Teknologi Pereduksi NOx

Oleh : Sper3099@2008

SCR atau Selective catalytic reduction

1. Sejarah SCR

Ada dua teknologi post combustion yang dikenal dalam proses reduksi emisi oksida nitrogen (NO, NO2, N2O, N2O2, N2O3, N2O4, N2O5 atau disingkat dengan NOx), yaitu NSCR dan SCR. NSCR digunakan pada flue gas dengan temperatur berkisar antara 1600-2200°F (871-1204°C), sedang SCR untuk flue gas dengan temperatur kurang dari 1200°F (649°C).

SCR adalah suatu Penguraian NOx yang menggunakan NH₃ atau UREA CO(NH₂)2 sebagai bahan pereduksi, dipatenkan di USA tahun 1957 oleh Englehard Corporation, kemudian di lanjutkan di awal 1960an di Jepang dan USA dengan riset yang memfokuskan pada bahan katalis yang lebih murah dan tahan lama. SCR dengan skala besar yang pertama mulai dikembangkan aplikasinya oleh salah satu Power Plant di Jepang IHI Corporation di tahun 1978, dan kemudian di tahun 80an SCR dipakai di beberapa pembangkit tidak bergerak lainnya. Pada tahun 1990 sistem ini mulai dikembangkan untuk aplikasi bergerak, awalnya untuk aplikasi marine, dan di tahun 2004 sistem UREA-SCR secara komersial mulai diterapkan pada truk2 besar. SINOx^® merupakan SCR buatan Siemens Corp.

2. Cara Kerja

Sistem UREA-SCR terdiri dari 3 bagian utama:

- Sistem penakar (dosing system) UREA

- Sistem Pengendali

- Katalis SCR

Larutan UREA di-injeksikan ke dalam aliran gas buang oleh dosing system UREA. Letak poin injeksi diatur jaraknya yaitu sebelum katalis, guna memastikan pencampuran yang sempurna. UREA akan terdekomposisi menjadi NH3 (ammonia) dan asam isocyanic (thermolisis). Asam isocyanic nantinya akan terurai menjadi ammonia dan CO2. Ammonia inilah yang bereaksi dengan NO di permukaan katalis.

3. Reaksi Proses

3.1. Reaksi kimia sederhana yang terjadi di dalam reaktor SCR

Reaksi reduksi NOx terjadi pada saat gas bercampur uap ammonia melewati ruang katalis. Sebelum memasuki ruang katalis, ammonia diinjeksikan agar tercampur dengan gas buang mesin Diesel. Rumus kimia untuk kesetimbangan reaksi dengan ammonia sebagai bahan pereduksi proses SCR adalah sebagai berikut:

CO(NH₂)_{2 (s)} + H₂O à CO(NH₂)_{2 (aq)} Pelarutan

CO(NH₂)_{2 (aq)} à CO(NH₂)_{2 (l)} + 6.9 H₂O _(g) Pelarutan

CO(NH₂)_{2 (l)} à 2NH_{3 (g)} + CO_{2 (g)} Inlet Reaktor (500-800°F)

2NH_{3 (g)} + 2NO _(g) + ½ O_{2 (g)} à 2N_{2 (g)} + 3H₂O _(g) Dalam katalis

Beberapa reaksi sekunder :

2SO₂ + O₂ à 2SO₃ Reaksi Samping

SO_{2 (g)} + 2NH_{3 (g)} + 1/2O_{2 (g)} + H₂0 à (NH₄)₂SO_{4 (g)} Reaksi Samping

SO2 _(g) + NH_{3 (g)} + 1/2O_{2 (g)} + H₂0 à NH₄(HSO₄)_(g) Reaksi Samping

2S-NH_{3 (g)} + 2NO _(g) + 1/2O_{2 (g)} à 2S _(s) + 2N_{2 (g)} + 3H₂O _(g) Dalam katalis

2S-NH_{3 (g)} + 5/2O_{2 (g)} à 2S _(s) + 2H₂O _(g) + 2NO _(g) Dalam katalis

3.2. Reaksi Thermolysis di permukaan katalis SCR menurut Howard L Fang (Cummins Inc).

V⁺⁵=O + NH₃ à HO à V⁺⁴ .....N•H₂

HO-V⁺⁴.....(NH₂)-NO + •NO à HO-V+4….(NH2)-NO

HO-V⁺⁴….(NH₂)-NO à HO—V⁺⁴ + N₂ + H₂O

NO2 radikal kemudian di reoksidasi di permukaan katalis

HO-^V+4 + •NO₂ à V⁺⁵=O + HNO₂

HNO₂ ini yang nantinya akan dinetralkan oleh NH3

HNO₂ + NH₃ à [NH₄NO₂] à N2 + 2H₂O

Reaksi redok pada permukaan sisi V=O menunjukkan kebugaran katalis SCR.

Hasil reaksi reduksi hanyalah nitrogen dan air (uap). Sayangnya sulit sekali mencapai penurunan NO 100%, apalagi dengan retensi waktu yang singkat. SCR dari SINOx® hany mampu mereduksi NOx hingga 70%.

4. Katalis SCR

Katalis SCR terbuat dari berbagai bahan keramik sebagai carrier (pembawa), seperti Oksida Titanium, dengan komponen katalis aktif biasanya oksida basa logam seperti Vanadium (V) dan Tungsten (Wo), Zeolite, dan beberapa logam mulia lainnya (seperti Platinum Pt, Palladium Pd).

Semua komponen katalis mempunyai keuntungan dan kerugian masing2.

Katalis logam basa, seperti V dan Wo, sangat rentan terhadap temperatur, tetapi lebih murah dan bekerja dengan baik pada range temperature tertentu.

Katalis Zeolite, mampu bekerja pada range temperature lebih tinggi, hingga 1200°F, bahkan hingga 1560°F tetapi dalam waktu tidak terlalu lama.

Akhir2 ini sedang dikembangkan katalis besi dan tembaga, yang mampu mengurangi NO2 hingga 20-50% dari total NOx.

5. Bahan Pereduksi

Beberapa bahan pereduksi dapat digunakan dalam aplikasi SCR, misalkan anhydrous ammonia, aqueous ammonia, UREA.

UREA merupakan bahan pereduksi yang lebih disukai, karena bebas bau menyengat yang berasal dari NH3 (ammonia) dan tidak beracun, yang dijual bebas di pasaran.

Anhydrous ammonia dan ammonia aqueous sangat beracun dan sulit dalam penanganannya, hingga butuh dikonversi lebih lanjut sebelum bisa digunakan dalam operasi SCR.

6. Faktor yang mempengaruhi kinerja sistem SCR

Satu2nya faktor kunci dalam pencapaian konversi reaksi yang tinggi adalah temperatur kerjanya. Untuk Katalis SCR berbasis Vanadium dan Oksida Titanium seperti yang sering dipakai, mempunyai jendela temperatur antara 500°F (200°C) sampai 800°F (450-500°C). Di luar jendela temperatur ini kemampuan mereduksi dari katalis ini akan menurun drastis. Katalis SCR juga mempunyai dinamika yang lebih lambat dibanding mesin diesel, umumnya katalis membutuhkan beberapa menit sebelum mencapai kesetimbangan kimia dibandingkan dengan beberapa milisecond untuk mesin diesel.

Selain itu juga diperlukan kontrol yang baik dan benar untuk menghindari ammonia slip, yaitu adanya kandungan sisa ammonia yang tidak bereaksi di dalam gas buang setelah melewati katalis. Hal ini bisa disebabkan karena katalis tidak bekerja pada temperatur optimum atau terlalu banyak UREA (NH3) yang diinjeksikan ke dalam proses. Selain bau, ammonia yang berlebih juga berbahaya terhadap lingkungan.

Hal2 yang perlu diperhatikan dalam pencapaian optimasi sistem UREA-SCR diantaranya:

- Velocity distribusi larutan UREA sebelum katalis

- Temperatur distribusi larutan UREA sebelum katalis

- Distribusi Molar ratio NH3 dibanding NO (NH3:NO) pada layer katalis pertama

- Kondisi permukaan katalis

- Pressure drop katalis

7. Optimasi dosing UREA

Berdasar reaksi dasar dan asumsi ratio NO:NO2 dalam gas buang = 90 : 10, maka laju alir larutan UREA 32% (S.G=1.086) yang optimum bisa dihitung dengan rumus berikut :

Ucmd = (0.67/(60 x Cu x Du)) x DENOX = Ks/Cu x DENOX

Dimana: Ucmd = florate injeksi UREA (ml/min)

DENOX = Target penurunan NOX (g/hr)

Cu = Konsentrasi UREA (0.32)

Du = Density UREA (gr/ml)

Dengan kata lain, bila laju alir 10 Ltr/jam UREA 32% mampu mereduksi sedikitnya 5.19 Kg NOx/jam.

Efisiensi konversi NOx bisa dihitung dengan rumus berikut :

ηNOx % = (1-NOx-out/NOx-in ) x 100%

Kemudian Molar Ratio bisa dihitung dengan rumus berikut:

α = (ηNOx % / 100) + (NH3 slip/NOx-in)