ALTERAÇÕES NA QUALIDADE DA ÁGUA EM TORRES DE RESFRIAMENTO: ESTUDO DE CASO EM UMA USINA TERMELÉTRICA

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1 ALTERAÇÕES NA QUALIDADE DA ÁGUA EM TORRES DE RESFRIAMENTO: ESTUDO DE CASO EM UMA USINA TERMELÉTRICA T. R. MARTINY 1, L. M. RODRIGUES 1 e T. R. de SOUZA 1 1 Universidade Federal do Pampa, Curso de Engenharia Química para contato: thamiris.martiny@hotmail.com RESUMO O presente trabalho tem como objetivo o estudo das alterações provocadas na qualidade da água de resfriamento da torre da Usina Termelétrica Presidente Médici Fase C (UTPM Fase C), frente à contaminação de poluentes sólidos advindos da planta de dessulfurização e do sistema de captação de material particulado ao sistema de resfriamento. Para isso, foram realizadas análises físico-químicas, (ph, condutividade elétrica, dureza, turbidez, alcalinidade, teores de sílica, ferro, e sólidos totais) na água de resfriamento da torre e em amostras preparadas com concentrações pré-determinadas dos poluentes. Testes de corrosividade da água foram realizados com a exposição de cupons metálicos, segundo norma técnica. Os resultados demonstraram que na presença de vazamentos nos sistemas de dessulfurização e captação de particulado, a qualidade da água da torre é reduzida, todos os parâmetros analisados tiveram seus valores alterados. Este fato negativo requer maior reposição de água no sistema e incremento nas dosagens dos produtos de tratamento químico na água da torre, elevando custos. A análise dos poluentes, cal e subproduto da dessulfurização, isoladamente, resultam em uma maior alteração de parâmetros, se comparados com a cinza leve. A água de resfriamento não apresentou caráter corrosivo sobre os cupons analisados. Conclui-se que os poluentes sólidos interferem significativamente na qualidade da água de resfriamento, destacando-se a importância do controle da qualidade da água. 1. INTRODUÇÃO A torre de resfriamento é um dos equipamentos mais encontrados em plantas industriais, sendo comumente empregadas em indústrias químicas e usinas de energia termelétricas e nucleares. Estes equipamentos são utilizados para o resfriamento de água industrial, provenientes de condensadores e trocadores de calor (Lima Junior, 2011). Uma torre de resfriamento é fundamentalmente uma coluna de transferência de massa e calor, projetada de forma a permitir uma grande área de contato entre as duas correntes (Blackadder e Nedderman, 2004). O fluido utilizado para dissipar o calor do processo industrial é a água. Dependendo do tamanho do sistema de resfriamento e das condições de operação essa água pode ser

2 clarificada, filtrada e até destilada. Porém, a maior parte dessas águas tem ou adquirem caráter corrosivo e podem conter componentes que causam problemas de incrustação, especialmente em superfícies de troca de calor (Santos Filho, 1973). O controle da qualidade da água de resfriamento é essencial para a manutenção das condições operacionais do processo industrial, uma vez que, problemas como, incrustações e corrosão, podem ser gerados pela má qualidade da água. Os equipamentos que podem ser atingidos de forma mais severa pela água de resfriamento são trocadores de calor e condensadores, sendo que a água de resfriamento em condições irregulares pode ocasionar perda na eficiência dos processos e ainda se fazer necessária a parada da operação para a realização de limpezas nesses equipamentos (Santos Filho, 1973). As indústrias de cimento e usinas siderúrgicas que utilizam torre de resfriamento possuem o problema de contaminação da água de resfriamento por poluentes sólidos, esses poluentes causam a formação de depósitos e agravam os mecanismos de corrosão (Dantas, 1995). A literatura não reporta a existência de problemas relacionados a poluentes sólidos na água de resfriamento de torres em usinas termelétricas, porém na Usina Termelétrica Presidente Médici Fase C (UTPM Fase C), que possui uma torre de resfriamento que está localizada próxima à planta de dessulfurização e captação de material particulado, poluentes sólidos desses sistemas contaminam a água de resfriamento, fato que não foi previsto no projeto operacional da torre. Face ao contexto apresentado esse estudo busca avaliar as alterações causadas pela contaminação por poluentes sólidos na água de resfriamento da torre da UTPM Fase C, buscando identificar as consequências para o sistema de resfriamento. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Na UTPM Fase C a água de resfriamento é utilizada para a troca térmica no condensador e em trocadores de calor secundários de outros equipamentos da planta. Foram realizados ensaios de corrosão e análises físico-químicas na água da torre da empresa para avaliar as alterações provocadas pela contaminação por poeiras, advindas da planta de dessulfurização e captação de particulado. Os testes de corrosão foram realizados na torre de resfriamento da UTPM Fase C, em operação. Análises físico-químicas da água de resfriamento da torre também foram efetuadas, bem como da água de reposição. Além disso, realizaram-se testes no laboratório, onde simularam-se possíveis contaminações com concentrações pré-definidas, da água filtrada, com cal, subproduto da dessulfurização e cinza leve, assim sendo possível a análise da alteração na qualidade da água, de cada contaminante isoladamente Materiais Os equipamentos necessários para execução das análises físico-químicas foram disponibilizados por Laboratório da UNIPAMPA (Universidade Federal do Pampa) e pelo Laboratório de águas da UTPM Fase C, sendo: medidor de ph, condutivímetro, medidor de turbidez, espectrofotômetro, vidrarias e os devidos reagentes químicos necessários para as medições.

3 Para o ensaio de corrosão foram utilizados cupons fornecidos pela empresa, fabricados de aço inox (AISI 304), mesmo material do condensador e trocadores de calor, da planta da usina, que utilizam a água de resfriamento. A análise da morfologia do ataque às amostras metálicas expostas às águas analisadas foi realizada por microscopia óptica em estéreo microscópio MOTIC, disponível no laboratório do curso de Engenharia Química da UNIPAMPA - Campus Bagé Métodos Para caracterizar a água de resfriamento e a água de reposição foram coletadas amostras da corrente de água de resfriamento diretamente na torre e da corrente da água de reposição e realizados testes de ph, condutividade elétrica, dureza, turbidez, alcalinidade, teores de sílica, ferro, e sólidos totais. Os métodos são referenciados por Gauto e Rosa (2011), Santos Filho (1973), Richter e Azevedo Netto (1991) e Lenzi et al., (2009). As amostras foram coletadas no intervalo de 28/08/2015 a 15/10/2015, identificando-se e registrando-se a ocorrência de vazamentos no sistema dessulfurização e de captação de material particulado. Foi preconizado, que na presença de vazamentos a operação era dita irregular e na ausência de vazamentos a operação era dita normal. Foram preparadas amostras com a água de reposição e com cada um dos contaminantes sólidos na concentração de 0,5 g/l de cada um dos contaminantes e de uma mistura dos três contaminantes na concentração de 0,9 g/l de sólidos e após realizadas as análises físicoquímicas. Para se determinar a taxa de corrosão da água de resfriamento foi utilizado o método de perda de massa com a utilização de seis cupons dispostos na água de recirculação da torre. Este método é o mais comum para avaliar a corrosão, devido seu baixo custo, de sua disponibilidade e facilidade de avaliação visual (Machado, 2004). Utilizou-se a recomendação da ASTM (American Society for Testing and Materials) D T (1955) - corrosivity testing of industrial water (cupon test method) descrita por Dantas (1995). Ainda foi avaliada a microestrutura do material por microscopia óptica. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Durante o teste não houve interrupções na operação da torre, totalizando-se 48 dias, sendo 7 dias em operação normal, ou seja sem a ocorrência de vazamento dos poluentes no sistemas de dessulfurização e captação de particulado, 22 dias em operação irregular, ou seja, com a ocorrência de pequenos ou grandes vazamentos dos poluentes e 19 dias que não foi possível determinar a ocorrência ou não de vazamentos. Destaca-se o fato de aproximadamente 46% do período estudado operar de forma irregular, sendo assim os vazamentos um problema constante Análises da água de reposição e recirculação da torre As médias dos resultados das análises para a água de reposição e para a água de recirculação da torre em operação normal e operação irregular registradas estão dispostas na Tabela 1.

4 Tabela 1 - Média dos resultados dos parâmetros analisados para água de reposição e água de recirculação da torre em operação normal e irregular. Parâmetros Água de reposição Operação normal Operação irregular ph 6,57 7,77 8,21 Condutividade elétrica (µs/cm) 88,62 341,67 423,48 Sílica (ppb) 9799, , ,00 Alcalinidade (ppm) 14,16 42,41 83,63 Dureza total (ppm) 33,35 106,41 156,43 Dureza de cálcio (ppm) 22,57 81,37 121,20 Ferro (ppb) 56,52 428,25 851,31 Índice de turbidez (NTU) 1,13 17,61 63,74 Sólidos totais (ppm) 60,82 262,64 354,79 A partir dos resultados apresentados na Tabelas 1 pode-se constatar que em operação irregular (com vazamentos nos sistemas de dessulfurização e captação de particulado) a qualidade da água de resfriamento da torre diminui, refletida na modificação de valores de todos os parâmetros analisados, sendo que os mesmos ficaram fora das faixas limite de operação. A Figura 1 ilustra o aspecto da água de recirculação em operação normal em operação irregular. a b Figura 1 - (a) Aspecto da água da torre em operação normal. (b) Aspecto da água da torre em operação irregular. Pode-se notar a partir da Figura 1, que o aspecto visual da água de recirculação em operação irregular é pior se comparado ao em operação normal. Em operação irregular a água encontrava-se esbranquiçada e visivelmente com grande quantidade de sólidos em suspensão.

5 A partir dos resultados das análises físico-químicas da água de resfriamento, pode-se inferir que a qualidade da água da torre é sempre variável, o que compromete o cálculo do ciclo de concentração, uma vez que o número de ciclos é sempre variável, logo não se pode estabelecer um programa fixo de tratamento químico para a torre e que possa ser eficiente. Lembrando que o ciclo de concentração é um parâmetro para os cálculos da implementação do tipo de tratamento químico que a torre receberá. Outra consequência que a má qualidade da água pode acarretar é a perda de eficiência no sistema de resfriamento, uma vez que a contaminação por poluentes sólidos pode diminuir o volume da bacia da torre, devido à possibilidade de grande parte dos sólidos depositarem-se no fundo da bacia, impactando nas temperaturas de trabalho. Neste sentido, o ônus financeiro da empresa fica claro, uma vez que faz-se necessário o uso de mais água tratada para suprir as necessidades da torre, com o aumento da reposição. Além disso, o incremento das dosagens de inibidores de corrosão e incrustação e do produto de contingência aumenta os custos associados ao programa de tratamento químico da torre. Estimaram-se os custos com o programa de tratamento da torre em operação normal e em operação irregular e há um custo maior quando em operação irregular, correspondendo a aproximadamente R$ ,00 a mais em gastos no programa de tratamento, representando um aumento de 52,20% Análises da água com as concentrações conhecidas de poluentes sólidos A Tabela 2 apresenta a média dos resultados das análises físico-química da água de reposição contaminada com concentrações pré-determinadas dos poluentes sólidos. Tabela 2 - Médias das análises físico-químicas da água de reposição contaminada com concentrações pré-determinadas de poluentes sólidos. Parâmetros Branco Cal 0,5 g/l Subproduto 0,5 g/l Cinza leve 0,5 g/l Mistura dos sólidos 0,9 g/l ph 6,92 11,60 8,70 8,06 10,84 Condutividade elétrica (µs/cm) 109, ,67 150,23 119,00 288,80 Sílica (ppb) 9789, , ,6 9966, ,10 Alcalinidade (ppm) 25,50 432,00 131,93 46,60 184,03 Dureza total (ppm) 44,50 651,66 235,43 107,30 312,00 Dureza de cálcio (ppm) 18,50 555,33 238,13 73,10 268,50 Ferro (ppb) 57,60 852,78 935, ,50 551,31 Ìndice de turbidez (NTU) 0,73 98,13 76,40 132,10 87,63 Sólidos totais (ppm) 76, ,93 120,18 95,20 231,04

6 A partir da avaliação dos dados apresentados na referida tabela fica comprovado que os poluentes sólidos causam alterações significativas na qualidade da água. Todos os parâmetros medidos tiveram seus valores aumentados com a adição de poluentes sólidos na água. A alcalinidade, a dureza total e o ferro tiveram os seus valores aumentados em pelo menos 15 vezes, por exemplo. De modo geral, o sólido que causou um impacto maior nos parâmetros foi a cal, chegando a aproximadamente, aumentar o ph em duas vezes e a condutividade elétrica em 14 vezes. O sólido que provou o menor impacto foi a cinza leve provocando alterações nos parâmetros de aproximadamente duas vezes, sendo mais significativa a alteração no teor de ferro com um aumento de aproximadamente 200 vezes. A mistura dos três sólidos na água, que é o que se encontra na torre, provou alterações significativas, com um aumento da alcalinidade e dureza total em sete vezes. Destaca-se o teor de ferro que teve um aumento de, aproximadamente, 10 vezes e o índice de turbidez que foi aumentado em, aproximadamente, 120 vezes Análises de Corrosão A análise visual dos cupons mostrou não haver pontos de corrosão aparente, no entanto, havia uma fina camada de sólidos em cada cupom, sobretudo naqueles dispostos nas bacias, como observa-se no detalhe do cupom 6 apresentado na Figura 2. Figura 2 - Detalhe do cupom 6 após o período de exposição. A média do ISL (Índice de Saturação de Langelier) calculada durante o período de teste foi de 1,80, logo a água de resfriamento da torre é classificada como com tendência a depositar CaCO 3 (incrustante). Lembrando que o valor recomendado de ISL, pelo programa de tratamento químico da torre, é <0,5. A contaminação da água de resfriamento da UTPM Fase C pela cal pode agravar as incrustações provocadas CaCO 3, que são muito duras. Ainda pode ocorrer a precipitação de CaSO 4, devido a contaminação pelo subproduto da dessulfurização. Após a decapagem química dos cupons, para a remoção de produtos de corrosão, obtiveram-se os dados para o cálculo da taxa de corrosão. A Tabela 3 apresenta os resultados da taxa de corrosão. Tabela 3 - Resultados das taxas de corrosão. Cupom Média mm/ano 5, , , , , , ,

7 Pela análise dos resultados obtidos apresentados pela Tabela 3, tem-se que as taxas de corrosão foram baixas. Mello 2008, encontrou para água de resfriamento de uma torre de resfriamento de um refinaria de petróleo brasileira, com as mesmas características construtivas da torre da UTPM Fase C, o valor de 3, mm/ano, fazendo-se o teste com cupons de aço inoxidável. As taxas de corrosão baixas foram confirmadas pela análise microscópica dos cupons, onde foram encontrados pequenos pontos de corrosão não representativos. Em todos os cupons foram encontrados machas e pontos escuros de oxidação, como mostrado na Figura 3, através das micrografias Figura 3 - Cupons com ocorrências de manchas e pontos escuros. Em geral as amostras não foram atacadas. As manchas encontradas são superficiais. O teste de corrosão indicou que a água de resfriamento não apresenta caráter corrosivo, uma vez que as ocorrências encontradas não são significativas e não podem ser associadas exclusivamente a água de resfriamento. 4. CONCLUSÃO O trabalho mostrou a importância da água de torres de resfriamento em termos operacionais, ao detalhar os principais problemas que podem ocorrer em sistemas abertos com recirculação, tais como corrosão e incrustação, o trabalho enfatizou que a água de resfriamento requer alguns cuidados no seu tratamento para que possa realizar sua função principal, que é basicamente resfriar os equipamentos de troca térmica como trocadores de calor e condensadores sem ao mesmo tempo estar comprometendo a sua boa operação ou diminuição de sua vida útil. No que se refere às alterações provocadas por poluentes sólidos, na água de resfriamento da torre da Usina Termelétrica Presidente Médici Fase C (UTPM Fase C), concluiu-se que os mesmos causam alterações significativas na qualidade da água de

8 resfriamento. Fato que impacta diretamente nos custos associados à manutenção da qualidade da água de resfriamento. É valido mencionar também que para o teste de corrosividade a água de resfriamento não apresentou caráter corrosivo relevante. Por fim é importante alertar sobre medidas para a mitigação das emissões de poeiras contaminantes. 5. REFERÊNCIAS BLACKADDER, D. A; NEDDERMAN, R. M. Manual de operações unitárias. São Paulo: Hemus, DANTAS, E. Geração de vapor e água de resfriamento: falhas - tratamentos - limpeza química. Rio de Janeiro, GAUTO, M. A; ROSA, G. R. Processos e operações unitárias da indústria química. Rio de Janeiro: Editora Ciência Moderna Ltda, LENZI, E; FAVERO, L. O. B; LUCHESE, E. B. Introdução à química da água: ciência, vida e sobrevivência. Rio de Janeiro: LTC, MACHADO, L. P. Reúso de esgotos sanitários tratados para fins de água de reposição em torres de resfriamento Sistemas semi-abertos. Rio de Janeiro, MELLO, A. G. B. Influência da deformação plástica na corrosão de aço carbono, aço inoxidável e cobre em sistemas de resfriamento. Rio de Janeiro: UFRJ/EQ, RICHTER, C. A.; AZEVEDO NETTO, J. M. Tratamento de Água: Tecnologia Atualizada. 1ª ed. São Paulo: Blucher, SANTOS FILHO, D. F. Tecnologia de tratamento de água. São Paulo: Nobel, 1973.