pemantik lpg otomatis untuk pembakar hidrogen p …

Achmad Suntoro ISSN 0216 - 3128 55

PEMANTIK LPG OTOMATIS UNTUK PEMBAKARHIDROGEN PADA PROSES REDUKSI TUNGKU ME-II

Achmad SuntoroPusat Rekayasa Perangkat Nuklir - SATAN

ABSTRAK

GAS)

Pemantik LPG otomatis untuk membakar gas hidrogen pada proses reduksi tungku ME-II berhasildirekayasa menggunakan komponen lokal dengan teknik reverse engineering. Telah dipelajari secarakualitatif sistem kerja untuk nyala awal LPG untuk kemudian direkayasa penyalaannya secara otomatis danditerapkan pada tungku reduksi ME-II. Sistem penyalaan otomatis ini telah diuji dan terbukti dapat bekerjadengan baik.

ABSTRACT

Reverese engineering method for automatic spark-ignition system of LPG to burn hydrogen gaseous in thereducing process of ME-ii furnace has been succesfully implemented using local materials. A qualitativestudy to the initial behavoiur of the LPG flame system has created an idea by modification to install anautomatic spark-ignition of the LPG on the reducing furnace ME-ii. The automatic spark-ignition systemhas been tested and proved working well. '--- ._-

Keyword: Pemantik LPG otomatis, tungku reduksi, pembakar gas hidrogen.

PENDAHULUAN

Proses reduksi untuk mengubah serbuk U30Smenjadi UOz pada proses daur bahan bakarnuklir gagalan, agar dapat diproses kembali menjadibahan bakar yang memenuhi syarat, menggunakangas hidrogen sebagai pereduksi pada suhu tinggi.Proses reduksi tersebut mengikuti reaksi kimiadalam tungku listrik:

U3 Os + Hz ~ UOz + HzO + Hz (I)(berlebih) (Iebihan)

HzO yang terjadi akibat reaksi akan berbentuk uappanas dan keluar dari tungku bersama-sama dengangas Hz lebihan, sedangkan serb uk UOz akan tetaptinggal di dalam tungku. Uap air panas selanjutnyadijebak oleh ruang kondensasi hingga menjadi airsebelum sempat keluar ke udara bebas, dan gas Hzlebihan akan keluar dari sistem tungku untukkemudian dibakar oleh nyala api dari gas LPG(Liquid Petroleum Gas) di ruang pembakaran.Gambar ] adalah sistem tungku reduksi ME-]]untuk tujuan tersebut.

Gas Hz lebihan yang keluar dari tungku harusdibakar untuk keselamatan, karena pada komposisivolume tertentu antara gas hidrogen dengan udara

(18% sid 59%il] dapat berpotensi untuk meledak.Sistem pembakaran gas Hz pada tungku reduksiGambar ] dilakukan secara manual, yaitu mulamula operator memercikkan bunga api daripemantik portable untuk membakar gas LPG yangselanjutnya digunakan membakar gas hidrogen.Teknik pembakaran manual tersebut mempunyairesiko yang cukup besar bagi operator, jika terjadigangguan nyala api LPG padam sedangkan gas Hzterus mengalir. Pada kondisi terse but, percikan apioleh operator akan berpotensi menyulut ledakan.

Dalam makalah ini akan ditunjukkan prosespenambahan sistem otomatis pemantik untukmembakar gas LPG pada tungku reduksi ME-]]dengan cara reverse engineering, yaitu dengan melihat pola pemasangan pemantik tungku sinter ME06. Modifikasi jenis pemantik dan spark-ignitor nyadibuat tidak sarna dengan yang digunakan padatungku ME-06 terutama ditujukan agar sistimmenggunakan komponen lokal yang mudah didapat.Dua redundansi pemantik dipasang untuk meningkatkan keyakinan bahwa nyala LPG akan terjadi.Sedangkan untuk sistem otomatis dibuatkanrangkaian listrik tambahan dengan memanfaatkankomponen-komponen Iistrik dan instrumentasitungku yang ada (terpasang). Fasilitas ini dibuatuntuk meningkatkan faktor keselamatan operasiyang disyaratkan[lJ.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Aksererator dan Proses Bahan· BATAN

Yogyakarta, 10 Juri 2007

56 ISSN 0216 - 3128

Gambar 1. Tungku kalsinasi dan reduksi ME-ll.

rua ng

pemb akaran

gas H2

Achmad Sun/oro

TAT A KERJA

Meningkatkan tingkat keselamatan operatorselama proses reduksi berlangsung merupakan halpokok yang menjadi penyebab pekerjaan ini. Duapekerjaan yang akan dijalankan dalam kontek iniadalah memperbaiki kondisi awal pembakaran gasbuang dari tungku menjadi otomatis, danotomatisasi penyalaan jika terjadi gangguan ataspembakaran LPG tersebut.

A waf Pembakaran

Awal pembakaran gas LPG (yang digunakanselanjutnya untuk membakar gas hidrogen) dimulaidari percikan bunga api dari pemantik di ujungoutlet LPG. Gambar 2.a adalah spark-ignitor listrikyang digunakan sebagai pembangkit pulsa tegangantinggi, dan Gambar 2.b adalah pemantik sebagaipembangkit nyala api yaitu pemantik denganelektroda pendek yang dibungkus bahan keramik.

c. Spark-ignitor dan p emantik di ruang pembakaran hasil rekayasa.

Gambar 2. Spark-ignitor dan pemantik untuk tungku ME-II.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

Achmad Suntoro ISSN 0216 - 3128 57-Percobaan pertama dilakukan dengan

mencari posisi pemantik terbaik agar LPG dapatterbakar. Percobaan ini dilakukan denganmengubah-ubah posisi pemantik disekitar outletLPG yang sedang memancarkan gasnya. Pemantikyang di ubah-ubah posisinya diikuti dengan logamlain yang dihubungkan ke pipa LPG sebagai tempatloncatan percikan api dari e1ektroda pemantik. GasLPG akan terbakar oleh api jika komposisiperbandingan volume LPG dengan udara terletakdiantara 1.8% sId 8%[2]dengan energi panas dari apiyang cukup. Dalam hal ini percikan api akandigunakan (bukan nyala api kontinyu).

Percobaan kedua dilakukan dengan melepasoutlet LPG dari posisinya di tungku, dan memberimasukan udara bertekanan dari kompresor sebagaipengganti LPG. Secarik kain dicelupkan kedalamoli lalu dibakar, dan diposisikan api dan jelaganyayang terbentuk ke dekat outlet yang telah diberiudara tekan pengganti LPG tersebut. Percobaankedua ini digunakan untuk mengetahui karakteristikoutlet terhadap gas disekitarnya.

Dari hasil percobaan satu dan dua diatasdilakukan analisis untuk menetapkan posisipemantik yang terbaik untuk tungku ME-II. Posisitersebut selanjutnya digunakan dalam percobaanotomatisasi penyalaan LPG tersebut baik untukkondisi awal ataupun jika terjadi gangguan (apimenjadi padam karena sesuatu hal misalnya).

Otomatisasi Penyalaan Pemantik

Sebuah termokopel tipe K telah terpasangpada sistem instrumentasi tungku ME-II yangdigunakan semula hanya untuk menghidupkanalaram jika tidak ada nyala diruang pembakarankarena suatu gangguan[3]. Alaram ini akanmengundang operator agar menghidupkan api yangpadam secara manual. Rangkaian otomatistambahan dibuatkan dengan memanfaatkantermokopel dan thermo-switch yang telah ada.Sinyal dari thermo-switch dalam rekayasa inidigunakan untuk mengendalikan spark-ignitor danmenutup katup gas hidrogen serta saluran keluardari tungku. Rangkaian rekayasa I modifikasikendali otomatis pemantik diperlihatkan padaGambar 3.

Switch kontrol pada rangkaian Gambar 3digunakan untuk mengaktifkan sistem kendaliotomatis dari pemantik. Secara terpasang di sistemtungku ME-II, switch ini digunakan bersama untukmengaktifkan kendali lainnya. Gambar 3 adalahrangkaian yang disederhanakan untuk menjelaskantopik permasalahan yaitu kendali pemantik,sehingga rangkaian yang berkaitan dengan gashidrogen tidak digambarkan. Thermo-switch dalamrangkaian menggunakan yang telah tersedia padasistem instrumentasi tungku ME-II. Thermo-switchini mempunyai jarum pengatur untuk menentukanpada temperatur berapa thermo-switch harus aktif.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 I110 V

o

'H'rCF: 5 ~ @) 6

7~O

QJ..1!> @) 9

- utHm!, tt.pQ..O0 --. 1.a1lplkll.'9"

1m•• n ~ (j 10

0...0 0'.!a{CE: ~ (j 12

0...0 0

Gambar 3. Simplifikasi modifikasi rangkaian otomatis pemantik LPG tungku reduksi ME-It.

Prosiding PPI • PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN


58 ISSN 0216 - 3128 Achmad Suntoro

Dengan rangkaian Gambar 3 setelah switchkontrol diaktifkan, katup LPG dan katup gashidrogen akan selalu menutup jika nyala api dariLPG padam. Pada kondisi ini secara otomatisalaram akan berbunyi dan pemantik akan

mengeluarkan percikan api. Kesempatan untukpemantik dalam berusaha menghidupkan nyala apiLPG diatur oleh timer # 1. Jika dalam waktu yang

ditentukan pada timer # I telah lewat, dan LPGbelum juga nyala, maka sistem kendali Gambar 3diatas akan menghentikan kegiatan reduksi secaramenyeluruh melalui saklar emerjensinya. Kondisiini dilakukan untuk menjaga keselamatan dalam

operasi jika memang api dari LPG tidak bisadinyalakan (LPG habis misalnya atau sebab-sebablain-nya).

HASIL DAN BAHASAN

Secara umum dan menyeluruh, eksperimen

penggantian sistem pemantik dan otomatisasinyapad a tungku reduksi ME-II dapat dikatakanberhasil dengan baik. Gangguan-gangguan terhadap

sistem yang berkenaan dengan nyala api dari LPGyang dilakukan dengan sengaja untuk mengujiunjuk kerja sistem otomatis beserta penyalaanpemantiknya dapat diatasi oleh sistem hasil rekayasasesuai dengan design-requirement yang ditentukan.

Saluran #2

Saluran #1

Orifice

(a)

Berikut pertimbangan-pertimbangan pemikiran yang

muncul se1ama eksperimen berlangsung hinggamenghasilkan sistem yang dapat digunakan tersebut.

Pemantik LPG

Fungsi utama nyala api dari LPG digunakanuntuk membakar gas hidrogen yang keluar darisaluran pembuangan tungku. Karena bent uk salurankeluar dan berat jenis hidrogen yang lebih kecil dariudara (BD hidrogen = 0,08235 kg/m3 dan BD udara= 1.2931 kg/m3)[4], maka hidrogen yang keluar dari

tungku akan meluncur keatas sambil menyebar, danpenyebaran terjadi tidak di titik outlet pipa gasbuang. Oleh karena itu, api nyala LPG yangdiperJukan harus nyala yang panjang (tidakmelebar), tidak seperti nyalanya api kompor gasrumah tangga. Bentuk api pembakar ini terjadi jugapada tungku sinter ME-06 yang juga menggunakangas hidrogen jika beroperasi.

Struktur outlet pipa LPG dari tungku ME-II

seperti pada Gambar 4.a, dan struktur ini diperolehdari pengamatan secara visual. Daerah B padaGambar 4.a tidak bisa ditentukan strukturnya karenatertutup, sehingga tidak bisa digambarkan. Didugastruktur ini juga yang digunakan pada tungku sinterME-06, dengan bentuk elektroda pemantik melengkung mendekat ke permukaan saluran #2 seperti

diperJihatkan pada Gambar 4.b.

LPG

(b)

Gambar 4. a. Struktur outlet pipa LPG pembakar tungku ME-It.

b. posisi elektroda (melengkung) pemantik tungku ME-06.



Achmad Suntoro ISSN 0216 - 3128 59-Bentuk pemantik melengkung tersebut tidak

mudah diperoleh dipasaran umum, sehingga jikaterjadi kerusakan memerlukan waktu untukmemperolehnya. Untuk tungku ME-]] akan dieobamenggunakan jenis pemantik yang banyakdipasaran umum (mudah diperoleh). Oleh karena itumekanisme kerja dari outlet LPG tersebut harusdiketahui untuk penempatan posisi pemantik yangtepat.

Dari pereobaan pertama, diketahui bahwatidak selalu pereikan api dari pemantikmenyebabkan LPG terbakar. Seeara singkat dapatdigambarkan seperti pada Gambar 5. Pada posisiGambar 5.a, LPG tidak mau terbakar meskipunletikan api dari pemantik telah terjadi terus menerus.Hal ini disebabkan oleh komposisi volume LPG dan

LPG

udara pada posisi disekitar pemantik tersebut lebihkeeil dari 1.8%. Pada posisi Gambar 5.b juga LPGtidak terbakar meskipun pemantik seeara kontinyumengeluarkan bunga api. Dipastikan posisi Gambar5.b tersebut komposisi volume LPG terhadap udaralebih besar dari 8% sehingga pereikan api daripemantik tidak menyebabkan terbakarnya LPG.Posisi Gambar 5.e menghasilkan percikan yanglangsung membakar gas LPG yang keluar dari outlettersebut.

Untuk menjelaskan mengapa pemantik padaposisi Gambar 5.e dapat menyebabkan terbakamyaLPG, dijelaskan dari mekanisme kerja outlet LPGtersebut. Untuk mengetahui mekanisme kerjanya,pereobaan kedua dilakukan dan hasilnya direkamseperti pada Gambar 6.a.

LPG

a. b. c.

Gambar 5. Eksperimen penempatan posisi pemantik relatifterhadap outlet LPG.

a. b.

/~~J' c.

udara tekan dari

kamp •• ""r

Gambar 6. Eksperimen api berjelaga dipinggir outlet LPG menggunakan tekanan udara dari kompresor.



60 ISSN 0216 - 3128 Achmad Suntoro

Nyala api dipinggir outlet Gambar 6.a terlihatditarik oleh salman #1 dan jelaganya ditarik olehsalman #2. Dari eksperimen ini menunjukkanbahwa salman #1 dan #2 dalam mekanismekerjanya akan menarik gas didekatnya. Gambar 6.bdan 6.c memperjelas fenomena Gambar 6.a tersebut.Dari fenomena ini dapat dijelaskan mekanisme kerjadari outlet tungku ME-II seperti pada Gambar 7.

Untuk kedua kondisi Gambar 7.a dan bberlaku sebagai berikut. Pada ruang A, LPGbertekanan dari tabung penyimpanannya masukkesalman. Orifice telah menahan gas tersebut keluarseluruhnya, sehingga LPG yang keluar akanmenyembur dengan laju aliran yang tinggi. Lajualiran ini akan menarik udara disekitar salman udara

#1 hingga ikut masuk bersama-sama LPG ke ruangB. Keberadaan orifice ini juga menjaga stabilitassuplai LPG, yaitu jika tekanan LPG dari sumberterjadi perubahan tekanan yang kecil (riak), makanyala api tidak banyak terpengaruh.

<I.

Pada Gambar 7.a merupakan fenomenaketika gas LPG dibuka dan pemantik belum bekerja.Aliran LPG pada ruang B juga cukup kencangsehingga mampu menarik udara dari saluran udara#2. Berat jenis LPG lebih besar dari udara, sehinggagas ini akan cenderung menuju kebawah akibattarikan grafitasi dan arus udara dari saluran udara#2. LPG yang masuk ke salman udara #2 tidakcukup banyak, karena arus LPG di ruang B cukuptinggi. Namun demikian justru jumlah LPG yangsedikit tersebut akan berpotensi besar terletakdiantara 1.8% sid 8% volume dari udara, dimanacampuran pada komposisi tersebut LPG akan bisaterbakar. Letikan api pada daerah tersebut padakomposisi itu akan segera membuatnya terbakar,dan api pembakaran LPG yang sedikit tersebut akanmampu membakar semburan LPG pada daerah C.Oleh karena itu letikan api dari pemantik harusterletak di daerah salman #2 tersebut. Kondisi inisesuai dengan hasil eksperimen pada Gambar 6.csehingga LPG terbakar.

udara dangas buang

masuk

udara

~

b.

Gambar 7. a. Kondisi awal ketika nyala LPG belum terjadi.b. Kondisi setelah LPG nyala.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN


Achmad Suntoro ISSN 0216 - 3128 61-Pada Gambar 7.b merupakan fenomena

ketika gas LPG sudah terbakar. Seperti padaGambar 7.a, aliran LPG pada ruang B juga cukupkencang sehingga mampu menarik udara yangbercampur dengan gas buang dari saluran udara #2.Gas buang hasil bakaran telah bersuhu tinggi,sehingga ketika masuk ruang B membuat LPG yangbelum terbakar menjadi naik temperaturnya.Kondisi ini sering digunakan oleh sistem outlet LPGdi industri yaitu dengan pemanasan awal terhadapLPG sebelum dibakar[5J.

Kendali Otomatis Pemantik LPG

Setelah ditetapkan posisi pemantik, dalam halini adalah posisi Gambar 5.c, langkah-Iangkahotomatisasi dilakukan. Dua pemantik dipasanguntuk redundancy agar tingkat kemungkinanpenyalaan dan keandalannya lebih tinggi sepertipada Gambar 8.

LPG

Gambar 8. Instalasi baru pemantik LPG horizontal tungku reduksi ME-II.

Jika pada awal pembakaran LPG thermoswitch pengendali nyala api diatur pada suhu rendah(150°C misalnya), maka dalam waktu yang relatifsingkat sistem pemantik akan berhenti setelah nyalaLPG terjadi. Sebaliknya jika diatur pada suhu tinggi(700 °C misalnya) maka pemantik masih tetapbekerja dalam waktu yang relatif agak lamameskipun api telah nyala (menunggu hingga suhutermokopel mencapai 700°C). Namun dua kejadiantersebut akan terbalik untuk tenggang waktuaktifnya pemantik jika api LPG telah nyala lalukarena gangguan menjadi padam. Jika LPG telahnyala dan lalu padam, maka dengan segera pemantikaktif dan segera mati kembali setelah LPG nyalapada setting 700°C, sedang pada setting 150°Caktifnya pemantik akan relatif agak terlambathingga suhu termokopel turun mencapai ISO °Cbaru pemantik aktifmenyalakan LPG.

Dari pengalaman percobaan, setting temperatur nyala LPG dibuat 300°C cukup memadai untukdapat bekerja otomatis. Namun hasil yang lebih baikjika ketika start dibuat setting 150°C dan setelah apimenyala agak lama, maka setting dipindah ke700°C. Kondisi ini membuat pemantik efisien dalambekerja menyalakan LPG.

KESIMPULAN

Pembakaran secara otomatis LPG pembakargas hidrogen dalam proses reduksi atau proseslainnya yang melibatkan pembakaran gas hidrogensebelum dibuang ke udara bebas sangat perludiimplementasikan. Dari eksperimen yang dijelaskan dalam makalah ini implementasi tersebut tidaksulit dilaksanakan. Peralatan yang biasa digunakanpada kompor gas umum dapat digunakan. Padaprinsipnya sistem penyalaan ini berperan sekunder,karena sistem interlock pengaman lainnya sudahbekerja meskipun tanpa otomatisasi penyalaan gasLPG ini. Namun demikian redundancy tindakanlebih baik dilakukan untuk meningkatkankeselamatan kerja operator.

UCAP AN TERIMA KASIH

Penulis sangat berterima kasih kepadasaudara Zaidi, Djoko Kisworo, dan Triarjo stafBidang Bahan Bakar Nuklir, Kelompok ProsesKonversi dan Fabrikasi Bahan Bakar Nuklir PTBN BATAN, atas bantuan teknis selamaeksperimen berlangsung.

DAFTAR PUSTAKA

1. ES & H Manual, Volume 11,Part 18, Document18.4 Hydrogen, Revision 3, January 12,2006.

2. LPG FOR YOU, http://www.lpgforvou.com/physical properties.htm.

3. ALAMARI., Operating Directions for theFurnace Type RM/20, Alamari & Co, Milano.

4. BAKER W dan MOSSMAN A L, MathesonGas Data Book, Six Edition, Lyndhurst, NJ07071.

5. BLASIAK W, YANG WH dan RAFIDI N,Physical Properties of a LPG Flame with HighTemperature Air on a Regenerative Burner,Combustion and Flame, 136(2004) 566-569,Elsevier, 2004.



62- ISSN 0216 - 3128 Achmad Sunloro

TANYAJAWAB

Dewita

Oikatakan otomatis, kapan pembakaran gashidrogen dilakukan.

Pada kesimpulan dikatakan penyalaan telah diujidan terbukti dapat bekerja dengan baik.Bagaimana pengujian dilakukan sehingga dapatdikatakan bekerja dengan baik?

Achmad Suntoro

Gas hidrogen dibakar setelah masuk ke tungkukarena persyaratan untuk masuknya telahdipenuhi yaitu suhu tungku diatas 585°C.Namun demikian gas LPG telah dibakarsemenjak sistem tungku diaktifkan untukmembakar gas yang keluar dari tungku(walaupun hidrogen belum digunakan gas C86lelah dibakar). Otomatis disini prosespengolahan gas C86 pembakar H2 terse butmeskipun terjadi gangguan.

- Pengujian dilakllkan terhadap disain requirementyang ditetapkan, yaitu gangguan-gangguan yangdiberikan kepada sistem yang berkaitan dengan

pembakaran C86 dan hasil uji coba sesuaidengan requirement yang diijinkan.

Widdi Usada

Berapa tekanan H2, berapa suhu H2 kira-kira.

Apa tidak sia-sia dibuang, apa mungkin dapatdiberikan ke institusi yang membutuhkan.

Achmad Suntoro

- Tekanan gas H2 secara sifat ditentukan olehpenggunaan tungku yang berkaitan denganproses reduksi. Namun demikian tekanan gas H2

tersebut pasti lebih besar dari tekanan udaraluar. Jika terjadi tekanan mengecil maka sisteminstrumentasi kegagalan akan bertindak. SuhuH2 kira-kira 700°C.

Proses pengambilan gas H2 lebihan jauh lebihmahal dari nilai H2 lebihan yang dibakartersebut. itu sebabnya disain sistem tungku reaksimengharuskan membakar gas H2 lebihan (gas H2

lebihan debitnya cukup kecillrendah).



pemantik lpg otomatis untuk pembakar hidrogen p …

Documents