Oxygen Analyzer - Alat Ukur Excess Air

Pada artikel kali ini saya masih ingin membahas mengenai kandungan oksigen pada udara hasil pembakaran batubara, atau yang dikenal dengan istilah excess air. Udara hasil pembakaran batubara merupakan limbah dengan berbagai macam kandungan berbahaya seperti abu, SO2 dan NOx, disamping kandungan-kandungan lain seperti CO2 dan H2O. Selain itu juga ada O2 yang terkandung di dalam flue gas yang tidak ikut dalam proses pembakaran.

Oksigen ini jumlahnya dikontrol oleh sistem yang kompleks. Dengan tujuan untuk mendekati proses pembakaran batubara yang sempurna. Alat yang digunakan untuk "menghitung" kandungan oksigen dalam flue gas dinamakan Oxygen (O2) Analyzer. Alat ini sangat penting di dalam sebuah sistem PLTU karena sangat dekat hubungannya dengan efisiensi pembakaran batubara. Oleh karena itu di sebuah PLTU besar tidak hanya terpasang satu saja O2 analyzer, namun bisa sampai enam O2 analyzer. Untuk lebih memahami prinsip kerja dari O2 analyzer, mari kita amati gambar berikut.

20110727-113354.jpg

Udara proses (A) yang konsentrasi kandungan O2-nya tidak diketahui, mengalir di luar probe pengukur yang tertutup oleh sebuah elemen berbahan zirconium-oxide (B). Dan di sisi lain ada gas referensi (C) dengan kandungan oksigen yang diketahui mengalir di dalam elemen zirconium-oxide. Pada temperatur yang optimal, elemen ini diberikan tegangan listrik tertentu dalam mV. Dan pada temperatur yang konstan di elemen tersebut, besar tegangan ini hanya tergantung oleh perbandingan konsentrasi oksigen (partial pressure) antara (A) dan (C). Partial pressure adalah tekanan suatu gas apabila ia berada sendirian pada suatu volume tertentu. Pada suatu campuran gas yang ideal, masing-masing gas memiliki partial pressure sendiri-sendiri.

Menggunakan udara (dengan kandungan oksigen konstan 20,95%) sebagai gas referensi, tegangan yang diberikan pada elemen merupakan besaran langsung yang menunjukkan konsentrasi oksigen pada gas proses (A), hal ini menjelaskan adanya sifat isolasi antara gas proses dan gas referensi (pada elemen zirconium-oxide), yang besar perubahannya merupakan besar perubahan excess air dari flue gas.

Salah satu contoh panel oxygen analyzer

20110727-123724.jpg

Pengertian Excess Air

Saya sudah sedikit menyinggung mengenai excess air pada artikel saya sebelumnya yang berjudul Pembakaran Batubara. Excess air digunakan untuk mengontrol pembakaran batubara di furnace menjadi lebih sempurna.

Ciri pembakaran batubara yang tidak sempurna adalah terbentuknya gas karbon monoksida (CO) di akhir proses pembakaran. Proses pembakaran yang tidak sempurna secara teori kimia merugikan proses pemutusan ikatan hidrokarbon batubara, sehingga energi panas yang dihasilkan tidak maksimal. Energi panas dari proses pembakaran suatu ikatan hidrokarbon akan maksimal dihasilkan jika pembakarannya sempurna, yang ditandai dengan keseluruhan dari atom karbon (C) dari ikatan hidrokarbon membentuk senyawa karbon dioksida (CO2) di akhir proses pembakaran.

Secara teori stoikiometri, kita dapat menghasilkan pembakaran batubara yang sempurna apabila sesuai dengan air fuel-ratio yang dibutuhkan, yakni di kisaran 1:11 sampai dengan 1:28. Dengan excess air di kisaran 1,5% dari berat udara hasil pembakaran (flue gas).

Excess air adalah persentase oksigen dalam fraksi massa yang terkandung di dalam udara hasil pembakaran (flue gas). Dalam usaha untuk mengontrol pembakaran batubara di sebuah PLTU, nilai excess air ini digunakan untuk mengontrol supply udara yang digunakan pada proses pembakaran batubara di furnace. Semakin besar nilai excess air maka hal ini merupakan indikasi pembakaran yang sempurna di dalam furnace semakin baik. Sebaliknya, jika nilai excess air rendah maka hal ini mengindikasikan proses pembakaran yang kurang sempurna. Dan untuk mengatasinya supply udara untuk proses pembakaran perlu ditambah debitnya.

image

Normalnya, excess air di-setting di kisaran 3-5% dari flue gas. Nilai tersebut adalah nilai yang paling optimal ditinjau dari aspek kerugian panas dan jumlah karbon monoksida. Sesuai grafik di atas, semakin tinggi jumlah excess air maka akan semakin rendah jumlah CO yang belum terbakar. Namun sebaliknya, semakin tinggi jumlah excess air maka akan semakin tinggi pula panas hasil pembakaran yang ikut terbawa oleh udara sisa tersebut. Sehingga pengaturan jumlah udara pembakaran harus dikontrol secermat mungkin agar didapatkan kondisi paling optimum.

E-book tentang excess air:
1. Hot tips to rejuvenate old boiler
2. Influence of Fuel-moisture Content and Excess Air on Formation and Reduction of CO and NO in a Fluidized-bed Combustor Fired with Thai Rice Husk
3. Experimental investigations on the formation of excess air in quasi-saturated porous media

Pembakaran Batubara

Batubara merupakan bahan baku utama pembangkit listrik tenaga uap. Batubara menyimpan energi di dalamnya secara kimia melalui ikatan-ikatan kimia antara karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, dan sulfur. Batubara tidak memiliki struktur kimia yang baku, karena ia merupakan campuran dari beberapa ikatan hidrokarbon yang kompleks. Ikatan-ikatan hidrokarbon inilah yang menyimpan energi, yang apabila terputus melalui proses pembakaran, akan menghasilkan energi panas yang untuk selanjutnya dipergunakan panasnya di boiler untuk memanaskan air.

Dan berikut adalah reaksi kimia yang terjadi saat batubara dibakar:

C + O2 => CO2

C + 0,5O2 => CO

H2 + 0,5O2 => H2O

S + O2 => SO2

Dapat kita lihat pada reaksi kimia di atas bahwa hasil pembakaran dari batubara yaitu berupa CO2, CO, H2O, dan SO2. Ada satu lagu bahan polutan yang dihasilkan yaitu NOx. Untuk mencegah terbentuknya CO, maka proses pembakaran di atur oleh jumlah udara yang masuk ke proses pembakaran. Semakin tepat jumlah udara yang dimasukkan, maka akan semakin sempurna proses pembakaran batubara tersebut. Disini diperlukan perhitungan perbandingan udara-bahan bakar yang tepat (air-fuel ratio). Namun untuk lebih tepat menghasilkan pembakaran yang sempurna, PLTU menggunakan excess air. Excees air adalah udara lebih yang dikontrol jumlahnya di akhir proses pembakaran, sehingga apabila jumlahnya cukup besar itu artinya adalah semakin sempurna proses pembakaran yang terjadi. Umumnya excess air disetting di angka sekitar 4-5% udara dalam berat.

Selain bahan-bahan di atas, dihasilkan juga sebagai bahan pencemar antara lain abu hasil pembakaran (fly ash) dan kerak hasil pembakaran (bottom ash). Bahan-bahan tersebut termasuk limbah beracun yang pengelolaannya harus secara hati-hati. Selain itu juga fly ash juga masih bisa digunakan sebagai bahan baku pembuatan semen. Fly ash yang keluar dari boiler ditangkap menggunakan suatu alat bernama Electrostatic Precipitators agar tidak langsung dibuang menuju chimney atau cerobong asap. Sedangkan untuk polutan lain seperti SO2, digunakan suatu sistem bernama Flue Gas Desulphurization.

Ebook Coal Combustion:

1. Coal Combustion

2. Coal Combustion Waste