i KATA PENGANTAR Modul Pelatihan Teknologi WtE Termal Insinerasi ini disusun untuk pegangan bagi setiap peserta pelatihan sebagai materi pendukung agar peserta dapat mengevaluasi pemahamannya terhadap materi yang diajarkan di kelas. Modul ini menggambarkan konsep dan fitur WtE Termal Insinerasi secara keseluruhan. Modul Pelatihan Teknologi WtE Termal Insinerasi ini bertujuan agar peserta pelatihan mampu memahami prinsip, mengidentifikasi, dan memilih teknologi Waste to Energy untuk pengolahan sampah dengan mempertimbangkan aspek teknis dan non-teknis. Modul ini merupakan Modul ke-9 dari 14 Modul. Modul ini disusun dalam 4 (empat) Bab, meliputi Pendahuluan, Pengenalan WtE Termal Insinerasi, Desain WtE Termal Insinerasi dan Analisis WtE Termal Insinerasi. Modul ini disusun secara sistematis agar peserta pelatihan dapat mempelajari materi dengan lebih mudah. Ucapan terima kasih dan penghargaan kami sampaikan kepada tim penyusun dan Para Narasumber atas tenaga dan pikiran yang dicurahkan untuk mewujudkan modul ini. Penyempurnaan maupun perubahan modul di masa mendatang senantiasa terbuka dan dimungkinkan mengingat akan perkembangan situasi, kebijakan dan peraturan yang terus menerus terjadi. Semoga modul ini dapat membantu dan bermanfaat bagi peningkatan kompetensi ASN dalam pengolahan sampah dengan konsep WtE. Bandung, Oktober 2018 Kepala Pusat Pendidikan dan Pelatihan Jalan, Perumahan, Permukiman, dan Pengembangan Infrastruktur Wilayah
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
i
KATA PENGANTAR
Modul Pelatihan Teknologi WtE Termal Insinerasi ini disusun untuk pegangan
bagi setiap peserta pelatihan sebagai materi pendukung agar peserta dapat
mengevaluasi pemahamannya terhadap materi yang diajarkan di kelas. Modul
ini menggambarkan konsep dan fitur WtE Termal Insinerasi secara
keseluruhan.
Modul Pelatihan Teknologi WtE Termal Insinerasi ini bertujuan agar peserta
pelatihan mampu memahami prinsip, mengidentifikasi, dan memilih teknologi
Waste to Energy untuk pengolahan sampah dengan mempertimbangkan aspek
teknis dan non-teknis. Modul ini merupakan Modul ke-9 dari 14 Modul.
Modul ini disusun dalam 4 (empat) Bab, meliputi Pendahuluan, Pengenalan
IDENTIFIKASI DAN KOMPARASI WtE TERMAL ................................................. 121
v
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Standard Baku Mutu Emisi Indonesia ................................................. 16 Tabel 2. Penanganan Komponen Polutan Flue gas .......................................... 18 Tabel 3. Kisaran Nilai Kalori Berbagai Sampah Kota ......................................... 26 Tabel 4. Perbandingan antara tipe insinerasi fluidized bed dan moving grate stoker ................................................................................................................ 46 Tabel 5. Penilaian antara tipe insinerasi fluidized bed dan moving grate stoker ................................................................................................................ 47 Tabel 6. Level emisi yang dapat dicapai TSIP ................................................... 52 Tabel 7. Spesifikasi Moving Grate Incineration di Nanjing City ....................... 53 Tabel 8. Spesifikasi Riverside WtE Plant ........................................................... 56 Tabel 9. Spesifikasi Palm Beach Renewable Energy Facility No. 2 ................... 58 Tabel 10. Spesifikasi dari WFPP Amsterdam .................................................... 60 Tabel 11. Identifikasi karakteristik sampah ...................................................... 67 Tabel 12. Parameter penting hasil simulasi PLTSa ........................................... 71 Tabel 13. Titik rekomendasi monitoring gas hasil pembakaran ...................... 83 Tabel 14. Spesifikasi Dasar Insinerator ............................................................. 85 Tabel 15. Contoh rancangan air proses ............................................................ 89 Tabel 16. Ringkasan sistem pengolahan gas buang dan reduksi emisi ............ 92 Tabel 17. Contoh data timbulan sampah kota ................................................. 98 Tabel 18. Lampiran Harga Pembelian Listrik dari PLTSa melalui pemanfaatan Panas/Termal Dengan Menggunakan Teknologi Thermochemical ............... 118
vi| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Diagram Alir Umum Insinerasi Sampah Kota .................................... 9 Gambar 2. Detail Diagram Alir Kerja WtE Termal Insinerasi tipe Moving Grate .................................................................................................................. 10 Gambar 3. Beberapa Proses Penyortiran .......................................................... 11 Gambar 4. Proses Mixing (kiri) dan Shredding (kanan) .................................... 11 Gambar 5. Skematik Moving Grate ................................................................... 12 Gambar 6. Siklus Rankine .................................................................................. 15 Gambar 7. Ilustrasi Boiler jenis Water-Tube ..................................................... 15 Gambar 8. Diagram Electrostatic Precipitator .................................................. 17 Gambar 9. Bag/Fabric filter ............................................................................... 19 Gambar 10. Hybrid Bag filter ............................................................................. 20 Gambar 11. Skematik dry-system ..................................................................... 21 Gambar 12. Teknologi dry flue gas treatment system dengan efisiensi tinggi 21 Gambar 13. Teknik semi-dry atau spray absorber ............................................ 22 Gambar 14. Semi-dry teknologi sirkulasi reagent ............................................. 22 Gambar 15. Contoh wet-process dengan 2 tingkat .......................................... 23 Gambar 16. Wet Scrubber teknologi lain .......................................................... 24 Gambar 17. Insinerator jenis Fixed Bed dan Prinsip Kerjanya .......................... 27 Gambar 18. Tipe pembakaran stoker dengan moving grate (piringan yang bergerak) ............................................................................................................ 29 Gambar 19. Contoh moving grate tipe water-cooled ....................................... 30 Gambar 20. Anjuran segitiga karakteristik sampah untuk mencapai pembakaran yang stabil .................................................................................... 30 Gambar 21. Daerah rancangan ruang bakar ..................................................... 31 Gambar 22. Sistem pengumpul abu (ash handling and discharge) .................. 32 Gambar 23. Pengaruh λ terhadap emisi NOx (LN = Low NOx ; VLN = Very Low NOx) .................................................................................................................... 33 Gambar 24. Tumbling & Sliding Tiles Moving Grate ......................................... 34 Gambar 25. Skematik two-way gas flow ........................................................... 34 Gambar 26. Low-excess air combustion........................................................... 35 Gambar 27. Back & Forth Moving Grate .......................................................... 36 Gambar 28. Moving Grate jenis DynaGrate ...................................................... 36 Gambar 29. Insinerator jenis fluidized bed ....................................................... 37 Gambar 30. Skematik Fluidized bed Incinerator dengan Water Spray ............. 38 Gambar 31. Teknologi Fluidized bed dengan pelat orifice ................................ 39 Gambar 32. Skema ruang bakar fluidized bed pada sistem PLTSa Insinerasi... 40 Gambar 33. Variasi kecepatan gas pada fenomena fluidisasi .......................... 41 Gambar 34. Proses fluidisasi tipe bubbling dan circulating .............................. 41
vii
Gambar 35. Insinerasi jenis rotary kiln ............................................................. 43 Gambar 36. Skema ruang bakar rotary kiln dalam sistem PLTSa ..................... 44 Gambar 37. Skema proses ruang bakar rotary kiln .......................................... 44 Gambar 38. WtE PLTSa di Dublin, Irlandia ....................................................... 48 Gambar 39. Skema Insinerasi WtE di Dublin, Irlandia ...................................... 49 Gambar 40. Tuas Plant Incineration oleh MHI ................................................. 50 Gambar 41. Proses insinerasi dari TSIP ............................................................ 52 Gambar 42. Skematik Teknologi Insinerasi di Nanjing City .............................. 53 Gambar 43. Amagasaki & Ota Incineration Power Plant di Jepang ................. 54 Gambar 44. Skematik Flue gas Recirculation ................................................... 55 Gambar 45. Pemanfaatan Panas untuk Keperluan Penduduk ......................... 55 Gambar 46. Riverside Waste to Energy Plant ................................................... 56 Gambar 47. Skema Plant Insinerasi dari WtE Riverside ................................... 57 Gambar 48. Palm Beach Renewable Energy Facility No. 2, USA ...................... 57 Gambar 49. Skematik Palm Beach Renewable Energy Facility No.2 ................ 58 Gambar 50. Amsterdam Waste Fired Power Plant (AWFP) ............................. 59 Gambar 51. Process Flow Diagram & Heat Mass Balance dari WFPP Amsterdam ........................................................................................................................... 59 Gambar 52. Phuket Power Plant di Thailand .................................................... 60 Gambar 53. Phuket Incineration Plant Process Flow Chart ............................. 61 Gambar 54. RERF di Leeds, UK oleh Veolia ...................................................... 62 Gambar 55. Skematik Diagram dari Leeds RERF di Leeds Utara ...................... 62 Gambar 56. Hasil Uji Proksimat ........................................................................ 68 Gambar 57. Hasil Uji Proksimat ........................................................................ 68 Gambar 58. Rancangan process flow diagram PLTSa insinerasi ...................... 69 Gambar 59. Skema komponen utama & pendukung PLTSa ............................ 73 Gambar 60. Skema ruang bakar insinerasi PLTSa............................................. 77 Gambar 61. Proses dalam ruang bakar pembakaran insinerasi tipe moving grate ........................................................................................................................... 78 Gambar 62. Contoh Daerah Perancangan Kondisi Operasi PLTSa ................... 79 Gambar 63. Penetapan daerah QSCZ (Quality Secondary Combustion Zone) 82 Gambar 64. Skema unit konversi energi sistem Rankine ................................. 87 Gambar 65. Siklus uap Rankine ........................................................................ 87 Gambar 66. Skematik Sistem Gas Buang WtE Termal Insinerasi ..................... 90 Gambar 67. Sistem kendali Gas buang ............................................................. 91 Gambar 68. Contoh penyajian data komposisi sampah ................................... 97 Gambar 69. Penyajian data dari kondisi bahan bakar padat ......................... 103 Gambar 70. Penyajian data rasio karbon terhadap oksigen dan hidrogen bahan bakar padat dalam kurva Van Krevelen .......................................................... 103 Gambar 71. Analisis Nilai Kalor Sampah Secara Keseluruhan ........................ 105 Gambar 72. Perbandingan OPEX & CAPEX untuk WtE dan Landfill ............... 116
viii| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
ix
POSISI MODUL DALAM KURIKULUM PELATIHAN
x| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
xi
PETUNJUK PENGGUNAAN MODUL
Deskripsi
Modul Teknologi WtE Termal Insinerasi ini terdiri atas tiga materi pokok. Materi
pokok pertama membahas konsep dasar WtE termal insinerasi, meliputi
definisi insinerasi dan proses konversi energi sampah menjadi listrik
menggunakan WtE termal insinerasi, prinsip kerja dan fitur WtE termal
insinerasi, jenis-jenis dan aplikasi WtE termal insinerasi di dunia. Materi pokok
kedua menjelaskan konsep desain WtE termal insinerasi yang meliputi
perhitungan dan penentuan kapasitas WtE termal insinerasi ditinjau dari
pasokan sampah dan efisiensi pembangkit secara keseluruhan, jenis dan desain
ruang bakar insinerasi serta komponen pendukung WtE termal insinerasi yang
utamanya berbasis siklus Rankine. Materi pokok ketiga berupa analisis WtE
termal insinerasi, yang menjelaskan metode analisis kecocokan kondisi sampah
dengan karakteristik WtE termal insinerasi, serta perhitungan efisiensi konversi
energi dan teknoekonomi WtE termal insinerasi.
Modul ini utamanya dibuat dengan tujuan agar peserta pelatihan mampu
memahami prinsip kerja dan kelebihan serta kekurangan WtE termal berbasis
insinerasi. Peserta pelatihan mempelajari keseluruhan modul ini dengan cara
yang berurutan. Pemahaman setiap materi pada modul ini sangat diperlukan
karena materi ini menjadi dasar pemilihan teknologi WtE yang akan
diaplikasikan di lapangan, sesuai dengan kondisi sampah yang akan digunakan.
Sebagaimana tujuan pembelajaran kegiatan belajar dalam modul ini, maka
diperlukan metode pengajaran interaktif yang mampu menyentuh logika dasar
para peserta pelatihan. Karena itu, modul ini dilengkapi dengan materi berupa
tayangan visual sebagai dasar untuk membangun diskusi interaktif antar
peserta. Evaluasi dilakukan langsung saat presentasi dan diskusi berlangsung,
oleh narasumber terhadap peserta. Latihan atau evaluasi ini menjadi alat ukur
tingkat penguasaan peserta pelatihan.
Persyaratan
Dalam mempelajari buku ini peserta pelatihan diharapkan telah memahami
modul sebelumnya terkait dengan Modul Pelatihan 3 Penyiapan Bahan Baku
xii| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
untuk WtE dan Modul Pelatihan 6 Pengantar Konversi Energi Termal Teknologi
WtE.
Metode
Dalam pelaksanaan pembelajaran modul ini, metode yang dipergunakan
adalah metode pemaparan di dalam kelas, yang diberikan oleh narasumber
yang akan menjadi bahan bagi diskusi interaktif yang harus terbangun di antara
Peserta Pelatihan. Paparan yang diberikan juga dilengkapi dengan beberapa
film singkat mengenai WtE termal berbasis insinerasi.
Alat Bantu/Media
Untuk menunjang tercapainya tujuan pembelajaran ini, diperlukan alat
bantu/media pembelajaran tertentu, yaitu :
1. LCD/projector
2. Laptop
3. Papan tulis atau whiteboard dengan penghapusnya
4. Bahan tayang
5. Modul dan/atau Bahan Ajar
6. Video
7. Laser Pointer
1
BAB 1 PENDAHULUAN
2| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
PENDAHULUAN
A Latar Belakang
Modul ini utamanya dibuat dengan tujuan agar peserta pelatihan mampu
memahami prinsip kerja dan kelebihan serta kekurangan WtE termal berbasis
insinerasi, sebagai jenis pengolah sampah menggunakan prinsip termal yang
banyak dipakai di dunia. Meski ditengarai menghasilkan gas polutan
berbahaya, namun jenis pengolahan sampah ini tetap digunakan karena
memiliki karakteristik mampu mengurangi volume sampah dalam jumlah besar
dan waktu yang relatif singkat.
Tujuan
Mata pelatihan ini bertujuan untuk memberikan pemahaman lebih mendalam
tentang konsep insinerasi, keunggulan dan kelemahan berbagai jenis WtE
termal insinerasi, serta cara memilih rancangan WtE termal insinerasi kepada
peserta melalui ceramah interaktif, diskusi dan latihan soal.
Kompetensi Dasar
Secara umum, setelah mengikuti mata pelatihan ini peserta pelatihan
diharapkan:
1. Mengidentifikasi dan memahami prinsip insinerasi
2. Memahami keunggulan dan kelemahan berbagai jenis WtE termal yang
menggunakan metode insinerasi
3. Memahami perhitungan yang dibutuhkan saat memilih dan merancang
WtE termal yang menggunakan metode insinerasi.
Indikator Hasil Belajar
Setelah mengikuti pembelajaran modul ini, peserta mampu:
1. Mengenali dan memahami WtE termal insenerasi.
2. Melakukan perancangan/desain WtE termal insenerasi
3. Menganalisis secara umum berbagai WtE termal insinerasi yang cocok
untuk lokasi dan kondisi sampah yang akan diolah menggunakan
perangkat lunak sederhana.
3
Materi Dan Submateri Pokok
Materi dan submateri pokok dalam Mata Pelatihan ini adalah:
1. Pengenalan WtE Termal Insinerasi, meliputi:
a. Konsep Dasar WtE Termal Insinerasi
b. Jenis dan Fitur WtE Termal Insinerasi
c. Aplikasi WtE Termal Insinerasi di Dunia
2. Desain WtE Termal Insinerasi, meliputi:
a. Sizing WtE Termal Insinerasi
b. Desain Ruang bakar WtE Termal Insinerasi
c. Desain Komponen Pendukung WtE Termal Insinerasi
3. Analisis WtE Termal Insinerasi, meliputi:
a. Analisis Kondisi Sampah Masuk WtE Termal Insinerasi
b. Analisis Efisiensi Konversi Energi WtE Termal Insinerasi
c. Analisis Teknoekonomi WtE Termal Insinerasi
Penjelasan mengenai isi materi pokok modul pelatihan ini terdapat di diagram
alir di bawah ini.
Estimasi Waktu
Untuk mempelajari mata pelatihan WtE Termal Insinerasi ini, dialokasikan
waktu sebanyak 4 (lima) jam pelajaran.
4| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
5
BAB 2 PENGENALAN WtE TERMAL
INSINERASI
6| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
PENGENALAN WtE TERMAL INSINERASI
Indikator Keberhasilan
Dengan mengikuti pembelajaran ini, peserta pelatihan diharapkan dapat
mengenali dan memahami WtE termal insenerasi.
Tujuan
Tujuan materi ajar pengenalan WtE termal insinerasi ini adalah agar peserta
pelatihan dapat mengidentifikasi dan memahami prinsip insinerasi serta WtE
termal berbasis insinerasi.
Konsep Dasar Wte Termal Insinerasi
Insinerasi adalah salah satu teknologi pengolahan sampah melalui pembakaran
langsung dan terus-menerus (kontinyu selama 24 jam) menggunakan udara
yang mencukupi dan pada temperatur tinggi. Insinerasi material sampah
mengubah sampah menjadi gas panas sisa hasil pembakaran, abu dan
partikulat. Gas yang dihasilkan insinerator dibersihkan dahulu dari polutan
sebelum dilepas ke atmosfer di dalam Air Pollution Control (APC) dan dipantau
secara kontinyu melalui Continuous Emission Monitoring System (CEMS).
Pada ruang bakar insinerasi (yang disebut insinerator), temperatur
pembakaran pada ruang bakar mencapai 800 hingga 1100 °C, dan
menghasilkan flue gas (gas buang) dengan temperatur tinggi. Dengan
pembakaran temperatur tinggi, sampah mengalami oksidasi dan berubah fasa
dari padatan atau cairan menjadi gas, utamanya dalam bentuk CO2 (karbon
dioksida) dan H2O (air). Dengan perubahan fasa ini, insinerasi menjadi sangat
efektif untuk mengurangi volume sampah sebanyak 80 hingga 90 persen,
dengan abu dan partikulat sebagai residu.
Panas yang dihasilkan insinerator dapat dimanfaatkan sebagai energi
pembangkit listrik dan keperluan domestik penduduk (pemanas air/ruangan).
Konsep inilah yang disebut sebagai Waste to Energy (WtE) termal insinerasi. Di
dalam WtE termal insinerasi terdapat insinerator penghasil gas panas, boiler
sebagai penangkap panas sekaligus pengubah air menjadi uap, turbin uap yang
mengubah energi uap menjadi putaran, serta generator yang mengubah
7
putaran turbin menjadi daya listrik, dan komponen-komponen pendukung
lainnya.
Komponen Utama WtE Termal Insinerasi
Berdasarkan konsep tersebut, terlihat bahwa WtE termal insinerasi
harus dirancang, dibuat dan digunakan sebagai satu kesatuan
komponen agar dapat berjalan sesuai tujuan, yaitu memusnahkan
sampah padat/cair dan memanfaatkan panas yang dibangkitkan
menjadi energi listrik. Secara umum, WtE termal insinerasi memiliki
komponen-komponen utama berikut:
a. Waste receiving system (sistem penerima sampah)
Sistem ini bertujuan sebagai penerima awal dari sampah pada
PLTSa untuk penanganan sampah pertama kali. Pada sistem ini
terdapat overhead crane atau sistem serupa untuk melakukan
homogenisasi sampah dan memasukkannya ke ruang bakar, serta
mungkin terdapat pencacah atau pengering awal sampah sebagai
tahapan pemrosesan awal (pre-treatment) sampah sebelum masuk
ruang bakar. Keterangan lebih terperinci terdapat di Modul
Pelatihan 3 Penyiapan Bahan Baku untuk WtE.
b. Ruang bakar (furnace)
Pada ruang bakar ini terjadi pembakaran sampah (mass-burning)
atau proses insinerasi pada temperatur tinggi sehingga
mengoksidasi sampah menjadi flue gas, partikulat dan abu.
Keterangan lebih rinci terdapat pada Bab Desain WtE Termal
Insinerasi Bab D mengenai desain ruang bakar insinerasi.
c. Flue gas treatment system (air pollution control)
Sistem penanganan flue gas atau yang biasa disebut air pollution
control merupakan sistem untuk mengatur kondisi flue gas yang
telah dimanfaatkan boiler sedemikian sehingga dapat keluar ke
atmosfer di bawah batas emisi yang diizinkan. Keterangan lebih
terperinci terdapat di Modul Pelatihan 11 Pengendalian Emisi WtE.
d. Boiler dan komponen siklus pembangkit
Boiler merupakan sistem pemanfaatan panas untuk
memanfaatkan flue gas yang masih panas dari ruang bakar
sehingga mampu mengubah air menjadi uap sebagai masukan
turbin. Uap jenuh keluaran turbin lalu dimasukkan ke kondenser
8| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
untuk didinginkan dan kemudian dipompa masuk kembali ke
boiler. Keterangan lebih terperinci terdapat di Modul Pelatihan 6
Pengantar Konversi Energi Termal Teknologi WtE.
e. Turbin & generator
Turbin memanfaatkan energi uap dari boiler sehingga dapat
berputar dan menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik.
Uap keluaran turbin kemudian dikondensasi dan masuk kembali ke
boiler. Keterangan lebih terperinci terdapat di Modul Pelatihan 6
Pengantar Konversi Energi Termal Teknologi WtE.
Setelah WtE menghasilkan listrik, tidak seluruh listrik yang
dihasilkan dapat digunakan atau dijual ke PLN, namun sebagian
listrik tersebut digunakan pula untuk keperluan WtE itu sendiri,
atau disebut juga ‘listrik pemakaian sendiri’. Konsumsi listrik untuk
pemakaian sendiri tersebut antara lain adalah untuk:
a. Mengoperasikan feedwater pump dan pompa-pompa lain
b. Mengoperasikan induced draft fan (IDF, kipas untuk menghisap
dan mengeluarkan flue gas dari cerobong) & forced draft fan
(FDF, kipas yang digunakan untuk meniupkan udara ke dalam
ruang bakar) dan fan lain
c. Mengoperasikan komponen pendingin turbin dan generator
d. Mengoperasikan sistem kendali WtE
e. Mengoperasikan overhead crane
f. Menjalankan conveyor pada ruang bakar, dan
g. Keperluan PLTSa lainnya (penerangan, kantor, dan lain
sebagainya).
Hasil pembangkitan listrik netto adalah total pembangkitan listrik dari
generator dikurangi dengan listrik pemakaian sendiri.
Proses Insinerasi di WtE
Secara umum, prinsip kerja WtE termal insinerasi dapat dilihat pada
Gambar 1. Proses insinerasi dimulai dari pengangkutan sampah yang
kemudian dimasukkan kedalam pit atau bunker sampah sebelum
masuk ke dalam ruang bakar pembakaran, agar didapatkan sampah
dengan jenis dan nilai kalor yang cukup seragam. Pada pit sampah ini,
tekanan dijaga negatif atau vakum agar debu dan bau dari sampah
9
tetap terjaga di dalam pit. Pada umumnya bunker sampah berkapasitas
untuk tiga hari hingga satu minggu operasi.
Gambar 1. Diagram Alir Umum Insinerasi Sampah Kota
Untuk beberapa jenis termal insinerasi, limbah sampah padat
membutuhkan pre-treatment terlebih dahulu sebelum masuk ke dalam
ruang bakar pembakaran. Dengan menggunakan overhead crane,
sampah yang telah tercampur dalam bunker kemudian dimasukkan ke
dalam ruang bakar melalui hopper & chute secara konstan dan
seragam, sebagai pengumpan (feeder) limbah sampah dari pit menuju
ke ruang bakar/ furnace yang berfungsi sebagai ruang pembakaran dari
sampah.
Detail dari diagram alir kerja dari WtE termal insinerasi yang lebih detail
dapat dilihat pada Gambar 2. Pembakaran sampah terjadi dengan
menghasilkan gas buang bertemperatur tinggi dan abu sebagai hasil
sisa. Gas buang dapat digunakan untuk heat recovery pada boiler
sehingga menghasilkan uap panas ke turbin yang menghasilkan listrik.
Gas buang yang telah melewati boiler kemudian melewati sistem air
pollution control atau penanganan dari flue gas agar keluar dari
cerobong dalam batas emisi yang diizinkan oleh lingkungan hidup.
10| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Gambar 2. Detail Diagram Alir Kerja WtE Termal Insinerasi tipe Moving Grate
Secara global, proses kerja dari insinerasi dapat dibagi menjadi empat
kelompok, yang akan dijelaskan pada:
I. Pre-treatment
Proses pre-treatment sampah sebelum masuk insinerator bergantung
pada kualitas sampah dan sistem insineratornya. Proses pre-treatment
sampah meliputi kegiatan penyortiran dan homogenisasi. Berikut ini
penjelasan proses pre-treatment sampah yang pada umumnya
dilakukan.
a. Penyortiran
Penyortiran berfungsi untuk meningkatkan nilai kalori rata-rata
sampah sebelum masuk ke WtE insinerasi seperti terlihat di
Gambar 3. Kebutuhan penyortiran untuk masing-masing sistem
insinerator berbeda-beda. Untuk tipe moving grate incinerator,
sampah dapat dibakar tanpa melalui proses penyortiran, berbeda
dengan fluidized bed incinerator yang membutuhkan proses
penyortiran sampah sebelum masuk insinerator.
11
Gambar 3. Beberapa Proses Penyortiran
Proses penyortiran dapat dilihat pada Gambar 3. Pada proses
penyortiran ini, sampah dapat dibagi menjadi beberapa kelompok,
yaitu sampah yang dapat di daur ulang, sampah untuk dilakukan
treatment, dan sampah yang hanya bisa dilakukan proses landfill
karena tidak dapat diolah. Penyortiran dapat dilakukan secara
manual (penyortiran dengan bantuan tenaga manusia), otomatis,
dan penyortiran kasar. Penyortiran otomatis cukup memakan
waktu dan biaya, sedangkan penyortiran kasar hanya dapat
diaplikasikan untuk insinerasi selain tipe fluidized bed.
b. Homogenisasi
Kegiatan homogenisasi bisa berupa pencampuran sampah (mixing)
ataupun pencabikan sampah (shredding), sebagaimana dilihat
pada Gambar 4. Pencampuran sampah dilakukan untuk
mengontrol masukan energi dan proses pembakaran. Sedangkan
pencabikan sampah dilakukan untuk menangani sampah jenis
bulky waste (kumpulan/timbunan sampah berjumlah besar).
Pencabikan sampah merupakan persyaratan minimal untuk
fluidized bed incinerator, dan pada tipe moving grate pada
umumnya tidak perlu homogenisasi cukup mixing dan shredding
menggunakan overhead crane.
Gambar 4. Proses Mixing (kiri) dan Shredding (kanan)
12| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
II. Proses Pembakaran
Pada proses pembakaran sampah, ada beberapa sistem insinerator
yang digunakan, diantaranya adalah moving grate incinerator, rotary
kiln incinerator dan fluidized bed incinerator. Di antara ketiga sistem
insinerator tersebut, yang paling banyak digunakan untuk proses
insinerasi sampah adalah moving grate incinerator. Moving grate
incinerator merupakan tipe ruang bakar insinerasi yang berupa
susunan pelat atau piringan yang bergerak menggunakan conveyor
sebagai tempat pembakaran dari sampah, sebagaimana dapat dilihat
pada Gambar 5. Hal ini karena moving grate incinerator dapat
mengakomodasi variasi komposisi yang luas dan kapasitas pembakaran
sampah yang besar.
Gambar 5. Skematik Moving Grate
Dalam meningkatkan proses pembakaran, peran prinsip 3T
(temperature, turbulence, time) sangat penting. Temperatur,
turbulensi dan waktu memiliki perbandingan lurus terhadap
pembakaran. Semakin tinggi temperatur, semakin meningkatnya
turbulensi dan semakin lamanya waktu tinggal flue gas dan sampah
maka proses pembakaran juga semakin baik dan emisi berbahaya yang
dihasilkan lebih sedikit. Untuk insinerator tipe grate, ketentuan yang
berhubungan dengan prinsip 3T adalah waktu tinggal sampah dalam
grate insinerasi kurang dari 60 menit, waktu tinggal gas lebih dari 2
detik dan suhu gas lebih dari 850°C. Selama proses pembakaran,
persediaan udara harus cukup agar proses pembakaran sampah
berlangsung secara sempurna.
13
Proses pembakaran sampah dapat terbagi menjadi dua:
a. Horizontal
Selama proses arah horizontal pada bagian awal, sampah akan
mengalami proses pengeringan, pada tahap ini terjadi proses
pemanasan sehingga volatile matter terlepas, dan dilanjutkan
dengan proses pembakaran sehingga sampah menjadi abu, yang
kemudian didinginkan sebelum abu dikeluarkan dari dalam ruang
bakar. Proses pembakaran arah horizontal dilakukan pada sistem
grate atau piringan berpendingin udara atau air untuk
meningkatkan umur dari grate.
b. Vertikal
Pada proses vertikal diharapkan terjadi proses pembakaran gas-gas
pada temperatur antara 800 – 1100 °C, dan gas-gas berada pada
temperatur ini selama paling sedikit dua detik. Dengan demikian
diharapkan gas dioksin dapat terurai pada proses ini.
Udara untuk proses pembakaran dimasukan ke dalam ruang bakar
sebagai udara primer pada grate/piringan dan sebagai udara sekunder
pada proses pembakaran gas. Udara primer diambil dari lubang atau
bunker sampah, sedangkan udara sekunder diambil dari rumah boiler.
Masing-masing udara tersebut mengalami proses pemanasan awal.
Proses pemanasan bisa dilakukan dengan ekstraksi uap atau
menggunakan gas buang yang masih bertemperatur tinggi. Pada proses
pembakaran dihasilkan gas buang dan bottom ash. Bottom ash yang
masih bisa dimanfaatkan seperti metal akan didaur ulang, sedangkan
bottom ash yang tidak termanfaatkan bisa masuk ke TPA.
Pada umumnya, ruang bakar dilengkapi dengan auxiliary burner
dengan bahan bakar minyak atau gas. Fungsi dari auxiliary burner ini
adalah:
Untuk memanaskan ruang bakar hingga mencapai temperatur
850°C pada saat start.
Untuk mempertahankan temperatur pembakaran di atas 850°C.
Dengan demikian auxiliary burner akan menyala secara manual
apabila temperatur pembakaran berada di bawah 850°C.
Untuk membakar gas hasil pembakaran pada saat shutdown.
14| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
III. Heat recovery (Pemanfaatan Panas)
Gas buang (flue gas) yang merupakan hasil pembakaran sampah
memiliki temperatur yang tinggi, dan harus didinginkan terlebih dahulu
sebelum keluar melalui cerobong. Heat recovery merupakan proses
pemanfaatan panas dari flue gas, karena temperatur keluaran flue gas
yang masih cukup tinggi. Heat recovery menggunakan prinsip heat
transfer/perpindahan panas. Panas dari flue gas dapat dimanfaatkan
untuk beberapa hal, yaitu:
1. Power: Menghasilkan listrik
2. Steam: Menghasilkan uap untuk industri proses
3. Heat: Keperluan domestik penduduk, seperti pemanas air atau
pemanas ruangan.
Flue gas yang sangat panas membawa potensi energi yang sangat
besar, terutama untuk pembangkitan listrik. Pembangkitan listrik pada
PLTSa menggunakan prinsip siklus Rankine, yang dapat dilihat pada
Gambar 6. Siklus Rankine merupakan siklus tertutup, yang
memanfaatkan reservoir panas dan dingin untuk menghasilkan listrik.
Panas yang dibawa oleh flue gas dari proses pembakaran akan di-
recovery dengan menggunakan boiler. Pada umumnya boiler mampu
untuk menurunkan temperatur flue gas hingga 200 °C.
Boiler dari jenis boiler pipa air seperti pada Gambar 6 menggunakan
konsep pemanasan konveksi bebas. Boiler terdiri dari bagian radian,
bagian konvektif, superheater, dan ekonomiser. Pipa-pipa ketel pada
bagian radian harus terbungkus material refraktori atau teknik lain
yang dapat mencegah terjadinya korosi secara berlebihan. Pada
umumnya, jenis boiler yang digunakan adalah tipe water-tube boiler,
yaitu tipe boiler yang mensirkulasikan pipa berisi air yang dipanaskan
secara eksternal menggunakan panas dari flue gas. Skema water-tube
boiler dapat dilihat pada Gambar 7.
15
Gambar 6. Siklus Rankine
Dengan menggunakan siklus rankine, maka beberapa hal dapat
ditentukan, yaitu:
a. Berdasarkan karakteristik atau jenis sampah, maka dapat
ditentukan nilai kalornya, sehingga dapat mengetahui Qin (kalor
masuk) pada ruang bakar.
b. Dengan menggunakan siklus rankine, maka dapat ditentukan kerja
dari pembangkit berdasarkan kondisi operasi dari masing-masing
equipment pada PLTSa (turbin, kondensor, ruang bakar, pompa).
Hal ini dikarenakan kerja dari pembangkit merupakan luas daerah
tertutup dari siklus rankine tersebut.
c. Dengan mengetahui kalor masuk dari ruang bakar dan kerja dari
pembangkit, maka dapat menghitung efisiensi dari pembangkit
listrik, dimana efisiensi merupakan kerja yang dihasilkan PLTSa
dibagi dengan nilai kalor yang masuk ke ruang bakar (bergantung
pada karakteristik dan nilai kalor sampah)
Gambar 7. Ilustrasi Boiler jenis Water-Tube
16| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Dengan adanya pertukaran panas antara flue gas dengan air di dalam
boiler, akan dihasilkan uap superpanas yang bertekanan tinggi yang
digunakan untuk menggerakkan turbin. Turbin yang di-kopel dengan
generator kemudian akan menghasilkan listrik sesuai dengan desain
dari pembangkit listrik. Sisa flue gas yang masih panas kemudian dapat
dimanfaatkan untuk pemanas ruangan atau pemanas air untuk
keperluan domestik rumah tangga penduduk. Uap jenuh yang keluar
dari turbin kemudian dikondensasi dengan menggunakan kondensor,
sehingga mengubah fasa uap menjadi cair. Air yang melewati
kondensor kemudian dimasukkan ke feedwater untuk dipompakan lagi
ke dalam boiler.
IV. Air Pollution Control atau Flue Gas Treatment
Gas buang yang telah digunakan untuk recovery panas untuk
menghasilkan listrik pada turbin-generator dan keperluan domestik
lainnya perlu dilakukan treatment agar memenuhi persyaratan emisi
yang diizinkan oleh lingkungan hidup. Sistem pengendalian flue gas ini
disebut juga sistem Air Pollution Control (APC). Berdasarkan Peraturan
Menteri Lingkungan Hidup dan Kehutanan Republik Indonesia Nomor
P.70/Menlhk/Setjen/Kum.1/8/2017 Tentang Baku Mutu Emisi Usaha
Dan/Atau Kegiatan Pengolahan Sampah Secara Termal, standard baku
mutu emisi di Indonesia adalah sebagaimana dapat dilihat pada Tabel
1.
Tabel 1. Standard Baku Mutu Emisi Indonesia
No. Parameter Satuan Batas Maksimum
Usulan
1
2
3
4
5
6
7
8
Total Partikulat
Sulfur Dioksida (SO2)
Oksida Nitrogen (NOx)
Hidrogen Klorida (HCl)
Merkuri (Hg)
Karbon Monoksida (CO)
Hidrogen Fluorida (HF)
Dioksin & Furan
mg/Nm3
mg/Nm3
mg/Nm3
mg/Nm3
mg/Nm3
mg/Nm3
mg/Nm3
mg/Nm3
120
210
470
10
3
625
2
0,1
17
Maka untuk menurunkan emisi flue gas hasil pembakaran dari insinerasi
dibawah batas maksimumnya, diperlukan sistem penanganan flue gas
lebih lanjut. Secara umum, treatment flue gas dijelaskan pada Tabel 2,
dimana terdapat polutan dan teknologi mengenai cara penanganannya.
Penjelasan mengenai teknologi penanganan dan pengendalian flue gas
dijelaskan berikut ini.
a. Electrostatic precipitator (ESP)
Electrostatic precipitator (ESP) merupakan media filtrasi yang
menghilangkan partikel-partikel seperti abu (fly ash) dan smoke
(asap) dari flue gas. Skematik diagram dari ESP dapat dilihat pada
Gambar 8, dimana konsep ESP menggunakan muatan elektrostatik
terinduksi yang menghalangi partikulat seperti abu / fly ash dan
partikulat lainnya. Flue gas dialirkan ke sebuah box dengan pelat-
pelat yang ditanahkan (grounding). Elektroda yang bermuatan
negatif (oleh high-voltage DC) berada diantara baris-baris pelat
tersebut. Hal itu menyebabkan adanya medan listrik yang menarik
partikel-partikel ke pelat untuk membentuk lapisan debu. Secara
berkala, pelat digerak-gerakkan dan debu berjatuhan ke
penampungan debu di bagian bawah.
Gambar 8. Diagram Electrostatic Precipitator
18| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Konsep ESP dapat menurunkan level debu hingga 20-150 mg/Nm3
bergantung dari desainnya. ESP memiliki struktur yang kuat dan
tidak mudah rusak, serta biaya O&M nya rendah. Namun biaya
investasinya cukup tinggi. Selain itu, terdapat tipe basah dari ESP
yaitu wet electrostatic precipitator, yang juga berfungsi untuk
memisahkan debu, butiran air, partikel halus, dan partikel
Wet-scrubber Semi-dry/dry scrubber (misalnya suspension of lime) + bag filter
Desulfurisasi langsung
Injeksi adsorben (misalnya senyawa kalsium) langsung ke ruang pembakaran
Nitrogen Oksida (Nox)
Mengontrol udara dan suhu, resirkulasi gas buang, Selective Non-Catalytic Reduction (SNCR) dan Selective Catalytic Reduction (SCR)
Hg Teknik Utama : Pengumpulan terpisah,
membatasi penerimaan sampah yang terkontaminasi. Teknik sekunder: scrubber dengan penambahan oksidan, karbon aktif, ruang bakar arang atau zeolit.
Logam berat yang lain
Dikonversi ke dalam no-volatile oxides dan disetorkan fly ash, semua teknik merujuk pada penghilangan partikel yang dapat diterapkan. Karbon aktif diinjeksi ke dalam scrubbing unit.
19
Polutan Teknologi/Cara Penanganan Senyawa karbon organik
Adsorbsi pada karbon aktif SCR digunakan untuk NOx Catalytic bag filters Static bed filters Rapid quenching of flue-gas
Gas Rumah Kaca (CO2, NO2)
Semua teknik yang digunakan untuk penanganan NOx
b. Bag filter (fabric filter)
Fabric filter merupakan salah satu metode untuk mengurangi
jelaga dan abu dari gas buang. Prinsip kerja dari bag filter dapat
dilihat pada Gambar 9, dimana konsep dari fabric/bag filter ini
adalah melewatkan flue gas ke sebuah box, yang ditekan menuju
bag berbentuk silinder. Lapisan debu terbentuk pada permukaan
bag. Debu nantinya akan ditampung dengan menggunakan
mekanisme shaking (penggoncangan) di dalam bag filter.
Gambar 9. Bag/Fabric filter
Bag/fabric filter dapat menurunkan level debu hingga 10 mg/Nm3.
Bag filter memiliki efisiensi tinggi, dapat sekaligus menghilangkan
gas asam, dan biaya O&M yang tidak terlalu mahal. Namun bag
filter rentan terhadap uap air (moisture) dan percikan listrik
(spark). Teknologi terkini dari bag filter antara lain adalah multi-
compartment fabric filter, dan hybrid bag filter, sebagaimana
dapat dilihat pada Gambar 10.
20| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Beberapa keunggulan dari hybrid bag filter antara lain adalah
1) Sebagai pelengkap dari reaktor penyaring yang dapat
menghilangkan SOx, HCl, debu, dan NOx sekaligus secara lebih
optimal
2) Sebagai solusi menyeluruh untuk kontrol emisi
3) Kemudahan perawatan karena struktur yang sederhana
Gambar 10. Hybrid Bag filter
c. Teknik Mengurangi Gas Asam (HCl, HF, SOx)
Untuk mengurangi gas asam seperti halogen dan sulfur dioksida,
agen penyerapan fisik/kimia (sorption agent) di injeksi kedalam
flue gas dan berkontak dengan flue gas, dimana agen sor Hasil
reaksinya adalah larutan atau larutan garam.
1. Dry system
Pada proses penyerapan kering, agen absorpsi (umumnya lime
atau sodium bikarbonat) dimasukkan ke reaktor sebagai bubuk
kering. Skematik diagram dari dry-system dapat dilihat pada
Gambar 11, dimana dry-system ini melibatkan injeksi solid
hydrated lime/ sodium bikarbonat ke flue gas sebagai bubuk.
Reagent dikumpulkan pada bag filter untuk membentuk ‘filter
cake’, yaitu partikel-partikel padat yang terakumulasi pada
media filter. Kemudian terjadi reaksi antara gas asam dan
reagent saat flue gas melewati filter cake. Hasil reaksi nya
adalah padatan dan perlu dipisahkan dari flue gas sebagai debu
pada beberapa tingkat penyerapan, yang pada umumnya
menggunakan bag filter.
21
Gambar 11. Skematik dry-system
Teknologi terkini dari dry-system adalah menggunakan bahan
kimia berbasis sodium, sebagaimana dapat dilihat pada
Gambar 12. Hal ini dapat meningkatkan tingkat pengurangan
gas asam, sehingga sisem ini dapat mengurangi steam atau uap
yang digunakan untuk sistem selain pembangkitan listrik. Maka
dari itu, sistem ini dapat meningkatkan kapasitas
pembangkitan listrik oleh turbin uap.
Gambar 12. Teknologi dry flue gas treatment system dengan
efisiensi tinggi
2. Semi-wet system
Dapat juga disebut proses semi-dry, dengan skematik diagram
dari semi dry-system dapat dilihat pada Gambar 13. Prinsip
kerja dari semi-dry system adalah menginjeksi quick lime
sebagai slurry ke flue gas dalam bentuk spray/semburan dari
22| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
butiran air. Gas asam diserap menjadi fasa cair pada
permukaan butiran air dan bereaksi dengan quick lime. Butiran
air menguap saat flue gas melewati sistem, sekaligus
mengurangi temperatur gas. Produk hasil reaksi berupa
padatan dan dibuang sebagai debu menggunakan bag filter.
Proses ini membutuhkan agen penyerapan yang berlebih.
Gambar 13. Teknik semi-dry atau spray absorber
Teknologi lainnya dari teknik semi-dry adalah menggunakan
prinsip fluidized bed tersirkulasi untuk menghilangkan gas
asam dengan lime secara efisien, sebagaimana dapat terlihat
pada Gambar 14. Reagent disirkulasi untuk mengoptimalkan
penggunaan reagent dan menangkap kontaminan. Sistem ini
juga dapat diinjeksikan karbon aktif atau ‘coke’. Dengan sistem
ini, penggunaan lime dapat berkurang, emisi rendah dengan
fleksibilitas tinggi, dan teknologi telah teruji. Efisiensi energi
juga tinggi dibandingkan sistem yang berbasis lime-slurry.
Gambar 14. Semi-dry teknologi sirkulasi reagent
23
3. Wet system
Pembersihan flue gas dengan metode basah menggunakan
beberapa tipe desain scrubber, seperti tipe jet, rotasi, spray,
venturi, dry tower, dan lain sebagainya. Wet-system
melibatkan pencampuran flue gas dengan larutan alkalin
(sodium hidroksida/hydrated lime), dimana sistem ini
menghasilkan performa baik namun membutuhkan konsumsi
air yang banyak dan menghasilkan limbah cair yang harus dolah
kembali, sehingga biayanya cukup mahal. Umumnya digunakan
untuk PLTSa dengan level gas asam yang tinggi dan
memerlukan kapasitas buffering.
Wet-process dengan dua tingkat dapat dilihat pada Gambar
15, larutan scrubber bersifat asam saat diinjeksi dengan
menggunakan air karena proses dekomposisi asam, sehingga
terbentuk HCl dan HF pada tahap pertama scrubber. SO2 akan
dihilangkan pada tahap kedua dari sistem wet scrubber.
Gambar 15. Contoh wet-process dengan 2 tingkat
Teknologi lain dari wet scrubbing dapat dilihat pada Gambar
16, dimana prinsip kerjanya adalah kontaminan ditangkap
dengan cara mengintensifkan kontak antara flue gas dan air.
Pada tiap-tiap tingkat scrubber butiran air kecil diinjeksi agar
didapatkan permukaan kontak yang besar, dengan aliran
counterflow. Dengan teknologi ini, didapatkan emisi gas asam
dan residu terendah, biaya O&M rendah, dan juga dapat
menghilangkan partikulat dan aerosol dengan baik.
24| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Gambar 16. Wet Scrubber teknologi lain
Pada wet scrubber juga terdapat teknologi lainnya yaitu
condensing scrubber, dimana pada wet scrubber di-install
penukar kalor untuk menangkap uap air pada flue gas, Energi
dari air terkondensasi dapat digunakan untuk menghasilkan
panas pada perkotaan, sehingga energy recovery semakin tinggi.
Energi yang di-recover dari condensing scrubber berada pada
temperatur menengah yang paling baik digunakan untuk
pemanasan di rumah-rumah atau koneksi dengan heat pump.
d. Teknologi APC lainnya
Beberapa teknologi APC lainnya adalah sebagai berikut
i. Flue Gas Recirculation (FGR)
FGR melibatkan resirkulasi flue gas menuju ruang bakar untuk
menggantikan udara sekunder untuk menambah turbulensi dan
menyeimbangkan temperatur. Sistem FGR ini dapat mereduksi
NOx secara signifikan
ii. SNCR (Selective Non-Catalytic Reduction)
Pada proses ini, NOx bereaksi dengan amonia (NH3) yang
secara kimia terkonversi ke nitrogen dan uap air. Semakin
banyak injeksi amonia, penghilangan NOx juga semakin besar.
Kelebihannya dapat dihilangkan melalui proses wet scrubbing.
Amonia dapat di-recover dan diinjeksi kembali ke ruang bakar.
25
Dengan proses ini, pembentukan dioksin berkurang dan
menghilangkan NOx hingga 90%
iii. SCR (Selective Catalytic Reduction)
Proses ini terjadi dengan mereaksikan antara amonia atau urea
dengan NOx dengan menggunakan katalis untuk
menghilangkan NOx. Air amonia diinjeksi ke nosel flue gas,
sehingga terbentuk nitrogen dan uap air pada permukaan
katalis.
iv. Sulphur Recirculation
Resirkulasi sulfur merupakan teknologi yang unik untuk
mengurangi laju korosi pada super-heater dan menambah
produksi listrik apabila tekanan dan temperatur boiler &
superheater bertambah. Sulfur diresirkulasi dari wet flue gas
cleaning kembali ke boiler, sehingga mengurangi konten klorida
pada depositnya untuk mengurangi korosi pada boiler dan
pembentukan dioksin.
Sampah Sebagai Bahan Bakar Insinerasi
Pada proses insinerasi, pasokan bahan bakar sampah baik dari segi
kualitas maupun kuantitas harus diperhatikan. Tidak semua sampah
dapat menjadi bahan bakar proses insinerasi. Ada persyaratan yang
berkaitan dengan sampah sebagai bahan bakar insinerasi yang harus
dipenuhi agar proses pembakaran dapat berjalan dengan baik.
Persyaratan tersebut antara lain:
1. Bahan bakar sampah minimal harus memiliki nilai kalori (Lower
Heating Value/LHV) sebesar 7 MJ/kg sepanjang tahun. Jika nilai
kalori dari sampah kurang dari nilai kalori yang disyaratkan, maka
diperlukan pre-treatment atau bahan bakar tambahan agar nilai
kalori meningkat dan proses insinerasi bisa berlanjut.
2. Pasokan yang stabil untuk proses insinerasi sampah adalah minimal
50.000 ton/ tahun, dan variasi suplai sampah tidak boleh melebihi
20%.
3. Sampah dikategorikan sebagai mampu untuk diproses secara
insinerasi tanpa menggunakan bahan bakar tambahan (auxilliary
fuel) apabila sampah tersebut memiliki kadar abu dibawah 60%
dan kadar air dibawah 50%.
26| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
4. Perkiraan komposisi dan jumlah sampah harus dibuat berdasarkan
survei pada Tempat Pembuangan Akhir sampah yang akan menjadi
bahan bakar insinerasi, dan harus dilakukan oleh institusi yang
berpengalaman.
Untuk mendirikan sebuah insinerator pengolah sampah, diperlukan
gambaran jangka panjang tentang sampah yang dihasilkan di masa
depan. Tidak hanya jumlah sampah, tetapi juga komposisi, sumber dan
nilai kalor sampah. Tabel 3 menyediakan kisaran nilai kalori dari
berbagai jenis sampah kota yang dibakar dalam WtE Insinerasi.
Tabel 3. Kisaran Nilai Kalori Berbagai Sampah Kota
Tipe Sampah kJ/kg Kcal/kg
Sampah Rumah Tangga 6.300-10.500 1.500-2.500
Bulky Waste 10.500-16.800 2.500-4.000
Sampah komersial dan industri 7.600-12.600 1.800-3.000
Minyak bekas 33.600-42.000 8.000-10.000
Limbah lumpur (75% kandungan air) 1.200 290
Residu dari kompos 6.300-10.500 1.500-2.500
Jenis Dan Fitur Wte Termal Insinerasi
Terdapat jenis-jenis WtE termal berbasis insinerasi berdasarkan konsep
pembakarannya. Beberapa diantaranya akan dibahas dalam subbab
berikut:
Fixed bed Incinerator/Reactor
Tipe fixed bed merupakan tipe konvensional, dimana grate yang tidak
bergerak berada di bagian bawah insinerator dengan bukaan pada
bagian atas atau samping untuk memasukan sampah dan bukaan
lainnya untuk memindahkan bahan yang tidak terbakar (abu, logam,
dan sebagainya). Dibawah bagian piringan (grate) adalah ash pit yaitu
tempat untuk menampung abu.
Gambar 17 merupakan skema insinerator fixed bed dan prinsip
kerjanya. Pada reaktor pembakaran fixed bed, tumpukan sampah yang
dibakar mempunyai beberapa zone mulai bagian bawah adalah zona
27
pembakaran, zona gasifikasi, zona pirolisa dan zona pengeringan pada
bagian paling atas. Sebagian gas hasil pembakaran mengalami reaksi
gasifikasi dengan bantuan panas eksotermis hasil pembakaran.
Selanjutnya gas panas ini mengalir ke atas melewati zona pirolisa
dimana pada zona ini terjadi proses penguapan bahan menguap
sampah kering yang berasal dari zona pengeringan.
Gambar 17. Insinerator jenis Fixed Bed dan Prinsip Kerjanya
Pada tahap akhir gas panas dan bahan menguap mengalir ke zona
pengeringan sehingga sampah mengalami dehidrasi sebelum dibuang
ke keluar. Sampah kering hasil dehidrasi turun ke zona pirolisa baik
secara gravitasi atau dengan bantuan mekanis. Produk dari zona
pirolisa berupa arang mengalir ke zona pembakaran.
Kelebihan & Kekurangan Insinerasi tipe Fixed Bed
Kelebihan tipe ini adalah:
Harga murah dan perawatan relatif lebih mudah, karena sangat
sedikit peralatan mekanikal yang bergerak.
Bentuk simpel dan tidak membutuhkan space yang luas
Sementara kekurangan tipe ini adalah:
Kapasitas pembakaran sampah kecil, hanya cocok untuk limbah
sampah dengan jumlah sedikit.
28| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Tipe insinerator ini membutuhkan pre-treatment atau pemilahan
sampah-sampah sebelum dibakar
Efisiensi yang cenderung rendah dan memiliki emisi yang cukup
tinggi.
Dikarenakan kapasitasnya yang terlalu kecil dan penanganan flue gas
yang sangat minimum, maka tipe insinerasi ini jarang digunakan dan
tidak dibahas terlalu detail dalam modul ini.
Moving Grate (MG) Incinerator (Stoker)
Jenis insinerasi moving grate (MG) sangat banyak diaplikasikan pada
PLTSa di dunia, dimana MG memungkinkan pergerakan sampah
dengan menggunakan conveyor pada ruang pembakaran agar terjadi
pembakaran yang efektif dan sempurna pada sampah. Tujuan utama
dari tipe moving grate ini adalah distribusi udara yang baik pada ruang
bakar sesuai kebutuhan pembakaran. PLTSa dengan jenis moving grate
dapat membakar 35 metrik ton sampah per jam. Tipe moving grate
stoker tidak membutuhkan pre-treatment, sehingga dapat mengolah
sampah dengan variasi dan jumlah yang besar.
Pada tipe moving grate stoker ini, pembakaran terdiri dari tiga zona
seperti yang dapat dilihat pada Gambar 18, yaitu zona pengeringan
(drying), pembakaran (combustion), dan pasca pembakaran (post-
combustion). Pada zona pengeringan, sampah dikeringkan terlebih
dahulu sebelum dibakar, sehingga bahan-bahan volatile atau bahan
yang mudah menguap seperti uap air yang terkandung pada sampah
kemudian dapat ber-evaporasi. Pada fase pembakaran, sampah
terbakar sempurna, mengalami distilasi kering yang dilanjutkan dengan
oksidasi aktif pada suhu tinggi, dan menghasilkan flue gas. Kemudian
fase pasca pembakaran akan membakar sisa sampah yang belum
terbakar dan tersisa pada abu insinerator hingga habis.
29
Gambar 18. Tipe pembakaran stoker dengan moving grate (piringan
yang bergerak)
Udara primer yang dipakai dalam proses pembakaran disuplai melalui
celah piringan. Suplai udara pembakaran sekunder dilakukan dengan
memompa udara menuju bagian atas piringan. Jika dilakukan dengan
kecepatan tinggi, hal ini dapat memicu turbulensi yang memastikan
terjadinya pembakaran yang lebih baik dan surplus oksigen. Turbulensi
ini juga penting untuk pengolahan gas sisa hasil pembakaran sampah.
Berdasarkan jenis pendinginannya, tipe insinerasi ini dapat dibagi
menjadi pendinginan dengan udara dan air.
Secara umum, tipe insinerasi dengan pendinginan air seperti di
Gambar 19 digunakan untuk sampah dengan nilai kalor (LHV) yang
tinggi, untuk menjaga reliabilitas dari grate. Namun pendinginan
dengan air ini kurang disukai karena membutuhkan sistem sirkulasi &
pendingin air untuk pendinginannya, sehingga akan memakan banyak
tempat dan biaya.
30| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Gambar 19. Contoh moving grate tipe water-cooled
Pada umumnya beberapa material halus (disebut juga sifting) jatuh
melalui grate. Material ini kemudian ditampung pada bottom ash
hopper. Material-material halus ini dapat di-recover untuk produk
lainnya, atau dikembalikan lagi ke proses insinerasi. Peralatan stoker
harus dibuat dan dioperasikan sehingga tahan terhadap kerusakan api,
dan mencegah jatuhnya aluminium, kaca, dan material meleleh
lainnya. Sehingga harus menggunakan material berkualitas yang
memiliki ketahanan panas yang baik dan mencegah keausan.
Konsep Insinerasi Jenis Moving Grate
Pada sisi feedstock (tempat masuknya sampah), untuk menjaga pembakaran
yang stabil maka diberikan anjuran segitiga karakteristik sampah (lower
heating value, moisture, dan ash content) seperti ditunjukan pada Gambar 20
berada dalam daerah yang diarsir.
Gambar 20. Anjuran segitiga karakteristik sampah untuk mencapai pembakaran
yang stabil
31
Pada perkembangan teknologi terkini secara praktis, nilai kalor LHV
bahan baku diharapkan lebih besar dari 6 MJ/kg dengan fluktuasi
variasi antara 6-12 MJ/kg sebagai acuan. Kebutuhan operasi yang
diperlukan jika bahan baku di luar batas tersebut adalah kebutuhan
pre-heater udara jika nilai kalor LHV bahan baku rendah dan kapasitas
uap cadangan jika nilai kalor melebihi nilai LHV. Penggambaran daerah
rancangan bahan baku terhadap produksi energi termal terlihat pada
Gambar 21.
Gambar 21. Daerah rancangan ruang bakar
Pada sisi moving grate, aspek desain dalam perencanaan dimensi
grate antara lain:
a. Firing capacity (MW)
b. Nilai kalor bahan bakar LHV (MJ/kg)
c. Waste throughput (ton/jam)
d. Thermal grate load (kW/m2) dan mechanical grate load (ton/m2)
Perbedaan mendasar masing masing jenis grate terletak pada
mekanisme pergerakan elemen grate untuk membuat gerakan relatif
sehingga sampah secara otomatis dapat bergerak sepanjang
combustion zone (pusher, reciprocating, roller grate). Aspek lain yang
perlu diperhatikan adalah lifetime dari material grate, bagian
permukaan grate selalu ter-ekspose oleh temperatur pembakaran
yang tinggi dan gesekan sehingga tidak terhindarkan dari wear dan
32| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
tear. Konsekuensinya adalah grate dirancang menggunakan pendingin
udara atau pendingin air sehingga temperatur dari elemen grate dapat
terkontrol. Trade off antara efisiensi pembakaran dan lifetime moving
grate akan terjadi dikarenakan adanya penurunan kapasitas termal
sebanyak yang terserap oleh media pendingin grate (udara / air).
Pada bagian akhir dari grate, ruang bakar akan dilengkapi dengan
sistem Shifting Discharge yaitu sistem pengumpul dan pengangkut
kotoran (abu/sampah) yang lolos ke bawah grate seperti ditunjukan
pada Gambar 22. Kotoran yang lolos dari grate dikumpulkan pada
shifting hopper, disemprot air untuk menurunkan temperaturnya dan
kemudian diangkut oleh konveyor ke ekstraktor abu bersama-sama
dengan bottom ash. Ruang bakar juga akan dilengkapi dengan sistem
pengumpul abu (ash extractor) yang berupa pendorong abu otomatik
dengan penggerak hidrolik atau pneumatic. Baik bottom ash maupun
shifting ash didinginkan terlebih dahulu hingga temperatur 60 °C
sebelum dimasukkan ke pengangkut abu.
Gambar 22. Sistem pengumpul abu (ash handling and discharge)
Pada sisi operasi, proses pembakaran secara umum dilakukan pada
dua bagian yakni: pembakaran udara primer dan pembakaran udara
sekunder. Pembakaran udara primer akan terjadi ketika feedstock
berada di atas grate dan disuplai oleh udara primer dari bawah grate,
sedangkan kebutuhan udara sekunder dalam proses pembakaran
diinginkan untuk mencapai pembakaran sempurna dengan kondisi:
33
a. Cukup oksigen sehingga proses pembakaran masih dapat
berlangsung
b. Cukup waktu tinggal pada temperatur diatas 850 °C (lebih dari 2
detik), untuk memastikan dioxin dapat terurai
c. Cukup bercampur sehingga tiga aspek pembakaran dapat terpenuhi
(waktu, temperatur, dan tercampur)
d. Tekanan ruang bakar di bawah tekanan atmosfer (mencegah
terjadinya kebocoran dan ledakan)
Kondisi rasio campuran udara terhadap bahan bakar (λ) pun akan
berpengaruh saat pembakaran karena akan menentukan tingkatan
emisi (NOx, Dioxin, CO) dan temperatur pembakaran. Dalam hal ini,
penyusun dokumen AMDAL harus menyertakan BAT (best available
technology) dalam rangka mencapai emisi gas buang yang rendah.
Gambar 23 menunjukkan pengaruh dari jumlah udara suplai terhadap
bahan bakar atau biasa disebut dengan istilah air fuel ratio. Variasi
pasokan jumlah udara pada ruang bakar direkayasa sedemikian
sehingga dapat menekan produksi emisi gas NOx. Pada kondisi
pembakaran dengan pasokan udara normal emisi NOx sebesar 400
mg/Nm3, namun dengan penurunan jumlah pasokan udara pada
bagian secondary combustion sesuai skema LN emisi NOx turun menjadi
300 mg/Nm3, sedangkan pada skema VLN emisi NOx sebesar 250
mg/Nm3.
Gambar 23. Pengaruh λ terhadap emisi NOx (LN = Low NOx ; VLN = Very
Low NOx)
Beberapa teknologi dan pengembangan dari insinerator jenis moving
grate adalah
34| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
1. Tumbling & Sliding Tiles Moving Grate
Tipe ini digunakan untuk mengakomodasi fluktuasi komposisi
sampah yang berbeda sebagai input ruang bakarnya. Sebagaimana
terlihat pada Gambar 24, tipe aktuator yang terkontrol secara
terpisah yang digunakan untuk pergerakan/pemindahan sampai
pada grate sekaligus pencampuran sampah. Dua hal ini
diakomodasi dengan menggunakan sliding tiles (untuk pergerakan
sampah horizontal secara kontinu dan lambat) dan tumbling tiles
(pergerakan sampah secara vertikal miring untuk pencampuran
dan aerasi)
Gambar 24. Tumbling & Sliding Tiles Moving Grate
2. Two-way gas flow with intermediate ceiling
Pada teknologi ini, gas tak terbakar (unburned gas) dan gas
terbakar (burned gas) dipisahkan di dalam ruang bakar dengan
intermediate ceiling dan dicampurkan kembali di ruang
pencampuran untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna,
sebagaimana terlihat pada Gambar 25. NOx yang tergenerasi pada
zona pembakaran utama (zona merah) berkurang dan
terdekomposisi di dalam ruang pencampuran gas ketika beraksi
dengan NH3, HCN, dan lain-lain yang terdenitrasi sendiri (self-
denitrated) pada zona pengeringan (zona biru).
Gambar 25. Skematik two-way gas flow
35
Dengan teknologi ini, produksi dioksin berkurang karena reaksi
terjadi pada temperatur tinggi, waktu retensi yang cukup, dan
terjadi pencampuran/turbulensi sebagai syarat pengontrolan
produksi dioksin (3T). Selain itu, korosi pada boiler juga berkurang
karena gas yang tereduksi.
3. Low-excess air combustion
Pada ruang bakar stoker normal, aliran gas dan daerah temperatur
pada ruang bakar adalah heterogen, sehingga udara berlebih dari
nilai teoritiknya harus diberikan untuk kestabilan pembakaran.
Pada Gambar 26, udara pembakaran temperatur tinggi yang
berasal dari flue gas setelah filter bag (sebelum induced draft fan)
ditiupkan diatas bagian refuse layer membentuk zona pembakaran
yang stabil pada lapisan sampah bagian atas (refuse layer).
Gambar 26. Low-excess air combustion
Hal ini membuat dekomposisi termal dipercepat dengan menjamin
pembakaran stabil walaupun rasio udara berlebihnya rendah (1.3-
1.5 kali). Sehingga pembentukan NOx, CO, dan dioksin berkurang,
heat loss berkurang dan efisiensi recovery dari exhaust gas
bertambah.
4. Back & forth moving grate
Moving grate jenis dyna grate adalah sistem pembakaran yang
terdiri dari seri piringan api (fire grates) yang terdiri dari beberapa
langkah. Sebagaimana terlihat pada Gambar 27, grate tersebut
bergerak ke belakang dan depan untuk mengakomodasi kontak
yang efisien antara sampah dan udara untuk mendapatkan
pembakaran yang stabil dari sampah.
36| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Gambar 27. Back & Forth Moving Grate
5. DynaGrate merupakan teknologi terkini dari moving grate
sebagaimana dapat dilihat pada Gambar yang memiliki keunggulan
sebagai berikut
- Agitasi yang kuat pada tempat pembakaran dari sampah
menghasilkan pembakaran sempurna. Dimana pergerakan antar
grate seperti pergerakan longitudinal gelombang untuk
mengoptimasi pembakaran dengan grate yang dipasang pada
shaft membentuk sudut kurang lebih 60 derajat.
- Desain unik, dimana tidak ada kontak antara batangan-batangan
grate, sehingga dapat meminimalisir gaya mekanis antar grate,
dan mengurangi kebutuhan spare part. Keausan dapat jauh
dikurangi.
- Tersedia untuk kapasitas bervariasi dari 4-55 ton/jam, dengan
lebar grate mencapai 6 meter. Serta terdapat empat bagian dari
sistem pembakaran pada grate, sehingga memungkinkan untuk
mengatur kecepatan dan kelebihan udara di tiap-tiap
bagiannya.
Gambar 28. Moving Grate jenis DynaGrate
37
Kelebihan dan Kekurangan insinerator tipe moving grate
Kelebihan dari insinerator tipe moving grate ini adalah
Tidak memerlukan pemilahan atau pre-treatment limbah
padat yang masuk ke insinerator
Dapat mengakomodasi variasi nilai kalor dan komposisi limbah
padat yang cukup besar.
Teknologi telah secara luas dipakai, telah banyak dibangun di
dunia dan teruji performanya secara teknis
Efisiensi termal keseluruhan mencapai 85%
Kapasitas dari sampah yang akan dibakar cukup besar, dimana
mencapai 1200 ton/hari tiap ruang bakarnya.
Sementara kekurangan dari insinerator tipe moving grate adalah:
Kebutuhan udara berlebih, yang menyebabkan volume flue gas
yang lebih banyak
Biaya investasi dan perawatan cukup besar
Kurang sesuai untuk nilai kalor yang cukup tinggi (lebih dari
3000 kcal/kg)
Fluidized bed (FB) Incinerator
Fluidized bed incinerator (ruang bakar dasar fluida) adalah sebuah
ruang bakar pembakar yang menggunakan media pengaduk berupa
pasir seperti pasir kuarsa atau pasir silika, sehingga akan terjadi
pencampuran (mixing) yang homogen antara udara dengan butiran-
butiran pasir tersebut, sebagaimana terlihat pada Gambar 29.
Pencampuran yang konstan antara partikel-partikel mendorong
terjadinya laju perpindahan panas yang sangat cepat serta terjadinya
pembakaran sempurna.
Gambar 29. Insinerator jenis fluidized bed
38| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Ruang bakar dasar fluida berkarakter proses lebih pendek yang
melibatkan pengeringan, gasifikasi, dan pembakaran sampah. Hal ini
dilakukan dengan membuat kondisi statis domana pasir panas atau
material semacamnya dicampur ke material dasar untuk menciptakan
panas potensial. Dikarenakan sampah bersentuhan dengan material
dasar yang statis, sangat mudah untuk mengolah sampah dengan kadar
air tinggi dan/atau bernilai kalor rendah. Selain itu, aliran sampah
plastik dan sampah bernilai kalor tinggi lainnya menyebarkan panas
secara merata di seluruh dasar ruang bakar.
Fluidized bed incinerator berorientasi bentuk tegak lurus, vertikal
dengan kerangka baja yang dilapisi bahan tahan api, berisi hamparan
pasir (sand bed) dan distributor untuk fluidasi udara. Fluidized bed
incinerator normalnya tersedia dalam ukuran berdiameter dari 9
sampai 34 feet (3-11 meter). Pembakaran dengan teknologi fluidized
bed merupakan satu rancangan alternatif untuk pembakaran limbah
padat.
Fluidisasi meningkatkan pencampuran dan turbulensi serta laju
perpindahan panas yang terjadi. Auxilliary burner digunakan selama
pemanasan awal untuk memanaskan hamparan sampai temperatur
operasi sekitar 750 sampai 900°C sehingga pembakaran dapat terjaga
pada temperatur konstan. Dalam beberapa instalasi, suatu sistem
water spray digunakan untuk mengendalikan temperatur ruang bakar,
sebagaimana terlihat pada Gambar 30.
Gambar 30. Skematik Fluidized bed Incinerator dengan Water Spray
39
Salah satu contoh teknologi insinerasi tipe fluidized bed adalah
menggunakan plat orifice yang dapat disesuaikan untuk aplikasi
tertentu untuk distribusi udara yang ideal pada reaktor, sebagaimana
terlihat pada Gambar 31. Fluidized bed tipe ini juga telah
dikembangkan digunakan untuk tipe sampah biosolid maupun untuk
sludge. Tipe ini juga memiliki fleksibilitas dan durabilitas yang tinggi,
dengan range spesifikasi sebagai berikut
- Fuel heat input range : 5-150 MMBtu/hr [1.5-44
MW(th)]
- Fuel moisture range : 60 – 80 %
- Steam production : <150.000 lb/hr (68,027 kg/hr)
- Ukuran reaktor : 4-30 feet
Gambar 31. Teknologi Fluidized bed dengan pelat orifice
Reaktor tipe fluidized bed ini menggunakan carbon steel vessel-lined
dengan material refraktori, yang terdiri dari 4 komponen:
Wind box zone: memastikan distribusi udara yang baik
dibawah orifice
Orifice plate: mempertahankan pressure drop untuk distribusi
udara
Combustion zone: terdapat fluidized bed dimana bahan bakar di-
injeksi
40| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Free-board zone: bagian terbesar reaktor untuk memastikan
pembakaran berlangsung sempurna dan pemisahan material bed
& gas
Konsep ruang bakar insinerasi jenis Fluidized Bed (unggun fluidisasi)
Fluidized bed merupakan jenis ruang bakar yang memanfaatkan pasir
silika, abu pembakaran, atau material sejenis pasir lainnya sebagai
media yang tersuspensi di dalam ruang bakar sehingga terjadi tingkat
turbulensi dan perpindahan panas yang merata pada seluruh ruang
ruang bakar. Secara skematis rancangan sistem insinerator
menggunakan ruang bakar fluidized bed ditunjukan pada Gambar 32.
Gambar 32. Skema ruang bakar fluidized bed pada sistem PLTSa Insinerasi
Fenomena fluidisasi terjadi akibat adanya aliran gas dari bagian plenum
(bawah ruang bakar) yang menyebabkan terjadinya drag force pada
partikel, sehingga gaya berat partikel dapat diatasi. Kecepatan-gas
minimum fluidisasi dan pengaruh variasi kecepatan gas pada fenomena
fluidisasi digambarkan secara jelas pada Gambar 33.
Pada tinjauan proses fluidisasinya, ruang bakar tipe fluidized bed dapat
dibagi menjadi jenis bubbling fluidized bed (BFB) dan circulating
fluidized bed (CFB). Pada ruang bakar jenis BFB, partikel dijaga
tersuspensi pada kecepatan fluidisasi 0,5-3 m/s ukuran partikel kurang
dari 10 mm. Pada ruang bakar jenis CFB, partikel dijaga tersuspensi
pada kecepatan fluidisasi 3-9 m/s sehingga partikel akan tersuspensi
sepanjang tinggi ruang bakar dan disirkulasikan kembali melalui kaki
41
siklon. Gambaran mengenai proses fluidisasi pada ruang bakar
diberikan pada Gambar 33. Sedangkan proses fluidisasi tipe bubbling
dan circulating terlihat pada Gambar 34.
Gambar 33. Variasi kecepatan gas pada fenomena fluidisasi
Gambar 34. Proses fluidisasi tipe bubbling dan circulating
Parameter-parameter utama yang penting dalam proses rancangan
ruang bakar fluidized bed antara lain:
a. Karakteristik partikel bed (ukuran, densitas, distribusi ukuran
partikel, panas jenis)
b. Superficial velocity dan solid circulation flux
c. Kecepatan fluidisasi
d. Pressure drop sepanjang bed (termasuk siklon)
e. Efisiensi siklon
f. Tinggi riser
g. Combustion residence time
42| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Kelebihan & Kekurangan Insinerasi tipe fluidized bed
Beberapa kelebihan dari tipe insinerasi fluidized bed adalah:
Konsep desain lebih sederhana sehingga biaya investasi dan
perawatan relatif lebih kecil
Efisiensi termal keseluruhan dapat mencapai 90%
Bagian mekanikal yang bergerak lebih sedikit, sehingga keausan
yang terjadi lebih sedikit
Dapat digunakan untuk variasi campuran yang berupa cairan
(sludge) dan limbah padat
Sedangkan kekurangan dari insinerasi tipe ini adalah:
Masih sedikit digunakan terutama untuk aplikasi limbah padat yang
tercampur atau tidak dipilah terlebih dahulu, sehingga belum
begitu teruji performanya. Begitu pula belum teruji untuk kapasitas
yang cukup besar
Kontrol operasi cukup sulit untuk mengakomodasi fluktuasi
sampah karena pembakaran yang begitu cepat
Bahan bakar tambahan dibutuhkan untuk nilai kalor sampah yang
lebih rendah
Membutuhkan pre-treatment terlebih dahulu untuk pembakaran
yang stabil, karena permintaan komposisi dan ukuran sampah yang
cukup ketat
Rotary kiln incinerator
Rotary kiln incinerator merupakan jenis insinerasi yang memiliki
kerangka silindris yang dilapisi material refraktori, yang terpasang pada
sudut kemiringan rendah seperti terlihat pada Gambar 35. Rotasi dan
sudut kemiringan dari tanur (kiln) menyebabkan bergeraknya limbah
melalui tanur sekaligus meningkatkan efektifitas pencampuran limbah
tersebut dengan udara dengan jumlah sedikit. Rotary kiln pada
umumnya memerlukan suatu ruang bakar sekunder (after-burner)
untuk memastikan hancurnya unsur-unsur yang berbahaya secara
menyeluruh dan pembakaran yang sempurna.
43
Gambar 35. Insinerasi jenis rotary kiln
Ruang bakar sekunder pada umumnya memiliki tipe stoker (moving
grate) yang dipasang setelah rotary kiln. Sehingga rotary kiln pada
umumnya dikombinasikan dengan moving grate untuk mendapatkan
karakteristik pembakaran yang baik. Ruang utama berfungsi untuk
terjadinya pembakaran limbah padat menjadi gas. Reaksi pembakaran
fasa gas disempurnakan di dalam ruang sekunder. Kedua ruang utama
dan sekunder secara umum dilengkapi dengan sistem bahan bakar
pembantu (auxilliary burner). Abu dari proses insinerasi kemudian
keluar melalui ash conveyor yang berada di bawah ruang bakar.
Konsep Ruang bakar insinerasi jenis Rotary Kiln
Ruang bakar rotary kiln sangat cocok digunakan untuk jenis sampah
campuran tanpa proses pre-treatment (pencacahan dan pemilahan).
Secara skematis rancangan sistem insinerator dengan ruang bakar
rotary kiln ditunjukan pada Gambar 36. Bahan baku (feedstock) berupa
sampah kota akan masuk melalui ujung atas rotary kiln. Putaran rotary
kiln digerakan oleh motor penggerak dengan kecepatan rendah (< 5
rpm) yang memungkinkan sampah akan terbakar dengan waktu tinggal
antara 30-90 menit. Temperatur pembakaran kiln berkisar antara 850–
44| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
1,000 °C atau dapat lebih tinggi antara 1,000–1,200 °C untuk
memastikan hancurnya komponen berbahaya dioxin dan furan.
Ruang bakar rotary kiln, merupakan suatu ruang bakar pembakaran
tertutup yang dijaga agar bertekanan negatif dengan suplai udara
sebagai oksidator pembakaran. Pembakaran dilakukan secara
bertingkat, pada tingkat pertama bahan baku (feedstock) dibakar
sehingga menghasilkan gas hasil pembakaran dan panas. Pada tingkat
berikutnya, rotary kiln dilengkapi oleh afterburner yang akan aktif jika
temperatur pembakaran turun akibat tingginya kandungan air
komponen ataupun turunnya kualitas sampah bahan baku.
Gambar 36. Skema ruang bakar rotary kiln dalam sistem PLTSa
Pada bagian akhir dari rotary kiln, komponen abu akan meleleh dan
membentuk slag. Pada bagian pengumpul abu, sejumlah abu akan
dicampurkan dengan air sehingga terjadi proses de-slagging sehingga
akan terbentuk granulated slag. Sistem pengumpul abu pada rotary
kiln, tidak berbeda pada sistem moving grate seperti yang telah
dijelaskan pada bagian sebelumnya.
Gambar 37. Skema proses ruang bakar rotary kiln
45
Secara skematik rancangan ruang bakar rotary kiln ditunjukan oleh
Gambar 37 dengan aspek dasar rancangan dibuat berdasarkan
kebutuhan meliputi:
a. Karakteristik olah bahan baku (nilai kalor, kandungan air, ukuran,
komposisi sampah)
b. Kapasitas olah ruang bakar (kg/jam)
c. Temperatur pembakaran
d. Residence time dan kecepatan putar kiln
e. Limit emisi (tar, NOx, slagging)
Sehingga didapatkan beberapa parameter rancangan yakni :
a. Diameter kiln dan panjang kiln, tebal dinding ruang bakar refraktori
dan insulasi
b. Sudut inklinasi, kecepatan putar kiln, daya motor penggerak kiln
c. Sistem pembakar tambahan dan Air fuel ratio
d. Komposisi gas hasil pembakaran dan rendemen produk
Kondisi operasional dari rotary kiln dapat mencapai suhu 800-1650 °C,
sehingga insinerator jenis ini memiliki resistansi paling baik terhadap
pembakaran temperatur tinggi. Sistem insinerator jenis rotary kiln
merupakan sistem pengolahan limbah yang paling universal dari segi
jenis dan kondisi limbah sampah yang dikelola. Insinerator jenis ini
dapat digunakan untuk mengolah berbagai jenis limbah padat dan
sludge (cair) dengan kuantitas sangat besar.
Kelebihan dari pembakaran dengan rotary kiln adalah:
Variasi jenis sampah yang luas dapat dibakar, termasuk jenis
padatan dan cairan limbah untuk variasi komposisi dan nilai kalor
yang luar
Tidak membutuhkan pemilahan atau pre-treatment lainnya
Efisiensi termal dapat mencapai 80%
Memiliki waktu retensi yang lama, sehingga mampu mengatasi
limbah berbahaya
Memiliki isolasi termal yang baik
46| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Sementara kekurangan dari pembakaran dengan rotary kiln adalah:
Biaya investasi, serta biaya operasi dan perawatan mesin yang
tinggi karena masalah teknis yang sering terjadi untuk limbah padat
yang tercampur seperti erosi pada material refraktori, deposisi
plastik.
Kapasitas untuk tiap ruang bakar pada umumnya dibatasi pada 480
ton/hari
Belum ada rekam jejak yang baik untuk tipe insinerasi jenis ini,
karena teknologi yang belum cukup dikenal
Operasi secara kontinu sulit untuk ditebak
Perbandingan antara tipe insinerasi FB dan MG stoker
Pada subbab ini, akan dijelaskan perbandingan tipe insinerasi antara
fluidized bed dan moving grate (stoker). Tipe insinerasi fixed bed tidak
dimasukkan dalam perbandingan karena kapasitasnya yang sangat
kecil dan sudah jarang digunakan untuk saat ini. Sedangkan insinerasi
jenis rotary kiln tidak dimasukkan dalam perbandingan karena belum
ada rekam jejak cukup baik dan kapasitas ruang bakar yang kecil
sehingga biaya akan sangat besar untuk kapasitas yang besar. Maka
untuk menyempitkan fokus dari perbandingan insinerasi, yang dibahas
dalam perbandingan hanya untuk tipe insinerasi fluidized bed dan
moving grate.
Perbandingan yang akan dibahas adalah terkait stabilitas pembakaran,
hasil sisa pembakaran, dan beban lingkungan/sampah. Perbandingan
kedua teknologi tersebut dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4. Perbandingan antara tipe insinerasi fluidized bed dan moving
grate stoker
Kriteria Stoker (MG) Fluidized bed
Stabilitas Pembakaran
- Tipe pembakaran paling umum
- Untuk kapasitas yang besar sudah teruji
- Kontrol operasi cukup sulit untuk mengakomodasi fluktuasi sampah karena pembakaran cepat
- Membutuhkan bahan bakar tambahan untuk mengakomodasi variasi sampah
47
Kriteria Stoker (MG) Fluidized bed
Hasil Sisa Pembakaran
- Bottom ash - Fly ash
- Fly ash - Sampah tak terbakar
(termasuk logam) Beban Lingkungan
- Tidak ada - Membutuhkan tambahan bahan bakar untuk nilai kalor yang rendah
Sehingga dari kriteria-kriteria tersebut, dapat diambil penilaian pada
Tabel 5.
Tabel 5. Penilaian antara tipe insinerasi fluidized bed dan moving grate
stoker
Kriteria Stoker (MG) Fluidized bed (FB)
Stabilitas
Hasil Sisa
Beban Sampah
A
B
A
C
B
B
TOTAL A B
Sehingga dapat disimpulkan bahwa insinerasi jenis stoker (moving
grate) lebih baik dan lebih direkomendasikan untuk digunakan. Dan hal
ini pula yang mendasari bahwa hampir seluruh tipe insinerasi di dunia
menggunakan jenis moving grate atau stoker, sehingga memiliki rekam
jejak yang baik.
Aplikasi Wte Termal Insinerasi Di Dunia
Berbagai macam kapasitas dan jenis PLTSa atau WtE Termal Insinerasi telah
dibangun di berbagai negara, baik negara maju maupun negara berkembang.
Beberapa negara memiliki PLTSa dengan kapasitas yang sangat besar, sebagai
contoh adalah Tuas Incineration Plant di Singapura dengan kapasitas mencapai
4320 ton/hari, serta Shenzen Incineration Plant yang akan selesai dan
dioperasikan pada tahun 2020 dengan kapasitas mencapai 5000 ton/hari yang
akan menjadi PLTSa dengan kapasitas terbesar di dunia, serta menghasilkan
kurang lebih 165 MWe listrik. Pada subbab berikut akan dijelaskan beberapa
WtE termal insinerasi atau PLTSa yang telah dibangun di berbagai negara,
teknologi yang disediakan oleh vendor, serta contoh PLTSa yang telah sukses
dibangun.
48| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
WtE Plant Dublin, Irlandia
WtE termal insinerasi di Dublin, Irlandia, seperti terlihat pada Gambar
38 disebut juga Poolbeg Incinerator. Plant ini dibangun oleh Covanta
dapat memproduksi 58 MW untuk melistriki 80.000 rumah dan untuk
menghangatkan ruangan di perkotaan hingga 50.000 rumah. Fasilitas
insinerasi ini dapat memproses kurang lebih 600.000 ton sampah per
tahun. Teknologi insinerasi dari WtE ini adalah menggunakan insinerasi
tipe mechanical moving grate stoker dengan pendingin udara.
Gambar 38. WtE PLTSa di Dublin, Irlandia
Tahap-tahap proses insinerasi pada WtE di Dublin adalah sebagai
beikut:
1. Truk sampah melakukan bongkar muat sampah pada tipping hall
sebelum masuk ke bungker sampah, lalu beberapa sampah yang
tidak dapat masuk dipisahkan terlebih dahulu untuk dibuang dan di
daur ulang secara terpisah.
2. Sampah dimasukkan ke storage pit dan dicampur agar seragam,
dijaga tekanan negatif.
3. Sampah masuk ke ruang bakar melalui hopper dan dilakukan
pembakaran dimana temperatur dijaga diatas 850°C. Sampah harus
terbakar habis dalam waktu 1-2 jam. Boiler yang digunakan sebagai
heat recovery dari flue gas memiliki spesifikasi 4-pass untuk water-
tube nya, dan orientasi horizontal.
4. Uap superheated dari boiler kemudian digunakan untuk
membangkitkan listrik pada turbin. Kemudian uap keluar dari turbin
49
dikondensasi menggunakan kondensor sehingga air dikembalikan ke
boiler (closed-loop system)
5. Untuk treatment flue gas, maka plant ini menggunakan tiga fasilitas:
i. Lime dan semi-dry scrubber reactor untuk menetralkan asam.
Kemudian menggunakan activated carbon untuk mengontrol
emisi logam berat seperti Hg.
ii. Untuk mengontrol emisi pada flue gas, maka plant ini
menggunakan fabric filter bag yang jumlahnya mencapai ribuan
bag.
iii. Wet scrubber juga di-install pada plant ini dengan melewatkan
flue gas dengan menyemprotkan air dan sodium hydroxide
untuk mengurangi temperatur keluar flue gas dan mengurangi
kadar HCl.
Secara keseluruhan, skema proses dari WtE Covanta dapat dilihat pada
Gambar 39. Flue gas yang keluar dari plant ini memiliki emisi yang
sangat rendah. Penggunaan air diminimalisir dengan menggunakan air
tanah dan air hujan dari site, dan dari waste water treatment plant. Air
pendingin menggunakan sumber air Liffey Estuary di dekat WtE.
Gambar 39. Skema Insinerasi WtE di Dublin, Irlandia
50| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Tuas South Incineration Plant, Singapore
Plant insinerasi yang cukup terkenal di Asia Tenggara secara khususnya
adalah Tuas South Incineration Plant (TSIP) yang dibangun oleh MHI
(Mitsubishi Heavy Industries) seperti terlihat pada Gambar 40, dimana
PLTSa ini merupakan salah satu yang terbesar di Asia, bahkan dunia,
dengan kapasitas desain mencapai 4.320 ton/hari (720 x 6 ton/hari)
dengan menghasilkan listrik maksimum 66.3 x 2 MW (desain).
Gambar 40. Tuas Plant Incineration oleh MHI
TSIP menggunakan konsep insinerasi moving grate pada ruang
bakarnya untuk pembakaran sampah, dimana temperatur pada ruang
bakar dijaga pada 1000°C. TSIP menggunakan treatment flue gas
berupa dry lime reactor untuk menetralkan asam pada flue gas dan
electrostatic precipitator untuk menangkap debu pada flue gas.
Berikut ini adalah spesifikasi dan equipment dari Tuas Incineration
Plant seperti yang terlihat di Gambar 41.
Incineration Capacity : 3,000 tonnes per day
Steam Generation per Boiler : 105 tonnes per hour, 35 barG at 370
degC
Condensing Pressure : 0.17 barA
Power Generation Capacity : 80 MW, 10.5kV generator voltage
Refuse Handling
o 8 weighbridges of 50 tonnes capacity each
o 24 refuse discharge bays and 2 refuse screening bays served by
a hydraulic polyp grab
51
o 4 bulky waste rotary shears with 25 tonnes per hour capacity
o 2 bulky waste cranes and 4 refuse cranes of 10m3 each (wire
rope operated)
o 2 separate refuse storage bunkers and 1 bulky waste storage pit
Refuse Incineration and Steam Generation: 6 stoker / furnace units
with integral boilers
Flue gas Handling
o 6 two-zone electrostatic precipitators
o 6 ten-compartment catalytic bag filters each comprising 2,240
fabric bags
o 2 concrete chimneys of 150 m height with ceramic brick inner
Power Generation: 2 condensing steam turbines coupled to
generators (max. rating of 66.3MW each)
Steam Condensation: 2 air-cooled condenser systems with 12 fans
each
Cooling Closed-loop system with treated water
Rain Water Collection: 2 rain water buffer basins with 7,000 m3
storage capacity
Boiler Feedwater Treatment: NEWater is polished with activated
carbon, multi-gravel filters and is treated with cation, anion and
mixed bed ion exchangers
52| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Gambar 41. Proses insinerasi dari TSIP
Emisi yang dapat dicapai oleh TSIP tergambar dalam Tabel 6.
Tabel 6. Level emisi yang dapat dicapai TSIP
Parameter Limit
(based on Regulations) Plant Level
Particulate substances 50 2.08
Hydrogen chloride 200 128
Sulphur dioxide 1700 79
Carbon monoxide 250 16
Dioxin & furans 0.1 0.0324
Mercury & its compounds 0.05 0.0059
Nanjing City WtE Plant, China
Sebuah WtE Plant dengan tipe moving grate telah dibangun oleh Ebara
di Nanjing City seperti terlihat pada Gambar 42 dengan kapasitas 2000
ton/hari. WtE Plant ini adalah bagian dari tujuh plant yang dibangun
perusahaan tersebut, dua dengan jenis fluidized bed, lima berupa
moving grate. Spesifikasi WtE Plant di Nanjing adalah sebagaimana
terlihat pada Tabel 7.
53
Gambar 42. Skematik Teknologi Insinerasi di Nanjing City
Tabel 7. Spesifikasi Moving Grate Incineration di Nanjing City
Item Specification
Incinerator Model High Pressure Combustion Control Capacity: 2000 ton/day (500 t / 24h x 4 lines) Type: Natural Circulation water tube boiler with superheater
Boiler Steam capacity: 47 ton/hour (Max. 51.7 ton/hour) x 4 units Steam condition: 400 degC x 4.0 MPaG (at superheater) Steam turbine (condensing type) + generator
Steam turbine generator
Steam turbine: 18 MW x 2 units Generator: 20 MW x 2 units
Flue-gas treatment facility
Dust collector type: Bag filter Removal method of HCl & SOx : semi-dry type system (slaked-lime slurry rotary atomizing injection) + dry type system (sodium bicarbonate injection) De-NOx method: Selective Non Catalytic Reduction + Selective Catalytic Reduction Removal method of dioxins & Hg compounds: activated carbon injection
menandatangani PJBL dalam jangka waktu paling lambat 30 (tiga
puluh) hari sejak Pengembang PLTSa menerima IUPTL sementara.
Pasal 14 ayat (1): Pelaksanaan pembangunan PLTSa oleh Pengembang
PLTSa wajib mencapai COD paling lambat dalam jangka waktu 36 (tiga
puluh enam) bulan sejak ditandatanganinya PJBL
Pasal 14 ayat (2): Pelaksanaan pembangunan PLTSa yang tidak
mencapai COD sebagaimana dimaksud pada ayat (1), dikenakan
penurunan harga pembelian tenaga listrik dengan ketentuan sebagai
berikut
119
a. Keterlambatan sampai dengan 3 (tiga) bulan dikenakan penurunan
harga sebesar 3% (tiga persen);
b. Keterlambatan lebih dari 3 (tiga) bulan sampai dengan 6 (enam)
bulan dikenakan penurunan harga sebesar 5% (lima persen);
c. Keterlambatan lebih dari 6 (enam) bulan sampai dengan 12 (dua
belas) bulan dikenakan penurunan harga sebesar 8% (delapan
persen).
Pasal 14 ayat (3): Dalam hal COD tidak tercapai dalam jangka waktu 48
(empat puluh delapan) bulan sejak ditandatangani PJBL, penetapan
sebagai Pengembang PLTSa dicabut oleh Dirjen EBTKE atas nama
Menteri.
Latihan Soal
1. Jelaskan tiga metode menghitung nilai kalor (LHV) dari sampah ! Uji
apakah yang diperlukan sebelum menghitung nilai kalor tersebut?
2. Jelaskan langkah-langkah menghitung daya pembangkitan bersih dari
pembangkit !
3. Apakah yang dimaksud dengan OPEX dan CAPEX? Sebutkan komponen-
komponen dari masing-masing nya!
Rangkuman
Karakteristik sampah dapat dikelompokkan menurut sifat-sifatnya,
seperti:
a. Komposisi: sebaran jumlah dari jenis sampah yang berbeda
b. Karakter fisika: densitas, sebaran ukuran, proksimat (kadar air,
kadar volatile, kadar abu, kadar karbon tetap), nilai kalor
c. Karakter kimia: susunan kimia sampah terdiri dari unsur C, N, S, O,
P, H, Cl, Hg, dsb.
Data nilai kalor (LHV) dapat diperoleh dengan menggunakan tiga
metode, yaitu:
a. Kalorimeter bom
b. Rumus pendekatan analisis proksimat
c. Pesamaan Dulong, Steuer, Scheurer-Kestner
120| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Beberapa jenis sampah yang tidak dapat diterima oleh fasilitas PLTSa
antara lain adalah:
a. Limbah kimia/B3
b. Kaca
c. PVC
d. Alumunium foil
e. Dan lain sebagainya
Analisis konversi energi dari WtE termal insinerasi mencakup
perhitungan nilai kalor (HV) dengan menggunakan persamaan Dulong,
perhitungan energi pada steam yang tersedia, perhitungan daya
pembangkitan listrik, daya pemakaian sendiri, heat loss, dan daya
bersih pembangkit.
Analisis teknoekonomi mencakup perhitungan NPV (Net Present
Value), IRR (Internal Rate of return), Net Benefit Cost Ratio (Net B/C
Ratio), Payback period, CAPEX, dan OPEX.
Pembuatan WtE dengan daya yang sama memiliki biaya OPEX dan
CAPEX yang lebih besar dibandingkan dengan landfill, namun biaya
investasinya sedikit lebih kecil WtE dibandingkan landfill.
121
IDENTIFIKASI DAN KOMPARASI WtE TERMAL
Parameter Incinerator Gasifikasi
Konvensional Gasifikasi Plasma
Termal Sanitary Landfill Hybrid
Fleksibilitas bahan baku
Jenis bahan baku Campuran, kadar material non-organik jauh lebih banyak
Campuran Campuran
Campuran, kadar material organik jauh lebih banyak (>60%)
Sampah tersortir sebagai sampah organik dan sampah non organik
Toleransi ukuran bahan
-Grate bergerak: ukuran heterogen, tanpa pemilahan -Fluidized bed: perlu ukuran tertentu dan seragam
-Fixed bed: <50 mm -Entrained flow: <1 mm -Fluidized bed: <20 mm
Ukuran tidak terbatas namun lebih baik seragam
Ukuran tidak terbatas namun lebih baik seragam
-Gasifikasi: perlu penyesuaian ukuran dengan jenis gasifier -Insinerasi : perlu ukuran yang seragam agar efisien -Sanitary landfill: ukuran tidak terbatas, sebaiknya seragam
Toleransi kelembaban bahan baku
Rendah -Fixed bed: 15% -Entrained flow: 10-55% -Fluidized bed: 5-60%
Sangat tinggi (tidak perlu dipertimbangkan)
Sangat tinggi Sampah non organik sebaiknya memiliki kelembaban rendah
Kuantitas energi dihasilkan
-Produk gas Gas hasil pembakaran (CO, CO2, H2O, SOx, NOx) dan debu
Syngas (CO dan H2) dengan kualitas cukup, gas mengandung
Syngas (CO dan H2) dengan kualitas sangat tinggi, gas
Gas landfill, mengandung metana (40-60%),
-Gasifikasi : Syngas (CO dan H2) dengan kualitas cukup,
122| Modul 09 – Teknologi Termal WtE Berbasis Proses Pembakaran (Insinerasi)
Parameter Incinerator Gasifikasi
Konvensional Gasifikasi Plasma
Termal Sanitary Landfill Hybrid
pengotor (debu, tar, asam)
mengandung sedikit pengotor (asam)
CO2 (40-55%), lain-lain (N2, NH3, asam, dsb.)
gas mengandung pengotor (debu, tar, asam) -Insinerasi : Dioksin (SOx, NOx, dan CO2) -Gas landfill, mengandung metana (40-60%), CO2 (40-55%), lain-lain (N2, NH3, asam, dsb.)