Tratamento de Água da Alimentação de Caldeiras

Trabalho relativo à utilidade Água da Alimentação de Caldeiras realizado por: Diogo Lucas e Joana Costa, no âmbito da unidade curricular de Integração e Intensificação de Processos, do Mestrado Integrado em Engenharia Química.

Departamento de Engenharia Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2018 / 2019.

Definição e funcionamento

Atualmente, dos muitos usos da energia na indústria, nos transportes e nas residências, a maior parte da utilização total é direcionada para a produção de vapor através da oxidação de combustíveis fósseis. O tratamento de água para a geração de vapor é um dos ramos mais sofisticados da química da água. Uma compreensão, dos fundamentos da química da água da caldeira, é essencial para o engenheiro de energia que, continuamente, aumenta a eficiência das caldeiras e equipamentos que utilizam vapor . As caldeiras são usadas numa vasta gama de aplicações, desde aquecedores de água quente a produção de vapor para turbinas de 1000MW em usinas de energia elétrica. O sistema de controlo vai-se tornando mais complexo à medida que a caldeira aumenta de dimensão .

Nas Figuras acima expostas encontram-se esquematizados um diagrama de blocos (Figura 1) e os equipamentos mais relevantes usados numa caldeira (Figura 2). Através da Figura 1 verifica-se que uma caldeira tem um objetivo essencial, que é a produção de vapor a uma pressão e temperatura desejadas para um determinado processo e que, para se alcançar isso, são necessárias três correntes de alimentação básicas: combustível (carvão, gás natural, óleo combustível ou resíduos sólidos), água e gases de combustão . O tratamento de água para alimentação de caldeiras industriais foca a remoção ou modificação química de substâncias potencialmente prejudiciais à caldeira , devendo ser eficiente, bem projetado e constituído por várias tecnologias individuais, de modo a :

• Tratar eficientemente a água de alimentação da caldeira e remover impurezas prejudiciais, antes de entrar na caldeira;
• Promover o controlo da química interna da caldeira;
• Maximizar o uso de condensado de vapor;
• Controlar a corrosão da linha de retorno;
• Evitar o tempo de paragem e a falha da caldeira;
• Prolongar a vida útil do equipamento.

Assim, irá haver uma garantia, de que o tratamento implementado evite a ocorrência de problemas, como incrustações e corrosão, prevenindo substituições / reparações dispendiosas no futuro . Os sistemas de tratamento de água da alimentação de caldeiras podem ter tecnologias necessárias para remover sólidos dissolvidos problemáticos, sólidos suspensos e material orgânico, tema que será abordado mais à frente. Os processos específicos de tratamento variam dependendo das exigências da caldeira e da qualidade / química da água da alimentação e de makeup, mas um sistema típico de tratamento de água da alimentação de caldeiras inclui as seguintes etapas :

• Makeup da água;
• Coagulação e precipitação química;
• Filtração e ultrafiltração;
• Softening da troca de iões;
• Dealcalinização;
• Osmose inversa e nanofiltração;
• Desaeração ou desgaseificação;
• Distribuição.

Custos do sistema

Os custos de um sistema de tratamento de água da alimentação de caldeiras podem ser complexos de estimar, dependendo de vários fatores, como as várias pressões da caldeira, recomendações do fabricante e química da água de makeup, pois um tratamento inadequado da água pode levar à incrustação e à corrosão da caldeira e do equipamento a jusante. A qualidade da água da alimentação necessária para uma caldeira depende da pressão de operação da mesma em relação à quantidade de água que é processada por dia e com que velocidade, em Galões Por Minuto (GPM), tal como observado na Tabela 1 .

Tabela 1- Valor do sistema de tratamento de água da alimentação de caldeiras consoante a pressão utilizada .

Pressão das caldeiras	Valor ($)
Baixa (< 600psi)	50M - 100M (100GPM) 100M - 250M (se necessário o softener ou decalcalinizante)
Alta (≥ 600psi)	500M - 1mM (100GPM) 1mM - 1.5mM (200GPM)

De referir que, para determinadas pressões, existe um nível máximo de contaminantes que podem ser introduzidos na caldeira, e à medida que se aumenta a pressão na caldeira, torna-se mais crítico o tratamento completo da água . Além da pressão, existem outros fatores importantes que poderão influenciar o preço do sistema, devendo a sua seleção ser feita com cuidado: a escolha da fonte de água da alimentação (da cidade, de efluentes tratados ou de poço) poderá minimizar as despesas de capital (CAPEX – capital expenditure) e de operação (OPEX – operational expenditure); o planeamento do projeto e requisitos regulamentares representam 10 - 15% do custo total do projeto; as taxas de instalação que dependem do local onde é implementado o sistema, normalmente, custam 15 - 25% do projeto; o transporte do sistema para a planta que, além de depender da época em que é realizado, também varia consoante a distância da planta em relação à instalação de fabrico, reflete 5 - 10% do custo do projeto. Por exemplo, um sistema básico pode ter válvulas multiportas, tubulações de plástico e vasos de plástico, enquanto um sistema mais robusto requer revestimento de borracha e tubulações de aço inoxidável com ninhos de válvulas industriais. Estes fatores industriais podem aumentar o custo total do sistema em 50 - 100% .

Problemáticas comuns causadas pela água da alimentação

Apesar de os problemas que surgem serem próprios de cada instalação, alguns deles são, tipicamente, recorrentes. Entre eles destacam-se a produção de lamas, o desenvolvimento de depósitos, a corrosão e a formação de espumas e priming .

A produção de lamas deve-se, essencialmente, à presença de sedimentos ou óleos. Os sólidos podem depositar em áreas com menor fluxo, formando-se uma camada isolante. Isto pode levar ao sobreaquecimento das tubagens e, eventualmente, ruturas. Utilizam-se métodos como a filtração, sedimentação e softening para lidar com o problema a montante. Caso haja passagem de lamas, é importante remover a camada que se forma nos tubos antes que esta endureça por ação do calor. Em caldeiras de baixa pressão, é possível usar condicionadores de lamas líquidos para que estas sejam removidas na purga .

A formação de depósitos resulta, como foi mencionado, da precipitação de impurezas que formam camadas extremamente duras. A melhor forma de lidar com o problema é evitá-lo. A água deve ser previamente submetida a tratamentos como osmose inversa, electrodeionization e deionization .

A corrosão consiste na degradação do metal que constitui o equipamento, formando-se pontos de stress e fraturas que podem levar a ruturas. Este fenómeno ocorre preferencialmente nos pontos quentes da caldeira. A corrosão é fomentada pela presença de oxigénio, dióxido de carbono e cloro (em concentrações elevadas). O uso de scavengers de oxigénio e desarejadores é comum para lidar com o problema, sendo também importante controlar o pH da água .

Frequentemente, a formação de espumas e priming são dois fenómenos que ocorrem simultaneamente. Quando há quantidades elevadas de sólidos dissolvidos na superfície da água, a evaporação leva à formação de bolhas destas impurezas (espuma) que podem ser arrastadas com o vapor (priming), causando problemas nos equipamentos a jusante e diminuindo a sua eficiência. Para resolver esta questão deve-se manter uma concentração de sólidos dissolvidos baixa e controlar a alcalinidade e o pH da água. Algumas técnicas frequentemente usadas são a filtração, a troca iónica e softening .

Alguns contaminantes e possíveis tratamentos

Os principais objetivos do tratamento da água para alimentação das caldeiras é evitar a formação de espumas e depósitos, priming e a corrosão. Antes sequer de pensar nos tratamentos que serão feitos à água, é necessário escolher a fonte dessa mesma água que se quer o mais pura possível pelo menor preço, sendo a dicotomia preço / qualidade de extrema importância. Algumas das possíveis fontes são a água da rede, efluentes de ETAR’s, água proveniente de uma torre de refrigeração dentro da planta, lençóis de água subterrâneos e de superfície .

Na Tabela 2, encontra-se uma lista de contaminantes frequentemente encontrados na água e os respetivos tratamentos a usar, a fim de evitar os problemas que causam no equipamento.

Tabela 2- Impurezas frequentemente detetadas na água, respetivos problemas que causam nos equipamentos e como preveni-los .

	Impureza	Problemática	Tratamentos
Gases Solúveis	Ácido sulfídrico	Corrosivo para a maioria dos metais	Arejamento, filtração e cloração (chlorination)
	Dióxido de carbono	Corrosivo; forma ácido carbónico no condensado	Desarejamento e neutralização com compostos alcalinos
	Oxigénio	Corrosão localizada (pitting) nos tubos da caldeira	Desarejamento e tratamento químico com sulfito de sódio ou hidrazina
Sólidos Suspensos	Turbidez e sedimento	Arrastamento de lamas e depósitos	Clarificação e filtração (5 mg/L no máximo)
	Matéria orgânica	Formação de espumas; formação de depósitos que podem entupir os tubos e causar corrosão	Clarificação, filtração e tratamento químico
Sólidos Coloidais Dissolvidos (Dissolved Colloidal Solids)	Óleos e gorduras	Formação de espumas e depósitos	Coagulação e filtração
	Dureza, cálcio e magnésio	Formação de depósitos (maior resistência à transferência de calor e menor eficiência); pode levar à falha da caldeira	Softening da água e tratamento interno da caldeira
	Sódio, alcalinidade, NaOH, NaHCO3, Na2CO3	Formação de espumas; formação de ácido carbónico no vapor, causando corrosão e fragilizando o equipamento	Desarejamento da água de reposição e do condensado, troca iónica, desionização e tratamento acídico da água de reposição
	Sulfatos	Formação de depósitos (especialmente na presença de cálcio)	Desionização
	Clorados (chlorides)	Priming; arrastamento da fase líquida pelo vapor baixando a eficiência e causando depósitos de sais; formação de espumas	Desionização
	Ferro e Manganésio	Formação de depósitos que aumentam a resistência à transferência de calor	Arejamento, filtração e troca iónica
	Sílica	Formação de depósitos	Desionização, lime soda process, hot-lime-zeolite treatment

Finalmente, existem limites máximos recomendáveis para a presença estes compostos na água para alimentação de caldeiras, de modo a garantir o bom funcionamento do equipamento. A Associação Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME) publicou uma lista para auxiliar as empresas, podendo-se encontrar alguns dos parâmetros recomendados na Tabela 3.
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Tabela 3- Limites recomendados pela ASME para alguns contaminantes presentes na água para diferentes gamas de pressão de operação da caldeira.

	Água de Alimentação da Caldeira			Fase Aquosa na Caldeira
Pressão no Tambor (bar)	Ferro (mg/L de Fe)	Cobre (mg/L de Cu)	Dureza Total (mg/L de CaCO3)	Sílica (mg/L de SiO2)	Alcalinidade Total (mg/L de CaCO3)	Condutividade Específica (μΩ/cm) (não neutralizada)
0 - 20,7	0,100	0,050	0,300	150	700	7000
20,8 - 31,0	0,050	0,025	0,300	90	600	6000
31,1 - 41,4	0,030	0,020	0,200	40	500	5000
41,5 - 51,7	0,025	0,020	0,200	30	400	4000
51,8 - 62,1	0,020	0,015	0,100	20	300	3000
62,2 - 68,9	0,020	0,015	0,050	8	200	2000
69,0 - 103,4	0,010	0,010	0,0	2	0	150
103,5 - 137,9	0,010	0,010	0,0	1	0	100

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Como é possível observar, à medida que a pressão de operação aumenta, a exigência na pureza da água também aumenta. A maioria destes compostos, quando sujeitos a temperaturas elevadas, podem causar acumulação de depósitos, corrosão, fouling e incrustações, sendo crucial removê-los ou transformá-los para garantir o normal funcionamento do equipamento e prolongar o seu tempo útil de vida. A melhor maneira de o fazer será segundo as recomendações para a qualidade da água do fornecedor da caldeira e consultar um perito desta área de intervenção .