PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

PENENTUAN KEDALAMAN PENETRASI BERKAS ELEKTRON350 keY DALAM GAS BUANG PAD A SISTEM PENGOLAHAN

GAS BUANG SKALA LABORATORIUM MENGGUNAKANMESIN BERKAS ELEKTRON

Rany SaptaajiPuslitbang Tekn%gi Maju - BATAN Yogyakarta

ABSTRAK

PENENTUAN KEDALAMAN PENETRASI BERKAS ELEKTRON 350 keV DALAMGAS BUANG PADA SISTEM PENGOLAHAN GAS BUANG SKALALAS ORA TORIUM MENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON Da/am tulisan inidisajikan hasil perhitungan keda/aman penetrasi berkas elektron 350 keV dalambahan gas buang (flue gas) dari PLTU berbahan bakar batu bara. Proses ElectronBeam for Flue Gas Treatment (EB-FGT) adalah proses pengolahan kering gas buangmenggunakan berkas elektron yang secara simultan dapat mereduksi 802 dan NOx.

lradiasi gas buang menghasilkan radikal-radikal aktif yang kemudian bereaksi dengan802 dan NOx membentuk asam sulfat dan asam nitrat. Dalam proses pengolahan inidiblltuhkan bejana proses yang berfungsi sebagai tempatlwadah terjadinya reaksiantara gas buang dengan berkas elektron. Untuk menentukan dimensi bejana prosesperfu ditentukan/dihitung kedalaman penetrasi berkas elektron pada gas tersebut.8ecara perhitungan diperoleh kedalaman penetrasi optimum berkas elektron 350 ke V

ke dalam gas buang adalah 12,208 cm.

Kata kunci: gas buang, berkas elektron 350 ke V, penetrasi, bejana proses.

ABSTRACT

DETERMINA TION OF PENETRA TION DEPTH OF 350 keV ELECTRON BEAMINTO FLUE GAS AT LABORA TORIUM SCALE FLUE GAS TREA TMENT SYSTEMUSfNG ELECTRON BEAM MACHINE. Penetration depth calculation of 350 keVelectron beam into flue gas from coal fired power plan is presented in this paper.Electron Beam for Flue Gas Treatment (EB-FGT) is a dry treatment process usingelectron beam to simultaneously reduce 802 and NOx. Flue gas irradiation producesactive radicals and then reaction with 802 and NOx produces nitrate acid and sulphateacid. Process vessel is needed in this process as reaction container of flue gas withelectron beam. The calculation of electron beam penetration depth into flue gas isused to determine the process vessel dimension. The result of calculation found thatthe optimum penetration depth of 350 keV electron beam into flue gas is 12,208 cm.

Ke.v word: flue gas, electron beam 350 keV, penetration, process vessel.

PENDAHULUAN

Pencemaran udara oleh gas buang S02 dan NOxdari hasil pembakaran bahan bakar sepertiminyak atau batu bara yang terjadi saat ini kalautidak dikendalikan akan membahayakan kehidupan

manusia, karena kedua gas buang tersebut dapatmenimbulkan hujan asam. Kadar pencemaran S02

dan NOx ini dapat dikurangi melalui pengolahan gasbuang (Flue Gas Treatment), baik secarakonvensional maupun secara maju. Pengolahan gasbuang menggunakan Mesin Berkas Elektron (MBE)di negara-negara maju seperti Cina, Jepang danPolandia pada saat ini telah dilakukan tidak hanyadalam skala laboratorium atau pilot tetapi sudahmulai masuk dalam skala industri. Hal tersebut

Rani Saptaaji ISSN 1410 - 8178 501

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan ProsesBahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

mengindikasikan bahwa teknologi MBE dipandangeukup baik sebagai sarana pengolah gas buang S02dan NOx.

Berkas elektron dari Mesin Berkas Elektron

untuk pengolahan gas buang sejak dua dekade yanglalu telah dikembangkan di beberapa negara maju.Proses Electron Beam for Flue Gas Treatment (EB­FGT) adalah proses pengolahan kering gas buang(flue gas) menggunakan berkas elektron yangsecara simultan dapat mereduksi S02 dan NOx'lradiasi berkas elektron pada gas buangmenghasilkan radikal-radikal aktif dan bereaksidengan S02 dan NO, membentuk asam suifat danasam nitrat.(1]

Sejalan dengan keeederungan pengolahangas S02 dan NOx yang dilakukan di negara-negaramaju, serta telah tersediaanya peralatan MBE diPTAPB-BA TAN maka perlu kiranya dilakukankajian mengenai pengolahan gas S02 dan NO,menggunakan MBE. Sebagai langkah awal makadilakukan peraneangan perangkat .eksperimenpengolah gas buang skala laboratoriummenggunakan MBE 350 keV/5 mA yang ada diPTAPB.

Salah satu kegiatan yang dapat menunjangterealisasinya perancangan perangkat .eksperimenpengolah gas buang adalah perhitungan penetrasiberkas elektron di dalam gas buang sebagi dasarpenentuan dimensi bejana proses (process vessel).Bejana proses berfungsi sebagai tempat/wadahterjadinya reaksi antara gas buang dengan berkaselektron. Dengan melakukan perhitungan penetrasiberkas elektron diharapkan dapat diperoleh datauntuk menunjang pembuatan bejana proses gasbuang, sehingga dapat mendukung terealisasinyaperancangan perangkat .eksperimen pengolah gasbuang skala laboratorium.

Berkas Elektron untuk Pengolahan GasBuang

Berbagai teknologi dan proses telahdikembangkan untuk mengurangi emisi S02 danNO., di antaranya adalah FGD (Flue GasDesulphurisation), SCR (Selective CataliticReduction) dan EB-FGT (Electron Beam for FlueGas Treatment) menggunakan MBE. Penerapanteknologi EB-FGT di Pembangkit Listrik TenagaUap (PLTU) yang menggunakan bahan bakar batubara merupakan solusi terbaik untuk memeeahkanpermasalahan yang berhubungan dengan peraturanmengenai pengelolaan Iingkungan hidup. Selain ituproses radiasi menggunakan MBE mempunyaibeberapa kelebihan dibandingkan dengan proseskonvensional (FGD dan SCR) antara lain:merupakan suatu sistem proses yang kompakkarena dapat mengolah S02 dan NOx seeara

serentak dengan tingkat efisiensi tinggi; ~angatcoeok untuk pengolahan gas buang dengankandungan S02 yang tinggi dan membutuhkan airproses sedikit dibandingkan FGD; ramahlingkungan karena proses akan mengubah polutanmenjadi pupuk pertanian dan tidak menghasilkanlimbahlpolutan baru; lebih ekonomis ditinjau darisegi konstruksi dan operasi instalasi, serta pengaruhterhadap biaya produksi tenaga Iistrik relatif kecilbahkan ada kemungkinan berubah menjadikeuntungan bila produk pupuk dapat dikeloladengan baik; lahan yang dibutuhkan untuk instalasiini relatif lebih kecil dibandingkan denganteknologi sejenis yang lain.

Pengolahan gas buang S02 dan NO,menggunakan berkas elektron pada umumnyamerupakan teknologi desulfurisasi dan denitrasiyang dikombinasi dengan penambahan gas amoniakyang dimasukkan ke dalam suatu bejana proses.Ketika gas buang teriradiasi oleh berka..~elektron,komponen gas di dalam bejana tersebutbertumbukkan dengan elektron yang erenerginyaeukup untuk menghasilkan ionisasi molekuler, atombebas dan spesies radikal seperti 0, OH, N danH02. Radikal bebas terbentuk sangat reaktif danbila bertemu dengan sulfur dioksida (S02) dannitrogen oksida (NOx) akan mengubahnya menjadiasam sufat dan asam nitrat, dan dengan adanyapenambahan amoniak akan menghasilkan produksamping berupa bahan pupuk pertanian.

Ada berbagai parameter yang dapatmempengaruhi pengolahan gas buangmenggunakan berkas elektron, antara lain: efisiensipengambilan polutan (removal eficiency), energiberkas elektron, arus berkas, dan dosis radiasi.Distribusi dosis dan penetrasi berkas elektronmemegang peran penting dalam proses iradiasisuatu bahan

Gambar 1. Skemaj7ue gas treatment menggunakanberkas elektron

Penetrasi Berkas Elektron

Jangkau elektron (S) dalam materi adalahjarak tegak lurus dari permukaan bahan/materi

502 ISSN 1410 - 8178 Rani Saptaaji

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

ketika te~jadi tumbukan sampai elektron berhentimemberikan energinya. Jangkau elektron sangatdipengaruhi oleh beberapa parameter antara lain:kerapatan/densitas bahan yang ditumbuk dan energielektron yang menumbuk. Seeara pendekatanrumusan jangkau elektron dibedakan menjadi tigakatagori energi yaitu: energi rendah antara 10 - 100keY, energi medium antara 100 keY - 1 MeV danenergi tinggi di atas 1 MeV[4]Pada rentang energi antara 10 keY < e VB < 100keV,jangkau elektron,

S= 2,1 x 10-12 U£i2/p (1)

Rentang energi e1ektron antara 10 keY - 1 MeV,

S = 6,67 x 10 -J ) VB 5/3/ P (2)Rentang energi elektron di atas 1 MeV,

S= lip (5,1 X 10-7 VB-0,26) (3)-dengan :

S = jangkau elektron (em)

p = densitas bahan (gr/em3)VB = tegangan pemereepat (Volt)

Dari rumus di atas terlihat bahwa makin

besar energi elektron yang menumbuk, maka makindalam jangkau elektron masuk ke bahan, demikianjuga semakin besar densitas bahan, jangkau elektronakan semakin dangkal/pendek.

19 ·cm-l

61-- '" ~'-L'1.•.•..••­.0 ,••--:"'-;""". L~

--.,.--_:.. -t-t-=-"I I'" .. , I~ - - •... :.... j.~ 'jt - f;/ ~-n'"1 I / n Ilfl.

.: .:; Zi !'! ~!'4

~ . :.,..'I ;' ..J ~'1.J1r) u •~, _.; :::. i: ':.:. 1 ! ;~~t . ~

6 :. "i": ./. ··---'-li~-- --'Ii - :·~;_~:}i7t:.;:-~I ~~,:l;ii' -~-.~

: '. i'" 1[ I : I : :.! I;Z ...•••. I'· -- _.L ••. L_ •••••..••• ~- •••. i. Ii: : J L.' I'

-1.--1,. :I :;!

;--~-j":-Htl.__~...l., : '.- I .'j I I r

~L_UJIIItKJ4. 1 ~ 0 8 ms 1 .6: I 8 1()$ $'1 J

8iJ8 ----

Gambar 2. Kedalaman penetrasi Spdengan energieVn

Dimana besarnya energi elektron sebanding dengantegangan pemercepatnya. Secara umum kedalamanpenetrasi merupakan perkalian antara jangkauelektron clengan densitas bahan yang dilewati, dansatuan penetrasi tidak terpengaruh oleh densitasnya.

Pada Gambar 2 ditunjukkan hubungan antarakedalaman penetrasi pada bahan dengan berbagaienergi elektron yang merupakan hasil pendekatanrumus di atas.

Energi yang terserap pada bahanmempunyai distribusi tidak merata, berarti dayayang terserap per satuan volume merupakan fungsidari jarak. Seeara pendekatan, daya berkas yangdiserap persatuan volume pAz) pada jarak zdituliskan sebagai berikut:

pA(Z)/pAmak = 1- 9/4 (z1S-1/3)2 (4)

dengan:

PAmak = 4/3 '7A VB J = harga maksimum daya yangterserap per satuan volume pada jarak z =S/3 di permukaan

z = jarak dari permukaan bahanS = jangkau elektronVB = tegangan pemereepatJ = rapat arus berkas

'7A = bagian berkas yang terserap.Jangkau elektron (S) bergantung pada energi kinetik(Ek) dan dapat dihitung untuk bahan dengan nomoratom (Z) rendah menggunakan rum us empirisberikut:

S = 0,412 Ek" (5)

dengan:n = 1,265 - 0,095 In Ek, untuk 0,01 < Ek < 2,5 Me V

n = 0,53 Ek- 0,106, untuk 2,5 < Ek < 20 MeV.

Berkas elektron yang terukur pada targethanya berkas yang mempunyai daya cukup untukmenembus jendela pemayar (scanning window)pada MBE dan udara atmosfer dari jendelapemayar sampai ke target. Selain itu distribusikedalaman penetrasi pada suatu bahan tidak sarnajangkauannya, tetapi distribusinya sesuai persamaan(4).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam pengolahan gas buang (S02 danNOx) menggunakan mesin berkas elektron, perluadanya bejana proses (process vessef) yangberfungsi sebagai tempatlwadah terjadinya reaksiantara gas buang dengan berkas elektron. Dimensibejana proses perlu diperhitungkan gunamemperoleh hasil penanganan gas buang yangoptimal. Adapun salah satu hal yang cukupberperan untuk menentukan dimensi bejana prosesadalah kemapuan berkas elektron menembus gasbuang atau biasa disebut kedalaman penetrasiberkas elektron di dalam materi/bahan. Selain

penetrasi berkas elektron, untuk menentukandimensi dan geometri bejana proses perludisesuaikan dengan laju alir dari gas buang dan nilai

Rani Saptaaji ISSN 1410 - 8178 503

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan

Yogyakar1:a, 28 Agustus 2008

Gambar 3. Dosis relatif vs penetrasi berkaselektron

Dari data dosis relatif vs penetrasi berkaspada dosis relatif 0,7 (Iihat Gambar 3), besarnyapenetrasi (Pt) pada energi berkas 350 keY adalah0,07 gr/cm2• Sehingga besarnya penetrasi berkas(Pt I) setelah melewati window dan eelah udara

Perhitungan kedalaman penetrasi berkaselektron 350 keV

Besarnya kedalaman penetrasi (Pt) berkaselektron sebagi fungsi energi elektron dapat dilihatpada kurva Gambar 3. Sedangkan besarnyapenetrasi (Pt,) setelah berkas melewati window daneelah udara adalah:

Pfj = Pf - ((Iebal window x p...;ndow) + (Iebal celah udara x

Pod.ra)) (6)

Untuk mengetahui penetrasi berkas elektron dalamgas buang (Pt2) dapat dihitung sebagi berikut.

~=~~ mdengan p = densitas gas buang

dosis yang diterima gas buang selama berada didalam bejana proses.

Dalam peraneangan perangkat .eksperimenpengolah gas buang telah ditentukan spesifikasiMBE yang digunakan untuk pengolahan gas buangadalah MBE-PT APB dengan kapaisitas energi 350keY, arus berkas elektron 5 mA, window MBE danwindow bejana proses dari bahan Titanium dengantebal masing-masing 50 J..lmdan 25 J..lm,dan eelahudara antara window MBE dengan window bejanaproses 15 em.

Untuk menentukan kedalaman penetrasiberkas elektron dalam gas buang, perlu dibuatdistribusi dosis terhadap penetrasi berkas elektronseeara umum. Dengan menggunakan persamaan (4)dan (5) dan parameter lainnya seperti energi berkaselektron 350 keY,jarak z dimulai dari 0 hingga 0,12g/em2, maka dapat diperoleh harga PA(Z)/PA mak =Dosis(z)/Dosismak sehingga dapat dibuat kurvadistribusi dosis terhadap penetrasi berkas elektranseperti ditunjukkan pada Gambar 3, denganDosis(z)/Dosismak adalah dosis relatif.

1,2

dapat dihitung menggunakan persamaan (6) sebagaiberikut:

Pt, = Pt - «(tebal window x PWlIldm..) +(tebal celah udara x Pudara»dengan: tebalwindow MBE = 50 J..lm= 0,005 em

tebal window bejana proses = 25 J..lm= 0,0025 emtebal eelah udara = 15 em

bahan window MBE dan window bejana proses dariTitanium

P'i'anium = 4,6 gr/em3

Pudaro = 0,00125 gr/em3Sehingga diperoleh besarnya penetrasi

setelah berkas melewati window dan eclah udara(Pt,) adalah:Pt, = 0,07 gr/cm2 - (0,005 em x 4,6 gr/em3) +(0,0025 em x 4,6 gr/em3) + (15 em x 0,00125gr/em3» = 0,01675 gr/em2

Sedangkan besarnya penetrasi dalam gasbuang (Pt2) dihitung menggunakan persamaan (7)sebagai berikut:Pt2 = Pt/Pgasbuangdengan Pgasbuang= 0,001372 gr/em3Pt2= 0,01675 gr/em2: 0,001372 gr/em3

= 12,208 emDari Gambar 3 dapat dilihat bahwa

semakin besar energi berkas elektron makakedalaman penetrasi semakin dalam, sehingga dapatdikatakan bahwa kedalaman penetrasi berbandinglangsung dengan energi berkas elektron. Pada jarakZ = 0 (permukaan bahan), dosis relatif sebesar 75 %disebabkan karena iradiasi elektron belumseluruhnya diserap oleh bahan. Hal ini karena adasebagian dari berkas elektron yang terharnbur padasaat berinteraksi dengan permukaan bahan. Padakurva energi 350 keY, pada jarak z sekitar 0,04g/em2 dosis relatifnya 100 % atau maksimum. Iniberarti bahwa dosis terserap semua, hal ini akibatterjadinya serapan berkas elektron seeara maksimaloleh bahan. Setelah jarak z melebihi 0,04 g/em2kemudian turun secara eksponensial karena dosismulai berkurang. Hal ini dikarenakan energielektron berkurang, dimana dosis merupakanbesarnya energi yang diserap per satuan volume.Kejadian seperti ini berlaku untuk semua t:nergi dariberkas elektron.

Dari masing-masing kurva pada Gambar 3dapat diketahui bahwa pada hakekatnya distribusidosis meningkat dari nilai permukaan ke maksimumpada kedalaman tertentu pada bahan dan seearaperlahan menurun kembali sampai harga terendahpada ujung dari jangkauan elektron, Titik dimanadosis keluar sarna dengan dosis masuk akanmenentukan batas ketebalan optimum untuk bahanyang diiradiasi satu sisi (single-sided treatment).Untuk iradiasi pada sisi berlawanan (iradiasi duasisi), maka total tebal dapat 15 % lebih besar dari 2

0,120,10,02 0,04 0,06 0,08Penetrasi (grfcm2)

~0,8n;"§ 0,6'".~ 0,4o

0,2

504 ISSN 1410-8178 Rani Saptaaji

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

kali tebal optimum pada iradiasi satu sisi, karenaadanya overlap ujung dari distribusi dosis­kedalaman. Tebal optimum ditentukan agar dalambahan yang diiradiasi menerima dosis yangseragam. Dalam praktek khususnya dalam industri,perbandingan dosis maksimum/dosis minimum(DmadDmin) yang diterima oleh bahan dapatmencapai I sampai 1,5.[6J Pada proses iradiasitertentu perlu ditetapkan toleransi harga DmadDmin

yang dianggap masih dapat memberikan hasiliradiasi yang baik. Hal ini tergantung kasus demikasus terhadap perubahan kimia/fisika yangdiinginkan terhadap bahan yang diiradiasi.

perhitungan kedalaman penetrasi berkaselektron dilakukan dengan tujuan untuk mengetahuikemampuan berkas elektron masuk di dalam suatubahan/materi, sehingga ketebelan optimum daribahan yang diiradiasi dapat ditentukan. Dari hasilperhitungan kedalaman 'penetrasi berkas elektrondalam bahan (Gambar 3) terlihat bahwa semakinbesar energi berkas, maka kedalaman penetrasiberkas semakin besar. Untuk energi 350 keY, besardosis efektif yang dapat digunakan agar dapatmemenuhi keseragaman dosis relatif ~ 70 % atauDmadDmin dapat meneapai I sampai 1,5, makakedalaman penetrasi berkas optimum adalah0,01445 gr/em2. Kedalaman penetrasi optimum iniselanjutnya digunakan untuk menghitungkedalaman penetrasi pacta gas buang yangmempunyai P/{as huan/{ = 0,001372 gr/em3• Dariperhitungan di depan diperoleh kedalaman penetrasiberkas elektron 350 keY dalam gas buang adalah12,208 em. Dengan demikian maka untukrancangan ukuran ketinnggian bejana proses tidaklebih dari 12,208 em, agar dosis serap yang diterimagas buang masih homogen.

KESIMPlJLAN

Dari uraian di atas dapat diambil beberapakesimpulan sebagai berikut :1. Teknologi MBE untuk pengolahan gas buang

(flue gas treatment) bertujuan untuk mereduksiS02 dan NO,. seeara simultan.

2. Tebal bahan yang dapat diiradiasi dengan berkaselektron berbanding langsung dengan energiberkas elektron dan berbanding terbalik dengandensitas bahan. Hal ini penting diperhatikan,khususnya untuk menentukan kedalamanpenetrasi berkas elektron di dalam bahan.

3. Dari hasil perhitungan diperoleh kedalamanpenetrasi berkas elektron 350 keY dalam gasbuang adalah 12,208 em, sehingga ukuranketinggian bejana proses tidak lebih dari 12,208em.

DAFT AR PUST AKA

1. ANONIM, Proposal Pembuatan SpesifikasiTeknis Sistem Pengolahan Gas Buang PLTUSuralaya Menggunakan Mesin Berkas Elektron,BATAN 2005.

2. MIRZAN T. RAZZAK, Dosimetri Industri,Diktat Pelatihan PekeIja Akselerator, PusdiklatBATAN, Jakarta 2003.

TANYAJAWAB

Rachmi

~ Apa keunggulan alat counter/timer yang telahdibuat ini,jika dibandingkan dengan yang lama?

Rani Saptaaji-¢. Keunggulan alat counter/timer dibandingkan

dengan yang lama adalah akurasi data lebihbaik, proses data lebih cepat, lebih efektifdan ejisien.

Rani Saptaaji ISSN 1410 - 8178 505