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 dan keadaan ANAEROB".
3 Fe + 4 H2O
---> Fe3O4 + 4 H2
Fe3O4 adalah lapisan bagus yang melindungi
perpipaan dan warna kehitaman.
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 F, Fe2+ 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 Boiler, silica 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
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 (Fe3O4) warna keHITAMan yaitu saat tube
operasi
* Jika lapisan Magnetite (Fe3O4) terkena ASAM TINGGI, sesuai reaksi berikut :
Fe3O4 + 8 HCl ---> FeCl2 + 2 FeCl3
+ 4 H2O
FeCl3 + ½ Cu ---> ½ CuCl2 +
FeCl2
2 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 MgCO3 sesuai reaksi berikut :
MgO + SO3 ---> MgSO4
MgCO3 + SO3 ---> MgSO4
+ CO2
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-
Kehadiran DO dapat menyebabkan korosi (pitting) dan
untuk meminimalisir maka digunakan :
1. Sodium sulphite (Na2SO3)
utk boiler tekanan rendah (<105 kgf/cm2) dan 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
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 --->
H+ + Cl-
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
