Pembuangan Limbah Gas!
Aliran limbah gas yang dihasilkan di unit industri akhirnya harus dibuang ke atmosfer. Sebelum dibuang, ia harus diperlakukan dengan benar untuk menurunkan konsentrasi polutan (baik partikulat maupun gas) hingga batas yang diizinkan. Pelepasan/pembuangan dilakukan melalui tumpukan.
Tumpukan atau cerobong adalah saluran berbentuk silinder vertikal atau persegi panjang. Ketika aliran gas dibuang melalui tumpukan, polutan yang ada di aliran akan tersebar ke atmosfer. Tumpukan tidak dapat mengurangi polutan yang ada, tetapi melepaskan polutan pada ketinggian yang sesuai sehingga ketika polutan berdifusi kembali ke permukaan bumi, konsentrasinya akan berada di bawah batas yang diizinkan dari setiap polutan bahkan dalam kondisi cuaca yang paling tidak menguntungkan.
Saat aliran gas keluar dari tumpukan, ia mengalir ke atas hingga ketinggian tertentu karena energi kinetik dan daya apungnya sebelum tersapu ke arah horizontal oleh angin. Polutan yang ada dalam aliran gas (setelah muncul dari tumpukan) tersebar baik dalam arah horizontal maupun vertikal karena difusi molekuler dan eddy. Efluen aliran gas dari cerobong dan profil kepulan yang dihasilkan dalam kondisi ideal digambarkan pada Gambar 4.18.
Profil Plume Aktual:
Profil plume melawan arah angin yang sebenarnya bergantung pada gradien suhu di troposfer, kecepatan angin, dan topografi di sekitar tumpukan. Gradien suhu troposfer bergantung pada intensitas radiasi matahari yang datang pada siang hari dan derajat tutupan awan pada malam hari.
Dispersi polutan dalam plume tergantung pada pergerakan udara vertikal yang dihasilkan dari gradien suhu troposfer dan juga pada kecepatan angin yang lazim. Berdasarkan faktor-faktor tersebut di atas kondisi atmosfer telah diklasifikasikan ke dalam kelas stabilitas yang berbeda. Pada Tabel 4.15 penunjukan stabilitas Pasquill-Gifford terdaftar.
Gambar 4.19A – G menunjukkan jenis profil plume yang berbeda sesuai dengan kondisi stabilitas karies atmosfir.
(a) Gradien suhu troposfer aktual relatif terhadap gradien adiabatik kering.
Gradien suhu adiabatik, ———–
Gradien suhu aktual, ————-
(b) Profil membanggakan
T = suhu. U = kecepatan angin
Z = ketinggian
Pendekatan Desain Tumpukan:
Telah disebutkan dalam Bagian 4.8 bahwa cerobong digunakan untuk mengeluarkan aliran gas buang pada ketinggian yang sesuai dari tanah. Setelah dibuang, konstituen (termasuk polutan, jika ada) dari limbah gas akan tersebar. Beberapa bagian darinya berdifusi kembali ke permukaan bumi.
Untuk mendesain tumpukan, kita harus menemukan ketinggiannya H s , sehingga konsentrasi polutan, yang telah menyebar kembali ke permukaan tanah, tidak boleh lebih dari batas masing-masing yang diizinkan bahkan di bawah kondisi atmosfer yang paling buruk. Perlu juga memperkirakan luas penampang cerobong sehingga tekanan di dasar cerobong akan cukup untuk mengatasi hambatan aliran aliran gas melalui cerobong.
Estimasi Tinggi Tumpukan:
Ketinggian tumpukan dapat diperkirakan menggunakan beberapa hubungan empiris atau menggunakan pendekatan semi-empiris. Hubungan empiris tidak mempertimbangkan kondisi cuaca, sedangkan pendekatan semi-empiris memperhitungkan kenaikan plume, kecepatan angin dan kondisi cuaca. Tak perlu dikatakan bahwa pendekatan kedua memberikan perkiraan ketinggian tumpukan yang lebih baik.
Pendekatan Empiris:
Persamaan empiris yang tercantum di bawah ini dapat digunakan untuk estimasi ketinggian tumpukan:
Jika dihitung H s menggunakan Persamaan. (4.64e) atau (4.64f) lebih dari 30 m, maka perhitungan tinggi tumpukan harus diterima.
Pendekatan Semi-Empiris:
Dalam pendekatan ini tinggi tumpukan diperkirakan melalui langkah-langkah berikut:
Langkah-I:
Ketinggian tumpukan, H s , diasumsikan, Ketinggian yang diasumsikan dapat dihitung dengan menggunakan pendekatan empiris yang diuraikan dalam Bagian 4.8.2.2.
Langkah-II:
Kenaikan membanggakan, ∆H, dihitung menggunakan persamaan semi-empiris yang sesuai. Beberapa persamaan yang dilaporkan dalam literatur disebutkan dalam Bagian 4.8.2.5. Persamaan tersebut didasarkan pada dugaan bahwa plume rise dipengaruhi oleh dua faktor yaitu,
(i) Momentum aliran keluar dari tumpukan, dan
(ii) Daya apung aliran yang dihasilkan dari perbedaan densitas gas cerobong dan udara ambien pada ketinggian fisik cerobong. Korelasi yang diusulkan oleh penulis yang berbeda didasarkan pada data yang tersedia bagi mereka. Beberapa penulis telah mempertimbangkan kriteria stabilitas cuaca sambil mengembangkan korelasinya.
Langkah-Ill:
Ketinggian tumpukan efektif H diambil sebagai
Langkah-IV:
Menggunakan Persamaan. (4.67) dan estimasi H e , konsentrasi maksimum dari masing-masing polutan yang berbeda (ada dalam aliran gas efluen) di permukaan tanah diperkirakan sesuai dengan penunjukan stabilitas atmosfer yang berbeda. Jika itu berada dalam batas masing-masing yang diizinkan, maka diasumsikan H s diterima sebagai tinggi tumpukan sebenarnya. Jika tidak, maka berdasarkan nilai H s yang lebih tinggi daripada yang diasumsikan sebelumnya berdasarkan Langkah II, III dan IV diulang sampai ditemukan H s yang dapat diterima yang memenuhi kriteria yang ditentukan pada Langkah IV.
Profil Konsentrasi Polutan dalam Plume:
Persamaan yang menyatakan profil konsentrasi polutan dalam kepulan yang dihasilkan dari sumber titik kontinu dalam kondisi tunak telah dikembangkan berdasarkan asumsi berikut
dan (iii) profil konsentrasi di setiap lokasi arah angin (x,y,z) mengikuti kurva distribusi probabilitas normalisasi Gaussian dalam arah K dan Z.
Berdasarkan asumsi yang disebutkan di atas, persamaan turunan yang mewakili profil konsentrasi adalah
dimana C x,y,z = konsentrasi polutan di lokasi yang memiliki koordinat x, y & z,
Q = massa polutan spesifik yang dipancarkan per satuan waktu,
U = kecepatan angin pada ketinggian H e ,
σ y = standar deviasi koefisien dispersi dalam arah y,
dan σ Z . = deviasi standar dari koefisien dispersi dalam arah-z.
Nilai numerik dari σ v dan σ z , bergantung pada kondisi cuaca, kecepatan angin dan jarak lokasi dari dasar tumpukan dalam arah horizontal melawan arah angin, yaitu koordinat X.
dalam Persamaan. (4.66) menunjukkan peningkatan konsentrasi polusi karena pantulan tanah.
Konsentrasi polutan apa pun pada X mana pun akan menjadi maksimum pada garis tengah kepulan yang sesuai dengan y = 0 dan Z = H e , dalam ‘kondisi netral’. Ekspresi untuk konsentrasi permukaan tanah dari setiap polutan di bawah garis tengah plume adalah
Itu
adalah, rasionya tidak bergantung pada X, maka konsentrasi permukaan tanah maksimum dari setiap polutan tertentu dapat dinyatakan sebagai
di mana X max adalah jarak dari dasar cerobong dalam arah melawan angin di mana konsentrasi polutan akan menjadi maksimum di permukaan tanah.
Oleh karena itu, di lokasi tersebut, yaitu di X maks
Plot nilai estimasi empiris dari σ y dan σ z sesuai dengan penunjukan stabilitas kualitatif yang berbeda sebagai parameter ditunjukkan pada Gambar 4.20 A dan 4.20 B masing-masing.
Penunjukan Stabilitas Pasquill-Gifford:
J: Sangat tidak stabil
B: Agak tidak stabil
C: Sedikit tidak stabil
D: Netral
E: Sedikit stabil
F: Cukup stabil.
Mengikuti pendekatan ini σ z , x max diperkirakan menggunakan Persamaan. (4.70) berdasarkan nilai H e Eq yang sudah dihitung. (4.65). Sesuai dengan estimasi σ z X max dan asumsi kategori stabilitas, X dibaca dari Gambar 4.20B. Berikutnya dari Gambar 4.20A a y dibaca sesuai dengan X (baca sebelumnya dari gambar 4.20B) dan kategori stabilitas yang diasumsikan sebelumnya. Menggunakan nilai estimasi o dan σ y , σ z , C X max,, 0,0 Dihitung untuk setiap polutan menggunakan Persamaan. (4.69).
C X max yang dihitung untuk setiap polutan harus dibandingkan dengan batas yang diizinkan. Jika C X max yang dihitung tidak ada polutan yang melebihi batasnya, maka prosedur yang diuraikan di atas harus diulangi untuk masing-masing kategori stabilitas lainnya. Jika CXmax yang dihitung untuk setiap polutan melebihi batasnya untuk setiap kategori stabilitas, langkah II, III dan IV yang tercantum sebelumnya harus diulangi dengan asumsi nilai H s yang lebih tinggi daripada yang diasumsikan sebelumnya sampai solusi yang memuaskan tercapai.
Mengacu pada Gambar. 4.20A dan 4.20B harus ditunjukkan bahwa korelasi antara σ y dan X dapat diwakili dengan baik oleh hubungan σ v = σ y X b , tetapi antara o. dan X tidak cocok dengan korelasi σ z = a z X b
Korelasi yang lebih baik akan memiliki bentuk
Nilai numerik dari a’ y a’ z m dan n telah ditemukan bergantung pada penunjukan stabilitas atmosfer. Berbagai perkiraan a’ya’z m dan n telah dilaporkan dalam literatur . Salah satu perkiraan tersebut diberikan pada Tabel 4.16.
Prosedur estimasi ketinggian tumpukan yang lebih baik adalah mengikuti langkah-langkah yang tercantum di bawah Bagian 4.8.2.3 bersamaan dengan Persamaan. (4.73) alih-alih menggunakan Persamaan. (4.69).
Korelasi Plume Rise:
Penyelidik yang berbeda telah mencoba untuk mengkorelasikan kenaikan membanggakan (AH) dengan variabel yang bersangkutan. Beberapa di antaranya tercantum di bawah ini.
- Persamaan Holland mungkin yang paling awal dan sederhana.
dimana ∆H = kenaikan plume, (m)
U = kecepatan angin, (m/s)
U s = kecepatan gas cerobong pada keluaran cerobong, (m/s)
D s = diameter tumpukan di pintu keluar, (m)
P = tekanan gas cerobong saat keluar, (kPa)
T s = suhu gas cerobong saat keluar, (K)
T a = suhu udara ambien pada tinggi tumpukan fisik, (K)
Karena persamaan ini tidak mempertimbangkan kondisi stabilitas atmosfer, Holland mengusulkan bahwa perkiraan AH harus dikalikan dengan faktor 1,1 sampai. 1,2 untuk kondisi tidak stabil dan sebesar 0,8 hingga 0,9 untuk kondisi stabil. Studi selanjutnya menunjukkan bahwa persamaan Holland memberikan perkiraan AH yang agak konservatif dengan faktor 2 sampai 3.
- Moses dan Carson telah mengusulkan persamaan yang tergantung pada kriteria stabilitas seperti yang diberikan di bawah ini:
- Kelompok Tugas ASME telah merekomendasikan dua persamaan. Untuk kondisi tidak stabil dan netral persamaan yang direkomendasikan adalah:
Estimasi Area/Diameter Penampang Tumpukan dan Penurunan Tekanan Tumpukan:
Laju aliran volumetrik gas tumpukan dapat dinyatakan sebagai
di mana 
= laju aliran volumetrik rata-rata gas cerobong (laju aliran volumetrik di dasar cerobong dan di atasnya akan berbeda karena suhu gas cerobong akan bervariasi dari alas ke atas karena kehilangan panas melalui cerobong) (m 3 / dtk).
D s = rata-rata diameter tumpukan, m.
Dengan asumsi kecepatan gas cerobong yang sesuai dalam kisaran 10-15 m/s, luas penampang/diameter cerobong dapat diperkirakan menggunakan Persamaan. (4.77).
Setelah kecepatan gas cerobong (U s ), diameter cerobong (DS ) dan tinggi cerobong diketahui, penurunan tekanan cerobong/tekanan dasar cerobong dapat dihitung menggunakan persamaan Bernoulli (keseimbangan energi) yang dimodifikasi seperti yang diberikan di bawah ini:
Contoh 4.5:
Tumpukan akan dirancang untuk tungku pembakaran batu bara di mana 500 T batu bara yang mengandung 2% sulfur, 20% abu dan sisanya karbon akan dibakar.
Informasi/data berikut dapat digunakan untuk tujuan desain:
Larutan:
Tinggi Tumpukan (H s ) Estimasi:
(i) Perkiraan awal ketinggian tumpukan diperoleh berdasarkan pendekatan empiris Persamaan. (4.64e)
(ii) Perkiraan awal tinggi tumpukan efektif H e diperoleh dengan menggunakan Persamaan. (4.65)
H e = H s +∆H
Plume rise (∆H) dihitung menggunakan persamaan Holland, Persamaan. (4.74).
(iii) Konsentrasi maksimum permukaan tanah dari SO2 dihitung dengan menggunakan Persamaan. (4.73)
a’y, a’ z , m dan n harus dibaca dari Tabel 4.16 sesuai dengan penunjukan stabilitas Pasquill-Gifford yang mungkin menghasilkan nilai maksimum konsentrasi S0 2 di permukaan tanah. Memindai Tabel 4.15 dan 4.16 yang berhubungan dengan kecepatan angin U = 4 m/s tampak bahwa penunjukan stabilitas Pasquill-Gifford D akan menghasilkan konsentrasi S02 maksimum. Nilai a’ z , a’ y m dan n yang dibaca dari Tabel 4.16 adalah
2 di permukaan tanah mendekati 80 µg/m 3 adalah
H s = H e – ∆H = 200 – 31 = 169 m.
Diameter tumpukan, D s = 3,06 m.
Deposisi Debu Plume:
Partikel debu, yang dipancarkan melalui tumpukan, tersebar seperti polutan gas. Tetapi partikel yang ukurannya lebih besar dan lebih padat dari tumpukan gas/udara, mulai mengendap segera setelah emisi karena gaya gravitasi. Partikel akhirnya mencapai kecepatan terminal masing-masing. Kecepatan terminal partikel yang memiliki diameter dpi dapat dinyatakan sebagai
dimana U t , dpi = kecepatan terminal partikel yang memiliki diameter dpi dan densitas p p , m/s
g = percepatan gravitasi, m/(s 2 )
dpi = diameter partikel (m)
p a = densitas udara ambien kg/(m 3 )
p p = kerapatan partikel kg/(m 3 )
C D = koefisien seret
Asumsikan partikel debu berbentuk bola CD dapat dievaluasi menggunakan salah satu dari hubungan berikut tergantung pada bilangan Reynolds partikel;
Partikel debu akhirnya mengendap di tanah. Partikel yang relatif lebih besar diendapkan di sepanjang sumbu kepulan sedangkan partikel yang lebih halus diendapkan di sekelilingnya. Karena arah angin dan kecepatannya berubah dari waktu ke waktu, orientasi plume berubah secara konsekuen.
Oleh karena itu waktu rata-rata laju pengendapan debu diperkirakan pada lokasi yang berbeda sebagai fungsi dari X, jarak melawan arah angin dari dasar cerobong. Menurut Bosanquet et al. laju deposisi pada titik P pada jarak X dari dasar tumpukan dapat dinyatakan sebagai
F = fungsi dari U, dpi /U dan X/H e (seperti pada Gambar 4.21)
H e = tinggi tumpukan ekuivalen.
Laju pengendapan debu pada titik P pada bidang aksial kepulan dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan. (4.82)
Laju pengendapan total dari semua partikel yang memiliki ukuran berbeda dapat diperkirakan dengan menjumlahkan laju masing-masing partikel seperti yang ditunjukkan di bawah ini:
