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.

1. 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.

1. Reaksi Proses

1.1. 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

1.2. Ilustrasi reaksi di surface katalis dari NOx menjadi N2 dan H2O

1.3. 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%.

2. 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.

3. 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.

4. 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 dipakai di PTNNT, 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

1.  Data teknis dari reaktor SCR SINOx®

 

1.1. Gambar P&ID reaktor SCR SINOx®

 

1.2. Data design sistem SCR SINOx® sebagai berikut:

 

SINOx® System,
Design Data
Aqeous Urea concentration % wt 40 Density 1.1625 Kg/lt
Consumption per Engine
No	% Load		Urea flow (kg/hr)		Urea flow ( lt/hr)
			Rate 1	Rate 2	Rate 1	Rate 2
1	50%		34	61	29.25	52.47
2	75%		46	83	39.57	71.40
3	100%		58	104	49.89	89.46
Exhaust Gas data Without SINOX
Load			%	50	75	100
Exhaust Gas temp			oC	303-321	294-320	301-329
Exhaust Gas flow			Kg/hr	25,560	43,920	43,560
Uncontrolled Emission :
NOX			mg/Nm3	1,620	1,685	1620
CO			mg/Nm3	82	69	81
SO2			mg/Nm3	282	282	282
UHC/VOC (NMHC)			mg/Nm3	35	32	36
PM			mg/Nm3	125	86	68
Exhaust Gas data with SINOX system
Load			%	50	75	100
Controlled Emission :
NOX ( as NO2) Rate 1.			mg/Nm3	< 1000	< 1000	< 1000
NOX ( as NO2) Rate 2.			mg/Nm3	< 500	< 500	< 500
NH3 Slip			ppmvd	< 10	< 10	< 10
			mg/Nm3	< 6.95	< 6.95	< 6.95

 

 

1.3.Data katalis SCR SINOx® sebagai berikut:

 

Tipe Katalis                    : Siemens SINOX SW 55 honeycomb, 3X3 MM

Material                         : V2O5/W03/Ti02

Volume per blok             : LxPxT= 150 x 150 x 250 = 5625000 mm3

4 blok per frame            : 0.005625 x 4 = 0.0225 M3

Dimensi per layer           : 9 x 6 x 0.0225M3 = 1.215 M3

Jumlah per Engine         : 648 buah (terbagi dalam 3 layer)

Bahan frame                  : 16M03 Molly steel (setara dg A588, A204)

 

1.4. SPESIFIKASI UREA

 

Nama                            : UREA industri (teknis)

Kemasan                       : 500 kg per bag

N Total                          : 46%

 

1.5. SPESIFIKASI KATION

 

Emisi terkendali pada 15% O2

NOx (sebagai NO2) Pada beban >30% Pada beban < 30% (< 1.5MWh)	‘mg/Nm3 ‘mg/Nm3	< 1000 < 500
NH3 Slip	‘mg/Nm3	< 5 (serendah mungkin)
SINOx Pressure drop	kPa	<1
Umur katalis	Jam operasi	20,000

 

2.   SISTEM SCR SINOx® DALAM GAMBAR

 

2.1.UREA Daily Tank.

 

         

 

2.2.Pompa transfer dari Daily Tank ke engine.

 

          Pompa UREA untuk Engine Blok Barat (DG 3,4,5,6)

 

 

 

 

 

Pompa UREA untuk Engine Blok Timur (DG 7,8,9,10,11)

 

 

Ada dua buah UREA mixing tank berkapasitas 8.72 M³ dan dua buah UREA daily Tank dengan kapasitas 170 M³.

 

2.3.UREA Dosing Panel

 

 

 

2.4.UREA Nozzle

 

 

2.4.1.  UJI PERFORMA UREA SPRAYING NOZLE

 

 

2.4.2.  POIN INJEKSI UREA

 

 

2.4.3.  Katalis SINOx®

 

 

         

 

2.4.4.  Sistem soot blow SINOx®

 

 

 

Sistem soot blow memakai pulse jet, dengan 4 valve pada masing-masing layer.

Kebutuhan udara bertekanan antara 5-10 NM³/jam, pada tekanan 600 kPa.

2.5.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)

Data percobaan perhitungan MR di beberapa DG engine:

DG3 - 30%
NOx in	533	ppm	NOx conv eff		62.48
NOx out	200		Molar ratio		0.64
NH3 slip	9
DG4 - 100%
NOx in	537		NOx conv eff		15.99
NOx out	451		Molar ratio		0.17
NH3 slip	5
DG8 - 30%
NOx in	416		NOx conv eff		58.29
NOx out	174		Molar ratio		0.59
NH3 slip	1
DG10 - 100%
NOx in	747		NOx conv eff		32.52
NOx out	504		Molar ratio		0.35
NH3 slip	17
DG11 - 100%
NOx in	846		NOx conv eff		43.83
NOx out	475		Molar ratio		0.46
NH3 slip	17

          Data stack test 2005

 

3.  DAMPAK TERHADAP LINGKUNGAN

 

3.1.HASIL PENGUKURAN EMISI PLTD Periode 2000 – 2007

 

 

3.2.DATA HASIL PENGUKURAN EMISI PLTD PTNNT TAHUN 2007 

PT NEWMONT NUSA TENGGARA - DIESEL STACK EMISSIONS DATA BASE
LOAD 30%, 1.5 MW		June 2007				December 2007
		Engine DG # 3, Stack I,
PARAMETER	T = 25°C,             P = 1 ATM	RUN 1	RUN 2	RUN 3	Average	RUN 1	RUN 2	RUN 3	Average
Flow Rate, STD	m3/s	8.1	7.92	7.81	7.90	7.91	7.8	7.69	7.80
Particulate conc.	mg/STDm3	19.38	19.01	19.78	19.40	10.61	21.27	31.38	21.10
Opacity	%	15	15	15	15.0	13	15	16	15.00
SO2	mg/STDm3	27.50	33.20	32.40	31.10	32.10	27.90	35.50	31.80
NOx	mg/STDm3	308.10	315.30	319.60	314.30	388.90	383.80	397.50	390.10
NH3 slip	mg/STDm3	0.214	0.307	0.266	0.260	0.188	0.049	0.044	0.094
UREA flow DG3	LPH	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00
		Engine DG # 4/5/6, Stack II
PARAMETER	T = 25°C,             P = 1 ATM	RUN 1	RUN 2	RUN 3	Average	RUN 1	RUN 2	RUN 3	Average
Flow Rate, STD	m3/s	15.52	15.35	15.29	15.4	10.88	10.73	10.47	10.7
Particulate conc.	mg/STDm3	14.56	15.48	15.04	15.00	27.45	23.76	20.04	23.80
Opacity	%	14.2	14.2	14.2	14.2	16.00	15.00	15.00	15.00
SO2	mg/STDm3	26.40	26.80	38.50	30.50	30.90	18.50	23.80	24.40
NOx	mg/STDm3	461.70	460.30	473.00	465.00	453.10	394.30	381.60	409.67
NH3 slip	mg/STDm3	0.473	0.448	0.419	0.450	0.053	0.173	0.121	0.120
UREA flow DG4	LPH	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00
UREA flow DG5	LPH	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00
UREA flow DG6	LPH	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00
		Engine DG # 7/8/9, Stack III
PARAMETER	T = 25°C,             P = 1 ATM	RUN 1	RUN 2	RUN 3	Average	RUN 1	RUN 2	RUN 3	Average
Flow Rate, STD	m3/s	14.20	13.80	14.10	14.00	14.60	14.90	14.80	14.70
Particulate conc.	mg/STDm3	16.64	12.29	18.99	16.00	21.10	20.19	17.50	19.60
Opacity	%	14.2	13.3	15.0	14.2	15.00	15.00	14.00	15.00
SO2	mg/STDm3	42.2	40.4	29.8	37.5	32.8	38.8	29	33.6
NOx	mg/STDm3	465.40	466.20	459.00	463.60	455.50	455.80	459.80	457.03
NH3 slip	mg/STDm3	0.256	0.115	0.147	0.170	0.181	0.269	0.233	0.230
UREA flow DG7	LPH	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00
UREA flow DG8	LPH	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00
UREA flow DG9	LPH	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00
		Engine DG # 11, Stack IV
PARAMETER	T = 25°C,             P = 1 ATM	RUN 1	RUN 2	RUN 3	Average	RUN 1	RUN 2	RUN 3	Average
Flow Rate, STD	m3/s	9.80	9.50	9.50	9.60	11.30	10.80	11.00	11.00
Particulate conc.	mg/STDm3	16.55	20.90	20.58	19.30	9.91	31.01	17.80	19.57
Opacity	%	14.2	15.0	15.0	14.7	13.00	16.00	14.00	14.00
SO2	mg/STDm3	31.70	34.30	31.70	32.60	9.40	13.20	23.80	15.50
NOx	mg/STDm3	460.60	455.00	466.20	460.60	459.30	456.60	456.30	457.40
NH3 slip	mg/STDm3	0.108	0.131	0.182	0.140	0.152	0.203	0.084	0.150
UREA flow DG7	LPH	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00
UREA flow DG8	LPH	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00	10.00

3.3.OPERASIONAL PLTD PT NNT TAHUN 2007

3.4.PENGUKURAN KUALITAS UDARA  AMBIENT DI SEKITAR PLTD

DESA MALUK 

Year	SO2		NO2		NOX		NO		CO		NH3	PM10
	1H max	24H max	1H max	24H max	1H max	24H max	1H max	24H max	1H max	24H max	24H max
2001	23	9.8	15.2	7.3	19.5	6.4	10.8	2.9	571.4	228.6	7.9	na
2002	139.2	21.2	22.6	9.1	74.4	11.2	50.1	6	763.7	426.3	2.5	15.4
2003	0	0	20.9	5.9	36.1	6.2	23.5	1.8	649.4	415.4	6.4	22.6
2004	10.8	4.2	16.2	6.5	21.4	7.5	8.9	1	0	0	na	32.2
2005	11.8	7.3	17.1	7	34.9	9.7	19.3	1.9	3200	323.8	17.3	43.4
2006	3.9	2.1	31.7	8.7	36	10.9	10.2	1.7	1714.3	1342.9	0.2	43

DESA BENETE

Year	SO2		NO2		NOX		NO		CO		NH3	PM10
	1H max	24H max	1H max	24H max	1H max	24H max	1H max	24H max	1H max	24H max	24H max
2001	39.1	11.1	43.7	15	70.8	34.8	39.1	16.6	400.9	129.6	24.2	na
2002	34.7	10.6	30.7	14	57.1	25.3	25.2	8.9	444.1	83.6	2.5	63
2003	24.6	10.7	22.4	7.6	36.6	10.4	14.4	3.3	741.6	459	3.8	19.4
2004	45.2	5.2	18.2	9.9	52.3	19.3	25.1	6.5	4114.3	549.4	na	63.3
2005	8.1	3	18.6	9.6	38.9	12.6	14.6	2.4	2514.3	338.1	10	62.4
2006	36.8	8.6	33.4	62.7	92.8	38.4	44.5	13.1	1371.4	414.3	0.4	117.9

AMBANG BATAS SESUAI PP-41-1999

Periode	Unit	SO2	NO2	CO	NH3	PM 10
24 jam	mg/M3	365	150	10,000	1,360	150
1 jam		900	400	30,000		--