Sunday, January 21, 2018

Analisa Kerak Tube Boiler & Condenser


Kata Kunci : Kerak, Tube, Boiler, Condenser, Deposit, Scale

Kandungan utama kerak boiler (boiler scale) adalah Magnetite - Fe3O4 yang terbentuk dari reaksi antara "iron metallic - material tube (Fe)" dengan steam TEMPERATUR TINGGI (iron dissolution pada max 150 degC [VGB standard, 2011] )dan keadaan ANAEROB".
3 Fe + 4 H2O ---> Fe3O4 + 4 H2
Fe3Oadalah lapisan bagus yang melindungi perpipaan dan warna kehitaman.
Oksida besi lainnya yang menunjukkan korosi yang menyebabkan kerak adalah Fe2O3 (Hematite) berwarna kemerah-merahan, sesuai reaksi berikut :
2 Fe + H2O + O2 ---> Fe2O3 + H2
Treatment air sebelum masuk ke boiler adalah injeksi hydrazine (N2H4dan residual-nya berguna untuk mencegah korosi, sesuai reaksi berikut :

N2H4 + 6 Fe2O3 ---> 4 Fe3O4 + 2 H2O + N2
Tujuan dari boiler water treatment adalah :
  • Mencegah pembentukan scale dan deposit pada permukaan yang panas (wall tube) 
  • Mencegah korosi di boiler system 
  • Menjaga kualitas steam 
Empat (4) masalah utama di water boiler adalah : 
Scale & Deposit, Corrosion, Carry Over dan Silica Deposition
1. Scale & Deposit
Scale terbagi menjadi 4 grup yaitu :
    1.1 Scale karena Calcium (Ca2+) dan Magnesium (Mg2+) , disebabkan karena kandungan air laut (hardness water) yang terikut ke sistem feed water, jadi feed water terkontaminasi dengan urutan : tube condenser bocor ---> cooling water dari air laut yang melewati tube condenser mencemari condensate water ---> condensate water yang menjadi umpan cycle boiler water (feed water terkontaminasi). Scale product berupa Calcium dan Magnesium sesuai reaksi berikut :  
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 ---> 2 CaCO3 + 2 H2O,
Dimana Ca(HCO3)2 adalah salah satu komposisi air laut dan Ca(OH)2 adalah agen koagulan dan flokulan. 
* Reaksi dekomposisi ini karena pengaruh TEMPERATUR TINGGI                              
Ca(HCO3)2 ---> CaCO3 + CO2 + H2
* Karena adanya agent CO2 terikut H2O sesuai reaksi berikut : 
Ca(OH)2 + CO2 ---> CaCO3 + H2O
Pengontrol CaCO3 adalah :
  • Polyphospate 
  • Organic phospate 
  • Organic polymer                                                                            
    1.2 Scale karena Iron Oxide                                                                                                 
* Disebabkan karena excess O2.
Sesuai reaksi berikut :                                                                                                                                
2 Fe + O2 + 2 H2O ---> 2 Fe(OH)2
4 Fe(OH)2 + 2 H2O + O2 ---> 4 Fe(OH)3
Fe(OH)3 adalah produk korosi
* Fe sebagai material dari tube kontak dengan H2O (air) sehingga terjadi oksidasi
A(+) : Fe ---> Fe2+ + 2e 
K(-) : O2 + 2 H2O + 4e ---> 4 OH-
Overall : Fe2+ + 2 OH- ---> Fe(OH)2
* Pada kondisi ANAEROB dan T > 120 F, terjadi reaksi lanjutan sebagai berikut : 
                                                Fe(OH)2 ---> Fe3O4 + H2 + H2O                                                 
* Di SISI LAIN pada T > 300 FFe2+ langsung membentuk Fe3O4 tanpa melewati Fe(OH)2 sesuai reaksi :  
3 Fe2+ + 4 OH- --->  Fe3O4 + 2 H2
* Karena pengaruh injeksi hydrazine yang mengikis lapisan perpipaan seperti reaksi berikut :
      N2H4 + 6 Fe2O3 ---> 4 Fe3O4 + 2 H2O + N2  
    1.3 Scale karena Copper (Cu)                                                                                            
* Disebabkan karena banyaknya hydrazine terlarut di boiler water sehingga copper oxide bereaksi dengan hydrazine, sesuai reaksi berikut :
N2H4 + 4 CuO ---> 2 Cu2O + 2 H2O + N2
* Dan juga karena material Cu bereaksi karena excess O2 dan H2O,                                                      
8 Cu + 2 H2O + O2 ---> 4 Cu2O + 2 H2
    1.4 Scale karena Silica (SiO2)

* Disebabkan karena kandungan air sungai atau pelarutan dari komposisi material (galvanized). Silica tidak larut dalam air maupun asam namun mudah berikatan dengan oksigen. Di Boilersilica larut pada temperatur tinggi namun akan mengeras pada temperatur rendah. Silica dapat diserang oleh F2, HF aqua, hidroksida alkali dan leburan - leburan karbonat. 
Sesuai reaksi :                                                              
SiO2 + 4HF ---> SiF4 + 2H2O
SiO2 + 2NaOH ---> Na2SiO3 + H2O
Macam - Macam Penetral Silica, sesuai reaksi kimia berikut :
  • SiO2 + 2 NaOH ---> Na2SiO3 + H2O 
  • SiO2 + Mg(OH)2 ---> MgSiO3 + H2O 
  • SiO2 + MgO ---> MgSiO3 
  • SiO2 + MgSO4 ---> MgSiO3 + SO2 
  • SiO2 + MgCO3 ---> MgSiO3 + CO2 
  • SiO2 + CaMg(CO3)2 ---> CaMgSi2O6 + CO2 
  • 8 SiO2 + 5 CaMg(CO3)2 + H2O ---> 3 CaCO3 + Ca2Mg5S18O22(OH)2 + 7 CO2
CaMg(CO3)2 nama dagangnya adalah dolomit
 


* Bagaimanakah proses terbentuknya scale?
Scale terbentuk karena berkurangnya pelarutan (solubility) garam di feed water karena pengaruh peningkatan temperatur dan konsentrasi (seperti petani garam yang menjemur air laut kemudian seiring semakin panas maka kristal garam akan terbentuk)
* Apakah perbedaan antara "Scale vs Deposit"?
Scale adalah kerak yang menempel di perpipaan yang umumnya disebabkan karena reaksi kimia dan tidak larut dalam fluida, kerak sangat keras yang disertai pengkristalan
Deposit adalah endapan pada perpipaan atau tanki yang disebabkan karena TSS yang tinggi dan masih bisa larut dalam fluida
*Bagaimanakah proses terbentuknya "deposit"?
Deposit umumnya disebabkan karena pengotor yang terikut feed water seperti garam mineral, condensate yang terkontaminasi (kebocoran tube condenser), produk korosi dan juga karena penggunaan injeksi kimia yang berlebihan.
Deposit di Boiler Menyebabkan :
  • Terganggunya flow feed water  
  • Regulating valve malfungsi 
  • Penurunan heat transfer  
  • Menambah laju korosi pada localized corrosion (korosi yang bersifat lubang seperti crevice, pitting
2. Corrosion
Disebabkan karena perlawanan kimia atau reaksi elektrokimia yang bersifat merusak
Faktor yang mempengaruhi korosi :
* Faktor FISIKA
  • Sistem konstruksi  
  • Tekanan dan temperatur sistem 
  • Flow velocity  
  • Water chemistry 
* Faktor KIMIA
  • pH (Potential Hydrogen)
Low pH = corrosive dan lapisan magnetite (Fe3O4) sebagai protective layer tidak bisa terbentuk
High pH = protective to pipe
Very High pH = scaling, deposit & caustic corrosion dan lapisan magnetite (Fe3O4) sebagai protective layer terdegradasi. Untuk mencegah caustic corrosion (caustic embrittlement) pada boiler tekanan rendah (<105 kgf/cm2) ditambahkan sodium nitrat (NaNO3), tannin, lignin atau kanji. Dalam reaksi basa sesuai reaksi berikut : 
Fe3O4 + 4 NaOH (dalam hot concentrated) ---> 2 NaFeO2 + Na2FeO2 + H2O
NaFeO2 (sodium hypo ferrite/ferric
Na2FeO2 (sodium ferrite/ferrous)
Hematite (Fe2O3) warna keMERAHan yaitu saat tube out of service
Magnetite (Fe3O4warna keHITAMan yaitu saat tube operasi
* Jika lapisan Magnetite (Fe3O4terkena ASAM TINGGI, sesuai reaksi berikut :
Fe3O4 + 8 HCl ---> FeCl2 + 2 FeCl3 + 4 H2O

FeCl3 + ½ Cu ---> ½ CuCl2 + FeCl2
CuCl2 + 2 Fe ---> 2 FeCl2 + 2 CuO

Produk FeCl3 sangat korosif terhadap steel (Fe) dan Cu

Penyebab pH Turun adalah ? 

1. Chloride (Cl-) ---> berasal dari air laut
2. Carbon Dioksida (CO2)

2 NaHCO3 ---> Na2CO3 + CO2 + H2O (pada Temperatur Tinggi)
CO2 + H2O ---> H2CO3
H2CO3 ---> H+ + HCO3
H+ inilah agent asam yang meningkatkan pH
3. Sulphite (SO32-)
Cara menghilangkan kontaminan Sulphite (SO32-) ?
- Menggunakan Mg / Al seperti MgO atau MgCOsesuai reaksi berikut : 
MgO + SO3 ---> MgSO4

MgCO3 + SO3 ---> MgSO4 + CO2

  • Alkalinity
Karena kehadiran bicarbonate (HCO32-), carbonate (CO32-), ion hydroxyl (OH-). Fungsi "DEGASSIFIER " adalah untuk menghilangkan gas - gas terlarut yang bisa menyebabkan korosi perpipaan. Jika ada kandungan CO2 bisa menyebakan pH turun karena bisa berikatan dengan air membentuk H2CO3
H2O + CO2 ---> H2CO3
H2CO3 ---> H+ + HCO3
H+ inilah agent asam yang meningkatkan pHCO2 dihilangkan dengan Degassifier karena jika kandungan CO2 di feed water tinggi maka akan membentuk H2CO3 yang bersifat korosif
Cara untuk Removal CO2 sebagai berikut :
  • Degassing 
  • Pemanasan 
  • Tannin 
  • Turunan glukosa
CaSO4 + Na2CO3 ---> CaCO3 + Na2SO4
CaCO3 adalah lumpur dan bisa dihilangkan dengan akses blowdown
Penggunaan Na2CO3 kurang baik karena menghasilkan CO2 namun jika ditambah tannin/lignin maka penggunaan lebih baik dari Na3PO4
* Bagaimana mengubah C032- (not soluble) menjadi bicarbonate HCO3- (soluble)?
Dengan cara mengurangi pH dari 10.2 menjadi 8 sd 9, sehingga terjadi reaksi berikut : 
H+ + C032- ---> HCO3-
  • Dissolved Oxygen (DO)                                                                                    
Kehadiran DO dapat menyebabkan korosi (pitting) dan untuk meminimalisir maka digunakan 
1. Sodium sulphite (Na2SO3) utk boiler tekanan rendah (<105 kgf/cm2dan penggunaannya menambah TDS di feed water                 
2. Amine (NH2+) atau Hydrazine (N2H4) digunakan utk boiler tekanan tinggi dan itu tidak menambah TDS di feed water.                                                                                              
Untuk Boiler tipe Supercritical One Through (artinya air menjadi uap secara langsung tanpa dipisahkan di Steam Drum sehingga akses untuk membuang padatan terlarut yaitu CBD tidak ada) menggunakan All Volatile Treatment (AVT) seperti NH3 dan N2H4 
N2H4 + O2 ---> 2 H2O + N2
5 N2 + 6 H2O ---> 4 NH3 + 6 NO 
NH3 + H2O ---> NH4+ + OH- (sebagai agent stabilizer pH)                  
NH3 korosif terhadap logam Cu dan Zn, oleh karena itu untuk tube yang terbuat dari kedua bahan tersebut maka kadar NH3 yang terbentuk harus benar - benar dijaga.
Fungsi Deaerator adalah :
  • Menghilangkan O2, CO2 dan non condensable gas di feed water 
  • Memanaskan make up water dan condensate sehingga meminimalisir pelarutan dari gas yang tidak diinginkan sehingga siap untuk air umpan boiler
Chemical untuk mengikat DO adalah : 
  • Sodium sulphite (Na2SO3) ---> jika menggunakan ini maka peralatan harus terbuat dari SS 304
  • Hydrazine (N2H4) ---> anorganic (low volatil)
  • Carbohydrazide 
  • Hydroquinone ---> organic (sangat volatil)
  • Ascorbic acid ---> organic (low volatil)
  • Diethyl hydroxyl amine 
  • Methyl ethyl ketoxime 
  • Dissolved Solid
Ini menambah konduktifitas air sehingga dengan tingginya conductivity maka potensi korosi juga lebih tinggi
  • Dissolved Salt / Hardness
Kehadiran garam - garam dari Ca dan Mg
CaSO4 + Na2CO3 ---> CaCO3 + Na2SO4
2 NaOH + MgSO4 ---> Mg(OH)2 + Na2SO4
CaCO3 dan Mg(OH)2 adalah lumpur dan bisa dihilangkan dengan akses blowdown
  • Chloride, Sulphate & Phospate
Cl- berasal dari air laut atau injeksi kimia yang berlebih. Sesuai reaksi berikut :
NaCl ---> Na+ + Cl-
HCl ---> HCl-
Chloride (Cl-) bisa dinetralkan dengan agent bisulphite / sulphur oxide. Sesuai reaksi berikut :
SO2 + Cl2 + 2 H2O ---> H2SO4 + 2 HCl
NaHSO3 (bisulphite) + Cl2 + H2O ---> NaHSO4 (bisulphate) + 2 HCl
NH4HSO3 (ammonium bisulphite) + Cl2 + H2O ---> NH4HSO4 + 2 HCl
Dan juga bisa dinetralkan dengan cara : adsorption dengan activated carbon dan aerasi (tidak efektif)
SO42- bisa disebabkan karena agen penetral chloride yang berlebih sehingga terikut ke aliran feed water
2 NaOH + MgSO4 ---> Mg(OH)2 + Na2SO4
Mg(OH)2 adalah lumpur dan bisa dihilangkan dengan akses blowdown

Bagaimana cara menetralkan Chlorine (Cl-)?
- Dengan ditambahkan agen dioksida (SO2) atau trioksida (SO3)
                                                  SO2 + Cl2 + 2 H2O ---> H2SO4 + 2 HCl

                           NaHSO3 (bisulphite) + Cl2 + H2O ---> NaHSO4 (bisulphate) + 2 HCl
      NH4HSO3 (ammonium bisulphite) + Cl2 + H2O ---> NH4HSO4 (ammonium bisulphate) + 2 HCl
- Menggunakan Activated Carbon dengan cara Adsorption
- Dengan Aerasi (paling tidak efektif) 
* Bagaimana mencegah "Caustic Embrittlement"?
- Untuk P Tinggi ---> Disodium Phospate (Na2HPO4) ditambahkan agen basa agar menjadi Trisodium Phospate (Na3PO4)
                                                    Na2HPO4 + NaOH ---> Na3PO4 + H2O
Sifat dari Na3PO4 adalah mencegah caustic terdeposit dan mengurangi pH terlalu tinggi ---> terhindar dari caustic embrittlement
Untuk P Sedang ----> digunakan Natrium Nitrit (NaNO3)
* Bagaimana mencegah "Hydrogen Embrittlement"?
Korosi tube pada high pressure menghasilkan H2 sesuai reaksi berikut :
3 Fe + 4 H2O ---> Fe3O4 + 4 H2
2 H2 + FeC ---> CH4 + Fe
CH4 adalah gas yang jika mengumpul di satu sisi tube akan menaikkan pressure dan bisa menyebabkan tube meledak

3. Carry Over
Didefinisikan sebagai luapan (entrainment) dari feed water boiler (di steam drum) terikut aliran uap. Faktor yang menyebabkannya adalah :
  • Jumlah TDS atau TSS di feed water 
  • Kandungan kimia di feed water 
  • Desain & kondisi operasi boiler, meliputi : pressure desain boiler, ukuran steam drum, desain kW yang dibangkitkan, laju sirkulasi, susunan downcomer dan riser 
Carry over bisa terbentuk sebagai Priming (banyaknya air yang terikut di aliran uap) dan Foaming (bubble/gelembung yang tidak pecah karena tegangan permukaan yang tinggi sehingga volume di steam drum meningkat drastis)
4. Silica Deposition
Semua air mengandung silica dan untuk menghilangkan silica lebih sulit dibanding hardness water (Ca dan Mg) karena pada temperatur tinggi, silica bersifat volatil dan mudah terbawa ke aliran steam dan membentuk hard coating di turbine blade
Silica terbagi menjadi 2 yaitu :
- Amorphous Silica (kerak yang berkilauan dan sulit untuk dihilangkan, cara menghilangkan dengan hydrofluoric acid (HF) yaitu bahan untuk membelah permukaan kaca)
- Magnesium Silica
Internal boiler treatment ada 2 yaitu :
Carbonate cycle (boiler dengan P < 125 psig)
- Phospate cycle (boiler dengan P > 125 psig)
Menurut PDH center, 8 ppm Na2SO3 bisa menurunkan kadar DO sebesar 1 ppm.

TABEL STANDAR WATER QUALITY FOR BOILER FEED SESUAI ASME
Referensi :
[1] Baron, Chemical & System. Boiler Water Problem and Its Causes
[2] Boiler Water – Problem & Solution. PDH Course M165. www.PDHcenter.com
[3] Joan, Estilles. Reducing Corrosion and Potential Boiler Failure with Superior Iron Transport
[3] Technology. GE Water & Process Technologises
[4] https://www.gewater.com

1 comment:

  1. Ingin data artikel pdf,kirim email admin : ye_feriyanto@yahoo.com

    ReplyDelete