DEPOSIT PADA BOILER: PEMBENTUKAN DAN PENGENDALIAN

DEPOSIT PADA BOILER: PEMBENTUKAN DAN PENGENDALIAN

Deposit merupakan masalah utama dalam pengoperasian peralatan pembangkit uap. Akumulasi material pada permukaan boiler dapat menyebabkan panas berlebih dan/atau korosi. Kedua kondisi ini sering kali mengakibatkan downtime (pemberhentian operasi) yang tidak terjadwal.

Sistem pretreatment air umpan boiler telah berkembang sedemikian rupa sehingga sekarang memungkinkan untuk menyediakan air umpan boiler dengan ultrapure water. Namun, tingkat pemurnian ini membutuhkan penggunaan sistem perlakuan awal yang rumit. Pengeluaran modal untuk unit peralatan pre-treatment seperti itu bisa sangat besar dan seringkali tidak dapat tercapai hanya dengan internal treatment.

Kebutuhan akan air umpan berkualitas tinggi merupakan sesuatu yang harus dipenuhi untuk meningkatkan kinerja boiler. Rasio permukaan pemanas terhadap penguapan telah menurun. Akibatnya, laju perpindahan panas melalui tube dinding air meningkat melebihi 200.000 Btu/ft²/jam (542.000 kcal/m2/jam). Toleransi pengendapan sangat rendah dalam sistem ini.

Kualitas air umpan yang dibutuhkan tergantung pada tekanan operasi boiler, desain, kecepatan perpindahan panas, dan penggunaan steam. Sebagian besar sistem boiler memiliki air makeup yang diproses dengan zeolit-Na atau demineralisasi. Kesadahan air umpan biasanya berkisar antara 0,01 hingga 2,0 ppm, tetapi air dengan kemurnian ini tidak dapat bebas dari deposit. Oleh karena itu, program pengolahan air boiler internal yang baik sangat diperlukan.

DEPOSIT

Kontaminan air umpan yang umumnya dapat membentuk endapan di boiler termasuk kalsium, magnesium, besi, tembaga, aluminium, silika, dan (pada tingkat yang lebih rendah) lumpur dan minyak. Sebagian besar endapan dapat diklasifikasikan sebagai salah satu dari dua jenis :

1. kerak yang mengkristal langsung di permukaan tube

2. endapan lumpur yang mengendap di tempat lain dan diangkut ke permukaan logam oleh air yang mengalir

Kerak dibentuk oleh garam yang memiliki kelarutan rendah, namun tidak sepenuhnya larut di dalam air boiler. Garam-garam ini mencapai tempat pengendapan dalam bentuk yang dapat larut dan mengendap saat dipekatkan oleh proses penguapan.

Laju perpindahan panas yang tinggi menyebabkan laju penguapan yang tinggi sehingga memekatkan air yang tersisa di area penguapan. Sejumlah senyawa pembentuk kerak yang berbeda dapat mengendap dari air yang pekat. Sifat kerak yang terbentuk bergantung pada komposisi kimiawi air pekat. Konstituen deposit normal terdiri dari kalsium, magnesium, silika, aluminium, besi, dan (dalam beberapa kasus) natrium.

Kombinasi senyawa ini berbeda di setiap boiler dan tebentuk di tempat berbeda-beda. Kerak dapat terbentuk sebagai kalsium silikat di satu boiler dan sebagai natrium besi silikat di boiler lain.

Contoh untuk Tabel 12.1 Senyawa pada kristal kerak yang dianalisa menggunakan X-ray diffraction (XRD).

Nama : Acmite

Formula : Na2OFe2O34SiO2

Dibandingkan dengan beberapa reaksi pengendapan lainnya, seperti pembentukan kalsium fosfat, kristalisasi kerak merupakan proses yang lambat. Akibatnya, kristal yang terbentuk tersusun dengan baik dan membentuk material yang keras, padat, dan material insulator yang baik yang terbentuk di permukaan logam tube.

Sludge adalah akumulasi padatan yang mengendap di bulk boiler water atau masuk ke boiler sebagai padatan tersuspensi. Endapan lumpur bisa menjadi keras, padat, dan alot. Saat terkena tingkat panas yang tinggi (misalnya, saat boiler didrain), endapan lumpur mengalami pemasakan. Endapan lumpur yang mengeras dengan cara ini bisa sama sulitnya dengan kerak.

Setelah pengendapan mulai terjadi, partikel yang ada di air yang bersirkulasi dapat terikat pada endapan. Pengikatan intrapartikel tidak perlu terjadi antara setiap partikel dalam massa deposit. Beberapa partikel tidak terikat dapat diikat dalam jaringan partikel terikat.

Ikatan sering kali terbentuk karena adanya muatan permukaan dan hilangnya hidrasi air. Besi oksida, dalam bentuk terhidrasi dan oksida sangat rentan terhadap ikatan. Beberapa senyawa silikat akan melakukan hal yang sama dan banyak kontaminan minyak yang terkenal sebagai pengikat deposit karena reaksi polimerisasi dan degradasi.

Selain menyebabkan kerusakan material dengan mengisolasi tempat perpindahan panas dari nyala api boiler ke air. Endapan juga membatasi sirkulasi air boiler. Deposit membuat permukaan tube menjadi kasar dan meningkatkan koefisien hambatan di aliran boiler. Sirkulasi yang berkurang dalam generating tube menyebabkan percepatan deposisi, panas berlebih, dan pemisahan uap-air yang tidak optimal.

SIRKULASI AIR BOILER

Inilah cara menggambarkan proses sirkulasi boiler. Left legs dari U-tube mewakili downcomers dan diisi dengan air yang relatif dingin. Right legs mewakili tube pembangkit dan dipanaskan. Panas menghasilkan gelembung uap, dan arus konveksi menciptakan sirkulasi. Semakin banyak panas yang dialirkan, semakin banyak uap yang dihasilkan dan laju sirkulasi meningkat.

Permukaan menjadi kasar dan aliran tersumbat sehingga mengurangi sirkulasi. Pada saat laju panas yang masuk konstan, jumlah steam yang sama dihasilkan, sehingga perbandingan steam-air dalam tube pembangkit dinaikkan. Air di dalam tube menjadi lebih pekat sehingga meningkatkan potensi pengendapan garam dalam air boiler.

Dalam kasus ekstrim, pengendapan sangat parah dapat mengurangi sirkulasi sehingga terjadi pemisahan uap-air yang tidak optimal. Ketika ini terjadi dalam furnace tube, kegagalan karena panas berlebih akan terjadi dengan cepat. Jika endapan yang terbentuk ringan, tidak menyebabkan kerusakan tube, tetapi mengurangi margin keamanan dalam desain boiler.

Hingga titik pemisahan uap-air yang tidak optimal, laju sirkulasi boiler meningkat dengan peningkatan laju panas yang diterima. Seringkali, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 12.5, titik belok (A) berada di atas tingkat rating nominal boiler. Ketika aliran sirkulasi kotor, titik belok pada kurva sirkulasi-hingga-panas yang masuk bergerak ke kiri, dan sirkulasi air secara keseluruhan berkurang. Peristiwa ini ditandai oleh garis putus-putus ke bawah.

 Jika muatan permukaan pada sebuah partikel relatif netral maka cenderung menyebabkan partikel tersebut menempel pada dinding tube atau tetap tersuspensi, aliran air yang cukup akan mencegahnya keluar dari tube. Jika sirkulasi melalui aliran sirkulasi tidak cukup untuk memberikan sapuan air yang cukup, partikel netral dapat menempel pada tube. Dalam kasus sirkulasi yang sangat rendah, penguapan total dapat terjadi dan terbentuknya deposit garam natrium yang biasanya larut.

TREATMENT KIMIA

Penaganan menguunakan natrium karbonat adalah metode pertama untuk mengendalikan kerak kalsium sulfat. Metode saat ini didasarkan pada penggunaan fosfat dan chelant. yang pertama adalah program pengendapan, yang kedua adalah program pelarutan.

Kontrol Karbonat

Sebelum perlakuan fosfat diterima pada tahun 1930-an, kerak kalsium sulfat merupakan masalah utama boiler. Penanganan dengan natrium karbonat digunakan untuk mengendapkan kalsium sebagai kalsium karbonat untuk mencegah pembentukan kalsium sulfat. Driving force pembentukan kalsium karbonat adalah adanya konsentrasi ion karbonat yang tinggi dalam air boiler. Bahkan jika hal ini tercapai, pengerakan besar-besaran oleh kalsium karbonat dapat terjadi. Karena tekanan boiler dan kecepatan perpindahan panas yang perlahan naik, kerak kalsium karbonat menjadi tidak dapat diterima, karena menyebabkan pipa terlalu panas dan rusak.

Kontrol Fosfat

Kalsium fosfat hampir tidak larut dalam air boiler. Bahkan kadar fosfat yang rendah dapat dipertahankan untuk memastikan pengendapan kalsium fosfat dalam air boiler bulk jauh dari permukaan pemanas. Oleh karena itu, penggunaan kontrol fosfat menghilangkan masalah kerak kalsium karbonat. Ketika kalsium fosfat dibentuk dalam air boiler dengan alkalinitas yang cukup (pH 11.0-12.0), sebuah partikel dengan muatan permukaan yang relatif tidak melekat akan dihasilkan. Ini tidak mencegah perkembangan akumulasi deposit dari waktu ke waktu, tetapi deposit dapat dikontrol dengan cukup baik dengan blowdown.

Dalam program pengolahan pengendapan dengan fosfat, magnesium yang merupakan kontaminasi hardness lebih cenderung diendapkan sebagai magnesium silikat. Jika tidak ada silika, magnesium akan mengendap sebagai magnesium hidroksida. Jika alkalinitas air boiler yang dipertahankan tidak mencukupi, magnesium dapat bergabung dengan fosfat.

Magnesium silikat yang terbentuk dalam program pengendapan tidak terlalu menempel secara kuat. Namun, itu berkontribusi pada penumpukan deposit yang setara dengan kontaminan lainnya. Analisis endapan boiler yang khas menunjukkan bahwa magnesium silikat hadir dalam rasio yang kira-kira sama dengan kalsium fosfat seperti magnesium terhadap kalsium dalam air umpan boiler.

Kontrol Fosfat/Polimer

Hasil kontrol fosfat ditingkatkan dengan tambahan bahan organik. Bahan organik alami seperti lignin, tanin, dan pati adalah suplemen pertama yang digunakan. Bahan organik ditambahkan untuk mendorong pembentukan lumpur fluida yang akan mengendap di drum lumpur (mud drum). Blowdown bawah dari drum lumpur dapat menghilangkan lumpur.

Ada banyak kemajuan dalam penanganan dengan senyawa organik. Polimer sintetik sekarang digunakan secara luas, dan penekanannya adalah pada dispersi partikel daripada pembentukan lumpur fluida. Meskipun mekanisme ini cukup kompleks, polimer mengubah luas permukaan dan rasio muatan permukaan terhadap massa padatan pada air boiler yang khas. Dengan pemilihan dan aplikasi polimer yang tepat, muatan permukaan pada partikel dapat diubah dengan baik .

Scanning electron photomicrograph (Pembesaran 4000X) dari kristal kalsium fosfat-magnesium silikat yang terbentuk dalam air boiler tidak diolah dengan dispersan. (kanan) dengan polimer tersulfonasi, pertumbuhan kristal dikontrol

Banyak jenis polimer sintetis digunakan dalam program pengendapan fosfat. Kebanyakan efektif dalam mendispersi magnesium silikat dan magnesium hidroksida serta kalsium fosfat. Polimer biasanya memiliki berat molekul rendah dan memiliki banyak sisi aktif. Beberapa polimer digunakan secara khusus untuk garam hardness atau untuk besi; beberapa efektif untuk rentang ion yang luas.

 Kinerja fosfat/polimer dapat dipertahankan pada kecepatan perpindahan panas yang tinggi melalui pemilihan polimer yang sesuai.

·         Treatment Type

·         Boiler Treatment Concentration (ppm)

·         Heat Transfer Rate (Btu/ft2/hr)

·         Operating Pressure (psig)

·         % Scale Reduction

Kontrol Chelant

Chelant adalah aditif utama sebagai pelarut di dalam program penanganan air boiler. Chelant memiliki kemampuan untuk mengkomplekskan banyak kation (hardness dan logam berat pada kondisi air boiler). Mereka melakukannya dengan mengunci logam ke dalam struktur cincin organik yang dapat larut. Kation chelated tidak mengendap di boiler. Saat diaplikasikan dengan dispersan, chelant menghasilkan sisi permukaan air yang bersih.

Penyuplai dan pengguna chelant telah belajar banyak tentang keberhasilan penerapannya sejak diperkenalkan sebagai metode pengolahan air umpan boiler di awal 1960-an. Chelants digembar-gemborkan sebagai aditif “treatment ajaib”. Namun, seperti halnya materi apa pun, tantangan terbesar adalah memahami penerapan yang tepat.

Chelant adalah asam organik lemah yang diinjeksikan ke dalam air umpan boiler dalam bentuk garam natrium yang dinetralkan. Air menghidrolisis chelant, menghasilkan anion organik. Derajat hidrolisis merupakan fungsi dari pH; hidrolisis sempurna membutuhkan pH yang relatif tinggi.

Chelant anionik memiliki sisi reaktif yang menarik sisi koordinasi pada kation (kontaminan hardness dan logam berat). Sisi koordinasi adalah area pada ion yang dapat menerima ikatan kimia. Misalnya, besi memiliki enam sisi koordinasi, seperti halnya EDTA (asam etilen di-amin tetra-asetat). Ion besi yang memasuki boiler (misalnya, sebagai kontaminasi dari sistem kondensat) bergabung dengan EDTA. Semua sisi koordinasi pada ion besi digunakan oleh EDTA, dan logam yang stabil terbentuk (Gambar 12.10).

Kebanyakan logam (diwakili di kiri) memiliki enam situs koordinasi reaktif. EDTA dapat secara efektif mengikat ke setiap situs koordinasi dan menghasilkan kompleks yang stabil

NTA (asam nitrile tri-asetat), chelant lain yang diaplikasikan pada air umpan boiler, memiliki empat lokasi koordinasi dan tidak membentuk kompleks yang stabil seperti EDTA. Dengan NTA, sisi koordinasi yang tidak digunakan pada kation rentan terhadap reaksi dengan anion yang bersaing.

Chelants bergabung dengan kation yang membentuk endapan, seperti kalsium, magnesium, besi, dan tembaga. Kelat logam yang terbentuk larut dalam air. Ketika kelat stabil, pengendapan tidak terjadi. Meskipun ada banyak zat yang memiliki sifat chelating, EDTA dan NTA hingga saat ini merupakan chelant yang paling cocok untuk pengolahan air umpan boiler.

Logaritma konstanta kesetimbangan untuk reaksi ion logam kelant, yang sering disebut Konstanta Stabilitas (Ks), dapat digunakan untuk menilai stabilitas kimia kompleks yang terbentuk. Untuk reaksi kalsium-EDTA:

Ks = Log([Ca-EDTA2-]/([Ca2+]x[EDTA4-])) = 10.59

Efektivitas program chelant dibatasi oleh konsentrasi anion yang bersaing. Dengan pengecualian fosfat, batasan anion yang bersaing pada chelant EDTA biasanya tidak parah. Alkalinitas dan silika, selain fosfat, membatasi pertimbangan dalam penggunaan NTA.

Kontrol Chelant/Polimer

Besi oksida menjadi perhatian khusus dalam program pengolahan air boiler saat ini. Deposisi dari air umpan boiler dengan hardness rendah (kurang dari 1,0 ppm) dihilangkan dengan program chelant dan dapat dikurangi hingga 95% dengan program pengolahan polimer/fosfat yang baik. Besi oksida merupakan kontributor yang semakin signifikan pada endapan boiler karena vitual elimination endapan hardness di banyak sistem dan karena laju perpindahan panas yang tinggi dari banyak boiler mendorong pengendapan besi.

Chelant dengan nilai stabilitas tinggi, seperti EDTA, dapat membuat kompleks endapan besi. Namun, kemampuan ini dibatasi oleh persaingan dengan ion hidrat. Pengalaman menunjukkan bahwa hanya mengandalkan EDTA atau chelant lain bukanlah metode yang paling memuaskan untuk pengendalian zat besi.

Pada kecepatan umpan chelant normal, kelasi terbatas dari besi partikulat yang masuk terjadi. Ini biasanya cukup untuk melarutkan beberapa kontaminan besi kondensat. Chelation dari magnetit (oksida yang terbentuk di bawah kondisi boiler – campuran Fe2O3 dan FeO) dimungkinkan karena chelant bergabung dengan besi (FeO) dari magnetit.

Pemberian chelant yang berlebihan (tingkat tinggi) dapat menghilangkan oksida besi dalam jumlah besar. Namun, hal ini tidak diinginkan karena tidak dapat membedakan antara oksida besi yang membentuk lapisan magnetit pelindung dan oksida besi yang membentuk endapan.

Kombinasi chelant/polimer adalah pendekatan yang efektif untuk mengendalikan oksida besi. Chelant yang cukup diumpankan untuk menbentuk senyawa kompleks dengan hardness dan besi larut, dengan sedikit excess untuk melarutkan kontaminasi besi. Polimer kemudian ditambahkan untuk mendispersi kontaminan oksida besi yang tersisa

 Chelant/polimer dapat memberikan perlindungan deposit besi tingkat tinggi, asalkan digunakan polimer yang tepat. Bahkan anggota keluarga polimer yang sama, seperti polimetakrilat (PMA), dapat sangat bervariasi dalam kinerja

Program chelant/polimer dapat menghasilkan sisi air yang bersih, berkontribusi pada pengoperasian boiler yang jauh lebih anda. adwal pembersihan boiler yang tidak dapat digunakan dapat diperpanjang dan dalam beberapa kasus, dihilangkan. Ini tergantung pada kendali operasional dan kualitas air umpan. Chelant dengan kestabilan kompleks yang tinggi adalah perlakuan yang dapat ditoleransi.

 Chelant/polimer memberikan mode penanganan internal yang paling aman dari deposit. Kondisi pengujian: 600 psig; 60.000 (probe besar) + 180.000 (probe kecil) Btu/ft2/jam air umpan, konstanta makeup

Boiler dengan pengendapan tingkat sedang dalam bentuk kalsium karbonat dan kalsium fosfat dapat dibersihkan secara efektif melalui program pembersihan chelant in service. Program pembersihan chelant in service harus dikontrol dan tidak dicoba pada boiler dengan endapan yang banyak atau diterapkan dengan kecepatan yang terlalu cepat. Chelants dapat menyebabkan akumulasi deposit yang besar terkuras dalam waktu singkat. Akumulasi ini dapat menyumbat header atau mengendap kembali di daerah sirkulasi kritis, seperti tube dinding furnace.

Dalam program pembersihan chelant, chelant yang cukup ditambahkan untuk melarutkan hardness air umpan dan besi yang masuk. Ini diikuti dengan dosis chelant berlebih yang direkomendasikan. Inspeksi rutin (biasanya setiap 90 hari) sangat disarankan agar kemajuan treatment dapat dipantau.

Level polimer dalam boiler juga harus dinaikkan hingga di atas konsentrasi normal. Ini membatasi masuknya partikel ke air boiler curah sebanyak mungkin sampai mengendap di drum lumpur. Peningkatan jumlah blowdown drum lumpur harus dilakukan untuk menghilangkan partikel dari boiler.

Program pembersihan chelant in service tidak disarankan saat analisis endapan menunjukkan bahwa unsur utama terdiri dari silikat, oksida besi, atau kerak apa pun yang tampaknya keras, terikat erat, atau kurang porositas. Karena kerak tersebut tidak berhasil dihilangkan di sebagian besar posisi, pembersihan chelant yang sedang berlangsung tidak dapat diatur dalam situasi ini.

Kombinasi Fosfat/Chelant/Polimer

Kombinasi polimer, fosfat, dan chelant biasanya digunakan untuk menghasilkan hasil yang sebanding dengan perlakuan chelant/polimer pada boiler bertekanan rendah hingga sedang. Kebersihan boiler ditingkatkan melalui penggunaan fosfat, dan keberadaan fosfat menyediakan cara pengujian yang mudah untuk memastikan adanya penangangan kimia di dalam air boiler.

Penanganan dengan Hanya Menggunakan Polimer

Program penanganan khusus polimer juga digunakan dengan tingkat keberhasilan tertentu. Dalam perlakuan ini, polimer biasanya digunakan sebagai pengkelat lemah untuk membentuk senyawa kompleks hardness air umpan. Perawatan ini paling berhasil jika kesadahan air umpan secara konsisten sangat rendah.

Pengolahan Air Boiler Bertekanan Tinggi

Boiler bertekanan tinggi biasanya memiliki area dengan aliran panas dan air umpan yang tinggi, terdiri dari air makeup terdemineralisasi dan persentase recovery kondensat yang tinggi. Karena kondisi tersebut, boiler bertekanan tinggi rentan terhadap serangan kaustik. Boiler bertekanan rendah yang menggunakan air demineralisasi dan kondensat sebagai air umpan juga rentan terhadap serangan kaustik.

Ada beberapa cara dimana air boiler dapat menjadi sangat pekat. Salah satu yang paling umum adalah pengendapan oksida besi pada radiant wall tube. Endapan oksida besi seringkali cukup berpori dan bertindak sebagai miniatur boiler uap. Air ditarik ke dalam deposit oksida besi. Panas yang diterima deposit dari dinding tube menghasilkan uap, yang keluar melalui pori deposit tersebut. Lebih banyak air masuk ke dalam endapan, menggantikan uap. Siklus ini berulang dan air di bawah endapan terkonsentrasi pada tingkat yang sangat tinggi. Ada kemungkinan 100.000 ppm kaustik di bawah endapan sementara air boiler curah hanya mengandung sekitar 5-10 ppm kaustik

Endapan berpori memberikan kondisi yang mendorong tingginya konsentrasi padatan pada air boiler, seperti natrium hidroksida (NaOH)

Unit pembangkit uap yang disuplai dengan air makeup yang didemineralisasi atau diuapkan atau kondensat murni dapat dilindungi dari korosi kaustik dengan perlakuan yang dikenal dengan istilah umum “kontrol fosfat/pH terkoordinasi”. Fosfat adalah buffer pH dalam program ini dan membatasi konsentrasi kaustik terlokalisasi. Pembahasan rinci tentang perawatan .

Jika endapan diminimalkan, daerah di mana kaustik dapat terkonsentrasi akan berkurang. Untuk meminimalkan pengendapan besi dalam boiler bertekanan tinggi (1000-1750 psig [70,3-123 kg/cm2]), polimer khusus telah dirancang untuk mendispersikan besi dalam air curah.

Seperti program pengendapan fosfat dan kontrol chelant, penggunaan polimer ini dengan perlakuan fosfat/pH terkoordinasi meningkatkan kontrol endapan.Mengilustrasikan keefektifan dispersan dalam mengendalikan pengendapan oksida besi. Kondisi pengujian adalah fluks panas 1500 psig (105 kg/cm2) (590 ° F [310 ° C]), 240.000 Btu/ft²/jam (650.400 kkal/m2/jam), dan program penggunaan fosfat/pH terkoordinasi. Memberikan ilustrasi grafik nilai dispersan dalam mencegah deposisi pada generator uap. Kemampuan untuk mengurangi akumulasi oksida besi merupakan persyaratan penting dalam perawatan sistem boiler yang beroperasi pada tekanan tinggi dan dengan air umpan yang memiliki kemurnian tinggi. Permukaan perpindahan panas boiler eksperimental (perbesaran 800X) yang terpapar kontaminasi besi air umpan. Deposisi oksida berat terjadi (kiri) saat tidak ada polimer yang digunakan. Permukaan yang hampir bersih dicapai dengan program polimer khusus besi (kanan)

Boiler superkritis menggunakan semua perawatan yang mudah menguap, umumnya terdiri dari amonia dan hidrazin. Karena potensi ekstrim untuk pembentukan endapan dan kontaminasi uap, tidak ada padatan yang dapat ditoleransi dalam air boiler sekali-tembus superkritis, termasuk padatan perawatan.