Pengendalian Polusi Udara – Pengendalian Emisi Partikulat

Kontrol Polusi Udara – Kontrol Emisi Partikulat

Pabrik baja memiliki beberapa proses metalurgi yang berlangsung pada suhu tinggi. Selanjutnya banyak dari proses ini menangani bahan baku beberapa di antaranya dalam bentuk denda. Oleh karena itu semua proses ini rentan untuk memancarkan gas polutan dan partikel ke atmosfer. Hal ini, pada kenyataannya, mempengaruhi kualitas udara di sekitar pabrik. Untuk meningkatkan dan melindungi kualitas udara, berbagai perangkat pengontrol polusi digunakan untuk mengontrol emisi.

Sebelumnya selama beberapa tahun, peralatan pengendalian polusi hanya digunakan untuk proses-proses di mana jumlah polutannya sangat tinggi atau bersifat racun. Peralatan ini juga sebelumnya digunakan di mana mereka memiliki beberapa nilai pemulihan. Namun saat ini, dengan peraturan lingkungan yang semakin ketat dan dengan meningkatnya kepedulian masyarakat terhadap lingkungan, industri baja menjadi perlu untuk melihat emisinya dan memasang peralatan di semua area untuk mengurangi emisi seminimal mungkin. tingkat yang mungkin. Peralatan kontrol emisi pada dasarnya terdiri dari dua jenis (i) peralatan kontrol emisi partikulat dan (ii) peralatan kontrol emisi gas. Artikel ini menjelaskan sistem kontrol emisi partikulat.

Peraturan partikel (PM) yang diadopsi selama tiga puluh tahun terakhir secara bertahap telah bergeser dari pengaturan partikel mode kasar yang terdiri dari partikel tersuspensi total (TSP) menjadi pengaturan partikel yang sangat kecil dalam rentang ukuran PM10 dan PM2.5. Pergeseran ini terjadi terutama sejak data penelitian efek kesehatan menunjukkan bahwa partikel kecil paling erat kaitannya dengan efek kesehatan yang merugikan

Regulasi emisi materi partikulat sudah ada sejak tahap awal revolusi industri. Bahkan di tahun 1600-an, orang bisa melihat hubungan antara emisi partikel dan masalah seperti pengendapan padatan, kekotoran kain, korosi material, dan perubahan warna bangunan. Seiring dengan berkembangnya teknologi dan kesadaran publik, menjadi jelas bahwa emisi partikel juga berkontribusi pada beberapa jenis penyakit paru-paru dan penyakit terkait.

Pada akhir 1940-an, beberapa jenis sistem kontrol partikel maju dari desain yang relatif sederhana ke bentuk yang menyerupai sistem efisiensi tinggi saat ini. Misalnya, presipitator elektrostatik (ESP) maju dari satu bidang, unit tabung untuk kontrol kabut asam ke presipitator tipe pelat satu bidang dan dua bidang. Scrubber Venturi juga mulai digunakan untuk pengendalian partikel. Sistem kontrol ini dipasang terutama untuk meminimalkan gangguan dan masalah yang ditimbulkan oleh debu.

Materi partikulat dapat dibagi menjadi dua kategori yaitu (i) materi partikulat primer, dan (ii) materi partikulat sekunder. Materi partikulat primer adalah materi yang dipancarkan langsung ke atmosfer. Emisi ini telah menjadi fokus dari semua tindakan pengendalian materi partikulat sebelum tahun 1997. Materi partikulat primer dapat terdiri dari partikel kurang dari 0,1 mikrometer hingga lebih dari 100 mikrometer. Namun, sebagian besar partikel primer termasuk dalam kategori kasar.

Dengan diumumkannya standar PM2.5 yang ditujukan untuk partikel halus dan ultra-halus, ada peningkatan perhatian mengenai partikel sekunder. Ini adalah materi partikulat yang terbentuk di atmosfer karena reaksi prekursor gas. Proses pembentukan sekunder dapat mengakibatkan terbentuknya partikel baru atau penambahan material partikulat pada partikel yang sudah ada sebelumnya. Gas-gas yang paling sering dikaitkan dengan pembentukan partikel sekunder termasuk sulfur dioksida, nitrogen oksida, amonia, dan senyawa organik volatil (VOC). Sebagian besar prekursor gas ini dipancarkan dari sumber antropogenik; namun, sumber biogenik juga menyumbang beberapa nitrogen oksida, amonia, dan senyawa organik yang mudah menguap.

Materi partikulat sekunder dapat dibagi lagi menjadi dua kategori yaitu (i) materi partikulat sekunder yang terbentuk dari uap terkondensasi yang dipancarkan dari sumber antropogenik dan biogenik, dan (ii) materi partikulat sekunder yang terbentuk karena reaksi atmosfer dari prekursor gas. VOC dan asam sulfat adalah dua contoh umum emisi yang dapat mengembun membentuk partikel sekunder. Bahan-bahan ini melewati sistem kontrol partikel, termasuk perangkat efisiensi tinggi, karena bentuk uapnya dalam aliran gas sumber stasioner. Namun, bahan fase uap dapat, dalam beberapa kondisi, berpotensi mengembun di udara ambien untuk membentuk partikel yang diukur dengan sistem pengambilan sampel ambien. Kepentingan relatif dari partikulat terkondensasi baru saja mulai dievaluasi.

Kisaran ukuran partikel yang terbentuk dalam suatu proses sangat tergantung pada jenis mekanisme pembentukan partikel yang ada. Dimungkinkan untuk memperkirakan kisaran ukuran umum hanya dengan mengenali mana yang penting dalam proses yang sedang dievaluasi. Mekanisme pembentukan partikel yang paling penting dalam sumber polusi udara meliputi (i) gesekan fisik/dispersi mekanis, (ii) pembakaran partikel terbakar, (iii) kondensasi homogen, (iv) nukleasi heterogen, dan (v) penguapan tetesan

Gesekan fisik terjadi ketika dua permukaan bergesekan. Selanjutnya ketika partikel bahan bakar disuntikkan ke area tungku panas dari proses pembakaran, sebagian besar senyawa organik diuapkan dan dioksidasi dalam aliran gas. Partikel bahan bakar semakin kecil seiring dengan daun yang mudah menguap. Partikel bahan bakar dengan cepat direduksi menjadi hanya bahan yang tidak dapat terbakar (abu) dan arang yang terbakar lambat yang terdiri dari senyawa organik. Akhirnya, sebagian besar arang juga terbakar, meninggalkan bahan yang tidak mudah terbakar. Saat oksidasi berlangsung, partikel bahan bakar, yang dimulai sebagai partikel 100 mm -1.000 mm, direduksi menjadi partikel abu dan arang yang terutama berkisar antara 1 mm hingga 10 mm. Mekanisme pembentukan partikel ini dapat disebut burnout bahan bakar pembakaran.

Nukleasi homogen dan nukleasi heterogen melibatkan konversi bahan fase uap menjadi bentuk materi partikulat. Nukleasi homogen adalah pembentukan partikel baru yang hampir seluruhnya terdiri dari bahan fase uap. Nukleasi heterogen adalah akumulasi material pada permukaan partikel yang terbentuk karena mekanisme lain. Dalam kedua kasus tersebut, aliran gas yang mengandung uap diperlukan untuk mendinginkan suhu di mana nukleasi dapat terjadi.

Beberapa sistem pengendalian polusi udara menggunakan air yang mengandung padatan yang didaur ulang dari scrubber basah untuk mendinginkan aliran gas. Praktek ini secara tidak sengaja menciptakan mekanisme pembentukan partikel lain yang sangat mirip dengan burnout bahan bakar. Aliran air diatomisasi selama injeksi ke aliran gas panas. Saat tetesan kecil ini menguap hingga kering, padatan tersuspensi dan terlarut dilepaskan sebagai partikel kecil. Kisaran ukuran partikel yang diciptakan oleh mekanisme ini belum dipelajari secara ekstensif. Namun, itu mungkin menciptakan partikel dengan ukuran berkisar dari 0,1 mm hingga 2,0 mm.

Sistem kontrol polusi udara menerapkan gaya pada partikel untuk menghilangkannya dari aliran gas. Kekuatan pada dasarnya adalah 'alat' yang dapat digunakan untuk pengumpulan partikulat. Semua gaya mekanisme pengumpulan ini sangat bergantung pada ukuran partikel. Gaya-gaya yang diterapkan adalah (i) pengendapan gravitasi, (ii) impaksi dan intersepsi inersia, (iii) gerak Brown partikel, (iv) tarik-menarik elektrostatik, (v) termoforesis, dan (vi) difusioforesis.

Menerapkan satu atau lebih gaya ini, seperti gaya elektrostatik atau gaya inersia, mempercepat partikel ke arah di mana ia dapat dikumpulkan. Sejauh mana partikel dipercepat ditunjukkan oleh persamaan 'F =Mp x Ap', di mana F adalah gaya pada partikel dalam gram sentimeter per detik persegi, Mp adalah massa partikel dalam gram, dan Ap adalah percepatan partikel dalam cm/sq s. Perangkat kontrol polusi udara dirancang untuk menerapkan kekuatan maksimum yang mungkin pada partikel dalam aliran gas. Semakin banyak partikel (atau massa partikel yang diaglomerasi) dipercepat, semakin efektif dan ekonomis perangkat pengontrol polusi udara.

Ada tiga langkah mendasar yang terlibat dalam pengumpulan materi partikulat dalam sistem kontrol partikulat efisiensi tinggi seperti filter kain dan presipitator elektrostatik. Ini adalah (i) penangkapan awal partikel pada permukaan vertikal, (ii) pengendapan gravitasi padatan ke dalam hopper, dan (iii) pemindahan padatan dari hopper. Mekanisme pengumpulan partikel mengontrol efektivitas dua langkah pertama, yaitu, penangkapan awal partikel yang masuk dan pengendapan gravitasi dari padatan yang terkumpul. Distribusi ukuran partikel penting dalam setiap langkah ini.

Semua peralatan kontrol emisi partikulat mengumpulkan partikel melalui mekanisme yang melibatkan gaya yang diterapkan. Berbagai peralatan partikulat adalah ruang pengendapan, siklon, bag filter dan electrostatic precipitator. Mekanisme penghilangan debu pada peralatan ini dan gaya yang diterapkan diberikan pada Gambar 1.

Gbr 1 Mekanisme penghilangan debu

Kamar pengendapan

Ruang pengendapan adalah salah satu perangkat pertama yang digunakan untuk mengontrol emisi partikulat. Namun, sangat jarang digunakan saat ini karena efektivitasnya dalam mengumpulkan partikel sangat rendah. Gaya pengumpulan di ruang pengendapan adalah gravitasi. Partikel besar yang bergerak cukup lambat dalam aliran gas dapat diatasi oleh gravitasi dan terkumpul di ruang pengendapan.

Unit ini dibangun sebagai kotak horizontal panjang dengan saluran masuk, ruang, saluran keluar, dan hopper pengumpul debu. Kecepatan aliran gas bermuatan partikel berkurang di dalam ruangan. Semua partikel dalam aliran gas tunduk pada gaya gravitasi. Pada kecepatan gas yang berkurang di dalam ruang, partikel yang lebih besar (lebih besar dari 40 mikrometer) diatasi dan jatuh ke dalam gerbong. Ini terutama digunakan sebagai pembersih awal untuk perangkat kontrol emisi partikulat lainnya untuk menghilangkan partikel yang sangat besar. Gambar 2 memberikan desain ruang pengendapan gravitasi sederhana.

Gbr 2 Desain ruang pengendapan gravitasi sederhana

Topan

Siklon adalah perangkat mekanis sederhana yang biasanya digunakan untuk menghilangkan partikel yang relatif besar dari aliran gas. Mereka digunakan sebagai pembersih awal untuk peralatan pengendalian polusi udara yang lebih canggih seperti presipitator elektrostatik atau filter kantong. Siklon lebih efisien daripada ruang pengendapan.

Perangkat mekanis menggunakan inersia partikel untuk pengumpulan. Aliran gas partikulat-sarat dipaksa untuk berputar secara siklon. Massa partikel menyebabkan mereka bergerak ke arah luar pusaran. Sebagian besar partikel berdiameter besar memasuki hopper di bawah tabung siklon sementara aliran gas berputar dan keluar dari tabung.

Ada dua jenis utama siklon yaitu (i) siklon berdiameter besar, dan (ii) siklon multi-diameter kecil. Siklon berdiameter besar biasanya berdiameter 300 mm hingga 2 m. Multi-siklon berdiameter kecil biasanya memiliki diameter antara 80 mm dan 300 mm.

Aliran gas memasuki siklon secara tangensial dan menciptakan pusaran gas berputar yang lemah di badan siklon. Partikel berdiameter besar bergerak menuju dinding tubuh siklon dan kemudian mengendap di hopper siklon. Gas yang dibersihkan berputar dan keluar dari topan. Siklon berdiameter besar digunakan untuk mengumpulkan partikel dengan diameter mulai dari 1,5 mm hingga lebih dari 150 mm.

Gaya pengumpulan yang digunakan untuk pengumpulan partikel dalam siklon adalah gaya sentrifugal dan gaya gravitasi. Bentuk atau kelengkungan siklon menyebabkan aliran gas berputar dalam gerakan spiral. Partikel yang lebih besar bergerak ke arah luar dinding berdasarkan momentumnya. Partikel kehilangan energi kinetik di sana dan terpisah dari aliran gas. Partikel-partikel ini kemudian diatasi oleh gaya gravitasi dan jatuh untuk dikumpulkan. Saluran masuk siklon dirancang untuk mengubah pola aliran gas yang masuk dari aliran lurus menjadi pola melingkar membentuk pusaran.

Dalam kasus multi-siklon, siklon aksial digunakan secara paralel. Dalam siklon aksial, gas masuk dari atas dan diarahkan ke dalam pola pusaran oleh baling-baling yang menempel pada tabung tengah. Dalam multi-siklon, gas kotor masuk secara seragam melalui semua siklon individu. Gambar 3 memberikan perangkat siklon.

Gbr 3 Perangkat Cyclone

Filter tas

Filter bag menggunakan bahan filter seperti nilon atau wol untuk menghilangkan partikel dari gas yang sarat debu. Partikel tertahan pada bahan kain. Sementara gas bersih melewati material. Partikel yang terkumpul kemudian dikeluarkan dari filter kain dengan mekanisme pembersihan baik dengan pengocokan mekanis atau dengan menggunakan semburan udara. Partikel yang dihilangkan disimpan dalam hopper koleksi. Berbagai bahan serat yang digunakan dalam bag filter beserta sifat-sifatnya diberikan di Tab 1.

Tab 1 Kain yang biasa digunakan untuk tas
Serat	Suhu maksimum		Tahan asam	Resistensi alkali	Ketahanan abrasi fleksibel
	Berkelanjutan	Lonjakan
	derajat C	derajat C
Katun	82	107	Kasihan	Bagus	Bagus sekali
Polipropilena	88	93	Baik hingga sangat baik	Bagus	Luar biasa
Nilon	93-107	121	Miskin ke adil	Baik hingga Luar Biasa	Luar biasa
Orlon	116	127	Baik hingga sangat baik	Sedang sampai baik	Bagus
Dakron	135	163	Bagus	Bagus	Bagus sekali
Nomex	204	218	Buruk menjadi baik	Baik hingga Luar Biasa	Luar biasa
Teflon	204-232	250	Sangat baik kecuali buruk untuk Fluor	Sangat baik kecuali buruk terhadap tri-fluorida, klorin, dan logam alkali cair	Sedang sampai baik
Fiber glass	260	288	Sedang sampai baik	Sedang sampai baik	Adil

Dalam bag filter, tiga gaya terpisah yaitu impaksi, intersepsi langsung, dan difusi bertanggung jawab untuk menghilangkan partikel dari gas dan pengumpulannya. Impaksi terjadi ketika partikel sangat besar sehingga tidak dapat mengikuti aliran gas dan mengenai atau menabrak serat bag filter dan terpisah dari aliran gas. Dalam hal tumbukan langsung, partikel mengikuti aliran gas di sekitar serat sampai terjadi tumbukan karena jarak antara pusat partikel dan serat lebih kecil dari jari-jari partikel. Difusi terjadi karena partikel yang sangat kecil mengalami gerak Brown sepanjang volume gas. Partikel yang sangat kecil menjadi terpengaruh oleh tumbukan molekul dalam aliran gas. Partikel yang bergerak secara acak ini berdifusi melalui gas untuk berdampak pada serat dan terkumpul.

Filter bag biasanya memiliki sejumlah besar kantung serat silindris yang digantung secara vertikal di bag filter. Ketika lapisan debu telah menumpuk hingga ketebalan yang cukup, kantong dibersihkan, menyebabkan partikel debu jatuh ke dalam hopper pengumpul. Tas dapat dibersihkan dengan beberapa metode. Tiga metode yang paling umum adalah gemetar, pembersihan udara terbalik, dan jet pulsa. Dalam pengocokan mekanis, kantong dikocok dengan lembut oleh sistem penggerak untuk menghilangkan debu yang mengendap. Dalam mekanisme pembersihan udara terbalik, kompartemen bag filter dicuci kembali dengan aliran udara bertekanan rendah. Debu dihilangkan hanya dengan membiarkan tas runtuh. Mekanisme pembersihan jet pulsa adalah mekanisme yang paling populer. Ini menggunakan semburan udara bertekanan tinggi untuk menghilangkan debu dari tas. Kue debu dikeluarkan dari kantong dengan semburan udara terkompresi yang disuntikkan ke bagian atas tabung kantong. Ledakan udara bertekanan tinggi menghentikan aliran normal udara melalui filter. Udara berkembang menjadi gelombang kejut yang menyebabkan kantong melentur atau mengembang saat gelombang kejut bergerak ke bawah tabung kantong. Saat kue melentur, kue patah dan partikel yang disimpan jatuh dari kantong. Gelombang kejut bergerak turun dan naik kembali ke tabung dalam waktu sekitar 0,5 detik. Ledakan udara terkompresi harus cukup kuat untuk menempuh panjang kantong dan menghancurkan atau memecahkan kue debu.

Kantong filter kantong memiliki masa pakai dan perlu diganti saat masa pakai ini berakhir. Tiga kondisi mempengaruhi kehidupan tas secara negatif. Ini adalah abrasi, suhu tinggi, dan serangan kimia.

Salah satu variabel penting dalam desain bag filter adalah rasio udara terhadap kain. Rasio udara terhadap kain yang sangat tinggi menyebabkan penurunan tekanan yang berlebihan, efisiensi pengumpulan yang berkurang, kantong menjadi tertutup rapat oleh debu, dan kerusakan kantong yang cepat. Gambar 4 menunjukkan filter rumah kantong jet pulsa.

Gbr 4 Filter rumah kantong jet pulsa

Precipitator elektrostatik

Electrostatic precipitator digunakan untuk mengumpulkan partikel dengan diameter dalam kisaran ukuran 0,1 mikro-meter hingga 10 mikro-meter. Ini menggunakan medan tegangan tinggi yang tidak seragam untuk menerapkan muatan listrik besar ke partikel yang bergerak melalui medan. Partikel bermuatan bergerak menuju permukaan koleksi bermuatan berlawanan, di mana mereka menumpuk. Efisiensi pengumpulannya tinggi dan terkadang bahkan melebihi 99%. ESP dapat menangani volume gas buang yang besar pada kisaran suhu 175 derajat C hingga 700 derajat C.

Ada tiga gaya utama presipitator elektrostatik yaitu (i) presipitator kering bermuatan negatif, (ii) presipitator dinding basah bermuatan negatif, dan (ii) presipitator dua tahap bermuatan positif. Pengendapan kering bermuatan negatif adalah jenis yang paling sering digunakan pada aplikasi besar. Pengendapan dinding basah (kadang-kadang disebut pengendap basah) sering digunakan untuk mengumpulkan kabut dan / atau bahan padat yang cukup lengket. Pengendapan dua tahap bermuatan positif hanya digunakan untuk menghilangkan kabut. Gambar 5 menunjukkan electrostatic precipitator dan konsepnya.

Gbr 5 Pengendapan elektrostatik

Mekanisme pengumpulan partikel yang terlibat dalam ESP adalah gaya elektrostatik. Partikel debu yang tersuspensi dalam gas buang dibebankan saat melewati ESP. Tegangan tinggi, berdenyut, arus searah diterapkan ke sistem elektroda yang terdiri dari elektroda pelepasan berdiameter kecil dan elektroda pengumpul. Elektroda pelepasan biasanya bermuatan negatif. Elektroda pengumpul biasanya diarde. Tegangan yang diberikan dinaikkan sampai menghasilkan pelepasan korona yang dapat dilihat sebagai cahaya biru bercahaya di sekitar elektroda pelepasan. Korona menyebabkan molekul gas terionisasi. Ion gas negatif yang dihasilkan bermigrasi menuju elektroda pengumpulan yang diarde. Ion gas negatif membombardir partikel tersuspensi dalam aliran gas buang dan memberikan muatan negatif kepada mereka. Partikel bermuatan negatif kemudian bermigrasi ke elektroda pengumpul dan dikumpulkan.

ESP memiliki enam elemen penting. Ini adalah (i) elektroda pelepasan, (ii) elektroda pengumpul, (iii) sistem kelistrikan, (iv) rapper, (v) hopper, dan (vi) shell. Elektroda pelepasan biasanya berupa kawat logam berdiameter kecil. Elektroda ini digunakan untuk mengionisasi gas yang mengisi partikel debu, dan untuk menciptakan medan listrik yang kuat. Elektroda pengumpul adalah pelat datar atau tabung dengan muatan yang berlawanan dengan elektroda pelepasan. Elektroda ini mengumpulkan partikel bermuatan. Sistem kelistrikan terdiri dari komponen tegangan tinggi yang digunakan untuk mengontrol kekuatan medan listrik antara elektroda pelepasan dan pengumpul. Rapper menanamkan getaran atau kejutan ke elektroda untuk menghilangkan debu yang terkumpul. Rapper menghilangkan debu yang menumpuk pada elektroda pengumpul dan elektroda pelepasan. Hopper berada di bagian bawah ESP dan digunakan untuk mengumpulkan dan menyimpan sementara debu yang hilang selama proses rap. Shell membungkus elektroda dan mendukung seluruh ESP.

Resistivitas partikel debu secara drastis mempengaruhi efisiensi pengumpulan ESP. Resistivitas menggambarkan ketahanan lapisan debu yang terkumpul terhadap aliran arus listrik. Partikel yang memiliki resistivitas tinggi lebih sulit untuk dikumpulkan daripada yang memiliki resistivitas normal. Resistivitas tinggi dapat dikurangi dengan mengatur suhu dan kadar air dari gas buang yang mengalir ke ESP. Namun saat menyesuaikan suhu dan kelembapan, harus dipastikan bahwa suhu gas buang berada di atas titik embun jika tidak, pelat akan mengalami korosi.

Salah satu parameter penting dalam desain ESP adalah area pengumpulan spesifik yang didefinisikan sebagai rasio area permukaan pengumpulan dengan laju aliran gas ke dalam ESP. Meningkatkan luas permukaan untuk laju aliran gas buang tertentu biasanya meningkatkan efisiensi pengumpulan presipitator.