O tratamento de água para caldeira deve-se ao fato da água, de um modo geral, conter impurezas as quais provocam o aparecimento de crostas ou depósitos no lado da água, ocorrendo então, o super-aquecimento do metal e diminuição da eficiência na transferência de calor. Além disso, temos o efeito da corrosão causada por substâncias agressivas, também existentes na água, tais como dióxido de carbono, oxigênio, cloretos, silicatos etc.
Dessa forma, a água que abastece uma caldeira deve sofrer a correção necessária para permitir que a mesma funcione sem desgaste, com o mínimo de combustível e produzindo vapor de melhor qualidade.
V.1 - Água de Alimentação - Problemas e Controle
Conforme a concentração e o tipo de substâncias presentes na água e ainda conforme a pressão de trabalho na caldeira, devemos partir para um tratamento externo ou interno, ou em alguns casos ambos os tratamentos deverão ser efetuados.
O tratamento externo retira as "impurezas"que causam problemas antes da água entrar na caldeira.
O Tratamento Externo pode ser:
- clarificação e filtração
- troca iônica (abrandamento ou desmineralização) - desaeração
O tratamento interno trata as "impurezas"dentro da caldeira.
O Tratamento Interno, que consiste na injeção de produtos químicos, pode compreender: - redutor de dureza - álcali - dispersante - redutor de oxigênio - anti-espumante, etc.
V.2 - Problemas Provocados pela Água de Alimentação a) Incrustações
Os sólidos dissolvidos na água, devido a alta temperatura e a taxa de evaporação vão se concentrando dentro da caldeira, sofrendo ou não modificações, até ultrapassarem os limites de solubilidade, quando, então, precipitam-se aderindo à superfície metálica causando incrustações.
Essas incrustações por serem isolantes térmicos, diminuem a taxa de transferência de calor, causando um super-aquecimento localizado, pois o metal naquela região fica exposto a temperatura muito elevada enfraquecendo e rompendo. Além disso, a diminuição do coeficiente de transmissão de calor através da parede dos tubos, irá ocasionar um maior consumo de combustível, pois teremos uma menor produção de vapor por Kg de óleo combustível queimado.
b) Corrosão
A corrosão ocorre devido ao ataque químico do metal da caldeira por determinadas substâncias agrassivas existentes na água, tais como: dióxido de carbono (CO2), oxigênio (O2) e cloro (Cl).
O CO2, além de normalmente dissolvido na água, pode se originar da decomposição de carbonatos e bicarbonatos no interior da caldeira.
O efeito da corrosão é o desgaste progressivo do metal, diminuindo a espessura das pardes dos tubos e provocando o rompimento.
Os gases dissolvidos acompanham o vapor estendendo o efeito corrosivo às tubulaçòes e equipamentos. Em razão disso, podem entrar na caldeira, com o condensado, produtos de corrosão altamente nocivos.
No caso do O2 e Cl temos corrosão localizada (pittings ou pites). Esses elementos agem em determinados pontos, aprofundando-se e provocando perfurações.
c) Arrastamento
É o fenômeno segundo o qual a água da caldeira é arrastada junto com o vapor.
O vapor, antes de deixar a caldeira, esté encerrado em bolhas que devem romper-se, em tempo hábil, na parte superior da caldeira, libertando o vapor.
Quando as bolhas se rompem com atraso, ou quando há excesso de formação de bolha provocado por por algum espumante, ocorre o arrastamento.
As bolhas se rompem com atraso porque certas condições aumentam a resistência das mesmas, ou porque são enviadas para a linha de vapor antes do tempo e a espuma se dá porque certas substâncias a provocam.
Consequência do Arrastamento
1 - depósito nas linhas de distribuições de vapor 2 - danos nas turbinas e outros equipamentos 3 - diminuição da qualidade do vapor gerado 4 - danos nos registros e válvulas
5 - efeito nocivo sobre os produtos manufaturados
As Causas mais comuns de Arrastamento podem ser:
Mecânicos:
- nível de água alto - caldeira em sobrecarga
- grandes flutuações na demanda de vapor. Químicos:
- excesso de sólidos dissolvidos na água da caldeira - sólidos em suspensão em excesso
- alcalinidade exagerada
- presença de matéria orgânica na água - presença de óleo, graxa e detergente
d) Fragilidade Cáustica
É o desgaste do metal provocado pelo excesso de alcalinidade. Esse fenômeno é comum nos pontos terminais dos tubos (mandrilamento).
A fragilidade cáustica ocorre quando existem condições específicas: tensão de tração e alcalinidade acima de 50.000 ppm. Essa elevada alcalinidade ocorre quando a água do gerador de vapor é concentrada por evaporação em uma fenda ou sob um depósito.
A proteção habitual, nestes casos, é conseguida adicionando-se um inibidor à água do gerador de vapor. O NaNo3 é o inibidor mais freqüentemente usado, sendo adicionado em quantidade suficiente para manter a proporção correta com a concentração de NaOH na água da caldeira. As proporções recomendadas pelo "United States Bureau of Mines"são as seguintes:
Pressão da Caldeira Na2NO3/NaOH
Até 400 psi (27 Kgf/cm²) 0,25 Até 700 psi (47 Kgf/cm²) 0,40
V.3 - Controle de Incrustações e Corrosão
O controle de incrustações e corrosão é feita através do tratamento adequado da água de alimentação da caldeira.
V.3.1 - Tratamento Externo
O tratamento externo pode compreender:
- clarificação (floculação, decantação e filtração) - troca iônica
- desaeração (desgaseificação)
a) Clarificação
A clarficação é composta de três operações: floculação, decantação e filtração.
A floculação processa-se pela adição de reativos específicos à água, cuja função é aglomerar as impurezas, formando flocos os quais, por gravidade, decanta, deixando em consequência uma água clara.
Os reativos que se adicionam à água são sulfato de alumínio e um álcali, dependendo da alcalinidade existente na água. Esse álcali, no caso de caldeiras, é a soda cáustica ou barrilha.
Atualmente auxilia-se a floculação/decantação, por meio de poliletrólitos, que são polímeros de peso molecular elevado, solúveis em água, capazes de sofrer dissociação eletrolítica formando íons de peso molecular elevado e altamente carregados.
É importante salientar que a eficiência da floculação depende do pH da água, ou seja, o estabelecimento do pH ideal é o fator de muita importância. O uso do "Jar-Test" auxilia na adoção dos melhores valores de pH e de dosagem de reativos.
Após a floculação/decantação é necessária a filtração, pois, apesar da remoção por sedimentação da maioria dos flocos formados, sempre sobram partículas muito leves que precisam ser separadas. Os filtros são geralmente compostos por várias camadas de pedra, pedregulho e areia.
Consiste na passagem da água por um leito de resinas trocadoras de íons. Essas resinas são polieletrólitos sintéticos, insolúveis e de grande superfície, que possuem a propriedade de reagir com os íons presentes na água, trocando-os pelos seus originais.
A troca iônica é feita com duas finalidades:
a) abrandamento b) desmineralização
O abrandamento consiste na remoção da dureza da água, ou seja, retirada dos íons cálcio e magnésio. Essas resinas são denominadas "catiônicas".
A desmineralização é a remoção de todos os íons presentes na água.
Na desmineralização São necessários dois tipos de resinas: catiônicas e aniônicas.
As resinas catiônicas podem ser do ciclo sódico ou do ciclo hidrogênico. 2 RNa + Ca++ → R Ca + 2 Na+
2 RH + Ca++ → R Ca + 2 H+
As resinas aniônicas reagem da seguinte forma:
ROH + Cl- → RCl + OH
c) Desaeração
A desaeração ou desgaseificação consiste na remoção dos gases dissolvidos na água, mais comumente CO2 e O2. A desaeraçào pode ser conseguida por aquecimento da água à temperatura próxima de 100°C.
V.3.2 - Tratamento Interno
O tratamento interno, bem como o tratamento global a ser adotado, depende do tipo de caldeira, da pressão de trabalho e das características da água de alimentação.
O Anexo I indica os limites que deverão ser obedecidos na água do interior da caldeira. Esses limites podem sofrer variações, dependendo do tipo de caldeira.
Função dos produtos químicos adicionados no tratamento da água da caldeira.
1 - Redutor de Dureza
A dureza da água é causada pela presença de íons cálcio, magnésio, ferro, manganês, alumínio, zinco, cobre, etc...
Em virtude da maior concentração dos íons cálcio e magnésio em relação aos demais, na prática se diz que a dureza de uma água é determinada pela concentração de íons cálcio e magnésio nela presentes. Esses íons formadores de dureza se combinam com soluções de sabão, formando sabões insolúveis na água.
Diz-se que a dureza é temporária quando os sais de cálcio e magnésio se encontram na forma de bicarbonatos, os quais, pela ação do calor, decompõem-se em carbonatos, precipitando por serem muito pouco solúveis.
Ca (HCO3)2 → CaCO3 + H2O + CO2
Mg (HCO3)2 → MgCO3 + H2O + CO2
MgCO3 + H2O → Mg (OH)2 + CO2
Existem, atualmente, vários processos para retirada de dureza da água:
a) Cal Sodada a Frio ou a Quente (Na2CO3/CaO)
Usada para água de alta dureza, ou seja, mais de 150 ppm de CaCO3. A frio reduz a dureza para 15 a 30 ppm e a quente, até para 5 ppm.
Reações que ocorrem:
Ca (HCO3)2 + Ca (OH)2 → CaCO3 + H2O
Mg (HCO3)2 + Ca (OH)2 → Mg (OH)2 + CaCO3 + 2 H2O Mg CO3 + Ca (OH)2 → Mg (OH)2 + CaCO3
Mg SO4 + Ca (OH)2 → Mg (OH)2 + CaSO4 Ca SO4 + Na2 CO3 → CaCO3 + Na2 SO4 Mg Cl2 + Ca (OH)2 → Mg (OH)2 + CaCl2
b) Precipitação com Fosfatos
Os fosfatos usados podem ser os polifosfatos. Os polifosfatos são menos alcalinos do que os ortofosfatos, agem como seqüestrantes de cálcio e magnésio e impedem a precipitação prematura de seus fosfatos, só revertendo a ortofosfatos no interior da caldeira.
Os polifosfatos agem como inibidores de desenvolvimento de cristais de CaCO3.
_
2PO4 + 4 Ca++ + 2 OH → Ca3 (PO4)2 . Ca(OH)2
c) Tratamento com Quelatos
Esse tratamento difere completamente do convencional, pois não precipita o cálcio e o magnésio. Forma complexos solúveis e impassíveis de ocasionarem incrustações na caldeira. Neste caso não há formação de lama. Formam complexos também o ferro, o cobre e o níquel, decorrentes da corrosão.
O mais usado é o E.D.T.A., geralmente usa-se o Na4 EDTA.
Esse tipo de tratamento é indicado para águas abrandadas, com dureza menor que 1 ppm em CaCO3 e caldeiras de baixa e média pressão.
d) Tratamento com Polímeros
É usado, também para caldeiras de baixa e média pressão. Os polímeros atuam como dispersantes de borras e inibem as incrustações, pois conferem cargas de mesma natureza a todas as partículas em suspensão; assim, as partículas se repelem, tornando-se menos passivas de sofrerem incrustações.
São usados polímeros naturais como amido e carboximetilcelulose ou polímeros sintéticos como poliacrilatos.
e) Tratamento Conjugado
Nesse tratamento utiliza-se o efeito conjugado do quelato + polímero ou fosfato + polímero. Também é utilizado para caldeiras de baixa e média pressão e o pH deve estar ajustado na faixa de 10,0 a 11,0.
2 - Álcali
O álcali é usado na água de alimentação da caldeira para corrigir o pH para a faixa adequada, ou seja, entre 10,0 a 11,0. O álcali normalmente usado é a soda cáustica (NaOH).
3 - Redutor de Oxigênio
O oxigênio pode ser encontrado na água, à temperatura ambiente, em concentração até 8 ppm. É um elemento de alto potencial de corrosão, despolarizante de áreas catódicas, destrói as películas protetoras dos metais, acelera a corrosão nas linhas de vapor e condensado, assim como o tanque de cobre e suas ligas nos condensadores e rotores de bombas.
A remoção química do oxigênio pode ser feita utilizando-se substâncias redutoras.
a) Sulfito de Sódio Catalizado (Na2SO3)
2 Na2SO3 + O2 → 2 NaSO4 = =
É usado em caldeiras que trabalham com pressão de até 44 Kgf/cm2, pois, agindo com o oxigênio, forma Na2SO4 que aumenta a quantidade de sólidos na caldeira.
Além disso, por decomposição térmica, Libera SO2 e H2S que aumentam a acidez do condensado, produzindo corrosão.
b) Hidrazida (N2H4)
É um composto líquido que, reagindo com o oxigênio, forma H2O e N2 não aumentando os sólidos dissolvidos na caldeira.
N2H4 + O2 → N2 + 2 H2O
Sendo um composto líquido e volátil, possui várias vantagens sobre o sulfito, sendo a maior delas a manutenção do poder redutor por todo o ciclo.
Devemos ter cuidado no uso da hidrazina para não causar corrosão ao invés de evitá-la.
Para caldeiras entre 800 a 3.000 psi (54 a 200 Kgf/cm2), usa-se de 0,01 a 0,02 ppm de N2H4.
Em caldeiras de pressões menores que 800 psi, usa-se 0,05 ppm de N2H4.
Quando dosado em excesso, pode se decompor em amônia, que poderá causar corrosão.
4 - Neutralizantes do Vapor
Os neutralizantes do vapor são usados devido à formação de CO2, desprendido da caldeira pela decomposição de bicarbonatos e carbonatos.
O CO2 reage com o vapor condensado dando ácido carbônico, que causa corrosão.
CO2 + H2O → H2 CO3
O combate ao CO2 é feito usando-se amidas neutralizadoras, as quais volatizando junto com o vapor, neutralizam o ácido carbônico nele formado.
C6H11NH2 + CO2 + H2 → C6H11NH3CO3
C4H9NO + CO2 + H20 → C4H10NOHCO3
Descarga da Caldeira
A evaporação da água provoca a concentração dos sais dissolvidos e a formação de lama no interior da caldeira. Assim sendo, são necessários descargas periódicas para haver a "desconcentração" e manter-se os sólidos e sais dissolvidos dentro dos limites compatíveis com a pressão de trabalho da caldeira, conforme mostra o Anexo 1 - Limites a Serem Obedecidos Para a Água no Interior da Caldeira.
A descarga da caldeira é função do ciclo de concentração, o qual representa o limite máximo de concentração permitida no interior da caldeira, tomando-se como referência a concentração de cloretos (Cl-).
(cloretos) caldeira ciclo de concentração = --- (cloretos) alimentação 1 % de purga (descarga) = --- x 100 ciclo de concentração
Consideremos o exemplo a seguir:
- cloretos medidos na água de descarga da caldeira: 100 ppm
100 . ciclo de concentração = --- = 10 10 1 . % de purga (descarga) = --- x 100 = 10% 10
- deve ser descarregado 10% do volume de água de alimentação (litros por hora).
V.4 - Limpeza dos Sistemas de Geração de Vapor
A limpeza de sistemas de geração de vapor se torna necessária quando a caldeira for operar pela primeira vez e periodicamente, quando o tratamento for mal conduzido ou não existir.
A limpeza de caldeiras novas ou após a reforma é necessária para a eliminação de óleos e graxas no interior das tubulações e nos tambores.
Sabemos que a formação de crostas ou depósitos no lado da água poderá causar o super-aquecimento do metal e atuar como isolante, diminuindo a eficiência na taxa de transferência do calor, além de acarretar numerosos danos, tais como: abaulamento em tubos ("laranja"), podendo resultar em ruptura, mudança de estrutura do material, diminuindo a resistência, envergamento de tubos, etc...
Limpeza de Caldeiras
A limpeza de caldeiras pode ser executada por três processos: manual, mecânica e química.
Limpeza Manual
A limpeza manual é feita removendo-se todas as portas de visita e em seguida lavando-se os tubos com jatos de água sob alta pressão. Este processo remove lama e depósitos moles, mas não remove incrustações duras e não atinge a área da caldeira.
Limpeza Mecânica
Este tipo de limpeza é executada em caldeiras aquotubulares, normalmente, utilizando-se escovas de aço ligadas a um cabo flexível. A limpeza é feita através de cada tubo e tem como inconveniente não atingir tubos com ângulos retos e não remover incrustações mais duras.
Limpeza Química
A limpeza química é realizada utilizando-se soluções de produtos químicos, que variam de acordo com a natureza química das incrustações.
Existem muitas formas e processos de limpeza química de caldeiras. A forma mais segura de se efetuar a limpeza química de uma caldeira é escolhendo-se uma assistência técnica de tradição no mercado.
Limpeza Química de Caldeiras Novas ou Reformadas
As empresas que trabalham na área de tratamento de água de caldeiras, possuem produtos com formulações adequadas para este tipo de limpeza, ou seja, eliminação de óleos e graxas no interior da tubulação e nos tambores.
Outros produtos utilizados são: Na3PO4 e Na2CO3. O primeiro na proporção de 5,1 Kg/1.000 l de H2O e o segundo na proporção de 9,1 Kg/1.000 l de H2O.
Seqüência de Lavagem utilizando-se os produtos acima
1) encher a caldeira com água limpa sem que o nível atinja a "entrada do homem" (man hole) do tambor superior.
2) introduzir o produto previamente dissolvido através do "man hole". 3) fechar o "man hole" e elevar o nível de água até o meio do visor.
4) manter o fogo baixo para elevar a pressão até aproximadamente 10 psi (0,7 Kgf/cm2), com a válvula de escape um pouco aberta para expelir o ar do
sistema.
5) fechar a válvula e elevar a pressão até 50 psi (3,5 Kgf/cm2) mantendo-se
por três horas com fogo reduzido. O vapor gerado pode ser descarregado para a atmosfera compensando o nível com água limpa. Periodicamente executar descargas para ajudar à circulação.
6) diminuir o fogo lentamente até apagar.
7) quando a pressão atingir 20 psi (1,3 Kgf/cm2), descarregar a caldeira.
8) encher a caldeira com água limpa até o nível de operação e descarregar, novamente para a remoção de borra eventualmente formada no interior do equipamento.
Utilizando-se produtos de empresas que dão assistência técnica nessa área, proceder a limpeza química conforme procedimentos por elas recomendados.
A assistência técnica completa durante todo o processo de limpeza química deverá ser exigida.
IMPORTANTE
Quando as caldeiras necessitarem ficar fora de operação por muito tempo, é de toda conveniência mantê-las cheias com inibidores para evitar corrosão nas superfícies internas.
V.5 – Hibernação / Proteção nas paradas
Muitas empresas dispõem de uma caldeira funcionando e outra na reserva. As caldeiras, quando permanecem paradas estão sujeitas a corrosão pela ação do oxigênio. A corrosão se inicia após a despressurização e o resfriamento da caldeira.
Quando a caldeira é retirada de operação e esfriada, é recomendado que o período de parada deva ser, no mínimo, de 01 (um) mês, para que não ocorra desperdício de água e produtos químicos de tratamento e no máximo de 06 (seis)
meses, para que não haja a necessidade de inspeção extraordinária de segurança
Técnica de Proteção
Durante o período de parada da caldeira, utiliza-se, simultaneamente, para sua proteção:
Æ Retirada de oxigênio através de produtos químicos (no caso, sulfito de sódio); Æ Manutenção de pH elevado através da adição de agentes alcalinizantes.
A caldeira deverá ser enchida completamente com água aquecida, até
tranbrdar pelo respiro. O pH deve ser ajustado entre 10,5 e 11,0. O teor mínimo de sulfito de sódio de ser de 100 ppm. Manter a caldeira
hermeticamente fechada para evitar a entrada de ar.
Para garantir a eficácia do processo, deverá ser feito o controle semanal, retirando-se uma amostra através da garrafa de nível da caldeira e verificando-se a concentração de sulfito de sódio.
A empresa responsável pelo tratamento de água deverá dar o suporte
técnico aos operadores da caldeira, para a hibernação.
No retorno da caldeira à operação, basta baixar o volume da água até o nível
mínimo de funcionamento e acender normalmente o equipamento, obedecendo
as instruções para o aquecimento lento e gradual. Proceder normalmente a dosagem de produtos químicos para o tratamento da água.