Korosi Pada Boiler

Korosi menjadi salah satu masalah yang sangat lazim terjadi pada boiler. Bahkan dapat dikatakan bahwa, tidak ada boiler yang tidak mengalami korosi. Karena boiler menggunakan media kerja air yang jika tidak diperhatikan, akan sangat mudah mengkorosi pipa-pipa boiler.

Air murni yang hanya tersusun oleh molekul H2O dan tanpa ada zat lain yang terlarut di dalamnya, bersifat tidak korosif. Zat-zat lain yang terlarut di dalam air lah yang menjadi salah satu pemicu air memiliki sifat yang korosif. Oksigen menjadi salah satu gas yang mudah larut di dalam air dan menjadi penyebab utama terjadinya korosi pada pipa-pipa boiler.

Temperatur air juga menjadi salah satu faktor pendukung terjadinya korosi. Seperti yang kita ketahui bersama bahwa air di dalam boiler akan mencapai temperatur yang sangat tinggi sesuai dengan jenis boiler yang digunakan. Air yang berada pada temperatur tinggi akan memiliki sifat-sifat yang sangat berbeda dengan air pada temperatur ruang. Pada temperatur di atas temperatur kritisnya, air akan menjadi lebih mudah melarutkan berbagai macam zat yang bahkan sebelumnya tidak mudah larut. Hal ini diakibatkan karena pada temperatur tersebut air lebih mudah terionisasi dan pecah membentuk ion-ion H3O+ dan OH-. Faktor inilah yang semakin mendorong terjadinya korosi pada pipa-pipa boiler.

20131217-083550 AM.jpg

Proses Terjadinya Korosi
(Sumber)

Korosi pada pipa-pipa boiler melibatkan atom Fe yang mengalami kontak dengan air sehingga teroksidasi membentuk kation Fe2+ dengan jalan melepaskan dua elektronnya. Elektron-elektron tersebut selanjutnya akan mereduksi atom oksigen dan bereaksi dengan air membentuk ion hidroksida.
    Fe       → Fe2+ + 2e-
    O2 + 2H2O + 4e-   → 4OH-

Selanjutnya ion Fe2+ bereaksi dengan ion OH- membentuk ferro hidroksida.
    Fe2+ + 2OH-   → Fe(OH)2

Pada kondisi kekurangan oksigen, atau biasa disebut dengan anaerobik, ferro hidroksida dapat teroksidasi lebih lanjut untuk membentuk lapisan magnetit yang justru bermanfaat bagi boiler untuk mencegah korosi yang lebih parah.
    3Fe(OH)2       → Fe3O4 + H2 + H2O

Berikut adalah bentuk-bentuk korosi yang terjadi pada boiler:

  1. Penipisan Pipa. Korosi pertama pada boiler biasa terjadi pada pipa yang alirannya mengalami semacam tabrakan atau turbulen, seperti pada lekukan pipa. Kondisi ini menyebabkan molekul-molekul Fe hanya teroksidasi hingga membentuk Fe2+ dan tidak lebih lanjut membentuk Fe3+ yang berfungsi untuk membentuk magnetit. Karena tidak terbentuk lapisan magnetit, maka korosi akan lebih dalam mengikis pipa boiler. Pengikisanpun terus berlanjut didukung dengan aliran fluida di dalam pipa yang turbulen, sehingga ketebalan pipa berangsur-angsur menipis akibat korosi jenis ini.

    Berikut adalah kondisi-kondisi yang memicu terjadinya korosi jenis ini:

    • Aliran yang bertabrakan.
    • Nilai pH yang rendah
    • Kandungan oksigen di dalam air terlalu tinggi
    • Adanya zat kimia yang memudahkan besi untuk lebih mudah terlarutkan

    Korosi ini sangat berbahaya karena pada suatu saat pipa yang terkorosi dapat pecah dan meledak akibat tekanan fluida yang tinggi pada sisi pipa yang menipis. Untuk menghindarinya perlu dilakukan inspeksi menyeluruh pada setiap bagian pipa boiler. Jika ditemukan tanda-tanda penipisan pipa atau korosi, segera ganti bagian tersebut dengan pipa baru.

Sifat-sifat Air Superheated

Air superheated adalah air yang masih berfase cair namun memiliki temperatur di antara titik didihnya yaitu 100oC sampai dengan temperatur kritisnya 374oC. Pada ruangan bertekanan atmosfer, air yang berada pada temperatur tersebut sudah pasti akan berubah fase menjadi uap air. Akan tetapi lain halnya jika air berada di bawah tekanan yang sangat tinggi sehingga secara alami ia memiliki temperatur saturasi yang lebih tinggi. Air superheater berada pada tekanan di atas 1 bar hingga 220 bar. Prinsip ini diaplikasikan pada boiler pembangkit listrik tenaga uap, dimana air yang dipanaskan di dalamnya adalah air yang disupply oleh pompa bertekanan tinggi.

20131125-124525 PM.jpg

Diagram Fase Air

Berbagai sifat fisik maupun kimia dari suatu material akan berubah sesuai dengan perubahan temperaturnya. Hal ini tidak terkecuali dengan air, air mengalami berbagai perubahan karakteristik yang bahkan lebih besar perubahannya dibandingkan dengan material-material lain. Berbagai sifat anomali air adalah disebabkan oleh kuatnya ikatan antar atom hidrogen air. Pada kondisi temperatur superheater ikatan-ikatan hidrogen tersebut akan putus dan memberikan perubahan signifikan atas sifat-sifat kimia air.

Berikut adalah perubahan-perubahan sifat fisika maupun kimia air pada kondisi liquid superheated:

Viskositas
Viskositas atau derajat kekentalan setiap fluida termasuk air akan selalu turun nilainya seiring dengan kenaikan temperatur. Hal ini disebabkan karena jika temperatur naik, setiap molekul fluida akan bergerak lebih cepat, sehingga interaksi antar molekul fluida tersebut akan lebih pendek waktunya. Jika interaksi antar molekul terjadi secara cepat, tegangan antar molekul pun akan lebih rendah. Dan jika tegangan antar molekul rendah, nilai viskositas fluida juga akan turun.

20131125-015313 PM.jpg

Perubahan Viskositas Air Pada Berbagai Temperatur
(Sumber)

Difusifitas
Difusifitas adalah sebuah satuan yang menunjukan ukuran kemampuan molekul-molekul ataupun energi pada sebuah meterial untuk berpindah secara difusi, yang ditunjukkan dengan konduktifitas termal dibagi dengan kapasitas termal spesifik dan massa jenis. Difusifitas air dan juga material lain sangat dipengaruhi oleh temperatur, dimana semakin tinggi temperatur sebuah material maka akan semakin tinggi pula nilai difusifitasnya.

Kapasitas Kalor Spesifik
Kapasitas kalor adalah jumlah energi panas yang dibutuhkan sebuah benda untuk merubah temperaturnya. Kapasitas kalor spesifik adalah kapasitas kalor per satu satuan massa. Kapasitas kalor air berubah seiring dengan perubahan temperatur yang terjadi. Pada tekanan konstan, kapasitas kalor spesifik air naik apabila temperatur air naik.

20131126-033926 PM.jpg

Nilai Kapasitas Kalor Spesifik Air Pada Berbagai Temperatur
(Sumber)

Metode Mengendalikan Emisi NOx Pada Gas Buang Boiler

Nitrogen oksida (NOx) menjadi salah satu polutan dengan jumlah besar yang dihasilkan oleh boiler. Seperti yang telah saya singgung sedikit pada artikel sebelumnya emisi NOx dapat menyebabkan hujan asam, pembentukan ozon, gangguan penglihatan, serta gangguan kesehatan pada manusia. Atas dasar tersebut pengendalian emisi NOx sangat diatur oleh regulasi pemerintah di berbagai negara. Di Indonesia sendiri, emisi gas buang dari boiler diatur batasannya oleh Peraturan Menteri Lingkungan Hidup.

Penyusun utama polutan NOx adalah nitrogen oksida (NO) dan nitrogen dioksida (NO2). Proses pembakaran semua jenis bahan bakar fosil akan menghasilkan NOx sesuai dengan temperatur kerjanya serta ketersediaan oksigen dan nitrogen pada bahan bakar dan udara. Emisi NOx yang dihasilkan oleh boiler tersusun atas 90-95% NO dan sisanya adalah NO2. Namun setelah kombinasi NOx tersebut keluar dari cerobong asap boiler, NO akan teroksidasi lebih lanjut menjadi NO2. NO2 inilah yang biasanya tampak sebagai asap yang keluar dari cerobong asap boiler tersebut.

Proses Pembentukan NOx

Sebelum kita mengetahui cara-cara untuk mengendalikan emisi NOx, perlu kita pelajari terlebih dahulu bagaimana proses terbentuknya NOx di dalam furnace boiler. Ada dua macam cara utama bagaimana NOx dapat terbentuk, yang pertama disebut dengan Termal NOx, dan yang kedua adalah Fuel NOx. Sebenarnya ada satu jenis lagi fenomena terbentuknya NOx yang disebut dengan Prompt NOx. Namun karena kontribusinya yang sangat kecil dalam pencemaran NOx maka proses yang ketiga ini tidak akan kita bahas pada kesempatan kali ini.

Nitrogen yang terkandung di dalam udara pembakaran dapat teroksidasi dan membentuk NOx jika proses pembakaran terjadi pada temperatur yang cukup tinggi. Pada temperatur pembakaran 1204oC, molekul nitrogen (N2) dan oksigen (O2) akan terpecah menjadi atom-atom penyusunnya. Selanjutnya atom-atom N2- dan O2- akan bereaksi membentuk ikatan NO. Pada proses oksidasi lebih lanjut, senyawa NO ini akan menjadi NO2. Proses pembentukan NOx yang berasal dari nitrogen udara pembakaran inilah yang disebut dengan termal NOx.

Fuel NOx adalah sebutan bagi nitrogen yang terkandung di dalam bahan bakar fosil (minyak atau batubara), yang membentuk emisi NOx di akhir proses pembakaran. Kontribusi fuel NOx dalam membentuk NOx adalah sebesar hingga 50% jika menggunakan bahan bakar minyak, dan 80% jika menggunakan batubara. Nitrogen di dalam bahan bakar fosil tersebut terikat di dalam ikatan organik senyawa hidrokarbon. Selama proses pembakaran terjadi, atom nitrogen terlepas menjadi atom bebas dan akan membentuk ikatan baru berupa NO dan N2. Sekalipun NO yang terbentuk tersebut menjadi penyusun terbanyak NOx, namun hanya 20-30% saja atom nitrogen yang terkandung di dalam bahan bakar fosil yang berubah menjadi NO, sisanya membentuk N2.

20130110-085849 PM.jpg

Pembentukan NOx Pada Pembakaran Batubara

Pada proses pembakaran batubara, atom nitrogen terlepas dari susunan molekul batubara pada saat awal proses pembakaran karena sifatnya yang volatil (mudah menguap pada temperatur rendah). Pelepasan atom nitrogen tersebut diikuti dengan proses oksidasi sehingga terbentuk molekul NO disamping terbentuknya pula N2. Proses pembentukan NOx yang berasal dari nitrogen volatil batubara menyumbang 60-90% dari keseluruhan fuel NOx. Sebagian kecil atom nitrogen yang terikat di dalam batubara tidak bersifat volatil seperti yang lain, sehingga dibutuhkan waktu yang lebih lama untuk lepas dari molekul batubara dan teroksidasi lebih lanjut untuk membentuk NOx.

Pembentukan NOx yang berasal dari batubara sangat tergantung dengan perbandingan stoikiometri bahan bakar dengan udara, namun tidak terlalu tergantung dengan temperatur proses pembakaran. Atas dasar hal tersebut, pembentukan NOx dapat dikontrol dengan jalan mengurangi jumlah supply udara pada saat zona awal (inisiasi) proses pembakaran. Mengontrol proses pencampuran batubara dengan udara sehingga terjadi proses pembakaran yang bertingkat, juga dapat mengurangi produksi NOx secara signifikan.

Metode mengendalikan emisi NOx pada boiler terdiri dari metode pre-combustion (dengan memilih bahan bakar rendah nitrogen), metode mengendalikan proses pembakaran, serta metode post-combustion (dengan menggunakan bahan kimia pengurai NOx menjadi N2 dan H2O). Namun yang paling banyak digunakan adalah dengan mengontrol proses pembakarannya. Seperti yang telah saya utarakan sebelumnya bahwa mengurangi jumlah udara pada campuran batubara dengan boiler di awal proses pembakaran, serta mengatur proses pembakaran agar terjadi secara bertingkat adalah termasuk metode mengurangi emisi NOx dengan mengontrol proses pembakaran. Berikut adalah sistem-sistem kontrol pembakaran yang bertujuan untuk mengendalikan emisi NOx:

  1. Burner Rendah NOx
    Burner adalah sebuah komponen proses pembakaran pada boiler yang berfungsi untuk mencampurkan udara dengan bahan bakar dan memasukkannya ke dalam furnace boiler (baca artikel berikut). Seperti yang sudah saya jelaskan sebelumnya, bahwa nitrogen di dalam batubara menyumbang 80% NOx dari keseluruhan produksi NOx, dengan 60-90% terbentuk pada saat awal proses (inisiasi) pembakaran. Zona inisiasi pembakaran terjadi pada burner, sehingga penggunaan burner yang rendah NOx akan secara signifikan menurunkan produksi NOx. Sistem burner konvensional dapat menghasilkan NOx 984-1968 mg/Nm3, sedangkan sistem burner rendah NOx hanya menghasilkan 185-615 mg/Nm3.

    20130111-063644 AM.jpg

    Sistem Burner Rendah NOx

    Prinsip kerja utama dari burner rendah NOx adalah dengan jalan mengontrol supply udara yang akan dicampurkan dengan batubara. Keseluruhan udara yang dibutuhkan oleh proses pembakaran dimasukkan ke dalam furnace boiler melalui burner ini, akan tetapi pencampurannya dengan batubara dibatasi. Udara yang dicampurkan ke batubara pada zona devolatilisasi dibatasi jumlahnya, sehingga membatasi kemungkinan pembentukan NOx pada zona ini. Selanjutnya udara sisa yang dibutuhkan untuk proses pembakaran batubara dimasukkan setelah melewati zona devolatilisasi. Dengan cara ini kita dapat menekan produksi NOx pada kisaran 30-60%.

    20130112-080057 AM.jpg

    Bagian-bagian Low NOx Burner

  2. Sistem Udara Bertingkat
    Pada sistem ini, supply udara yang dibutuhkan untuk proses pembakaran tidak keseluruhan dimasukkan melalui burner, sehingga membatasi jumlah oksigen yang terlalu berlebihan pada saat awal proses pembakaran. Sisa udara yang dibutuhkan untuk proses pembakaran dimasukkan ke dalam furnace boiler melalui sebuah alat bernama Over Fire Air (OFA) yang instalasi nya terletak di atas burner. Instalasi OFA memungkinkan terjadi proses pembakaran yang bertingkat.

    20130112-083401 AM.jpg

    Sistem Over Fire Air

    Efek samping dari penggunaan sistem OFA antara lain dapat meningkatkan bahan bakar yang tidak terbakar lebih banyak, pembentukan slag (kerak) pada area furnace, serta peningkatan kemungkinan terjadinya korosi pada pipa-pipa furnace. Resiko ini semakin meningkat jika digunakan batubara dengan kandungan sulfur yang tinggi. Di sisi lain, penggunaan sistem udara bertingkat ini akan menurunkan produksi NOx di kisaran 40-60%.

    20130112-085750 AM.jpg

    Susunan Sistem Udara Bertingkat

Teknologi terbaru yang telah dikembangkan untuk mengatasi emisi NOx adalah CSNOX yang dikembangkan oleh Ecospec Global Technology, sebuah perusahaan riset yang berpusat di Singapura. Sistem ini tidak hanya dapat mereduksi emisi NOx, namun juga emisi CO2 dan SO2 dengan jalan penggunaan air yang telah diberi gelombang ultra rendah untuk mengikat polutan-polutan tersebut. Untuk lebih lanjut memahami sistem ini, silahkan Anda baca pada artikel saya sebelumnya mengenai metode menanggulangi emisi SO2.

Free eBook Pengendalian Emisi NOx:

  1. Peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup No. 7 tahun 2007 tentang Baku Mutu Emisi Sumber Tidak Bergerak Bagi Ketel Uap
  2. Nitrogen Oxides Emission Control Options for Coal-Fired Electric Utility Boilers
  3. Boiler NOx Emissions and Energy Efficiency