Tratamento de água de reposição da caldeira de baixa pressão

Por Brad Buecker, assessor de imprensa técnico sênior da ChemTreat

A produção de água de reposição de alta pureza e o controle preciso da química de água/vapor de caldeira são fundamentais para geradores de vapor de alta pressão no setor de energia. Contudo, muitas plantas industriais utilizam caldeiras de baixa pressão para produzir vapor de processo para várias aplicações, incluindo calor para reatores químicos, evaporadores, prédios e assim por diante. Ainda que os programas de tratamento para essas unidades normalmente sejam considerados menos rigorosos do que os das caldeiras de alta pressão, as equipes da planta frequentemente subestimam as dificuldades que a corrosão e a formação de incrustação geram quando não há a seleção e operação adequadas dos sistemas de tratamento de água de reposição e de retorno de condensado.

Água de reposição para caldeiras a vapor de baixa pressão

Para caldeiras a vapor de baixa pressão (unidades de até aproximadamente 600 psi que não acionam turbinas), o tratamento da água de reposição muitas vezes não é extraordinariamente rigoroso. Geralmente, a principal preocupação é o potencial de incrustação do carbonato de cálcio (CaCO₃), conforme ilustrado pela seguinte reação de íons de cálcio (Ca²⁺) e alcalinidade do bicarbonato (HCO₃^- que pode ocorrer em sistemas de água quente e caldeiras.

O CaCO₃ é o material esbranquiçado-castanho que aparece em tubulações de água quente domésticas e chuveiros e é muitas vezes chamado incorretamente de "escala de lima".

Durante décadas, um método de tratamento principal típico para a reposição de caldeira industrial foi o abrandamento com zeólito de sódio. Nesse processo, a água passa por leitos de resina de troca de íons, onde os íons de dureza cálcio e magnésio são trocados por sódio. O fluxo amaciado, com as impurezas restantes, incluindo alcalinidade, íons cloreto (Cl^-), íons sulfato (SO₄^2-), sílica (SiO₂), etc., alimenta a caldeira.

Vantagens e desvantagens do amolecimento do zeólito de sódio

Esse método simples oferece vantagens e desvantagens. Por exemplo, o processo único de abrandamento, comparado com as técnicas de reposição necessárias para geradores de vapor de alta pressão (por exemplo: ultrafiltração, osmose reversa, e polimento de efluente de OR) poupa dinheiro para a planta em custos de equipamento e operação. No entanto, o abrandamento não afeta os outros íons, muitos dos quais podem ser problemáticos. A alcalinidade pode se converter em dióxido de carbono (CO₂) na caldeira, que então é transportada com vapor. O CO₂ pode reduzir o pH no retorno de condensado, possivelmente induzindo problemas de corrosão nesses sistemas. O cloro e, em menor escala, o sulfato, podem ser impurezas nocivas, principalmente em combinação com o oxigênio na caldeira. Os compostos também podem se concentrar sob os depósitos porosos dos tubos da caldeira, normalmente produtos da corrosão do óxido de ferro transportados de outro lugar, por exemplo, sistemas de retorno de condensado, para induzir corrosão sob depósito (under-deposit corrosion, UDC).

Um último ponto importante a considerar: com o passar nos anos, os funcionários da ChemTreat presenciaram muitas situações de formação de incrustação e corrosão em sistemas de geração de vapor, em que a origem do problema principal eram problemas ou manutenção de baixa qualidade nos equipamento de abrandadores e outros equipamentos de tratamento de reposição, o que permitia a entrada excessiva de impurezas no sistema. A planta de água/vapor parece ser negligenciada até que os problemas surgem, o que também é verdade em relação ao controle da química do retorno de condensado.

Tecnologias modernas que podem remover impurezas da alimentação de água de reposição

Como observado anteriormente, o abrandamento do sódio serviu como o núcleo de muitos sistemas de tratamento de água de reposição. No entanto, a tecnologia não remove outros íons da água, incluindo alcalinidade, cloretos, sulfatos e sílica, para citar os mais proeminentes. Vários métodos estão disponíveis para melhorar a pureza da água de reposição além do abrandamento básico do sódio. Algumas das tecnologias mais antigas e estabelecidas são: 

• Dealcalização de fluxo separado 
• Abrandamento por cal quente 
• Desmineralização de troca de íons

Essencialmente, esses métodos estão ultrapassados, principalmente os dois primeiros. O desenvolvimento e amadurecimento das tecnologias de membrana e, particularmente, da osmose reversa (OR), alteraram o panorama. A OR de uma única passada e, principalmente, a de duplo passagem, podem produzir água de reposição com concentrações de sólidos dissolvidos muito baixas. 

Figura 1. Vista em corte de uma membrana de OR

_{Esta foto de um autor desconhecido é licenciada sob CC BY-NC}

Quando a pressão é aplicada à alimentação de água de reposição para membranas de OR (geralmente várias séries de membranas envolvidas em vasos de pressão individuais), as membranas rejeitam a maioria dos sólidos dissolvidos (até 99% ou mais para membranas modernas), para produzir um efluente significativamente purificado (permeado) como reposição para o gerador de vapor.  

Fatores essenciais para a operação bem-sucedida das unidades de OR são o pré-tratamento para remover sólidos suspensos antes de chegar às membranas de OR e o tratamento químico otimizado para minimizar a formação de incrustação nas membranas. É fundamental a análise cuidadosa da água de alimentação de OR para escolha adequada do equipamento e da química de pré-tratamento. Também é necessário consultar fornecedores e consultores de OR conceituados para escolher o projeto adequado. 

O uso de água de reposição de pureza mais alta como alimentação de caldeira pode reduzir a complexidade do tratamento de água de caldeira.

Uma grande preocupação com os sistemas cuja reposição é tratada, principalmente, apenas por abrandadores é o acúmulo de sílica na caldeira. A química da sílica e suas reações com outros elementos, mais notavelmente o magnésio e o cálcio, é bem complexa. Se houver alcalinidade de hidróxido insuficiente em água de caldeira abrandada por sódio, e a dureza penetrar a partir do abrandador, incrustações de silicato resistentes podem ser formadas no gerador de vapor. Esses depósitos isolantes reduzem a transferência de calor e a eficiência da caldeira e podem levar a falhas em tubos devido ao superaquecimento. É oferecida proteção contra essa formação de incrustação pelo pH alto da alcalinidade de hidróxido, mas isso aumenta o potencial de corrosão cáustica sob depósito e possíveis falhas em tubos causadas por esse mecanismo. A minimização do transporte de sílica para a caldeira permite moderação em relação aos requisitos de alcalinidade de hidróxido. 

Outra preocupação, como foi insinuado antes, é a presença de alcalinidade de bicarbonato (HCO₃^-) na água da caldeira a partir de sistemas de reposição com apenas amaciantes de sódio. Parte dessa alcalinidade se reverte para dióxido de carbono (CO₂) em temperaturas de caldeira, onde o CO₂ então se solta com vapor. O dióxido de carbono pode então se redissolver em sistemas de retorno de condensado. 

O ácido carbônico resultante (H₂CO₃) reduz o pH do condensado, o que, por sua vez, pode iniciar a corrosão geral do aço carbono. 

O resultado dessa discussão é que técnicas mais modernas são possíveis para a preparação de água de reposição para caldeiras de baixa pressão. Como todas as outras tecnologias, é necessária uma diligência prévia para determinar a viabilidade da utilização desses métodos.

Controle de corrosão ácida carbônica em sistemas industriais de vapor/condensado

Muitas indústrias pesadas, incluindo refinarias, plantas petroquímicas, instalações farmacêuticas e siderúrgicas, precisam de vapor em várias instalações, e têm sistemas abrangentes de alimentação de vapor e de retorno de condensado com muitos retentores de vapor, tanques de recebimento de condensado e quilômetros de tubulação. O tratamento de água de reposição nos geradores de vapor é frequentemente limitado ao abrandamento, o que permite que todas as outras impurezas da reposição bruta entrem nas caldeiras.

Normalmente incluída nessas impurezas está a alcalinidade do bicarbonato (HCO₃^-), que, quando submetido ao calor da caldeira, se decompõe ao dióxido de carbono (CO₂) que sai das caldeiras com vapor. À medida que o vapor se condensa em vários trocadores de calor de processo e outros locais, o CO₂ se dissolve novamente e reduz o pH do condensado, submetendo a tubulação de retorno de condensado e outros equipamentos a condições ácidas que podem ser bastante corrosivas. 

No setor de energia, o produto químico comum para condicionamento de pH de água de alimentação é a amônia, que eleva o pH por meio da seguinte reação:

Essa é uma reação de equilíbrio, de modo que o aumento de alcalinidade é limitado, normalmente minimizando a corrosão de aço excessiva no caso de um problema na dosagem de químicos. (A corrosão de liga de cobre é uma história completamente diferente.) No entanto, a amônia é volátil e o composto se separa significativamente do vapor em caldeiras de baixa pressão.

Para unidades industriais, aminas neutralizantes são alternativas comuns para o condicionamento de pH da água de alimentação. Essas são moléculas orgânicas de cadeia pequena com um grupo de amônia anexado ou incorporado ao composto.

Desenvolver o melhor programa com esses compostos tem sido difícil, pois cada um deles tem basicidade e taxa de distribuição (a tendência de o produto sair com o vapor ou permanecer dissolvido na água da caldeira) diferentes. Muitos sistemas industriais de retorno de condensado de geração de vapor são bem complexos. É desejável ter adequado controle do pH em toda a rede, mas um único composto é frequentemente insuficiente para alcançar esses resultados.

Com esse conceito muito importante em mente, os pesquisadores da ChemTreat desenvolveram produtos de amina misturados que podem fornecer cobertura abrangente, de caldeiras de alta temperatura a trocadores de calor de processo e tubulação de retorno de condensado. Os representantes da ChemTreat podem realizar auditorias na planta e, em conjunto com a equipe da planta, desenvolver um programa adequado às necessidades da instalação. Esses programas podem ser integrados a sistemas de monitoramento e alimentação automatizados para aliviar a carga dos operadores e da equipe técnica.

O retorno de condensado em instalações industriais pode conter várias outras impurezas, que são, em grande parte, dependentes da química do processo nos trocadores de calor aos quais o vapor é aplicado. Mesmo pequenos vazamentos em tubos, placas ou revestimentos podem causar séria contaminação de condensado. Pode ser necessária alguma forma de polimento de condensado para limpar essa água antes que ela retorne aos geradores de vapor.

Evolução e técnicas no tratamento de água de caldeira: O papel dos fosfatos e métodos emergentes

No início do século XX, à medida que as unidades industriais e de geração de energia à base de vapor aumentavam em número e tamanho, o fosfato trissódico (Na₃PO_4, também conhecido como TSP) tornou-se um popular químico condicionador de água de caldeira para unidades de tambores. No setor de utilidades, os programas de tratamento com fosfato passaram por uma grande evolução, com o TSP sendo usado apenas em baixas doses nas unidades modernas. Para caldeiras industriais, os métodos de tratamento com fosfato, e produtos químicos complementares, continua sendo uma boa opção. 

Um das funções principais do fosfato é gerar condições moderadamente alcalinas na caldeira para minimizar a corrosão geral de tubos, tambores e cabeçotes de caldeiras de aço carbono. 

Embora o TSP seja a única espécie de fosfato recomendada para caldeiras de serviços públicos (para minimizar o potencial de corrosão de fosfato ácido), em unidades industriais o TSP pode, às vezes, ser misturado com quantidades menores de fosfato dissódico (Na₂HPO₄) e talvez, embora não frequentemente, até mesmo um pouco de fosfato monossódico (NaH₂PO₄) para controlar a formação excessiva de hidróxido de sódio (NaOH), também conhecido como cáustico. A soda cáustica pode se concentrar embaixo dos depósitos dos tubos porosos da caldeira e induzir a corrosão direta do metal da caldeira.    

Uma outra função do fosfato, particularmente importante para unidades nas quais os íons de dureza possam penetrar periodicamente, é o controle da formação de incrustação. O fosfato e a alcalinidade produzida por sua reação com a água podem reagir com íons de dureza e silicatos para formar lodos moles que podem ser removidos pela purga da caldeira.

E é aqui que as coisas se tornam interessantes para as caldeiras industriais. Embora as unidades de utilidades precisem de reposição de alta pureza, a reposição e o retorno de condensado das caldeiras industriais podem conter concentrações significativas de impureza. Dessa forma, além do tratamento com fosfato, também é normalmente recomendável usar condicionadores de lodo. Os condicionadores de lodo consistem em polímeros solúveis em água que ajudam a manter os sólidos em suspensão por meio de uma combinação de modificação e sequestro de cristais. Esses polímeros podem, às vezes, funcionar como um tratamento independente, particularmente se a entrada de dureza não for uma preocupação. 

Outra técnica que, algumas vezes, foi aplicada com sucesso em unidades de tambor industriais são os quelantes, produtos químicos se ligam diretamente aos metais para mantê-los em suspensão. O ácido etilenodiamino tetra-acético (EDTA) é o quelante mais conhecido e é usado em muitas aplicações, mas o uso inadequado de quelantes pode causar corrosão localizada dos componentes da caldeira. 

A conclusão é que existem várias possibilidades: fosfato/polímeros, apenas polímeros e agentes quelantes, para o tratamento de água de caldeira. A escolha do tratamento adequado depende de vários fatores, que incluem o projeto e a pressão da caldeira, a sofisticação e a confiabilidade do tratamento de água de reposição e o potencial de entrada de impurezas provenientes do retorno de condensado. Em algumas aplicações, e mais sabidamente nas indústrias de alimentos e bebidas, os regulamentos do FDA limitam ou restringem o uso de alguns produtos químicos de tratamento de água de alimentação e de água de caldeira. Isso pode tornar a escolha de um programa mais complexa.

Também estão surgindo métodos de tratamento à base de produtos formadores de filme (film-forming products, FFPs), que criam uma camada protetora nas superfícies metálicas dos geradores de vapor. Esses produtos químicos poderiam vir a ser um divisor de águas em algumas aplicações. 

Várias opções são possíveis para o tratamento interno de caldeiras industriais, e essas opções são influenciadas por vários fatores.

Entre em contato com a ChemTreat para obter assistência no desenvolvimento de um programa de tratamento sob medida para sua aplicação. Como todas as outras tecnologias, uma investigação prévia é necessária para determinar a viabilidade de utilização dos métodos. Sempre consulte os manuais e guias dos seus equipamentos.