Resume Jurnal

Karakteristik Emisi NO pada Pembakaran Batubara Super Halus dalam Atmosfer O2/CO2

Dibuat Untuk Memenuhi Tugas MKP 2: Teknologi Batubara

Disusun Oleh:Fauzan Irfandy(21030111130082)Wahyu Sri Hartono(21030111130114)Yosi Rezki Kurnia Putri(21030111130120)Nadia Hapsari R.(21030112130097)

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS DIPONEGOROSEMARANG2014

1. PendahuluanAntropogenik emisi gas rumah kaca dari bahan bakar fosil menyebabkan pemanasan global yang serius dan mengubah masalah iklim. Teknologi pembakaran oxy-fuel memiliki banyak keuntungan untuk mengendalikan emisi CO2. Gas buang terdiri dari CO2 konsentrasi tinggi (biasanya > 90 % basis kering) yang disiapkan untuk penyerapan, yang dapat mengurangi penangkapan nilai CO2 lebih banyak. Volume gas buang yang dipancarkan melalui pembangkit listrik berkurang sekitar 80% yang merupakan daur ulang gas buang, sehingga berguna untuk meningkatkan efisiensi termal. Hal ini juga memiliki potensi untuk mengurangi biaya pengendalian polutan, terutama pada emisi NOx.Selain itu, teknologi pembakaran oxy-fuel secara teknis dan ekonomis layak untuk memperkuat pembangkit listrik yang ada. Namun, masih ada beberapa hambatan untuk aplikasi yang luas dalam pembangkit listrik tenaga batu bara. Selain modal yang signifikan dan operasi biaya unit pemisahan udara, penggantian N2 oleh CO2 di atmosfer yang bereaksi juga dapat mengakibatkan kualitas pembakaran yang buruk, korosi yang lebih serius dan masalah lainnya.Teknologi Superfine pulverized coal particle combustion memberikan cara baru untuk memahami efek ukuran partikel pada pembakaran. Partikel-partikel batubara dengan ukuran di bawah 20 m memiliki perbedaan yang kecil pada suhu pengapian dalam O2/CO2 , dibandingkan dengan campuran O2/N2. Perlahan-lahan volatile matter diturunkan membuat proses pengapian menjadi kurang keras. Pengaruh ukuran partikel pada pengapian batubara dan karakteristik burnout juga diselidiki melalui gravimetri termal ( TG )/ diferensial gravimetri termal (DTG) dan hasil penelitian menunjukkan bahwa pengapian dan suhu burnout menurun sedikit serta ukuran partikel yang rata-rata juga berkurang.Oleh karena itu, teknologi pembakaran batu bara bubuk dalam atmosfer O2/CO2 akan menjadi metode yang berguna dan menjanjikan di masa depan. Tujuan utama untuk pembakaran oxy-fuel adalah penyerapan CO2. Hal ini menyiratkan bahwa teknik ini juga merupakan pilihan baru untuk kontrol NOx. Hal ini telah diterima secara luas oleh para peneliti dimana terjadi penurunan besar emisi NOx dalam pembakaran oxy-fuel dibandingkan dengan udara pembakaran konvensional, meskipun rinci mekanisme berada di bawah penelitian yang luas.

2. Peralatan dan Prosedur Tabung kaca kuarsa silinder dengan diameter dalam 60 mm berfungsi sebagai tempat ruang pembakaran. Pemanas elektrik panjangnya 2000 mm. Komponen pemanasan global digunakan dalam sistem dan suhu tertinggi dinding dapat mencapai 1300 0C. Daya pemanas listrik sekitar 12 kw. Multipath inlets untuk oksidator disusun di sepanjang bagian ruang pembakaran untuk mensimulasikan situasi pembakaran di percobaan nantinya. Profil suhu sepanjang sumbu pembakaran diukur dengan menggunakan thermocouple berpindah sebelum percobaan ketika reactor dipanaskan hingga 1100 0C, ditunjukkan di gambar S1 di bahan tambahan. Dapat dilihat bahwa suhu di zona reaksi utama pada dasarnya adalah stabil. Pengumpan sekrup mikro diterapkan di sistem pengumpan batubara. Sistem pengumpan dapat mengatur laju alir bubuk secara kontinyu secara steady dan tepat (0-1 g/menit), dengan bantuan perangkat getar, keseimbangan tekanan sistem dan menyuntikkan sistem di wadah penyimpanan. Feeder dikalbrasi dahulu sebelum setiap operasi percobaan.Sampel batubara bubuk, dibawa ke dalam ruang pembakaran oleh oxidizer utama. gas disimulasi oleh campuran murni O2 (99.999%) dan CO2 (99.999%) yang disuplai oleh gas silinder dan diatur oleh pengontrol aliran massa. Jumlah udara teoritis dapat dihitung berdasarkan analisis akhir masing-masing sampel batubara. Kemudian jumlah oksigen disimpulkan sesuai dengan kondisi operasi (diberikan konsentrasi oksigen atau rasio stoikiometri) dan tingkat flow total dapat diterima (2.-6 L/min). Portabel FTIR (transformasi Fourier inframerah) gas analyzer Gasmet DX-4000 (Finlandia) yang merupakan sistem mendeteksi real-time online, digunakan untuk memantau komposisi gas outlet di pintu keluar tungku. Gasmet DX-seri memungkinkan memenuhi identifikasi dan kuantifikasi beberapa senyawa gas secara bersamaan dan akurat, dengan hasilnya dalam hitungan detik. Sel sampel adalah aluminium berlapis sel emas putih dengan panjang jalur optik maksimum 9,8 m, yang dipanaskan hingga 180 0C untuk menyingkirkan masalah kondensasi. Hukum Beer diterapkan untuk analisis kuantitatif spektra FTIR. Hukum menunjukkan konsentrasi gas sampel berhubungan dengan pengukuran absorbansi dari spektrum sampel. Gasmet perlu dikalibrasi menggunakan gas kalibrasi komponen tunggal. Spektrum referensi, yang disimpan dalam komputer, dimuat selama analisis. Dalam kasus kami, komposisi gas keluar termasuk CO2, CO, CH4, SO2, H2O, HCl, HF, NO, N2O, NO2, HCN dan NH3 dapat diukur secara kuantitatif oleh Gasmet. Konsentrasi terendah terdeteksi adalah 0,1-2 ppm dan akurasi 2%, tergantung pada penerapan.

2.3 Analisis Hamburan Sinar-X Sudut Kecil( SAXS) di Shanghai Synchrotron Radiation FacilityBatubara merupakan material polymeric kompleks sangat heterogen berpori struktur yang sulit diklasifikasikan. Struktur berpori merupakan faktor penting untuk proses pembakaran batubara karena pengaruhnya pada laju perpindahan panas dan reaksi permukaan. Hamburan sinar x sudut kecil (saxs) teknik yang diadopsi untuk menganalisis struktur berpori dari partikel batubara serbuk super halus. Percobaan SAXS dilakukan dengan menggunakan radiasi sinkrotron sebagai sumber X-ray dengan celah panjang sistem collimasi di Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF). Panjang gelombang X-ray adalah 1,24, yang difokuskan untuk) 0.5 (vertikal) x 0.5 (horisontal) mm2 di detektor, dengan panjang kamera 5417 mm. Penyerapan sampel dan penyebaran latar belakang dikoreksi. Semua intensitas sampel dinormalisasi oleh data yang dicatat dari ionisasiruangan.

3. Hasil dan Pembahasan3.1. Pengaruh Suhu dan Kualitas BatubaraUntuk memperoleh profil suhu, flux panas, dan performa pembakaran sebagaimana pembakaran udara konvensional, konsentrasi umpan oksigen harus ditingkatkan menjadi antara 30-42%. Akantetapi, peningkatan oksigen akan menaikkan biaya operasi dan membawa permasalahan baru dalam operasi teknis. Ditambah lagi, emisi NOx juga akan bertambah. Zhang et al. meneliti fenomena transien pembakaran batubara dari batubara coklatdalam campuran O2/N2 dan O2/CO2. Hasil menunjukkan bahwa suhu yang sama dari pembakaran yang mudah menguap dan pembakaran partikel arang dicapai pada konsentrasi oksigen 27%.Gambar 2 menunjukkan pengaruh suhu pada emisi NO di atmosfer O2/CO2 (O2 30%, CO2 70%). Rasio Stoikiometri (SR) dijaga pada =1.2. Konsentrasi NO dikonversi kedalam basis O2 6%.

Dari gambar 2, dapat dilihat bahwa dengan peningkatan suhu, jumlah buangan NO bertambah, khususnya untuk batubara SH. Pada atmosfer O2/CO2. Dengan bertambahnya suhu, lebih banyak bahan bakar N dioksidasi menjadi NO dan rasio konversi nitrogen bertambah, yang dapat dibuktikan dari percobaan pyrolysis. Sebagai tambahan, materi yang mudah menguap pada batubara NMG lebih tinggi, dibandingkan dengan batubara SH. Selama fase pelepasan senyawa yang mudah menguap, lebih banyak CO, hidrokarbon ringan, dan prekursor Nox dilepaskan. Proses-proses pelepasan lebih cepat untuk batubara NMG dibanding SH.

3.2. Pengaruh rasio stoikiometriPrekursor-prekursor NOx seperti HCN dan NHi yang dilepaskan selama pembakaran dapat dioksidasi menjadi NOx dengan mereaksikan dengan O2 atau radikal bebas seperti O dan OH. Sementara itu, reaksi reduksi antara NOx dan prekursor-prekursor juga terjadi, dimana NOx direduksi menjadi N2. Pengaruh rasio stoikiometri pada emisi NO digambarkan pada gambar 3, dibawah kondisi operasi 30% O2/70% CO2 dan 1000C. Dengan peningkatan SR dari 0.6 menjadi 1.4, batubara NMG dan SH menunjukkan trend yang sama bahwa emisi NO meningkat sebelum =1.2 dan direduksi kemudian menjadi =1.4. Dengan peningkatan SR, ada lebih banyak kesempatan untuk prekursor dioksidasi, dan emisi NO meningkat.

3.3. Pengaruh konsentrasi umpan oksegenPada semua kasus, Kandungan NO di aliran gas meningkat dengan konsentrasi umpan oksigen dan kemudian menurun seiring konsentrasi oksigen melebihi 30%. Dengan peningkatan konsentrasi oksigen, suhu pembakaran meningkat, menyebabkan pembentukan NO, lebih jauh, dengan meningkatnya konsentrasi oksigen, untuk menjaga SR yang sama, laju alir CO2 direduksi dan total aliran gas menurun. Prekursor NOx dan kelompok radikal reduktif tertentu seperti CHi cenderung dioksidasi pada konsentrasi oksigen yang lebih tinggi.

Di lain sisi, reaksi antara oksigen dan arang N juga meningkatkan kandungan NO. Akantetapi, ketika konsentrasi oksigen melebihi 30%, baik emisi NO dan CR menurun, khususnya CR. Keberadaan NO dan O2 akan mendorong pembentukan N2O dan mekanisme sederhananya ditunjukkan sebagai berikut:

Nox dapat dihasilkan dari pembakaran homogen dari volatile dan pembakaran heterogen arang. Ukuran partikel batubara memiliki pengaruh yang signifikan pada emisi NOx pada kondisi yang berbeda. Gambar 5 menunjukkan pengaruh ukuran partikel emisi NO pada pembakaran O2/CO2 dengan kondisi operasi k = 1.2, 30% O2/70% CO2, 21% O2/79% CO2 and 1000 0C.

3.4. Pengaruh Ukuran Partikel batubara3.4.1. Pengaruh Ukuran Partikel Batubara pada Reaksi HomogenPenelitian menunjukkan bahwa emisi NOx dari reaksi homogen menunjukkan korelasi linear dengan kandungan nitrogen dalam batubara. Sementara itu, dengan penurunan ukuran partikel batubara, suhu pembakaran meningkat, mempromosikan pembentukan NO. Selain itu, dengan penurunan ukuran partikel batubara, suhu hasil dari zat volatil bergerak maju, dan jumlah gas pirolisis seperti CH4, NH3 dan HCN meningkat secara signifikan. Pada dasarnya, jumlah NH3 meningkat dengan penurunan ukuran partikel. Materi volatile cenderung akan teroksidasi oleh oksigen di bawah kondisi pembakaran sedikit bahan bakar, mengkonversi lebih prekursor ke NO. Dengan kata lain, semakin kecil ukuran partikel, semakin tinggi kemungkinan menjadi bahwa spesies dilepaskan dari arang dioksidasi.

3.4.2. Pengaruh Ukuran Partikel Batubara pada Reaksi HHccclleterogenDi sisi lain, emisi NO dari reaksi heterogen harus dipertimbangkan, dan pengaruh ukuran partikel batubara yang berbeda pada jalur konversi arang-N akan dibahas secara rinci.Pertama, dengan penurunan ukuran partikel batubara, pelepasan zat volatil akan jauh lebih intens. Pengurangan heterogen NO menjadi lebih penting dalam teknik pembakaran O2/CO2.Kedua, mendorong melepaskan volatile-N dari partikel batu bara kecil akan teroksidasi menjadi NO, yang membuat konsentrasi NO di sekitar permukaan batubara terlihat lebih tinggi dari partikel batubara. Dengan penurunan ukuran partikel batubara, tekanan NO parsial dan konsentrasi NO awal sekitar permukaan partikel batubara meningkat, memberikan keuntungan dalam mengurangi NO.Ketiga, selama proses pelepasan N, nitrogen yang lepas bertemu dengan oksigen, yang berdifusi kepartikel, dan kemudian NO terlepas.Penurunan heterogen NO terkait eratdengan struktur pori dan permukaan pori partikel arang.

4. Kesimpulan:1. Dengan meningkatnya suhu, baik emisi NO dan rasio konversi NO meningkat. Semakin tinggi isi nitrogen dalam batubara tua, semakin NO akan dilepaskan dari batubara.2. Dengan meningkatnya rasio stoikiometri, emisi NO meningkat awalnya sebelum k = 1,2 dan mengurangi sesudahnya sekitar k = 1.4. NO rasio konversi meningkat monoton dengan rasio stoikiometri pada kondisi pembakaran sedikit bahan bakar dan kaya bahan bakar.3. Konsentrasi oksigen memiliki pengaruh yang signifikan pada emisi NO. kandungan NO pada gas buang meningkat awalnya dengan konsentrasi inlet oksigen, dan kemudian menurun sedikit ketika konsentrasi oksigen melebihi 30%.4. Dengan penurunan ukuran partikel batubara, saluran untuk reaktan transportasi gas menjadi lebih halus (permukaan pori-pori yang lebih kecil dimensi fraktal) dan sederhana (struktur pori yang lebih kecil dimensi fraktal)5. Penurunan ukuran partikel batubara tidak menguntungkan bagi homogen NO pengurangan dalam kondisi pembakaran sedikit bahan bakar, sedangkan prima bubuk batubara dapat menghambat formasi NO homogen dalam kondisi pembakaran yang kaya bahan bakar. Pengurangan heterogen lebih signifikan untuk ukuran partikel batubara yang lebih kecil, yang menguntungkan untuk mengurangi NO, di bawah kedua kondisi sedikit bahan bakar dan kaya bahan bakar.