Trending Topik

Analisa Kerak (Scale & Deposit) Tube Boiler & Condenser

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 oC) [VGB standard, 2011] dan keadaan ANAEROB".
3 Fe + 4 H2O ---> Fe3O4 + 4 H2
Fe3Oadalah lapisan (film layer) bagus yang melindungi perpipaan dan warna kehitaman.
Berdasarkan handbook chemical analysis of industrial water by McCoy (1969) berikut:
Fe3O4 terbentuk karena adanya oksigen yang cukup pada fluida dengan kondisi pH alkali (pH >9.3) tepatnya di pH 10.5-11.5 [Frayne, 2002].
Berdasarkan handbook of water treatment Kurita (1999) berikut:
Fe3Ojuga terbentuk karena adanya reaksi antara produk korosi iron oxide dengan hydrazine (N2H4) seperti reaksi berikut: [Kurita, 1999]
N2H4 + 6 Fe2O3 ---> 4 Fe3O4 + 2 H2O + N2
Sehingga treatment air sebelum masuk ke boiler seperti injeksi hydrazine (N2H4dan residual-nya berguna untuk mencegah korosi namun ketika material yang dilewati terdapat kandungan Cu maka residual hydrazine dijaga pada batas standarnya yaitu 30-50 ppb untuk menghindarkan reaksi korosi.

Cu + 4 NH3 + ½ O2 + H2O ---> Cu(NH3)4.(OH)2 

Langkah yang tepat untuk mengurangi korosi Cu adalah dengan menambahkan chromate aau chromate -polyphospate [McCoy, 1969].
Oksida besi lainnya yang menunjukkan korosi yang menyebabkan kerak adalah Fe2O3 (hematite) berwarna kemerah-merahan. Ini terbentuk karena excess oxygen pada temperatur rendah [Port et al., 1991] [Frayne, 2002], sesuai reaksi berikut:
2 Fe + H2O + O2 ---> Fe2O3 + H2
Sehingga dengan pengendalian menggunakan oxygen scavenger seperti dosis hydrazine (N2H4tepat guna serta optimalnya fungsi mechanical deaerator maka keberadaan Fe2O3 (hematite) bisa diminimalisir dan reaksi mengarah ke pembentukan Fe3O(magnetite).


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 
Produk iron-oxide tersebut bisa diatasi dengan beberapa cara sebagai berikut: [McCoy, 1969]
  • Hydrochloric Acid (HCl), sangat efektif untuk melarutkan scale iron-oxide walaupun sifatnya yang keras (pH kuat) terhadap permukaan material. Konsentrasi yang digunakan 5% HCl yang digunakan pada temperature 130-140 oF

  • Phosporic Acid (H3PO4), aplikasi bisa langsung ketika boiler online karena sifatnya pH lemah yang kurang reaktif terhadap permukaan material. Konsentrasi yang digunakan 5% H3PO4

  • Sulfamic Acid (NH3.SO3), aplikasi ini umumnya dikombinasikan dengan NaCl dengan perbandingan konsenrasi 10% NH3.SO3 dan 5% NaCl
Berdasarkan Standar EPRI "Failure Tube Failure" Perbedaan Wustite (FeO), Hematite (Fe2O3) dan Magnetite (Fe3O4):
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/kesadahan) yang terikut ke sistem feed water, jadi feed water terkontaminasi dengan urutan sebagai berikut: 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 yang ditambahkan sebagai sofening water, dimana agent softening meliputi: lime/kapur & soda ash
* 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
CaCO3 bersifat mengendap sehingga dengan mudah untuk dibuang dari jalur boiler water menggunakan fasilitas blowdown steam drum.
Pengontrol CaCO3 adalah:
  • Polyphospate 
  • Organic phospate 
  • Organic polymer                                                                            
    1.2 Scale karena Iron Oxide                                                                                                 
* Disebabkan karena excess Odan steam basah [Kurita, 1999].
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 (<40 oC) [Kurita, 1999].
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
 
Klasifikasi scale dikutip dari Port et al. (1991) sebagai berikut:

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, dengan terbentuknya karena lapisan tipis lumpur yang pelan-pelan terus terbentuk 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)

NaOH di PLTU digunakan untuk genjot kenaikan pH namun jika berlebihan bisa menyebabkan caustic gouging/caustic embrittlement/caustic corrosion sehingga penggunaannya harus dikendalikan tidak boleh >7.5-10%=7,500-10,000 ppm.

Hematite (Fe2O3) warna keMERAHan yaitu saat tube out of service atau ketika excess oxygen
Magnetite (Fe3O4warna keHITAMan yaitu saat tube operasi atau karena reaksi antara residual hydrazine dengan hematite
* Jika lapisan magnetite (Fe3O4terkena ASAM TINGGI (pH rendah), 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 ?
  • Chloride (Cl-) ---> berasal dari air laut
  • Carbon dioksida (CO2)
2 NaHCO3 ---> Na2CO3 + CO2 + H2O (pada temperatur tinggi)
CO2 + H2O ---> H2CO3
H2CO3 ---> H+ + HCO3
H+ inilah agent asam yang menurunkan sampai pH <5.5
  • 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 "mechanical deaerator" 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
Hinilah agent asam yang meningkatkan pH CO2 dihilangkan dengan deaerator 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 di steam drum
Penggunaan Na2CO3 kurang baik karena menghasilkan CO2 namun jika ditambah tannin/lignin maka penggunaan lebih baik dari Na3PO4
* Bagaimana mengubah C032- (non 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 untuk boiler tekanan tinggi dan itu tidak menambah TDS di feed water.                                                                                              
Untuk boiler tipe supercritical once 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 volatile)
  • Carbohydrazide 
  • Hydroquinone ---> organic (sangat volatile)
  • Ascorbic acid ---> organic (low volatile)
  • 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
Berdasarkan handbook of water treatment Kurita (1999) sebagai berikut:

CaSO4 terbagi menjadi 3 tipe:

  1. Dihydrate (CaSO4.2H2O), kondisinya stabil pada temperature <98 oC
  2. Hemihydrate (CaSO4.1/2H2O), kondisinya stabil pada range temperature 98-170 oC
  3. Anhydride (CaSO4), kondisinya stabil pada temperature >170 oC

Kelarutan CaSO4 meningkat seiiring kenaikan temperature sampai 35 oC dan kemudian berkurang pada temperatur >40 oC

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 "Acid Corrosion dan Carry-Over"?
  • Untuk P Tinggi ---> disodium phospate (Na2HPO4) ditambahkan agen basa agar menjadi trisodium phospate (Na3PO4)
                                                    Na2HPO4 + NaOH ---> Na3PO4 + H2O
Ketika Na3PO4 (TSP) diinjeksikan di steam drum terjadi reaksi sebagai berikut:

Na3PO4 + H2O ---> H3PO4 + NaOH

Beberapa fungsi injeksi TSP adalah: [Frayne, 2002]

  • Mencegah acid corrosion
  • Menambah kelarutan silica
  • Sebagai lapisan pasifasi

Ketika Na3PO4 difungsikan sebagai injeksi di steam drum, berikut reaksinya:

(i) Na3PO4 + SiO2 ---> Na2SiO3 (garam) + P2O(lumpur)

(ii) 2 Na3PO4 + 3 CaCO3 ---> 3 Na2CO3 (garam) + Ca3(PO4)(lumpur) 

Poin (1) umumnya reaksi yang terjadi ketika umpan air sungai sedangkan poin (ii) air laut.  Garam yang bersifat basa digunakan untuk stabilisasi pH siklus uap-air sedangkan lumpur dilakukan blowdown

BACA JUGAAnalisa Deposit pada Blade Turbine

  • 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 volatile 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)
  • Silicate Salt/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

Kutip Artikel ini Sebagai Referensi (Citation):
Feriyanto, Y.E. (2018). Analisa Kerak (Scale & Deposit) Tube Boiler & Condenser, Best Practice Experience in Power Plantwww.caesarvery.com. Surabaya

Referensi:
[1] Feriyanto, Y.E. (2016). Best Practice Experience in Power Plant. Surabaya
[2] Port, R.D., and Herro, H.M. (1991). The Nalco Guide to Boiler Failure Analysis. McGraw-Hil, Inc
[3] Baron. Chemical & System. Boiler Water Problem and Its Causes
[4] Boiler Water – Problem & Solution. PDH Course M165. www.PDHcenter.com
[5] Joan, Estilles. Reducing Corrosion and Potential Boiler Failure with Superior Iron Transport
[6] GE Water & Process Technologies
[7] https://www.gewater.com
[8] Kurita. (1999). Handbook of Water Treatment, Second Edition. Japan
[9] McCoy, J.W. (1969). Chemical Analysis of Industrial Water. California-US
[10] Frayne, C. (2002). Boiler Water Treatment Principles and Practice. Vol. 1. New York-USA

Ingin Konsultasi dengan Tim Expert Website, Silakan Hubungi KLIK

Previous
« Prev Post