Tratamento de Água para Caldeiras

Objetivos

• Prevenção de incrustações (inibidores de incrustações)

• Prevenção de corrosão (inibidores de corrosão)

• Prevenção de contaminação

Águas industriais

• Recebem a denominação de águas industriais aquelas utilizadas em plantas industriais para:

– Geração de vapor/energia– Refrigeração/resfriamento– Lavagens e outros usos diversos

A produção industrial de vapor é dominantemente constituída por um sistema fechado de 4 etapas.

Quando a água vaporiza na caldeira a expansão do vapor pressuriza o sistema.

O vapor sai da caldeira à custa da sua própria pressão e é transportado para os diferentes pontos/etapas do processo, e as propriedades do vapor vão-se alterando.

1. GERAÇÃOO calor produzido na combustão aquece a água da caldeira

2. DISTRIBUIÇÃOTransporte do vapor aos pontos de utilização

3. TRANSFERÊNCIA DE CALORO uso qualquer que seja, é uma transferência de calor. À medida que transfere energia produz-se água condensada – Retenção de Condensados.

4. RETORNO/RECIRCULAÇÃO DE CONDENSADOSPermite a reutilização parcial da energia térmica

4 etapas

2,068 kPa170 ºC

347 kPa148 ºC

Ciclo da Água

Tratamentos parageração de vapor

• Remoção de contaminantes de origem orgânica

• Remoção de contaminantes de origem inorgânica (sais de Ca2+, Mg2+, sílica e silicatos)

• Remoção de oxigênio

Tratamentos preliminaresda Água

São procedimentos visando retirar impurezas e evitar as consequências de sua presença.

O tratamento preliminar atua primeiramente sobre as impurezas mais grosseiras, tais como turbidez, sólidos em suspensão e material orgânico.

Posteriormente, são feitos tratamentos mais sofisticados para eliminação do material dissolvido.

Ciclo da Água

Captação

ETA floculação decantação

Água Industrial

Tanquede Água

Industrial

Usos diversos comoumidificação de estoques

Clora-ção

Tanquede Água

Processo

Consumo na usina

ETE lodo ativado

espessador

Estação Desmi

Geração de vapor

Uso de vapor

condensação

Estação reuso

Tanque de condensado

ETE compacta

Decloração

Impurezas encontradas na águaGeralmente, nas águas superficiais e subterrâneas que são usadas nos

processos industriais, encontramos as seguintes substâncias dissolvidas:

• Dureza, representada basicamente pelos íons cálcio e magnésio (Ca2+ e Mg2+), principalmente os sulfatos (SO4

2-), carbonatos (CO32-)

e bicarbonatos (HCO3-).

• Sílica solúvel (SiO2) e silicatos (SiO32-) 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.

Clarificação/Filtragem

Operação realizada em uma Estação de Tratamento de Água (ETA), responsável pela eliminação de material suspenso na água. – processo de coagulação / floculação das impurezas com a

adição de um ou mais produtos tais como sulfato de alumínio, cloreto férrico, polímeros de acrilamida e policloretos de alumínio - PACs (também chamados de polieletrólitos) e taninos modificados.

– O produto aglutina as impurezas da água por interações eletrostáticas e adsorção física e promove a formação de flocos que se sedimentam e são eliminados.

– A água clarificada é então submetida a filtração, normalmente em leito de areia, por meio dos filtros que operam por gravidade ou pressão.

Ao término deste processo a água pode ser submetida a tratamentos complementares como a desinfecção por cloração.

Clarificação/filtração

• Este método é bastante utilizado para combater incrustações de origem orgânica, tais como contaminações da água por materiais de processo (óleos, hidrocarbonetos, etc.), microrganismos e produtos originados de seu metabolismo (proteínas, lipídeos, polissacarídeos), lodos de maneira geral, material particulado etc.

Etapas de Clarificaçãoda Água

Representação das etapas de clarificação da água

Processos de Troca Iônica

Tratamento complementar que visa a remoção dos íons dissolvidos na água (cálcio, magnésio, sílica, etc). Faz uso das resinas de troca iônica que são pequenas esferas porosas de material plástico em cuja superfície estão ligados os íons que serão usados na troca.

Existem dois tipos básicos de resina: as catiônicas, que trocam íons positivos (tais como Ca2+, Mg2+, Na2+, H+, Ba2+) e as aniônicas, que trocam íons negativos (Cl-, OH-, SiO3

2-).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.

Abrandamento e desmineralização

Abrandamento

• Consiste na remoção de Ca2+ e Mg2+ da água. Faz uso de resinas que trocam íons sódio (Na+) ou hidrogênio (H+). Após saturação do leito, a regeneração é feita com NaCl ou HCl (as vezes H2SO4).

Desmineralização

• Processo completo, removendo íons positivos e negativos da água deixando-a praticamente isenta de materiais dissolvidos. Consiste em fazer a água passar por um abrandador operando com resina de ciclo H+

e, após, passar por um leito de resina aniônica, que troca íons OH-. Este procedimento remove sílica e silicatos solúveis, além de carbonatos, sulfatos e cloretos. Após saturação do leito, normalmente é feita regeneração com soda cáustica (NaOH).

ABRANDADORES

Processo de abrandamento•Remoção de cálcio e magnésio da água

•Uso de resinas de ciclo sódio ou hidrogênio

•Regeneração com cloreto de sódio ou ácido clorídrico

Processo de abrandamento por troca iônica (ciclo hidrogênio).

Desmineralização

Trata-se de um processo completo, removendo os íonspositivos e negativos da água e deixando-apraticamente isenta de materiais dissolvidos. Consisteem fazer a água passar por um abrandador operandocom resina de ciclo hidrogênio e, após, passar por umleito de resina aniônica, que troca íons hidroxila (OH-).

Este procedimento é capaz de remover a sílica e silicatossolúveis, além de carbonatos, sulfatos e até cloretos.Após saturação do leito, normalmente é feitaregeneração com soda cáustica (NaOH).

Desmineralização

Princípio de funcionamento de uma resina aniônica.

Desmineralizador

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.

Esquema de osmose reversa• Emprego de membranas desenvolvidas para esse fim

• Usadas em processos de dessalinização

Esquema de funcionamento de um sistema de tratamento de água porosmose reversa.

Esquema de osmose reversa• Emprego de membranas desenvolvidas para esse fim

• Usadas em processos de dessalinização

Outros processos de abrandamento

A água também pode ser abrandada, embora não totalmente, por processos químicos como tratamento com cal Ca(OH)2 e barrilha (Na2CO3) (também chamado “cal sodada”) ou fosfatos.

Estes processos são usados quando a dureza da água é excessivamente elevada e não se encontra nenhuma outra fonte de água de melhor qualidade.

DESTILAÇÃOConsiste em vaporizar a água e condensá-la em

seguida para produção de água pura. 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, para utilização da água do mar.

Desaeração

Um tratamento complementar que também deve ser executado é a remoção de oxigênio e outros gases dissolvidos na água, por meio de uma desaeração para evitar a corrosão da tubulação metálica dos equipamentos por onde a água circular.

CorrosãoA corrosão envolve reações de óxido-

redução. É um processo eletroquímico no qual o ânodo (onde ocorre oxidação –perda de elétrons), que é consumido, está separado por uma certa distância do cátodo, onde ocorre redução (ganho de elétrons).

CorrosãoO mecanismo básico para o processo de corrosão é:1. Na região anódica, átomos de ferro (Fe0) passam para o estado de

oxidação II, formando Fe 2+.

2. Devido a formação do Fe2+ , dois elétrons migram pelo metal para a área catódica.

3. Se houver oxigênio presente na água , o mesmo move-se para a área catódica e ingressa no circuito, usando os elétrons que migraram para o cátodo e formando íons (OH-) na superfície do metal.

4. Os íons OH- deslocam-se para a região anódica, onde reagem com os íons Fe2+ formando hidróxido ferroso, Fe(OH)2, que se deposita ao redor da área anódica. Esta etapa completa o ciclo básico do processo.

5. O Fe(OH)2 formado é instável e, na presença de oxigênio e/ ou íons OH-, forma-se hidróxido férrico Fe(OH)3.

6. O Fe(OH)3 tende a se decompor em Fe2O3, que é o óxido férrico, conhecido como ferrugem.

Corrosão

Quimicamente, as reações envolvidas são:Fe0 � Fe 2+ + 2e- (ânodo)½O2 + H2O + 2e- � 2(OH)-

(cátodo)Fe2+ + 2(OH)- � Fe(OH)2

2Fe(OH)2 + ½O2 + H2O �2Fe(OH)3

2Fe(OH)3 � Fe2O3 . 3H2O

Corrosão

• Representação de uma célula de corrosão clássica.

Remoção do oxigênio da água

Um dos meios mais simples e eficientes de se combater a corrosão elementar nas tubulações metálicas é pela remoção do oxigênio dissolvido na água.

Não havendo oxigênio, não há receptor para os elétrons provenientes do ferro e, assim, o ciclo não se completa. A remoção do oxigênio é feita de dois modos: mecanicamente e quimicamente.

Desaeração mecânica

Consiste em fazer a água passar por um equipamento chamado “desaerador” o qual, trabalhando em temperatura elevada promove uma grande área de contato para expulsão do ar dissolvido. Existem dois tipos básicos desse equipamento: o tipo spray e o tipo que contém bandejas. Alguns desaeradores, principalmente para caldeiras de alta pressão, podem trabalhar a vácuo, o que ajuda na remoção do oxigênio.

Desaeração

Desaeração química: sequestrantes de oxigênio

Na maioria das vezes o desaerador não consegue eliminar totalmente o oxigênio dissolvido na água.

Após o elemento desaerador, deve-se fazer a adição de um composto químico capaz de remover o oxigênio ainda presente na água.

Utilizam-se normalmente as seguintes substâncias:• Sulfito de Sódio• Hidrazina• (Dietilhidroxilamina), amina com características redutoras• Ácido Iso-ascórbico• Alguns sacarídeos (tais como glicose): usados em aplicações

específicas• Hidroquinona• Taninos• Aminoguanidinas• Hidrazidas e polímeros contendo este grupo funcional • (-CONHNH2)

Recuperação de Condensado

1 - MECÂNICOS – accionados por diferencial de massas volúmicas entre o vapor e a água: Uma bóia (4) determina a proporção adequada líquido vapor (1). A mistura é admitida por (3) e por acção do sistema mecânico da bóia (2) é accionado a descarga do condensado pelo dreno (5);2 - TERMOSTÁTICOS accionados por diferenciais de pressão/temperatura.3 - TERMODINÂMICOS accionados por diferenças de pressão volume.

SEPARADORES (ARMADILHAS) DE CONDENSADOS

PURGA DE CALDEIRAS = “BLOW -DOWN”

A purga de caldeiras é um passo importante dotratamento de águas de caldeiras e tem como objectivoreduzir as impurezas da água que é utilizada nacaldeira, quando existe recirculação.

Excesso de purga >>> desperdício de energia;Deficit de purgas >>> promove incrustações.

Não existem regras fixas, mas as taxas variam entre 1%e 25% da água de abastecimento da caldeira.

RECUPERAÇÃO DE CALOR DA PURGA DE CALDEIRA

A imagem acima mostra o Vapor Flash recuperado para o sistema de distribuiçãode vapor e as de descarga de condensado quente flui para um trocador de calor parapré-aquecer água de entrada para cima.

Neste sistema só a componente de vapor do blowdown é utilizada para pré-aquecimento a água de reposição da caldeira; o condensado é descartado, eventualmente depois de refrigerado com água fria para poder cumprir os limites de temperatura de descarga

RECUPERAÇÃO DE CALOR DA PURGA DE CALDEIRA

RECUPERAÇÃO DE CALOR DA PURGA DE CALDEIRA

O “flash steam” and “hot blowdown condensate” são utilizados para pré-aquecer a água ge make-up, pelo uso de um trocador de calor; necessitando que haja coincidência entre a entrada da água de make-up e a descarga da caldeira.

RECUPERAÇÃO DE CALOR DA PURGA DE CALDEIRA

Neste caso é adicionado um depósito de água fria que recirculano trocador de calor tornando desnecessário o sincronismo entre o blowdown e o make-up.

Estimating SavingsA poupança de energia resultante da recuperação de calor de descargas (purgas) de caldeira depende da capacidade da caldeira (kg de vapor por hora ), pressão, método e frequência das descargas e do custo do combustível. Descargas contínuas são via de regra 5 – 10% de capacidade.The blowdown BTU value varies with boiler steam pressure; the higher the boiler pressure the higher amount of higher value flash steam. Assume 25% flashes to steam and remainder is hot condensate for boilers under 300 psi.

The General Formulas:Average Boiler Capacity in pounds per hour of steam x 5% = Blowdown volume(Blowdown volume x 25% x 1,200 BTUs per Pound) + (Blowdown volume x 75% x 140 BTUs per Pound) = Total BTUs por hora no blowdown{[Total BTUs por hora no blowdown] x 90% Efficiency / (1,000,000 BTUs x Boiler Efficiency) } = Millions of BTUs per Hour RecoveredMMBTUs x $ per MCF = Hourly Savings

EXEMPLO: 50,000 lbs per hour boiler at 200 psi steam with continuous blowdown50,000 lbs per hour x 5% = 2,500 lbs per hour blowdown(2,500 x 25% x 1,200 BTUs) + (2,500 x 75% x 140 BTUs) = 1,012,500 BTUs per hour in Blowdown(1,012,500 x 90% Efficiency) / (1,000,000 x 85%) = 1.07 MMBTUs per hour1.07 x $7.00 per MCF = $7.50 per hour = $180 per day = $5,400 per month

NOTE: In some applications the amount of flash steam produced by the blowdown recovery can exceed the amount of steam needed by the deaerator. This can lead to excessive steam venting from the deaerator and reduce the overall saving potential of the recovery system.

NOTA

Como se verá muitas aplicações do vapor recuperadono flash, pelas purgas de caldeira, excedem aquantidade de vapor necessária ao sistemadesaerador.

Se isto acontecer haverá excesso de vapor que deveser libertado, ao nível do desaerador, reduzindo aeconomia de energia.

Boiler turndown is a ratio of capacity (massa de vapor produzida na unidade de tempo) at full fire to its lowest firing point before shut-down.

Old boilers may have only two firing positions, low and high.

If a 1 million BTU boiler can fire as low as 100,000 BTUs, then it has a 10:1 turndown ratio.

CALDEIRAEntrada de energiado combustível(100%)

Perdas por convecção Radiação (4%)

Perdas da emissão e gases na chaminé(18%)

Perdas no “blowdown”= descargas/purgas da caldeira “ (3%)

Saída de energia

Eficiência térmica da Caldeira 75 a 77%

Cerca de 5% da alimentação (combustível) de uma cal deira pode ser poupado pela instalação de um economizador

Emission Source Effect Green House Gas Potential Relative

to CO2

CO2 (Carbon dioxide)

Complete combustion of carbon in fuel

Global Warming 1

CO (Carbon Monoxide)

Incomplete combustion of carbon in fuel

Smog

SO2 (Sulphur Dioxide)

Combustion of sulphur in fuel (Sulphur is NOT a component of natural gas)

Smog, Acid Rain

NOx (Nitrous Oxide)

By-product of most combustion processes

Acid Rain

N2O (Nitrous Oxide)

By-product of some combustion processes

Global Warming 310

VOCs (Volatile Organic Compounds)

Leakage and evaporation of liquid fuels

Smog

CH4 (Methane) Natural Gas Leaks Global Warming 21

H2O (Water Vapor) Hydrogen in fuel mixing with oxygen in the combustion process

Localized Fog

Particulates (Dust, Soot, Fumes)

Unburned carbon from fuel, including ash and dirt

Smog, Respiratory Hazard

Trace Elements Impurities in fuel Unknown and Potential Carcinogens

Halogenated and Chlorinated Compounds

Compounds in fuel or combustion air containing halogens (Chlorine, fluorine, bromine and iodine)

Potential carcinogens, Global Warming

Desaerador�Remove gases não condensáveis da água dealimentação.�Promove-se o aquecimento da água de “makeup”(reconstituição/reposição)�Minimiza-se a solubilidade de gases nãocondensaáveis (ex. Oxigénio, CO2, ÑH3, etc.).�Pré aquece-se a água que irá ser utilizada(injectada) na caldeira.

Os desaeradores são instalados a cota elevada para criarem“carga” favorável ao funcionamento das bombas de água queabastecem a caldeira, contornando a possibilidade deocorrerem eventuais condições de cavitação.

LIMITAÇÕES – A água deve estar livre de impurezas que possamEntupir os aspersores ou colmatar os tabuleiros (depoósitos lododos).

TRATAMENTO DE ÁGUA DE ABASTECIMENTO DE CALDEIRAS >> REMOÇÃO

�Sais minerais (promovem incrustações) �Gases (corrosão)�Materiais particulados (abrasão)

Sais minerais que promovem incrustações:FERROCÁLCIOMAGNÉSIOSÍLICA

Quando se utilizam economizadores de energia deve utilizar-se um desaerador.

A corrosão por oxigénio (picadas) é a maior causa de falhas do economizador.

O economizador deve ser protegido por um supressor de oxigénio – sulfito de sódio adicionado a 3-10 ppm na água de alimentação, associando a uso de soda caustica até termos a água de alimentação com pH (8,0 – 9,0)

Abaixo de 900 psi (~62 atmosferas) não é perigoso o uso de excesso sulfito de sódio (até 200 ppm)

1psi = 6894,8 Pa

ESQUEMA DE UM SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUAABASTECIMENTO DE CALDEIRAS

Tratamento externo

TRATAMENTO EFECTUADO NOSISTEMA DE ABASTECIMENTODEÁGUA

Clarificação (remove sólidos, verylarge boiler systems)Filtração (remove sólidos)Amaciamento e Desmineralização(removes sais minerais)DealkalizationDesaeração and Heating (removesoxygen and other corrosive gases)

Tratamento Interno

Adição de correctivos químicos(controlo de pH, Remoção deOxigénio, outros)Purga (remove sólidos acumuladospor recirculação de água emebulição)

WATER CHEMICALS

OXYGEN SCAVENGERSSulfites - typically for boilers up to 800 psi; sulfites react with oxygen to form sulfates that are removed from the boiler via blowdown. There are two forms of sulfite: Catalyzed - uses a catalyst to improve reaction time; Non-catalyzed - slower reaction time and must be used in hot water

Hydrazine - typically for boilers over 800 psi. At pressure higher than 800 psi, sulfite begins to break down into acidic gases of sulfur. Sulfite also creates

additional Total Dissolved Solids (TDS) which is a problem for high pressure applications.

Hydrazine removes O2 without producing acidic gases or TDS, but is considered a possible carcinogen.

HYDROXIDESSodium Hydroxide - NaOH or Caustic Soda, or Soda Ash - used to maintain boiler water pH in the 10.0 - 11.5 range. Hydroxide increase boiler alkalinity to prevent acidic corrosion. If heavy scale is present, caustic soda can accumulate to cause Caustic Attack. Calcium-Hydroxide - reacts with calcium and magnesium bicarbonates to form sludge that is removed via blowdown.

PhosphatesPhosphate treatment causes calcium and magnesium to precipitate into sludge where it can be removed via blowdown .

Filming Amines Filming amines function by forming a protective barrier against both oxygen and carbon dioxide attack. These amines form films directly with the condensate line metal and develop a barrier to prevent contact of the corrosive condensate with the return piping. By design, film formers have been developed to function best at a pH of 5.5-7.5. In addition, these amines are highly surface-active and will slough loosely adherent iron oxide and other corrosion products back to receiving points or to the boiler. Care must be exercised with the feed of filming amines.

Combination Amines . Over the past several years, combinations of filming and neutralizing amines have been shown to be extremely effective, particularly in complex systems. While the combination amine is still functionally a filmer, the neutralizing amine portions provide for reduction in fouling potential and more uniform coverage of the filmer.Filming amines and combination amines are generally fed to steam headers. Dosages are based on steam production.

POLÍMEROSPolymers are long, complex molecules that attach to impurities and prevent them from sticking to boiler metal to form scale. This creates TDS that are removed via blowdown.

QUELANTESChelants can prevent scale from forming and over time, remove existing scale.Chelants in contact with 02 is corrosive.

It must therefore be used in an 02- free environment.

Neutralizing Amines Neutralizing amines hydrolyze in water to generate the necessary hydroxide ions required for neutralization of the carbon dioxide. The normal approach to treating systems with these amines is to feed sufficient quantity to neutralize the carbon dioxide and then provide small additional amounts to buffer the pH to 8.5 or 9.0. At this pH, continued preservation of the magnetite film (boiler metal) is also achieved. It is also implied that corrosion will not exist at a pH>8.0-8.5.

For example: consider a 500 hp boiler with a gas input of 20 million BTUs per Hour. 20,000,000 BTUs x 5% = 1,000,000 BTUs (100% Load Factor )1,000,000 BTUs / (1,200 BTUs per Gallon of 200F water) = 833 Gallons per Hour (1,000,000 BTUs / 80% efficiency) = ~1.2 MCF x $7.00 per MCF Natural Gas = $8.40 per Hour ValueSavings is reduced by 50% for a 50% Load Factor, etc.

If there is a need for that much hot water, the savings potential of $8.40 per hour would be multiplied by the number of boiler run hours, or the number of hours that the hot water can be used. In each application, be sure to consider the boiler Load Factor, the efficiency that the hot water is otherwise produced at, the cost of natural gas, and the installation cost of the equipment.If the economizer would be used to heat boiler make-up water, it is necessary to determine the volume and temperature at the inlet of the economizer. The lower the amount of condensate return, the higher the volume of make-up water and the higher savings potential.An economizer that recovers 5% of boiler input should easily have a 2 year payback in a year-round application.

FORNECIMENTO DE AR

Um dos cuidados necessários aofuncionamento de uma caldeira, paraevitarmos problemas sérios de combustão éestabelecer o suprimento de ar adequado.

1. AR DE COMBUSTÃO = (nº de HP*) x (8 CFM/HP) =nºHPx0.2265 m3/HP.

2. AR DE VENTILAÇÃO = (nº de HP*) x 2 CFM/

3. VOLUME TOTAL DE AR REQUERIDO =(nº de HP*) x 10 CFM/HP

*HP refere-se to the total de potência de caldeiras instaladas.ALERNATIVA – 4 a 6 square inches/HP (0,00064516 m2/ HP)

Ex. 75 Horsepower Boiler X 5 Square Inches1 HP= 735.4988 watts