatur semakin besar harga entalphinya. Begitu juga semakin banyak komposisi flue gas yang terukur, semakin besar energi yang bisa diketahui.  Dari tabel perhitungan diperoleh besarnya energi flue gas rata-rata adalah 79456,10 + 27204,60 kJ/jam. Dengan energi maksimum sebesar 122340 kJ/jam pada percobaan keenam dan energi minimum sebesar 42997,8 kJ/jam pada percobaan keempat.

Analisis berbagai sludge dari data percobaan, diperoleh energi sludge sebagai berikut:

Tabel 6.3. Perhitungan energi sludge

Jenis Sludge
Nilai kalor
Masa
energi
Percobaan
Nama Sludge
Kadar air (%)
kJ/kg
kg/jam
kJ/jam
1
Sludge-1
13,24
10498,5
14,11
148133,84
2
Sludge-2
6,97
8836,65
8,01
70781,567
3
Sludge-2
6,97
8836,65
7,83
69190,97
4
Sludge-2
6,49
8836,65
8
70693,2
5
Sludge-2
6,49
8836,65
10
88366,5
6
Sludge-3
7,92
10942,2
17,14
187549,31
7.a
Sludge-3
4,41
10942,2
17,14
187549,31
7.b
Sludge-2
6,49
8836,65
15
132549,75
8.a
Sludge-4
10,29
15170
19,51
295966,7
8.b
Sludge-2

8836,65
11,25
33137,438

+ batu bara
26,33
33496
3,75
376830
9.a
Sludge-4
10,29
15170
13
197210
9.b
Sludge-5
14,27
8568,7
22,5
192795,75

Rata-rata


10497,71
13,84
149162,44
Standar deviasi


2481,38
5,00
71680,29
Nilai maksimum


15170,00
22,50
295966,70
Nilai minimum


8568,70
7,83
69190,97

Energi yang dihasikan oleh sludge rata-rata sebesar 149162,44 ± 71680,29 kJ/jam. Dengan energi terbesar dihasilkan oleh sludge-4 sebesar 295966,7 kJ/jam. Sludge-4 ini selain memiliki nilai kalor yang paling besar juga  kemampuan untuk terbakarnya cukup besar yaitu 19,51 kg/jam. Sludge-5 terbakar paling cepat dibandingkan dengan jenis sludge yang lain, yaitu sebesar 22,5 kg/jam. Hal ini dikarenakan ukuran sludge yang cukup halus sehingga memudahkan untuk masuk sistem pengumpanan. Sedangkan sludge-2 laju pembakarannya hanya 8,01 kg/jam dikarenakan memiliki ukuran yang cukup besar menjadikan sludge ini lebih lama terbakarnya.
Dihitung juga efisiensinya, diperoleh perhitungan sebagai berikut:

Tabel 6.4. Hasil Perhitungan Efisiensi Pembakaran, Termal, Sistem dan Excess air
Perco-
Jenis Sludge
laju umpan
Q input
Q output
hc
ht
hs
EA 
baan
Nama Sludge
Kadar air (%)
kg/jam
kJ/jam
kJ/jam
( % )
( % )
( % )
( %)
1
Sludge-1
13,24
14,11
148133,8
79741,44
99,63
53,83
50,62
37,33
2
Sludge-2
6,97
8,01
70781,57
45410,91
99,62
64,16
56,64
113,96
3
Sludge-2
6,97
7,83
69190,97
43764,48
99,91
63,25
55,69
96,31
4
Sludge-2
6,49
8
70693,2
42997,80
99,98
60,82
53,69
83,20
5
Sludge-2
6,49
10
88366,5
62221,70
99,67
70,41
63,65
29,21
6
Sludge-3
7,92
17,14
187549,3
122340,54
99,69
65,23
62,12
37,97
7.a
Sludge-3
4,41
17,14
187549,3
99022,85
99,86
52,80
50,28
30,46
7.b
Sludge-2
6,49
15
132549,8
84816,34
99,43
63,99
59,75
52,89
8.a
Sludge-4
10,29
19,51
295966,7
108984,68
99,77
36,82
35,69
35,15
8.b
Sludge-2

11,25
33137,44
105728,20
95,32
46,99
45,1
40,66

+ batu bara
26,33
3,75
376830





9.a
Sludge-4
10,29
13
197210
90813,72
98,96
46,05
43,96
46,61
9.b
Sludge-5
14,27
22,5
192795,8
67629,93
99,78
35,08
33,45
57,68










Rata-rata
13,84
149162,44
79456,10
99,30
54,95
50,89
55,12
Standar deviasi
5,00
71680,28
27204,60
1,28
11,63
9,76
27,85
Nilai maksimum
22,50
295966,70
122340,54
99,98
70,41
63,65
113,96
Nilai minimum
7,83
69190,97
42997,80
95,32
35,08
33,45
29,21

Proses pembakaran dikatakan sempurna, karena  memiliki harga efisiensi pembakaran rata-rata sebesar 99,30 +  1,28 %. Persentase gas CO yang kecil menandakan bahwa hampir seluruh karbon dapat terbakar. Bahkan pada percobaan keempat kadar CO yang terukur hanya 5 ppm atau sebesar 0,0012 kg/jam. Sehingga efisiensi pembakaran mencapai 99,98 %. Sedangkan efisiensi terkecil terjadi pada percobaan 8.b. yaitu pembakaran sludge-2 yang dicampur dengan batu-bara. Efisiensi hanya mencapai 95,32 %. Batu-bara memerlukan waktu yang lebih lama untuk terbakar sempurna dibandingkan dengan sludge. Sehingga pada flue gas kadar CO yang terukur cukup besar yaitu 1800 ppm atau sebesar 0,6811 kg/jam.
Besarnya efisiensi termal rata-rata hanya mencapai 54,95 + 11,63 %. Hal ini disebabkan selain masih adanya komposisi flue gas yang belum bisa terukur di dalam penelitian ini dan sistem belum terisolasi sempurna, sehingga cukup banyak energi yang terbuang ke lingkungan. Besarnya efisiensi termal ini bergantung pada jumlah energi losses yang dihasilkan diantara energi panas radiasi yang terpancar ke lingkungan dan energi panas yang dibawa oleh abu. Semakin sedikit losses yang terbuang akan semakin besar efisiensi termalnya. Efisiensi termal terbesar adalah 70,41 % yaitu pada saat percobaan kelima. Sedangkan efisiensi terkecil terjadi ketika percobaan 9.b. yaitu sebesar 35,08 %. Pada percobaan ini energi input (energi sludge) yang masuk lebih banyak dibandingkan dengan energi yang dihasilkan.
Efisiensi sistem dianalisis dengan memperhitungkan energi listrik untuk motor penggerak blower tiup, blower hisap dan pengumpan bahan bakar sludge. Besarnya efisiensi sistem rata-rata hanya mencapai 50,89 + 9,76 %. Efisiensi sistem dipengaruhi oleh besarnya efisiensi termal, semakin besar harga efisiensi termal semakin besar efisiensi sistem, begitu juga sebaliknya.
 
Emisi gas buang
Hasil percobaan yang telah dilakukan, didapatkan nilai polutan yang terukur adalah sebagai berikut:

Tabel 6.5. Perbandingan emisi gas buang
Percobaan
Satuan terukur (gr/m3)

CO
NO2
SO2
1
44,50
0,00
0,00
2
23,40
2,00
0,00
3
21,00
1,70
0,00
4
1,20
0,20
-
5
56,70
0,00
-
6
39,10
1,60
0,00
7.a
32,00
2,60
4,00
7.b
40,00
1,30
0,00
8.a
30,30
0,20
1,90
8.b
681,10
1,20
0,00
9.a
107,80
0,00
0,00
9.b
30,50
2,20
1,70

Rata-rata
92,30
1,08
0,63
Standard deviasi
179,23
0,92
1,21
Nilai maksimum
681,10
2,60
4,00
Nilai minimum
1,20
0,00
0,00
Nilai Ambang Batas



(gr/m3)
10000,00
100,00
265,00

Dibandingkan dengan Nilai Ambang Batas yang telah ditetapkan pemerintah, berarti polutan yang dihasilkan pada penelitian ini masih memenuhi persyaratan.
7. KESIMPULAN DAN REKOMENDASI
7.1   Kesimpulan
Berdasarkan hasil eksperimen pembakaran pada tungku FBC berbahan bakar limbah padat industri kertas (sludge) diperoleh hasil-hasil sebagai berikut:
§  Limbah padat industri kertas (sludge), berpotensi sebagai bahan bakar alternatif pada tungku FBC
§  Laju umpan sludge sebagai bahan bakar padat pada tungku FBC yang telah diuji coba sekitar 14,8-19,2 kg/jam (telah memenuhi kapasitas desain ± 15 kg/jam) dan kadar air antara 7,52-11,52%
§  Unjuk kerja proses pembakaran sludge hampir sama/setara dengan proses pembakaran serbuk kayu
§  Pemanfaatan sludge sebagai bahan bakar padat merupakan salah satu upaya konservasi energi di industri
§  Perhitungan energi hasil pembakaran sludge telah dapat digunakan untuk dasar perencanaan proses pengeringan dengan memanfaatkan panas buang dari flue-gas

7.2   Rekomendasi
Mengingat hasil-hasil di atas perlu dilakukan tindakan lanjut, antara lain:
§  Sludge dari industri kertas mempunyai potensi dan dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar untuk pembangkitan uap (steam generator)
§  Penelitian 2005 diharapkan dapat dilakukan performasi proses pembakaran dan proses pengeringan dengan memanfaatkan panas buang dari unit FBC.


DAFTAR PUSTAKA

  1. Affendi, M., Fluidized Bed Combustion dengan Bahan Bakar Serbuk Kayu. Proceedings Seminar Konservasi Energi di Sektor Industri, Semarang 27-28 Oktober 1993, hal. 101 – 111.
  2. Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Industri Selulosa, Laporan Penelitian Karakteristik dan Kemungkinan Pemanfaatan Limbah Padat Industri Pulp dan Kertas, kerjasama BBS – APKI, September 1996
  3.  Borman, Gary L.; Kenneth W. Ragland, Combustion Engineering, Mc Graw-Hill, Singapore, International editions 1998, pp. 534 – 563
  4. Brink, O.G.; R.J. Flink, (alih bahasa Sobandi Sachri), Dasar-dasar Ilmu Instrumen, Penerbit Binacipta, cetakan pertama, Januari 1984
  5. El-Wakil, M.M.; (alih bahasa E. Jasjfi), Instalasi Pembangkit Daya, Jilid 1, Penerbit Erlangga, cetakan pertama, 1992, hal. 134 – 138
  6. Holman, J.P., (alih bahasa E. Jasjfi), Perpindahan Kalor, Penerbit Erlangga, edisi keenam, 1995
  7. Howard, J.R. Fluidized Bed Technology, Principles and Applications. Publised by Adam Hilger
  8. Mamat, Suwarto Martosudirjo, Sugiyatno, Tungku Fluidisasi Sistem Gelembung (Bubbling System) Untuk Pembakaran Bahan Bakar Partikel, Prosiding Lokakarya Pembakaran Limbah Biomassa Untuk Kogenerasi Listrik dan Panas Proses Dengan Teknologi Fluidized Bed Combustion (FBC), Jakarta 20 April 1999.
  9. Susanto, H. Pemodelan Matematik Tungku Unggun Pancar. Seminar Pemodelan-Simulasi dan Optimasi Sistem Teknik Kimia, Bandung 1990
  10. Wilkinson, R., Some Insights on the Practical Aspect of FBC Design in Proceedings of the Second ASEAN Fluidized Bed Combustion Workshop, Philippines, 1989.

0 komentar:

Poskan Komentar

 

Copyright 2008 All Rights Reserved | PPF - LIPI : ENERGY RESEARCH GROUP Designed by Bloggers Template | CSS done by Link Building