Abu adalah material padat yang tersisa setelah terjadinya proses pembakaran. Dalam jumlah banyak, abu menjadi salah satu polutan yang sangat berbahaya jika bercampur dengan atmosfer. Salah satu penghasil polusi abu yang cukup tinggi adalah boiler. Setiap boiler yang menggunakan bahan bakar fosil (kecuali gas alam) pasti menghasilkan emisi abu. Bahan bakar fosil yang paling banyak mengandung abu adalah batubara. Kandungan abu di dalam batubara berkisar antara 5-30% tergantung dari jenisnya serta proses penambangannya.
Ada dua jenis abu yang dihasilkan dari pembakaran batubara di dalam boiler, yakni fly ash dan bottom ash. Fly ashadalah abu yang berukuran cukup kecil, sehingga ia bercampur dengan gas-gas hasil pembakaran (flue gas) dan akan keluar melalui cerobong asap boiler. Sebagian dari abu yang dihasilkan dari proses pembakaran akan menempel pada dinding-dinding pipa boiler, terakumulasi, memadat, dan suatu saat ia akan jatuh ke bagian bawah boiler. Abu yang jatuh ini dikenal dengan sebutan bottom ash. Kuantitas terbentuknya kedua jenis abu ini tergantung dari jenis batubara yang digunakan, serta jenis boiler itu sendiri. Boiler yang menggunakan pulverizer batubara, 70-90% abu akan keluar bersamaan dengan gas buang dan sisanya berupa bottom ash. Boiler kecil berjenis stoker-fired, 40% abu akan keluar sebagai fly ash. Pada boiler dengan tipe pembakaran tangensial, akan menghasilkan fly ash hanya 15-40% dari keseluruhan abu. Sedangkan boiler yang menggunakan sistem fluidized-bed, keseluruhan abu akan ikut terbawa oleh flue gas tanpa terjadi pembentukan bottom ash. Jenis boiler yang digunakan juga mempengaruhi bentuk serta ukuran dari abu yang dihasilkan boiler. Boiler dengan pulverizer menghasilkan abu yang halus dengan ukuran 7-12 mikron. Pada boiler dengan metode pembakaran tangensial, akan dihasilkan bentuk abu yang bulat. Boiler tipe stoker-fired akan menghasilkan abu dengan ukuran yang paling besar jika dibandingkan dengan boiler tipe lain.
Berdasarkan penelitian, komponen abu boiler tersusun atas berbagai senyawa oksida beracun diantaranya silikon oksida, titanium oksida, ferit oksida, aluminium oksida, kalsium oksida, magnesium oksida, sodium oksida, potasium oksida, sulfur trioksida, difosfor pentoksida, serta beberapa senyawa lain. Proporsi jumlah dari senyawa-senyawa penyusun abu dapat bervariasi tergantung dari jenis dan lokasi penambangan batubara yang digunakan.
Abu yang dihasilkan dari Boiler dengan Pulverized Fuel; Pembesaran 1000x
Berdasarkan Peraturan Menteri Lingkungan Hidup No. 30 Tahun 2009, fly ash atau abu yang dihasilkan oleh proses pembakaran dari boiler, dikategorikan sebagai Bahan Berbahaya dan Beracun (B3). Sehingga penanganan abu ini harus sesuai dengan regulasi pemerintah agar tidak mencemari lingkungan.
Ada beberapa teknologi yang dapat digunakan untuk mengontrol emisi fly ash yang dihasilkan dari proses pembakaran boiler. Alat pengontrol emisi abu ini bertugas untuk menghilangkan kandungan abu dari gas buang boiler, menjaga abu tersebut agar tidak masuk kembali bercampur dengan udara pembakaran, serta mengontrol proses pembuangannya agar sesuai dengan peraturan daerah yang berlaku. Ada beberapa jenis teknologi yang dapat digunakan untuk mengontrol fly ash, diantaranya adalah electrostatic precipitator, sistem filter, kolektor abu mekanik, dan venturi scrubbers. Masing-masing jenis teknologi tersebut memiliki ciri khas dan fungsi sendiri-sendiri. Namun yang paling umum digunakan pada boiler di dunia industri adalah electrostatic precipitator (ESP) tipe kering. Teknologi ini akan menjadi fokus pembahasan pada kesempatan kali ini.
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.
Proses-proses yang terjadi pada ESP sehingga abu (fly ash) dapat terkumpul adalah sebagai berikut:
Charging. ESP menggunakan listrik DC sebagai sumber dayanya, dimana Collecting Electrode (CE) terhubung dengan kutub positif dan ter-grounding, sedangkan untuk Discharge Electrode terhubung 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. perhitungan esp flue gas pembangkit
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.
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 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.
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 SO2 atau NOx dan menghasilkan larutan asam yang sangat korosif. Larutan tersebut jika melewati ESP akan sangat mungkin dapat merusak komponen-komponennya. 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.
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.
Hopper. 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 ash yang ada di bawahnya.
Collecting Electrode. 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.
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.
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.
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 tahan terhadap gangguan arus yang terjadi akibat adanya loncatan listrik (sparking) dari abu fly ash
Ada dua jenis abu yang dihasilkan dari pembakaran batubara di dalam boiler, yakni fly ash dan bottom ash. Fly ashadalah abu yang berukuran cukup kecil, sehingga ia bercampur dengan gas-gas hasil pembakaran (flue gas) dan akan keluar melalui cerobong asap boiler. Sebagian dari abu yang dihasilkan dari proses pembakaran akan menempel pada dinding-dinding pipa boiler, terakumulasi, memadat, dan suatu saat ia akan jatuh ke bagian bawah boiler. Abu yang jatuh ini dikenal dengan sebutan bottom ash. Kuantitas terbentuknya kedua jenis abu ini tergantung dari jenis batubara yang digunakan, serta jenis boiler itu sendiri. Boiler yang menggunakan pulverizer batubara, 70-90% abu akan keluar bersamaan dengan gas buang dan sisanya berupa bottom ash. Boiler kecil berjenis stoker-fired, 40% abu akan keluar sebagai fly ash. Pada boiler dengan tipe pembakaran tangensial, akan menghasilkan fly ash hanya 15-40% dari keseluruhan abu. Sedangkan boiler yang menggunakan sistem fluidized-bed, keseluruhan abu akan ikut terbawa oleh flue gas tanpa terjadi pembentukan bottom ash. Jenis boiler yang digunakan juga mempengaruhi bentuk serta ukuran dari abu yang dihasilkan boiler. Boiler dengan pulverizer menghasilkan abu yang halus dengan ukuran 7-12 mikron. Pada boiler dengan metode pembakaran tangensial, akan dihasilkan bentuk abu yang bulat. Boiler tipe stoker-fired akan menghasilkan abu dengan ukuran yang paling besar jika dibandingkan dengan boiler tipe lain.
Berdasarkan penelitian, komponen abu boiler tersusun atas berbagai senyawa oksida beracun diantaranya silikon oksida, titanium oksida, ferit oksida, aluminium oksida, kalsium oksida, magnesium oksida, sodium oksida, potasium oksida, sulfur trioksida, difosfor pentoksida, serta beberapa senyawa lain. Proporsi jumlah dari senyawa-senyawa penyusun abu dapat bervariasi tergantung dari jenis dan lokasi penambangan batubara yang digunakan.
Abu yang dihasilkan dari Boiler dengan Pulverized Fuel; Pembesaran 1000x
Berdasarkan Peraturan Menteri Lingkungan Hidup No. 30 Tahun 2009, fly ash atau abu yang dihasilkan oleh proses pembakaran dari boiler, dikategorikan sebagai Bahan Berbahaya dan Beracun (B3). Sehingga penanganan abu ini harus sesuai dengan regulasi pemerintah agar tidak mencemari lingkungan.
Ada beberapa teknologi yang dapat digunakan untuk mengontrol emisi fly ash yang dihasilkan dari proses pembakaran boiler. Alat pengontrol emisi abu ini bertugas untuk menghilangkan kandungan abu dari gas buang boiler, menjaga abu tersebut agar tidak masuk kembali bercampur dengan udara pembakaran, serta mengontrol proses pembuangannya agar sesuai dengan peraturan daerah yang berlaku. Ada beberapa jenis teknologi yang dapat digunakan untuk mengontrol fly ash, diantaranya adalah electrostatic precipitator, sistem filter, kolektor abu mekanik, dan venturi scrubbers. Masing-masing jenis teknologi tersebut memiliki ciri khas dan fungsi sendiri-sendiri. Namun yang paling umum digunakan pada boiler di dunia industri adalah electrostatic precipitator (ESP) tipe kering. Teknologi ini akan menjadi fokus pembahasan pada kesempatan kali ini.
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.
Prinsip Kerja Electrostatic Precipitators (ESP)
Proses-proses yang terjadi pada ESP sehingga abu (fly ash) dapat terkumpul adalah sebagai berikut:
Charging. ESP menggunakan listrik DC sebagai sumber dayanya, dimana Collecting Electrode (CE) terhubung dengan kutub positif dan ter-grounding, sedangkan untuk Discharge Electrode terhubung 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. perhitungan esp flue gas pembangkit
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.
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 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.
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 SO2 atau NOx dan menghasilkan larutan asam yang sangat korosif. Larutan tersebut jika melewati ESP akan sangat mungkin dapat merusak komponen-komponennya. 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.
Bagian-bagian Electrostatic Precipitators (ESP)
Secara umum bagian-bagian dari Electrostatic Precipitators (ESP) adalah sebagai berikut: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.
Hopper. 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 ash yang ada di bawahnya.
Collecting Electrode. 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.
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.
Discharge Electrode
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.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.
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 tahan terhadap gangguan arus yang terjadi akibat adanya loncatan listrik (sparking) dari abu fly ash