TRATAMENTO DE ÁGUA PARA GERAÇÃO DE VAPOR: CALDEIRAS

TRATAMENTO DE ÁGUA PARA GERAÇÃO DE VAPOR: CALDEIRAS Patrocínio: Apoio: www.corona.ind.br Maiores informações, clique aqui: www.snatural.com.br Elaborado por: Eng.º Joubert Trovati Maiores informações SNatural Ambiente www.snatural.com.br - snatural@snatural.com.br - Fone: (11) 5072 5452

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 4.3 Processo de Osmose Reversa 4.4 Outros Processos de Abrandamento 4.5 Destilação 2

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 3

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 É muito comum a confusão entre os termos calor e temperatura que normalmente empregamos. Da termodinâmica, ciência que estuda o calor e os processos que o envolvem, podemos estabelecer as seguintes definições: 4

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 5

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). q ( Tq Tf ) k. A. l Lei de Fourier: T q > T f k=condutividade térmica (W/h.m 2.ºC) T = Temperatura A = Área FIGURA 01: EXEMPLO ILUSTRATIVO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO 6

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. qh. A.( T Tp) Lei do Resfriamento de Newton T > Tp h = Coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m 2.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. 7

4 4 q.. A.( Tq Tf ) Lei de Radiação = Emissividade = Cte. Stefan-Boltzman (5,669.10-8 W/m 2.K 4 ) 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 mesma energia que as moléculas absorveram para passar para fase vapor é liberada para o meio, resultando aí na transferência de energia na forma de calor. 8

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. 9

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 CALOR + Produtos (CO 2, H 2 O, 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 SO x 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. 10

2 - CALDEIRAS As caldeiras ( boilers do inglês) são equipamentos destinados basicamente à produção de vapor, seja ele saturado ou superaquecido. Existem outros equipamentos de aquecimento e transferência de calor sem produção de vapor que também são chamados de caldeiras, tais como aquecedores que empregam fluidos térmicos, geradores de água quente, etc. Neste texto e certamente na maioria das vezes que o termo caldeira for aplicado, é feita referência aos equipamentos para geração de vapor. Dentro de uma unidade de processo, a caldeira é um equipamento de elevado custo e responsabilidade, cujo projeto, operação e manutenção são padronizados e fiscalizados por uma série de normas, códigos e legislações. No Brasil, o Ministério do Trabalho é responsável pela aplicação da NR-13 1, que regulamenta todas as operações envolvendo caldeiras e vasos de pressão no território nacional. Para o projeto desses equipamentos, normalmente adotam-se códigos específicos; no Brasil, é comum o uso do código ASME (American Society of Mechanical Engineers. www.asme.org). 2.1 - BREVE HISTÓRICO Vários registros históricos e relatórios de missões de exploração submarina apontam o uso das primeiras caldeiras em navios, datados do final do século XIV. No entanto, após a revolução industrial iniciada na Inglaterra em meados do século XVIII, disseminou-se o uso de caldeiras nas mais variadas aplicações: fábricas, embarcações, locomotivas 2, veículos, etc. Nestes engenhos, o vapor era usado para aquecimento e, principalmente, para 1 Pode ser vista em: www.mtb.gov.br 2 Nas cidades de Campinas-SP, Tubarão-SC e Cruzeiro-MG é possível visitar locomotivas a vapor que ainda funcionam. Detalhes podem ser encontrados em www.abpf.org.br. 11

acionamento das máquinas e movimentação dos veículos, utilizando-se um sistema de cilindro e pistão desenvolvido pelo escocês James Watt por volta de 1765. FIGURA 04: FOTOGRAFIA DE UMA LOCOMOTIVA A VAPOR DO INÍCIO DO SÉCULO XX. Com o passar dos anos, as caldeiras foram se desenvolvendo e novas aplicações apareceram. O desenvolvimento da indústria metalúrgica e da ciência dos materiais, bem como o aprimoramento dos conhecimentos de engenharia, permitiram a construção de equipamentos mais leves, resistentes, seguros e muito mais eficientes. Nas páginas seguintes faremos uma breve descrição de suas características. 12

2.2 - TIPOS DE EQUIPAMENTO 2.2.1 - Caldeiras Fogotubulares (ou flamotubulares) São equipamentos derivados das caldeiras antigas, onde o fogo e os gases quentes da combustão circulam no interior dos tubos e a água a ser vaporizada circula pelo lado de fora. Ambos são contidos por uma carcaça cilíndrica denominada casco. Nas extremidades do casco são fixados os espelhos, onde são mandrilhados os tubos da caldeira. Os tubos podem ser verticais ou horizontais, dependendo do modelo. Normalmente este tipo de caldeira tem produção de vapor limitada a cerca de 40 t/ h e pressão de operação máxima 3 de 16 Kgf/ cm 2. Um esquema de caldeira fogotubular com duas câmaras de combustão é mostrado na figura a seguir. 2.2.2 - Caldeiras Aquatubulares Surgiram da necessidade de maiores produções de vapor e maior pressão de operação. Nestes modelos, a água ocupa o interior dos tubos, enquanto que o fogo e os gases quentes ficam por fora. Existem modelos com produção de vapor superiores a 200 t/ h e pressão de operação da ordem de 300 Kgf/ cm 2 (caldeiras supercríticas). Na figura subseqüente, é mostrado um sistema gerador de vapor aquatubular, com demais acessórios. 3 Algumas caldeiras de locomotivas a vapor operavam com pressão de até 21 Kgf/ cm 2. 13

FIGURA 05: ILUSTRAÇÕES MOSTRANDO UMA CALDEIRA FOGOTUBULAR HORIZONTAL 14

FIGURA 06: ESQUEMA DE UMA CALDEIRA AQUATUBULAR DE COMBUSTÍVEL SÓLIDO (SISTEMA COMPLETO). ABAIXO: PERSPETIVA DE UM MODELO MONTADO 15

2.2.3 - Equipamentos Periféricos São empregados como auxiliares para um bom desempenho e eficiência na operação da caldeira. Devido ao pequeno tamanho e concepção de projeto das caldeiras fogotubulares, é difícil a instalação dos equipamentos periféricos neste tipo de caldeira, ficando assim restritos às caldeiras aquatubulares, na maioria das vezes. Os principais equipamentos usados com esta finalidade são: 2.2.3.1 Pré-Aquecedor de Ar Tem por finalidade aquecer o ar que será alimentado na fornalha, de modo a conseguir um aumento na temperatura do fogo e melhorar a transferência de calor por radiação. Com isto também se consegue aumento na eficiência do equipamento e economia de combustível. 16

FIGURA 07: FOTOGRAFIA DE UMA CALDEIRA EXIBINDO UM PRÉ-AR. 2.2.3.2 Economizador Tem por objetivo pré-aquecer a água que alimentará a caldeira usando o calor dos gases de combustão que saem do equipamento. Consegue-se, assim, melhor rendimento na produção de vapor, respostas mais rápidas e economia de combustível. 17

FIGURA 08: FOTOGRAFIAS DE UM EQUIPAMENTO ECONOMIZADOR INSTALADO. OBSERVAR OS TUBOS ALETADOS NO INTERIOR DO EQUIPAMENTO (ABAIXO) 2.2.3.3 Soprador de Fuligem Trata-se de um dispositivo que penetra no interior do feixe tubular, fazendo um jateamento de vapor na parte externa do feixe. Com isso, 18

consegue-se remover possíveis depósitos de fuligem aderidos aos tubos que podem prejudicar as operações de troca térmica. 2.2.3.4 Superaquecedor São equipamentos destinados a aquecer o vapor saturado produzido na caldeira e torná-lo seco, apropriado para ser usado em operações de geração de energia mecânica, como acionamento de turbinas. O superaquecedor normalmente é construído com vários conjuntos em paralelo de 2 a 4 tubos em forma U, formando uma serpentina colocada no alto da fornalha. Pelo fato de trabalhar somente com vapor, qualquer fluxo de água da caldeira que atinge o superaquecedor irá imediatamente vaporizar-se e, caso a mesma contenha certa quantidade de sais dissolvidos, os mesmos se incrustarão no equipamento. 19

3 - ÁGUA PARA GERAÇÃO DE VAPOR A operação segura e eficiente de uma caldeira é extremamente dependente da qualidade da água disponível para alimentação da mesma. De nada adianta a instalação de um equipamento ultra moderno, com todos os acessórios/ periféricos disponíveis e automatizado totalmente se não é levada em consideração a qualidade da água e o tratamento químico aplicado. Como sabemos, a água tem uma tendência a dissolver uma série de substâncias, tais como sais, óxidos/ hidróxidos, diversos materiais e inclusive gases, motivo pelo qual nunca é encontrada pura na natureza. Além das espécies dissolvidas, pode apresentar material em suspensão, tais como argila, material orgânico, óleos, etc. A presença de todas estas impurezas muitas vezes causa problemas no uso da água para geração de vapor, podendo formar incrustações e/ ou acelerar os processos corrosivos. 3.1 - QUALIDADE DA ÁGUA Cientes de todos os detalhes mencionados, consideramos ideal para geração de vapor uma água com as seguintes características: Menor quantidade possível de sais e óxidos dissolvidos Ausência de oxigênio e outros gases dissolvidos Isenta de materiais em suspensão Ausência de materiais orgânicos Temperatura elevada ph adequado (faixa alcalina) A alimentação de água com boa qualidade elimina, antecipadamente, grande parte dos problemas que normalmente ocorrem em geradores de 20

vapor. Posteriormente, fica a cargo do tratamento químico interno a manutenção da qualidade da água no interior da caldeira. É errônea a associação da qualidade da água para consumo humano (potabilidade) com a água para geração de vapor. O padrão para potabilidade da água é baseado, principalmente, na presença de microrganismos. Assim, uma água boa para beber não implica, necessariamente, em uma água boa para gerar vapor. É comum ouvirmos a frase: Fulano de tal tem um poço e a água é ótima, nem precisa tratar... pode então usar na caldeira! ; procedimentos como esse podem ser catastróficos. Por outro lado, a água ideal para geração de vapor, ou seja, que não contém nenhuma substância dissolvida é, por isso mesmo, inadequada para bebermos. 3.1.1 - Impurezas Encontradas na Água Geralmente, nas águas superficiais e subterrâneas que são usadas nos processos industriais, encontramos as seguintes substâncias dissolvidas: Dureza, representada basicamente pelos íons cálcio e magnésio (Ca 2+ e Mg 2+ ), principalmente os sulfatos (SO 2-4 ), carbonatos (CO 2-3 ) e bicarbonatos (HCO - 3 ). Sílica solúvel (SiO 2 ) e silicatos (SiO 2-3 ) associados a vários cátions. Óxidos metálicos (principalmente de ferro), originados de processos corrosivos. Diversas outras substâncias inorgânicas dissolvidas. Material orgânico, óleos, graxas, açúcares, material de processo, contaminantes de condensados, etc. Gases, como oxigênio, gás carbônico, amônia, óxidos de nitrogênio e enxofre. Materiais em suspensão, como areia, argila, lodo, etc. Para evitar que todas essas impurezas adentrem ao sistema gerador de vapor, deve-se proceder a um tratamento preliminar na água de reposição da 21

caldeira. Além disso, o uso de condensados como parte da alimentação também é recomendado e será discutido no item seguinte. 3.1.2 - Retorno de Condensado O condensado é uma água originada da condensação de um vapor, ou seja, passagem do estado gasoso para o líquido. Justamente pelo fato de o vapor não levar consigo o material dissolvido quando é produzido (exceto quando há arraste), o condensado é uma água de altíssima pureza, praticamente isento de sais e materiais dissolvidos. Além disso, encontra-se em uma temperatura elevada, o que aumenta a eficiência do sistema gerador de vapor e contribui para um menor consumo de combustível. Devido a essas enormes vantagens, a recomendação é que seja feito todo esforço para utilização da maior quantidade possível de condensados como alimentação das caldeiras. Pode-se inclusive utilizar condensados de outras fontes, tais como originados de evaporadores e outros equipamentos, desde que não estejam contaminados. É justamente a contaminação do condensado que causa o maior inconveniente no seu reuso. Muitos equipamentos de troca de calor podem permitir o vazamento do material de processo para a linha de condensado, contaminando a caldeira. Além disso, a ocorrência de arrastes de material em condensados originados de evaporadores (tais como nas operações de concentração de caldo p/ produção de açúcar ou de suco de laranja) também ocasiona a contaminação. Para evitar este inconveniente e ter sucesso no reuso do condensado, é recomendado um controle eficiente e assíduo da qualidade dos mesmos, desviando-os da alimentação da caldeira ao primeiro sinal de contaminação. Um dos métodos mais usados para o monitoramento da qualidade dos condensados é através da instalação de condutivímetros na linha de retorno dos mesmos. Pelo fato de possuir baixíssima concentração de sais, a condutividade elétrica do condensado é baixa e, qualquer contaminação 22

provocará um aumento na condutividade, cuja medida serve para informar a contaminação. Além da possível contaminação, um outro problema está associado ao uso dos condensados na alimentação da caldeira: a corrosão nas linhas e equipamentos. No capítulo 7 este assunto será abordado com mais detalhes. 23

4 - TRATAMENTOS PRELIMINARES DA ÁGUA São procedimentos recomendados para execução na água de reposição das caldeiras, visando retirar as impurezas e evitar as conseqüências de sua presença. O tratamento preliminar atua primeiramente sobre as impurezas mais grosseiras, tais como turbidez, sólidos em suspensão e material orgânico. Depois, dependendo da necessidade, são feitos tratamentos mais sofisticados para eliminação do material dissolvido. Apesar do toda tecnologia disponível, muitos usuários de caldeiras não fazem pré-tratamento de água, o que é extremamente desaconselhável e dificulta enormemente o trabalho do tratamento químico interno (quando é feito). Não é raro encontrarmos caldeiras alimentadas com água bruta, diretamente de fontes como rios, represas e poços. Um tratamento preliminar que também deve ser executado é a remoção de oxigênio e outros gases dissolvidos na água, através de uma desaeração. Este fato será abordado mais adiante, no capítulo referente à corrosão. Prosseguindo, os métodos mais empregados para tratamento preliminar da água são: 4.1 - CLARIFICAÇÃO/ FILTRAÇÃO Operação realizada normalmente em uma estação de tratamento de água (ETA), responsável pela eliminação de material suspenso na água. A clarificação é feita por um processo de coagulação / floculação 4 das impurezas, mediante a adição de um ou mais produtos específicos (tais como o sulfato de alumínio, cloreto férrico, polímeros de acrilamida, policloretos de alumínio 4 Consideramos o conceito de coagulação como sendo a neutralização das cargas elétricas das partículas presentes na água. A floculação é o aglutinamento dessas partículas, formando um floco grande o suficiente para ser removido por decantação (ou flotação). Um mesmo produto pode fazer a função de floculante e coagulante. 24

(PACs), taninos modificados, etc.). O produto aglutina as impurezas da água através de interações eletrostáticas e promove a formação de flocos, maiores e mais densos que se sedimentam e são eliminados (vide figura). A água clarificada é então submetida a uma filtração, normalmente em leito de areia, através dos filtros que operam por gravidade ou pressão. Ao término deste processo a água é submetida aos tratamentos complementares, quando for o caso. Eventualmente, pode-se fazer uma desinfecção da água antes, durante e/ou após o processo de clarificação/ filtração, tarefa comumente efetuada por uma cloração. FIGURA 09: REPRESENTAÇÃO DAS ETAPAS DE CLARIFICAÇÃO DA ÁGUA 4.2 - PROCESSOS DE TROCA IÔNICA É um tratamento complementar que visa a remoção dos íons dissolvidos na água causadores de problemas, tais como cálcio, magnésio, sílica, etc. Este processo faz uso das chamadas resinas de troca iônica, que são pequenas esferas porosas de material plástico em cuja superfície estão ligados os íons que serão usados na troca. Assim, existem dois tipos básicos de resina: as catiônicas, que trocam íons positivos (tais como Ca 2+, Mg 2+, Na 2+, H +, Ba 2+, etc.) e as aniônicas, que trocam íons negativos (Cl-, OH-, SiO 3 2-,...). 25

O processo consiste em fazer a água a ser tratada passar por um ou mais leitos dessas resinas, as quais retém os íons de interesse. Chegará um momento em que o leito estará saturado e deverá ser regenerado adequadamente. Deve haver um rígido controle na qualidade da água antes de passar pelos vasos de troca iônica. Residuais de cloro livre, íons de ferro, sólidos suspensos, óleos e graxas são os maiores inimigos desta classe de resinas. Como desvantagem, o processo de troca iônica tem um fixo relativamente elevado (principalmente o custo das resinas) e a necessidade do uso e manuseio de produtos químicos perigosos (ácidos e soda cáustica) para regeneração dos leitos. Dependendo da finalidade a que se propõem, os processos de troca iônica para água são: 4.2.1 - Abrandamento Consiste na remoção de cálcio e magnésio da água. Faz uso de resinas que trocam íons sódio (Na + ) ou hidrogênio (H + ). Após saturação do leito, a regeneração é feita com cloreto de sódio ou ácido clorídrico (as vezes sulfúrico). Um esquema do processo de abrandamento é mostrado na figura a seguir: 26

FIGURA 10: ILUSTRAÇÃO DE UM PROCESSO DE ABRANDAMENTO POR TROCA IÔNICA (CICLO HIDROGÊNIO). 4.2.2 - Desmineralização Trata-se de um processo completo, removendo os íons positivos e negativos da água e deixando-a praticamente isenta de materiais dissolvidos. Consiste em fazer a água passar por um abrandador operando com resina de ciclo hidrogênio e, após, passar por um leito de resina aniônica, que troca íons hidroxila (OH - ), conforme no esquema a seguir. Este procedimento é capaz de remover a sílica e silicatos solúveis, além de carbonatos, sulfatos e até cloretos. Após saturação do leito, normalmente é feita regeneração com soda cáustica (NaOH). Eventualmente, após o leito aniônico, a água poderá ainda passar por um leito misto de resinas, garantindo maior pureza da mesma. É também comum a passagem da água por uma coluna de descarbonatação logo após o abrandamento, fazendo a retirada do CO 2 porventura dissolvido na água. 27

FIGURA 11: PRINCÍPIO DE FUNCINAMENTO DE UMA RESINA ANIÔNICA. FIGURA 12: CONJUNTO DE VASOS DE UM SISTEMA DE DESMINERALIZAÇÃO DE ÁGUA PARA CALDEIRA. 28

4.3 - PROCESSO DE OSMOSE REVERSA Consiste em fazer a água previamente filtrada passar por dispositivo normalmente cilíndrico denominado permeador, onde os sais presentes na água são retidos por membranas seletivas especialmente fabricadas. A água pura é eliminada radialmente pelo permeador, enquanto que a parcela de água não permeada é descartada a uma concentração mais elevada de sais. Este fato constitui uma das desvantagens do sistema, além do alto custo e da necessidade de se operar com vários permeadores em paralelo para obtenção de uma vazão razoável. FIGURA 13: ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DE UM SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUA POR OSMOSE REVERSA. 4.4 - OUTROS PROCESSOS DE ABRANDAMENTO A água também pode ser abrandada (remoção de Ca 2+ e Mg 2+ ) embora não totalmente, por outros processos químicos através de tratamento com cal, cal e soda (também chamado cal sodada ), barrilha (Na 2 CO 3 ) ou fosfatos; alguns deles são também capazes de remover parte da sílica dissolvida na água. Estes processos são usados quando a dureza da água é excessivamente elevada e não se encontra nenhuma outra fonte de água de melhor qualidade. 29

Maiores detalhes podem ser vistos na literatura especializada, entre elas MAGUIRE (1980) e KEMMER (1988) 4.5 - DESTILAÇÃO Consiste em vaporizar a água e condensá-la em seguida para produção de água pura e, assim, alimentar a caldeira. Devido ao alto custo operacional, este processo somente é empregado em locais com elevada disponibilidade de energia (combustível barato ou abundante) e em instalações marítimas 5, para utilização da água do mar. 5 Ver detalhes em DREW (1984) 30

5 - OBJETIVOS DO TRATAMENTO DE ÁGUA DAS CALDEIRAS O tratamento químico interno de água das caldeiras e também as operações de tratamento preliminar visam atender os seguintes objetivos: Evitar a formação de incrustações Evitar os processos corrosivos Eliminar as ocorrências de arrastes de água seguintes. Cada um destes itens será comentado detalhadamente nos capítulos 31

6 - PREVENÇÃO DAS INCRUSTAÇÕES Neste capítulo serão mostradas as origens, conseqüências e formas de se evitar e corrigir este grande problema encontrado nos geradores de vapor. 6.1 - INCRUSTAÇÃO CAUSAS E CONSEQÜÊNCIAS A água encontrada na natureza nunca é pura, apresentando uma vasta gama de substâncias dissolvidas. Muitas destas substâncias são sais e óxidos apresentando solubilidades diferentes e influenciadas basicamente pela temperatura, concentração e ph. Com a vaporização de água na caldeira, há um aumento na concentração das substâncias dissolvidas que permaneceram na fase líquida. Se forem ultrapassados os limites de solubilidade destas substâncias, as mesmas podem se precipitar de forma aderente nas superfícies de troca térmica (tubos do feixe de convecção, tubos de parede d água, tubo da fornalha, tubulões, etc.) constituindo as incrustações. Outras substâncias também podem se incrustar ou depositar na caldeira, tais como produtos de corrosão na seção pré e pós-caldeira, sólidos em suspensão, material orgânico advindo de contaminações e produtos insolúveis originados de reações químicas na água (incluindo excesso de condicionamento químico). produtos para Normalmente esta precipitação ocorre sob a forma de cristais bem ordenados, capazes de se fixarem firmemente às superfícies internas da caldeira. A ordenação existente na estrutura cristalina permite um rápido desenvolvimento da incrustação, aumentando a intensidade e o risco dos problemas associados. são: As principais conseqüências da presença de incrustações em caldeiras 32

Diminuição das taxas de troca térmica na caldeira, devido ao efeito isolante que a incrustação proporciona ao fluxo de calor (tem baixa condutividade térmica). Aumento do consumo de combustível, decorrente do item anterior. Diminuição da produção de vapor, também decorrente do primeiro item. Devido à restrição ao fluxo de calor, a presença de incrustações pode causar superaquecimento de um tubo e sua ruptura, parando a funcionamento do equipamento e podendo até causar acidentes fatais. Obstrução de tubos, válvulas, descargas e coletores da caldeira, comprometendo o fluxo de água e acentuando ainda mais a formação das incrustações. Possibilidade de ruptura de tubos, carcaça e danificação na estrutura da caldeira, comprometendo sua integridade e podendo até inutilizar o equipamento. Incrustações em instrumentos e dispositivos de controle (pressostatos, visores e controles de nível, etc.) podem comprometer o funcionamento adequado e seguro do equipamento, aumentando o risco de acidentes. Aumento dos processos corrosivos que ocorrem sob os depósitos/ incrustações. Para a remoção de incrustações já consolidadas, despende-se um grande esforço, muitas vezes através de limpezas químicas (normalmente com soluções de álcalis e/ou ácidos apropriados, devidamente inibidos) ou limpezas mecânicas de grande intensidade, tais como hidrojateamento a altas pressões, marteletes, impactos diretos com ferramentas, etc. Os principais responsáveis pela formação de incrustações em caldeiras são: Sais de cálcio e magnésio (dureza), principalmente o carbonato de cálcio (CaCO 3 ) e o sulfato de cálcio (CaSO 4 ). 33