TRATAMENTO DE ÁGUA PARA GERAÇÃO DE VAPOR: CALDEIRAS

(1)

TRATAMENTO DE

ÁGUA PARA GERAÇÃO DE VAPOR: CALDEIRAS

Patrocínio:

www.corona.ind.br

Elaborado por:

Eng.º Joubert Trovati

(2)

SUMÁRIO

1. Conceitos Gerais 1.1 Calor e Temperatura

1.1.1 Mecanismos de Transferência de Calor 1.1.1.1 Condução

1.1.1.2 Convecção 1.1.1.3 Radiação 1.2 Vapor

1.3 Combustão e Combustíveis 2 Caldeiras

2.1 Breve Histórico

2.2 Tipos de Equipamento

2.2.1 Caldeiras Fogotubulares (ou flamotubulares) 2.2.2 Caldeiras Aquatubulares

2.2.3 Equipamentos Periféricos 2.2.3.1 Pré-Aquecedor de Ar 2.2.3.2 Economizador 2.2.3.3 Soprador de Fuligem 2.2.3.4 Superaquecedor

3 Água para Geração de Vapor 3.1 Qualidade da Água

3.1.1 Impurezas Encontradas na Água 3.1.2 Retorno de Condensado

4 Tratamentos Preliminares da Água 4.1 Clarificação/Filtração

4.2 Processos de Troca Iônica 4.2.1 Abrandamento

4.2.2 Desmineralização

(3)

5 Objetivos do Tratamento de Água das Caldeiras 6 Prevenção das Incrustações

6.1 Incrustação - Causas e consequências

6.2 Tratamentos para Prevenção das Incrustações 6.2.1 Tratamento Precipitante - Fosfato

6.2.2 Tratamento Quelante

6.2.3 Tratamentos Disperso-Solubilizantes (TDS) 7 Corrosão e Métodos de Controle

7.1 Fundamentos

7.2 Tipos de Corrosão em Caldeiras 7.2.1 "Pittings" (ou pites)

7.2.2 Corrosão Galvânica 7.2.3 Corrosão por Tensão

7.2.4 Ataque Cáustico ("Caustic Embrittlement") 7.2.5 Fragilização por Hidrogênio

7.3 Remoção do Oxigênio da Água 7.3.1 Desaeração Mecânica

7.3.2 Desaeração Química - Sequestrantes de Oxigênio ("Oxygen Scavengers")

7.3.2.1 Sulfito de Sódio 7.3.2.2 Hidrazina

7.3.2.3 Outros Sequestrantes de Oxigênio

7.4 Métodos Físicos de Prevenção da Corrosão

7.5 Corrosão em Linhas de Condensado - Aminas Fílmicas e Neutralizantes

8 Arrastes

9 Controle Analítico e Operacional do Tratamento 9.1 Aprovações Regulamentares

10 Referências Bibliográficas

(4)

1 - CONCEITOS GERAIS

A geração de vapor é uma importante operação industrial, presente em uma infinidade de processos e segmentos. Como exemplo, podemos citar:

• Geração de energia elétrica nas usinas termelétricas e nucleares

• Papel e Celulose

• Açúcar e Álcool

• Indústrias químicas e petroquímicas em geral

• Refinarias de petróleo

• Indústrias de suco de laranja e derivados

• Frigoríficos, abatedouros e laticínios

• Indústrias têxteis e de tintas/ vernizes

• Cervejarias e bebidas em geral

• Indústrias de processamento de madeira e borracha

• Navegação marítima, fluvial e submarina

• Diversas indústrias alimentícias e farmacêuticas, entre muitos outros.

Atualmente, o vapor constitui o modo mais econômico e prático de se transferir calor, até certo limite, em processos industriais. Além disso, é usado para geração de trabalho mecânico. Um ditado popular no âmbito industrial diz que: “O vapor movimenta o mundo”.

1.1 - CALOR E TEMPERATURA

(5)

• Calor: É uma forma de energia térmica em trânsito, ou seja, está sempre se transferindo de um corpo com maior temperatura para um corpo de menor temperatura. O calor não pode ser armazenado; o que pode ser feito é apenas facilitar ou dificultar sua transferência.

• Temperatura: É uma medida da energia cinética, isto é, da vibração das moléculas que compõem um certo corpo. Quanto maior é a vibração das moléculas, maior será a temperatura do corpo em questão. É justamente a diferença de temperatura entre dois corpos que promove a transferência de calor.

Uma analogia entre a transferência de calor, a corrente elétrica e o escoamento de fluidos pode ser feita:

Fluxo Força Motriz Observações

Calor Diferença de potencial térmico (Temperatura)

Quanto maior a diferença de

temperatura, maior é o fluxo de calor.

Corrente Elétrica

Diferença de potencial elétrico

(Voltagem)

Quanto maior é a diferença de voltagem, maior será a intensidade da corrente elétrica.

Fluido (líquido ou gás)

Diferença de potencial gravitacional (altura) ou de pressão

Quanto maior é a diferença de altura e/ou de pressão entre dois pontos do fluido, maior será a vazão do mesmo.

1.1.1 - Mecanismos de Transferência de Calor

São três os mecanismos conhecidos de transferência de calor:

condução, convecção e radiação. Resumidamente, apresentamos esses a

(6)

seguir; em KERN (1987) o leitor pode encontrar uma extensa e detalhada explicação dos fundamentos de transferência de calor.

1.1.1.1 Condução

É um método no qual o calor flui pelo contato direto, molécula a molécula, do corpo. Ocorre normalmente em corpos sólidos. Nas caldeiras, a condução ocorre no metal dos tubos e dispositivos de troca térmica, onde o calor flui da face de maior temperatura (em contato com os gases quentes ou fornalha) para a de menor temperatura (por onde circula a água).

l T A T

k

q (

^q ^f

)

.

. −

=

Lei de Fourier:

Tq > Tf

k=Condutividade térmica (W/h.m².ºC)

T = Temperatura

A = Área

FIGURA 01: EXEMPLO ILUSTRATIVO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO

(7)

1.1.1.2 Convecção

É um processo que consiste basicamente na transferência de calor envolvendo corpos fluido (líquidos ou gases). A convecção é sinal de movimento, podendo ser natural ou forçada. Nas caldeiras, ocorre transferência de calor por convecção dos gases quentes para as superfícies dos tubos e das superfícies dos tubos para a água.

) (

.

. A T T

^p

h

q =

^∞

−

Lei do Resfriamento de Newton T∞ > Tp

h = Coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m².ºC)

FIGURA 02: ILUSTRAÇÃO MOSTRANDO O PROCESSO DE TRANSMISSÃO DE CALOR POR CONVECÇÃO

1.1.1.3 Radiação

É um processo predominante em temperaturas mais elevadas (acima de 500 º C). O calor é transmitido através de ondas eletromagnéticas. Altamente dependente da diferença de temperatura. Numa caldeira, ocorre transferência por radiação do fogo para a área irradiada da fornalha.

(8)

) (

. .

. A T

^q⁴

T

^f ⁴

q = σ ε −

Lei de Radiação

ε = Emissividade

σ = Cte. Stefan-Boltzman (5,669.10^-8 W/m².K⁴)

FIGURA 03: EXEMPLO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR RADIAÇÃO

1.2 - VAPOR

O vapor, como sabemos, é a água no estado gasoso. Esta mudança de estado é proporcionada pelo efeito direto do calor e inverso da pressão. Em outras palavras: ao fornecermos calor para a água, a mesma tem sua temperatura elevada até um certo limite e, a partir daí, começa a passar para a fase gasosa. Para que isto ocorra, as moléculas de água no líquido têm que vencer a força que a pressão exerce sobre elas, ou seja, quanto maior a pressão, mais força as moléculas tem que fazer. Esta energia é fornecida justamente pelo aquecimento e resulta no aumento da temperatura de vaporização do líquido. Quanto maior for a pressão, mais energia o vapor transportará pelas moléculas de água que o constitui. Ao se condensar, a

(9)

Existem basicamente dois tipos de vapor:

• Vapor saturado: É um vapor “úmido”, contendo pequenas gotículas de água, sendo obtido da vaporização direta da mesma. Quando este tipo de vapor se condensa, cede calor latente. É usado para aquecimento direto ou indireto.

• Vapor superaquecido: É obtido através do aquecimento conveniente do vapor saturado, resultando em um vapor seco. É usado para transferência de energia cinética, ou seja, para geração de trabalho mecânico (turbinas).

A necessidade do uso de vapor superaquecido em turbinas é decorrente das elevadas velocidades que são encontradas nestes dispositivos. Caso fosse usado o vapor saturado, qualquer gotícula de água que se formaria na tubulação provocaria um forte processo de abrasão na turbina.

1.3 - COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEIS

A combustão é um fenômeno já bastante conhecido da humanidade há milênios. Desde a pré-história, o homem já domina (às vezes nem tanto!) as práticas de se fazer e controlar o fogo. Sem dúvida, esta tarefa permitiu um grande desenvolvimento da espécie, fazendo com que o homem se adaptasse às diferentes condições climáticas, melhor uso dos alimentos, etc.

(10)

A combustão nada mais é do que uma reação de oxidação de um material denominado “combustível” com o oxigênio (comburente), liberando calor. A equação genérica para o processo é:

COMBUSTÍVEL + OXIGÊNIO

Ö

CALOR + Produtos (CO2, H2O, CO, etc.)

Diversos combustíveis são usados para queima em caldeiras de produção de vapor. Entre eles destacam-se: lenha, óleos pesados, gasóleos, gás (natural e GLP), gases de alto forno ou de hulha, gases de escape de turbinas a gás, carvão mineral, bagaço de cana, palha de arroz, resíduos em geral, cavacos e cascas de madeira, licor negro (caldeira de recuperação de C&P), entre outros.

Para a produção de vapor também podem ser usadas fontes não combustíveis de calor, tais como a energia elétrica (caldeiras de eletrodos submersos e de jatos d’água), a energia nuclear (urânio, plutônio, etc.) e o calor de reações exotérmicas de processos químicos, tais como SOx

resultantes da produção de ácido sulfúrico, etc.).

Evidentemente, a escolha do tipo de combustível ou energia para a geração de vapor deve levar em conta a aplicação, o tipo de caldeira, a disponibilidade do combustível/ energia, o custo fixo e operacional do processo e o impacto ambiental provocado. Lembramos que existem atualmente sistemas eficientes no controle das emissões atmosféricas, permitindo o homem usufruir a combustão e suas aplicações sem provocar maiores alterações no meio ambiente.