Pengendalian Emisi Partikulat yang Efektif dalam Produksi Baja: Melindungi Kualitas Udara

Pengendalian Pencemaran Udara – Pengendalian Emisi Partikulat

Pabrik baja memiliki beberapa proses metalurgis yang berlangsung pada suhu tinggi. Selain itu banyak proses ini menangani bahan mentah beberapa dari mereka dalam bentuk fines. Oleh karena itu semua proses ini rentan untuk mengeluarkan gas polutan dan partikel partikulat ke atmosfer. Ini, kenyataannya, mempengaruhi kualitas udara di sekitar pabrik. Untuk meningkatkan dan melindungi kualitas udara, berbagai alat pengendalian pencemaran digunakan untuk pengendalian emisi.

Selama beberapa tahun, alat-alat pengendalian pencemaran hanya digunakan untuk proses-proses di mana jumlah polutan sangat tinggi atau bersifat toksik. Alat-alat ini juga sebelumnya digunakan di tempat mereka memiliki nilai recovery. Namun hari ini, dengan peraturan lingkungan yang semakin ketat dan dengan kekhawatiran masyarakat yang meningkat mengenai lingkungan, telah menjadi perlu bagi industri baja untuk mengevaluasi emisi mereka dan memasang alat di semua area untuk mengurangi emisi ke level minimum yang mungkin. Alat pengendalian emisi secara dasar ada dua tipe (i) alat pengendalian emisi partikulat dan (ii) alat pengendalian emisi gas. Artikel ini menjelaskan sistem pengendalian emisi partikulat.

Regulasi partikel partikulat (PM) yang diadopsi selama tiga puluh tahun terakhir secara bertahap telah beralih dari mengatur partikel kasar mode yang terdiri dari total suspended particle (TSP) ke mengatur partikel sangat kecil dalam rentang ukuran PM10 dan PM2.5. Pergeseran ini terjadi terutama karena data risiko efek kesehatan menunjukkan bahwa partikel kecil paling berkaitan erat dengan efek kesehatan yang berbahaya

Regulasi emisi partikel partikulat berkala sejak awal revolusi industri. Bahkan pada tahun 1600-an, orang dapat melihat hubungan antara emisi partikel partikulat dan masalah seperti depadatan padatan, kotoran kain, korosi material, dan warna bangunan yang pudar. Seiring dengan perluasan teknologi dan kesadaran publik, menjadi jelas bahwa emisi partikel partikulat juga berkontribusi pada jenis penyakit paru-paru dan penyakit terkait.

Pada akhir tahun 1940-an, beberapa jenis sistem pengendalian partikel partikulat maju dari desain yang relatif primitif ke bentuk yang mirip dengan sistem efisiensi tinggi saat ini. Sebagai contoh, electrostatic precipitators (ESPs) maju dari unit tubular satu-lap untuk kontrol asam kabut ke presipitator jenis piring satu-lap dan dua-lap. Venturi scrubbers juga mulai digunakan untuk pengendalian partikel partikulat. Sistem kontrol ini dipasang terutama untuk meminimalkan gangguan dan masalah yang ditimbulkan oleh debu.

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

Dengan pengaturan standar PM2.5 yang bertujuan pada partikel halus dan ultra-halus, ada perhatian yang meningkat mengenai partikel partikulat sekunder. Ini adalah partikel partikulat yang terbentuk di atmosfer akibat reaksi dari prekursor gas. Proses pembentukan sekunder dapat menghasilkan pembentukan partikel baru atau penambahan materi partikel pada partikel yang sudah ada. Gas yang paling umum terkait dengan pembentukan partikel partikulat sekunder meliputi sulfur dioxide, nitrogen oxides, ammonia, dan volatile organic compounds (VOCs). Sebagian besar prekursor gas ini dikeluarkan dari sumber antropogenik; namun, sumber biogenik juga menyumbang beberapa nitrogen oxides, ammonia, dan volatile organic compounds.

Partikel partikulat sekunder dapat lebih dibagi menjadi dua kategori yaitu (i) partikel partikulat sekunder yang terbentuk dari uap yang dikondensasi yang dikeluarkan dari sumber antropogenik dan biogenik, dan (ii) partikel partikulat sekunder yang terbentuk akibat reaksi atmosfer dari prekursor gas. VOCs dan sulfuric acid adalah dua contoh emisi umum yang dapat mengembun untuk membentuk partikel partikulat sekunder. Bahan-bahan ini melewati sistem pengendalian partikel partikulat, termasuk perangkat efisiensi tinggi, karena bentuk uapnya dalam aliran gas sumber stasioner. Namun, materi fase uap dapat, dalam beberapa kondisi, potensial mengembun di udara ambien untuk membentuk partikel yang diukur oleh sistem sampling ambien. Pentingnya relatif partikel partikulat yang dapat dikondensasi baru mulai dievaluasi.

Rentang ukuran partikel yang terbentuk dalam proses besarnya bergantung pada tipe mekanisme pembentukan partikel yang ada. Tidak mungkin untuk mengestimasi rentang ukuran umum hanya dengan mengenali mana di antaranya yang penting dalam proses yang dievaluasi. Mekanisme pembentukan partikel terpenting dalam sumber pencemaran udara meliputi (i) attrition fisik / dispersi mekanis, (ii) burnout partikel pembakaran, (iii) kondensasi homogen, (iv) nukleasi heterogen, dan (v) evaporasi titik

Attrition fisik terjadi ketika dua permukaan bergosok satu sama lain. Selain itu ketika partikel bahan bakar diinjeksikan ke area tungku panas dalam proses pembakaran, sebagian besar senyawa organik diavporikan dan dioksidasi dalam aliran gas. Partikel bahan bakar menjadi lebih kecil seiring dengan hilangnya zat mudah uap. Partikel bahan bakar dengan cepat dikurangi hanya menjadi bahan yang tidak terbakar (abu) dan char yang terbakar lambat yang terdiri dari senyawa organik. Akhirnya, sebagian besar char juga terbakar, tinggal terutama bahan yang tidak terbakar. Seiring dengan berlangsungnya oksidasi, partikel bahan bakar, yang dimulai sebagai partikel 100 mm -1.000 mm, dikurangi menjadi partikel abu dan char yang terutama dalam rentang 1 mm hingga 10 mm. Mekanisme pembentukan partikel ini dapat disebut sebagai combustion fuel burnout.

Nukleasi homogen dan nukleasi heterogen melibatkan konversi materi fase uap menjadi bentuk partikel partikulat. Nukleasi homogen adalah pembentukan partikel baru yang terdiri hampir seluruhnya dari materi fase uap. Nukleasi heterogen adalah akumulasi materi pada permukaan partikel yang telah terbentuk karena mekanisme lain. Dalam kedua kasusnya, aliran gas yang mengandung uap harus didinginkan ke suhu di mana nukleasi dapat terjadi.

Beberapa sistem pengendalian pencemaran udara menggunakan air yang mengandung padatan yang didaur ulang dari wet scrubbers untuk mendinginkan aliran gas. Praktik ini tanpa sengaja menciptakan mekanisme pembentukan partikel lain yang sangat mirip dengan burnout bahan bakar. Aliran air diatomisasi selama injeksi ke aliran gas panas. Seiring titik air kecil ini menguap hingga kering, padatan yang tersendang dan terlarut dilepaskan sebagai partikel kecil. Rentang ukuran partikel yang diciptakan oleh mekanisme ini belum banyak diteliti. Namun, kemungkinan menciptakan partikel yang berkisar ukuran 0,1 mm hingga 2,0 mm.

Sistem pengendalian pencemaran udara memberikan gaya pada partikel untuk menghapusnya dari aliran gas. Gaya-gaya ini secara dasar adalah 'alat' yang dapat digunakan untuk pengumpulan partikel. Semua gaya mekanisme pengumpulan ini sangat bergantung pada ukuran partikel. Gaya yang diterapkan adalah (i) gravitasi pengendapan, (ii) impaktasi inersial dan intersep, (iii) gerak Brown partikel, (iv) tarikan elektrostatis, (v) termoforesis, dan (vi) difusiophoresis.

Menerapkan satu atau lebih gaya ini, seperti gaya elektrostatis atau gaya inersial, mempercepat partikel dalam arah di mana dapat dikumpulkan. Seberapa besar partikel dipercepat ditunjukkan oleh persamaan 'F = Mp x Ap', di mana F adalah gaya pada partikel dalam gram sentimeter per detik kuadrat, Mp adalah massa partikel dalam gram, dan Ap adalah percepatan partikel dalam cm/dtk detik. Perangkat pengendalian pencemaran udara dirancang untuk memberikan gaya maksimum yang mungkin pada partikel dalam aliran gas. Semakin besar partikel (atau massa agregat partikel) dipercepat, semakin efektif dan ekonomis perangkat pengendalian pencemaran udara dapat menjadi.

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

Semua alat pengendalian emisi partikulat mengumpulkan partikel partikulat melalui mekanisme yang melibatkan gaya yang diterapkan. Berbagai alat partikel adalah kamar pengendapan, cyclone, filter tas dan electrostatic precipitators. Mekanisme penghapusan debu dalam alat-alat ini dan gaya yang diterapkan diberikan pada Gambar 1.

Gambar 1 Mekanisme penghapusan debu

Kamar pengendapan

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

Unit dibangun sebagai kotak horizontal panjang dengan inlet, kamar, outlet, dan hopper pengumpulan debu. Kecepatan aliran gas yang mengandung partikel dikurangi dalam kamar. Semua partikel dalam aliran gas tunduk pada gaya gravitasi. Pada kecepatan gas yang dikurangi dalam kamar, partikel yang lebih besar (lebih besar dari 40 mikrometer) dikalahkan dan jatuh ke hopper. Digunakan terutama sebagai pre-cleaner untuk alat pengendalian emisi partikulat lain untuk menghapus partikel yang sangat besar. Gambar 2 memberikan desain kamar pengendapan gravitasi sederhana.

Gambar 2 Desain kamar pengendapan gravitasi sederhana

Cyclones

Cyclones adalah perangkat mekanis sederhana yang biasanya digunakan untuk menghapus partikel relatif besar dari aliran gas. Digunakan sebagai pre-cleaner untuk alat pengendalian pencemaran udara yang lebih canggih seperti electrostatic precipitators atau filter tas. Cyclones lebih efisien daripada kamar pengendapan.

Perangkat mekanis menggunakan inersia partikel untuk pengumpulan. Aliran gas yang mengandung partikel dipaksa untuk berputar secara siklonal. Massa partikel menyebabkan mereka bergerak ke luar vorteks. Sebagian besar partikel dengan diameter besar masuk ke hopper di bawah tabung siklonal sementara aliran gas berputar dan keluar dari tabung.

Ada dua tipe utama cyclones yaitu (i) cyclone diameter besar, dan (ii) multi-cyclone diameter kecil. Cyclones diameter besar biasanya 300 mm hingga 2 m diameter. Multi-cyclone diameter kecil biasanya memiliki diameter antara 80 mm dan 300 mm.

Aliran gas masuk ke cyclone secara tangensial dan menciptakan vorteks gas yang berputar lemah dalam tubuh cyclone. Partikel diameter besar bergerak ke dinding tubuh cyclone dan kemudian mengendap ke hopper cyclone. Gas yang bersih berputar dan keluar dari cyclone. Cyclones diameter besar digunakan untuk mengumpulkan partikel yang berkisar diameter dari 1,5 mm hingga lebih dari 150 mm.

Gaya pengumpulan yang digunakan untuk pengumpulan partikel dalam cyclone adalah gaya sentrifugal dan gravitasi. Bentuk atau kelengkungan cyclone menyebabkan aliran gas berputar dalam gerakan spiral. Partikel lebih besar bergerak ke luar dinding karena momentumnya. Partikel kehilangan energi kinetik di sana dan dipisahkan dari aliran gas. Partikel ini kemudian dikalahkan oleh gaya gravitasi dan jatuh untuk dikumpulkan. Inlet cyclones dirancang untuk mengubah pola aliran gas masuk dari aliran lurus menjadi pola lingkaran untuk membentuk vorteks.

Dalam kasus multi-cyclone, cyclone axial digunakan secara paralel. Dalam cyclone axial, gas masuk dari atas dan diarahkan ke pola vorteks oleh vanes yang terpasang pada tabung pusat. Dalam multi-cyclone gas kotak masuk secara seragam melalui semua cyclone individu. Gambar 3 memberikan perangkat cyclone.

Gambar 3 Perangkat cyclone

Filter tas

Filter tas menggunakan bahan filter seperti nylon atau wol untuk menghapus partikel dari gas yang mengandung debu. Partikel tetap tertahan pada bahan kain. Sementara gas yang bersih melewati bahan. Partikel yang terkumpul kemudian dihapus dari filter kain oleh mekanisme pembersihan yang merupakan goncangan mekanis atau dengan penggunaan ledakan udara. Partikel yang dihapus disimpan dalam hopper pengumpulan. Berbagai bahan serat yang digunakan dalam filter tas bersama dengan propertinya diberikan pada Tab 1.

Tab 1 Kain tipikal yang digunakan untuk tas
Serat	Suhu maksimum		Resistensi asam	Resistensi basa	Resistensi gosok fleksi
	Berkelanjutan	Lonjakan
	deg C	deg C
Kapas	82	107	Buruk	Sangat baik	Sangat baik
Polipropilena	88	93	Baik hingga sangat baik	Sangat baik	Sangat baik
Nylon	93-107	121	Buruk hingga cukup baik	Baik hingga Sangat baik	Sangat baik
Orlon	116	127	Baik hingga sangat baik	Cukup baik hingga baik	Baik
Dacron	135	163	Baik	Baik	Sangat baik
Nomex	204	218	Buruk hingga baik	Baik hingga Sangat baik	Sangat baik
Teflon	204-232	250	Sangat baik kecuali buruk terhadap Fluorine	Sangat baik kecuali buruk terhadap tri-fluoride, klorin dan logam basa cair	Cukup baik hingga baik
Serat kaca	260	288	Cukup baik hingga baik	Cukup baik hingga baik	Cukup

Dalam filter tas, tiga gaya terpisah yaitu impaksi, intersep langsung, dan difusi bertanggung jawab atas penghapusan partikel dari gas dan pengumpulan mereka. Impaksi terjadi ketika partikel begitu besar sehingga tidak dapat mengikuti aliran gas dan mengenai atau mempengaruhi serat filter tas dan terpisah dari aliran gas. Dalam kasus impaksi langsung, partikel mengikuti aliran gas di sekitar seret hingga tabrakan terjadi karena jarak antara pusat partikel dan seret kurang dari radius partikel. Difusi terjadi karena partikel sangat kecil mengalami gerak Brown di seluruh volume gas. Partikel sangat kecil terpengaruh oleh tabrakan molekul dalam aliran gas. Partikel yang bergerak secara acak ini menyebar melalui gas untuk mempengaruhi serat dan terkumpul.

Filter tas biasanya memiliki sejumlah besar tas serat silinder yang tergantung vertikal dalam filter tas. Ketika lapisan debu telah menebal cukup, tas dibersihkan, menyebabkan partikel debu jatuh ke hopper pengumpulan. Tas dapat dibersihkan dengan sejumlah metode. Tiga metode paling umum adalah goncangan, pembersihan udara balik, dan pulse jet. Dalam goncangan mekanis, tas digoncangkan lembut oleh sistem drive untuk penghapusan debu yang tersendang. Dalam mekanisme pembersihan udara balik, kompartemen filter tas dicuci balik dengan aliran udara tekanan rendah. Debu dihapus dengan hanya membiarkan tas runtuh. Mekanisme pembersihan pulse jet adalah mekanisme paling populer. Ini menggunakan ledakan udara tekanan tinggi untuk menghapus debu dari tas. Lapisan debu dihapus dari tas oleh ledakan udara terkompresi yang diinjeksikan ke atas tabung tas. Ledakan udara tekanan tinggi menghentikan aliran udara normal melalui filter. Udara mengembangkan gelombang kejut yang menyebabkan tas melebar atau mengembang saat gelombang kejut melintasi tabung tas. Saat lapisan melebar, lapisan pecah dan partikel yang tersendang jatuh dari tas. Gelombang kejut melintasi dan kembali ke tabung dalam sekitar 0,5 detik. Ledakan udara terkompresi harus cukup kuat untuk melintasi panjang tas dan menghancurkan atau meledakkan lapisan debu.

Tas filter tas memiliki umur dan perlu diganti ketika umur ini habis. Tiga kondisi mempengaruhi umur tas secara negatif. Ini adalah gosokan, suhu tinggi, dan serangan kimia.

Salah satu variabel penting dalam desain filter tas adalah rasio udara terhadap kain. Rasio udara terhadap kain yang sangat tinggi mengakibatkan penurunan tekanan berlebihan, efisiensi pengumpulan yang berkurang, tas menjadi berdebu padat, dan kerusakan tas yang cepat. Gambar 4 menunjukkan filter rumah tas pulse jet.

Gambar 4 Filter rumah tas pulse jet

Electrostatic precipitator

Electrostatic precipitator digunakan untuk mengumpulkan partikel dengan diameter dalam rentang ukuran 0,1 mikrometer hingga 10 mikrometer. Ini menggunakan medan tegangan tinggi non-uniform untuk memberikan muatan listrik besar pada partikel yang bergerak melalui medan. Partikel yang terisi muat bergerak ke permukaan pengumpulan yang bermuatan berlawanan, di mana mereka mengumpulkan. Efisiensi pengumpulan tinggi dan terkadang melebihi bahkan 99 %. ESPs dapat menangani volume gas buang besar pada rentang suhu 175 deg C hingga 700 deg C.

Ada tiga gaya utama electrostatic precipitators yaitu (i) presipitator kering bermuatan negatif, (ii) presipitator dinding basah bermuatan negatif, dan (ii) presipitator dua tahap bermuatan positif. Presipitator kering bermuatan negatif adalah tipe yang paling sering digunakan pada aplikasi besar. Presipitator dinding basah (kadang disebut presipitator basah) sering digunakan untuk mengumpulkan kabut dan / atau materi padat yang cukup lengket. Presipitator dua tahap bermuatan positif hanya digunakan untuk penghapusan kabut. Gambar 5 menunjukkan electrostatic precipitator dan konsepnya.

Gambar 5 Electrostatic precipitator

Mekanisme pengumpulan partikel yang terlibat dalam ESP adalah gaya elektrostatis. Partikel debu yang tersendang dalam gas asap diisi muat saat mereka melewati ESP. Tegangan tinggi, arus langsung berdenyut diterapkan pada sistem elektrode yang terdiri dari elektrode discharge diameter kecil dan elektrode pengumpulan. Elektrode discharge biasanya bermuatan negatif. Elektrode pengumpulan biasanya di-gronding. Tegangan yang diterapkan ditingkatkan hingga menghasilkan corona discharge yang dapat terlihat sebagai kilau biru cerlang di sekitar elektrode discharge. Corona menyebabkan molekul gas ionisasi. Ion gas negatif yang dihasilkan bermigrasi ke elektrode pengumpulan yang di-gronding. Ion gas negatif membombardi partikel yang tersendang dalam aliran gas asap dan memberikan muatan negatif pada mereka. Partikel yang bermuatan negatif kemudian bermigrasi ke elektrode pengumpulan dan terkumpul.

ESP memiliki enam elemen esensial. Ini adalah (i) elektrode discharge, (ii) elektrode pengumpulan, (iii) sistem listrik, (iv) rapper, (v) hopper, dan (vi) cangkang. Elektrode discharge biasanya kawat logam diameter kecil. Elektrode ini digunakan untuk ionisasi gas yang mengisi muat partikel debu, dan untuk menciptakan medan listrik yang kuat. Elektrode pengumpulan adalah piring datar atau tabung dengan muatan berlawanan dari elektrode discharge. Elektrode ini mengumpulkan partikel yang terisi muat. Sistem listrik terdiri dari komponen tegangan tinggi yang digunakan untuk mengontrol kekuatan medan listrik di antara elektrode discharge dan elektrode pengumpulan. Rapper memberikan getaran atau kejutan pada elektrode untuk menghapus debu yang terkumpul. Rappers menghapus debu yang telah menyelimuti baik elektrode pengumpulan maupun elektrode discharge. Hopper berada di bagian bawah ESP dan digunakan untuk mengumpulkan dan menyimpan sementara debu yang dihapus selama proses rapper. Cangkang melingkupi elektrode dan mendukung seluruh ESP.

Resistensi partikel debu secara drastis mempengaruhi efisiensi pengumpulan ESP. Resistensi menggambarkan resistensi lapisan debu yang terkumpul terhadap aliran arus listrik. Partikel yang memiliki resistensi tinggi lebih sulit untuk dikumpulkan daripada yang memiliki resistensi normal. Resistensi tinggi dapat dikurangi dengan menyesuaikan suhu dan kandungan kelembaban gas asap yang mengalir ke ESP. Namun saat menyesuaikan suhu dan kelembaban, harus dipastikan bahwa suhu gas asap di atas titik embun jika tidak akan terjadi korosi pada piring.

Salah satu parameter penting dalam desain ESP adalah area pengumpulan spesifik yang didefinisikan sebagai rasio area permukaan pengumpulan terhadap aliran gas masuk ke ESP. Peningkatan area permukaan untuk aliran gas asap yang diberikan biasanya meningkatkan efisiensi pengumpulan presipitator.