OPERAÇÃO DE CALDEIRAS Tratamento de água

Transcrição

1 A água na sua forma líquida é encontrada na natureza sob duas condições: Águas de superfície (mares, rios, lagos e lagoas); Águas subterrâneas. Águas de superfície: instáveis são saturadas em O 2 dissolvido e baixa concentração de CO 2 dissolvido baixos teores de STD (sólidos totais dissolvidos) altos teores de SS (sólidos suspensos), elevados teores de matéria orgânica temperatura variável.

2 Águas subterrâneas: são mais estáveis possuem maior concentração de CO 2 dissolvido altos teores de sólidos dissolvidos apresentam baixos teores de sólidos em suspensão menores teores de material orgânico têm temperatura constante

3 Impurezas da água: A água, como todo elemento da natureza apresenta uma série de impurezas, das quais podem ser citadas: Gases dissolvidos como o oxigênio, o dióxido de carbono e o gás sulfídrico; Sólidos em suspensão; Sólidos dissolvidos Quando o tratamento da água da caldeira é inadequado, esses fatos trazem conseqüências como a corrosão, a incrustação e o arraste.

4 Impurezas da água As principais impurezas que podem estar contidas na água e que, se não forem removidas, podem afetar a qualidade da água da caldeira são: Dureza sais de cálcio e magnésio Alcalinidade bicarbonatos;carbonatos, hidróxidos Sulfatos Cloretos Ferro Sílica Gases dissolvidos O 2 ; CO 2; H 2 S Amônia Sólidos totais dissolvidos STD Sólidos em suspensão/turbidez

5 Impurezas da água: Dureza são sais de cálcio e magnésio e a principal fonte de incrustações nos equipamentos de troca de calor, caldeiras, tubos, etc. A alcalinidade, devido a bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos, causam espuma e arraste de sólidos; torna o aço da caldeira quebradiço; produz CO 2 no vapor. Os sulfatos (SO 4-2 ), geralmente de cálcio (Ca), sódio (Na) e magnésio (Mg), apresentam concentração na faixa de 0,5 a 200 ppm Os cloretos (Cl - ) quase sempre estão presentes na forma de cloreto de sódio (NaCl), de cálcio (CaCl 2 ) e de magnésio (MgCl 2 ), em concentrações bastante variáveis, desde 10 até 250 ppm.

6 Impurezas da água: O ferro (Fe) normalmente está presente como bicarbonato de ferro (Fe(HCO 3 ) 2 ), em concentrações variáveis, podendo alcançar, embora raramente, os 100 ppm. A sílica (SiO 2 ) está presente normalmente como ácido silícico (H 4 SiO 4 ) e na forma de silicatos solúveis (SiO 4-4 ) em concentrações variando de 01 a 100 ppm. O gás carbônico (CO 2 ) encontra-se dissolvido na água bruta superficial, em teores que variam de 02 a 15 ppm. Também origina-se da decomposição de bicarbonatos. O oxigênio dissolvido (O 2 ) está presente em teores máximos de 10 ppm. Sua presença é bastante prejudicial aos equipamentos, já que é corrosivo ao ferro e ligas de cobre.

7 Impurezas da água: O gás sulfídrico (H 2 S) provoca corrosão nas superfícies metálicas e pode estar presente na água de alimentação por causa da absorção pela água do meio ambiente; decomposição do sulfito de sódio (Na 2 SO 3 ) contaminação do sulfito de sódio por sulfeto (Na 2 S). A amônia (NH 3 ) apresenta-se algumas vezes, dissolvida na água bruta em concentrações que podem variar até 20 ppm. Às vezes, pode estar combinada na forma de compostos orgânicos. Sólidos totais dissolvidos é a medida da quantidade total de materiais dissolvidos; quanto maior, maior a velocidade de incrustação e corrosão, e causa espuma nas caldeiras Sólidos em suspensão é a medida da matéria não dissolvida; provocam depósitos em equipamentos de troca térmica, caldeiras. Tubulações, etc.

8 Incrustações: Formadas pela concentração e sais dissolvidos na água: carbonatos, sulfatos, cálcio, magnésio, sílica e silicatos, fosfatos, compostos de ferro e cobre. Dizemos que uma água apresenta dureza, quando a mesma apresenta sais de cálcio e magnésio. Em função da dureza da água, será determinado o tipo de tratamento para cada aplicação. As incrustações podem ainda ser aumentadas se a água contiver sílica em suspensão. A sílica forma incrustações muito resistentes, praticamente impossíveis de serem removidas.

9 Os depósitos e incrustações causam uma série de problemas que interferem no desempenho do equipamento. Eles são: Redução ou perda da capacidade de transferência de calor; Superaquecimento localizado Corrosão sob depósito Ruptura de tubos sob pressão Aumento do consumo de combustível Aumento da demanda de água e do custo de bombeamento; Elevação dos custos de manutenção; Redução da vida útil do equipamento; Redução do poder dos inibidores de corrosão. Parada de equipamento Explosões

10 Corrosão O grau de corrosão em caldeiras depende de fatores como: Tipo de metal; Condição da superfície metálica; Grau de deposição sobre o metal; Temperatura; Concentração de oxigênio; ph; Sólidos suspensos; Sólidos e gases dissolvidos; Contaminantes existentes no retorno de condensado, onde existente.

11 Corrosão A água corrói o aço fraco A reação fundamental de corrosão de uma caldeira em operação, na ausência de Oxigênio é: 3Fe + 4H 2 O Fe 3 O 4 + 4H 2 Ferro Água Magnetita Gás óxido preto de ferro Hidrogènio A estabilidade da camada de magnetita formada é altamente dependente do ph da água ( faixa de 8,5 a 12,7)

12 Corrosão OPERAÇÃO DE CALDEIRAS Linhas de condensado corrosão por ação do dióxido de carbono, CO 2 dissolvido Na HCO 3 Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O Na 2 CO 3 + H 2 O Na OH + CO 2 CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO - 3 Ácido carbônico Solução aplicação de produto para neutralizar o CO2 gerado pela decomposição térmica da alcalinidade controlar adequadamente o ph do condensado

13 Corrosão Os sistemas de condensados podem ser tratados quimicamente com aminas voláteis: Aminas neutralizantes Aminas fílmicas Combinação de ambas

14 Arraste O arraste é a passagem de água em uma mistura entre a fase líquida e a gasosa, junto com o vapor para o superaquecedor e o sistema de distribuição de vapor, carregando também sólidos em suspensão e material orgânico. Essa mistura geralmente contém materiais insolúveis, prejudiciais ao processo. razões mecânicas : danos no aparelho separador de vapor (chevron), pelo nível de água elevado pelas condições de carga excessiva ou projeto da caldeira razões químicas: Altas concentrações de sólidos totais dissolvidos (STD) ou suspensos, matéria orgânica (óleo, graxas, etc.)

15 Deterioração da pureza do vapor. Depósito de sedimentos nas tubulações e nos equipamentos usuários de vapor. OPERAÇÃO DE CALDEIRAS Causas prováveis Inexistência de abrandadores ou operação deficiente. Deficiência no controle de qualidade da água de caldeira Tratamento no que tange a dureza. de água Falha na adição de produtos químicos e descargas de fundo. Tratamento deficiente de remoção de oxigênio e do controle do ph. Reutilização de condensado contaminado. Corrosão provocada por equipamentos parados por longos períodos sem os cuidadosnecessários. Controle deficiente na água da caldeira do índice de cloretos. Problema no separador de vapor ou controle de água de alimentação. Tipo Incrustação Problemas Incrustação devido a carbonatos diversos ou sílica no interior da caldeira ou superfície de quecimento (Perda de calor, transferido na interface ases/água e redução da vida útil da caldeira). Causas prováveis Inexistência de abrandadores ou operação deficiente. Deficiência no controle de qualidade da água de caldeira no que tange a dureza. Falha na adição de produtos químicos e descargas de fundo. Corrosão Arraste Corrosão nas linhas de condensado e superfície de aquecimento devido aos gases dissolvidos e contaminantes. Deterioração da pureza do vapor Depósito de sedimentos nas tubulações e nos equipamentos usuários de vapor Tratamento deficiente de remoção de oxigênio e do controle do ph. Reutilização de condensado contaminado. Corrosão provocada por equipamentos parados por longos períodos sem os cuidados necessários. Controle deficiente na água da caldeira do índice de cloretos. Problema no separador de vapor ou controle de água de alimentação.

16 CONCEITOS O ph indica o grau de acidez ou da alcalinidade de uma solução. Ele é um indicador das características de deposição ou dispersão da água de alimentação da caldeira. neutro ácido alcalino A alcalinidade pode ser medida como: Alcalinidade total : carbonato + bicarbonato + (hidroxila) Alcalinidade parcial: hidroxila + ½ carbonato Alcalinidade hidróxida: hidroxila

17 Condutividade é a capacidade que a água tem de conduzir a corrente elétrica. água pura não é boa condutora de eletricidade água com sais dissolvidos é condutora de eletricidade Solubilidade é a capacidade de uma substância de se dissolver em outra. As impurezas presentes na água podem ter seu grau de solubilidade modificado, dependendo de fatores tais como: ph; temperatura; pressão; outros solutos; saturação

18 Dureza total é a soma de concentrações de cálcio (Ca) e magnésio (Mg). É devida a bicarbonatos (HCO 3- ), sulfatos (SO 4-2 ), cloretos (Cl - ) e nitratos (NO 3- ) O quadro a seguir mostra a classificação da dureza total.

19 classificação da dureza total. OPERAÇÃO DE CALDEIRAS Classificação da dureza total. Dureza total (mg/l CaCO 3 ) Classificação < > 200 muito branda branda moderadamente dura dura muito dura

20 DEPÓSITOS, INCRUSTAÇÕES, CORROSÃO E ARRASTE Os devem ser controlados por meio de tratamento da água TRATAMENTO EXTERNO DA ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO E TRATAMENTO INTERNO DA ÁGUA DA CALDEIRA

21 TRATAMENTO EXTERNO DA ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO A clarificação; A filtração; O abrandamento; A desmineralização; A osmose reversa; A destilação; A desgaseificação ou desaeração

22 Clarificação : A clarificação engloba três etapas, cada uma constituindo um processo diferente que exige certos requisitos para assegurar os resultados esperados. Elas são: Coagulação (2) Floculação (3) Decantação (4)

23 2. Coagulação aglutinação das partículas neutralizadas Al 2 (SO 4 ) 3 Sulfato de Alumínio PAC Policloreto de Alumínio Fe Cl 3 Cloreto Férrico Ca(OH) 2 - Hidróxido de Cálcio Polímeros (aniônicos, não-iônicos e catiônicos) 3. Floculação crescimento dos flocos velocidade da água deve ser suficiente para promover o contato; adição de polieletrólitos (auxiliares de floculação); pontes entre as partículas já coaguladas e a cadeia do polímero.

24 4. Decantação ou Sedimentação decantação dos flocos quanto maior a velocidade de decantação menor o tempo de residência no clarificador velocidade de sedimentação depende principalmente do diâmetro da partícula e de sua densidade.

25 Clarificação : ajuste do ph e da dosagem de produtos Teste de jarro jar test

26 Abrandamento com resina catiônica

27 Desmineralização ou deionização da água com resinas de troca iônica

28 CONJUNTO DE VASOS DE UM SISTEMA DE DESMINERALIZAÇÃO DE ÁGUA PARA CALDEIRA

29 Tratamento por Osmose Reversa

30 Osmose Reversa

31 DESAERAÇÃO MECÂNICA ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DO DESAERADOR. MODELO BANDEJA. MODELO SPRAY

32 DESAERAÇÃO QUÍMICA Para remoção de traços de oxigênio após a desaeração mecânica, aplicando-se um sequestrante químico : sulfito de sódio: 2 NA 2 SO 3 + O 2 2 NA 2 SO 4 Hidrazina: N2H4 + O2 2H2O + N2 Hidroquinona Carbohidrazina Ácido ascórbico Mais modernos

33 Os mais utilizados são: TRATAMENTO INTERNO DA ÁGUA DA CALDEIRA COM PRODUTOS QUÍMICOS Controle do ph e alcalinidade geralmente com adição de hidróxido de sódio ou carbonato de sódio Redutor es de dureza, tais como: Fosfatos Agentes quelantes: EDTA (ácido etilenodiaminotetracético); Polifosfatos; Ésteres de fosfatos; Fosfonatos; Dispersantes, etc

34 Tratamento com aminas fílmicas e /ou neutralizantes (condensado); Morfolina Dietilamina-etanol (DEAE) Dimetilisopropanolamina (DMPA) Ciclohexilamina Amônia

35 Ciclos de concentração: Os ciclos de concentração auxiliam no controle da formação de incrustação, na conservação da água, na limitação dos efluentes e na redução de custos resultantes do tratamento químico. Os parâmetros mais usados nos ciclos de concentração são os cloretos, os sólidos totais dissolvidos e a sílica. Por exemplo: um teor de sílica na água de alimentação de 20 ppm contra um teor de sílica na água da caldeira de 50 ppm pode significar que há contaminações no processo, ou que a descarga de fundo não está sendo realizada.

36 Parâmetro uni 13,0 kgf/cmm2 13,1 a 20 20,1 a 30 30,1 a 40 até ph 10,5 a 11,5 10,5 a 11,5 10,5 a 11,0 10,5 a 11,0 Dureza ppm Alcalinidade a fenoftaleina como CaCO3 Alcalinidade metil-orange -CaCO 3 ppm ppm ppm - < < < < 500 Alcalinidade hidróxida - CaCO 3 ppm 150 a a a a 120 Cloretos como Cl - ppm < 500 < 400 < 300 < 150 Fosfatos como PO4-3 ppm 30 a a a a 40 Sílica como SiO2 ppm < 180 < 120 < 80 < 40 Sulfitos como SO3 2- ppm 20 a a a a 40 Sólidos dissolvidos ppm < 2800 < 2500 < 2000 < 1500 Sólidos em suspensão ppm < 300 < 200 < 150 < 50 Hidrazina como N 2 H 4 ppm 0,1 a 0,2 0,1 a 0,2 0,05 a 0,15 0,05 a 0,15 ph do condensado (sem arraste) 7,2 a 8,0 7,2 a 8,0 7,2 a 8,0 7,2 a 8,0

37 TUBULÃO SUPERIOR DE CALDEIRA AQUATUBULAR CONTENDO ELEVADA QUANTIDADE DE LAMA DE ORIGEM ARGILOSA (ÁGUA BRUTA) TUBO DE CALDEIRA AQUATUBULAR INCRUSTADO COM PRODUTOS DE CORROSÃO (ÓXIDO DE FERRO)

38 TUBO DE CALDEIRA AQUATUBULAR INCRUSTADO.

39 Superaquecimento

40 PARTE INFERIOR DE CALDEIRA FOGOTUBULAR MOSTRANDO TUBOS INCRUSTADOS DE ASPECTO ESBRANQUIÇADO (DUREZA) E ACÚMULO DE LAMA E DEPÓSITOS NO FUNDO. OBSERVE AS ARCAS ESVERDEADAS NOS TUBOS, EVIDENCIANDO DEPÓSITOS DE ÓXIDOS DE COBRE PROVENIENTES DE PROCESSOS CORROSIVOS NA SEÇÃO PRÉ-CALDEIRA. TUBULAÇÃO DE CALDEIRA FOGOTUBULAR MOSTRANDO INCRUSTAÇÕES.

41 JANELA ABERTA EM TUBULAÇÃO MOSTRANDO INCRUSTAÇÕES COM PREDOMINÂNCIA DE SÍLICA; BAIXO: MESMO EQUIPAMENTO, APÓS EXECUÇÃO DE LIMPEZA QUÍMICA. OBSERVE A LAMA DE COLORAÇÃO ACINZENTADA, CONSTITUÍDA PELAS INCRUSTAÇÕES DISSOLVIDAS, E TAMBÉM ÓXIDOS DE FERRO (COLORAÇÃO AMARELADA) GERADOS POR PROCESSOS CORROSIVOS EXISTENTES MATERIAL ORGÂNICO : ÓLEO E GRAXA ENCONTRADOS EM EQUIPAMENTOS NOVOS E USADOS DURANTE A MONTAGEM DO DEVE SER PREVIAMENTE REMOVIDO, ATRAVÉS DE LIMPEZA QUÍMICA ANTES DE INICIAR A OPERAÇÃO.

42 ESQUERDA: COSTADO DE BALÃO DE UMA CALDEIRA DE 65 KGF/CM2 DE PRESSÃO, VITIMADA PELO ATAQUE CÁUSTICO. DIREITA: PEDAÇO DO COSTADO REMOVIDO, ONDE É POSSÍVEL VISUALIZAR A TRINCA OCORRIDA. O PROCESSO OCORREU JUNTO A UMA SOLDA CIRCUNFERENCIAL EXISTENTE NO BALÃO. TUBO DE 3 DE UMA CALDEIRA QUE SOFREU ATAQUE CÁUSTICO. PRESSÃO DE OPERAÇÃO: 150 KGF/ CM2 (PORT & HERRO, 1991).

43 Fragilização por Hidrogênio: A reação é: 4H + Fe3C 3Fe + CH4 A formação da molécula de metano, relativamente grande, no interior do Metal causa uma tensão enorme, o que pode causar ruptura. RUPTURA EM UM TUBO DE CALDEIRA (PRESSÃO DE OPERAÇÃO: 136 KGF/ CM2) DEVIDO A FRAGILIZAÇÃO POR HIDROGÊNIO (PORT & HERRO, 1991).

44 VÁLVULA DE REGULAGEM DE VAPOR DE UMA TURBINA COM DEPOSIÇAO DE SAIS ORIGINADA DE ARRASTES. DEPOSIÇÃO DE SAIS NO PRIMEIRO ESTÁGIO DE UMA TURBINA A VAPOR, PROVENIENTE DE ARRASTES.

45 SEPARADORES DE GOTÍCULAS (CHEVRONS), DE UMA CALDEIRA AQUATUBULAR MOSTRANDO SINAIS DE ARRASTE (EQUIPAMENTO NO ALTO) E SEM EVIDÊNCIAS DO MESMO (BAIXO)

46 TUBO QUE RECEBEU TRATAMENTO COM AMINA FÍLMICA. OBSERVAR A REPULSÃO EXERCIDA NAS GOTAS DE ÁGUA (KEMMER, 1988 INTERIOR DE UMA LINHA DE RETORNO DE CONDENSADO QUE SOFREU PROCESSO INTENSO DE CORROSÃO (PORT & HERRO, 1991)