LO QUE OCURRE EN EL INTERIOR DE LA CALDERA(Y EN EL RESTO DEL SISTEMA DE VAPOR)

Seminario sobre intercambio iónico, agua y energía, Rosario, Septiembre 1990

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LO QUE OCURRE EN EL INTERIOR DE LA CALDERA(Y EN EL RESTO DEL SISTEMA DE VAPOR)

IDRECO SUDAMERICANA SASeminario sobre intercambio iónico, Agua y Energía, Rosario, Septiembre 1990Ing. Ricardo E. PAUER Gte. de Ingeniería

Introducción

Cuando el agua ingresa a una caldera (generador de vapor), inevitablemente transportasólidos disueltos, sólidos en suspensión y gases, en una magnitud que depende deltratamiento al que haya sido sometida para su acondicionamiento.

Al ingresar elagua, esta recibe un aporte intenso de calor, eleva su temperatura hastaalcanzar el punto de ebullición, se evapora y sale de la caldera. El vapor, en condicionesideales, no contiene sólidos. Por lo tanto los sólidos contenidos en el agua que permaneceen la caldera resultan cada vez mas concentrados. A medida que el vapor sale, se agregaigual cantidad de agua de alimentación, con lo que más sólidos ingresan al sistema.

Si la caldera no se purga, es decir si no se extrae parte del agua donde los sólidos se hanconcentrado, estos continuarán aumentando su concentración hasta que se superen sussolubilidades y comiencen a "salir" de la solución. Estos sólidos en suspensión,dependiendo de su naturaleza, precipitan y se depositan sobre las superficies decalefacción calientes (tubos) sufriendo transformaciones químicas que los convierten enincrustaciones; o simplemente incrementan los sólidos en suspensión en el agua de lacaldera. Este incremento, junto a una mayor tendencia a formar espumas, contribuye aaumentar el arrastre de agua por el vapor, lo que de alguna manera termina actuandocomo purga.

Los problemas creados por los sólidos en los sistemas de vapor son muchos, tales comoproblemas de corrosión, erosión y desbalanceo de las turbinas, pérdida de eficiencia, fallade los tubos de la caldera y de los sobrecalentadores, etc.

Mediante la purga se puede mantener bajo control la concentración de los sólidos en elinterior de la caldera. Esta purga puede hacerse en forma continua o periódicamente, yaque las calderas poseen un "recipiente" o "tanque" inferior donde los sólidossedimentables tienden a concentrarse. En estos casos, purgas intermitentes de cortaduración dan a veces mejor resultado.La purga se regula para mantener la concentración de sólidos dentro de ciertos valores,que dependen fundamentalmente de la presión de operación y de la potencia de la caldera.

La figura 1 es una tabla que muestra los valores tradicionalmente recomendados por laABMA (American Boiler Manufacturer's Association). (Los últimos dos renglones se hanextraído de otras referencias).

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Figura 1

A.B.M.A. BOILER WATER LIMITS

Boiler

pressure

Total Solids

"as is"

Sílica as

SiO2

Total

Alkalinity

Suspended

Solids

(psig) (ppm) (ppm) (ppm CO3Ca) (ppm)

0-300 3500 150 700 300

301-450 3000 90 600 250

451-600 2500 40 500 150

601-750 2000 30 400 100

751-900 1500 20 300 60

907-1000 1250 8 250 40

Conductivity / TDS

( S/Cm) / ppm

1001-1500 150 / 100 2 0 20

1501-2000 100 / 70 1 0 10

(All sílica limits from 450 psig and up have been calculated to prevent volatilization ofSilica into the steam)

La figura 2 es otra tabla donde se indica que sustancias se hallan normalmente presentesen el agua de alimentación de las calderas, las que se agregan como parte deltratamiento, y las que se forman en distintas transformaciones químicas.

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Figura 2

SOLIDOS PRESENTES EN EL AGUA DE LA CALDERA LUEGO DEL TRATAMIENTO

Sustancia Tipo de sustancia Presentes Agregados Formados

SO4Na2 SD X XClNa SD X

CO3Na2 SD XNaOH SD X X

PO4Na3 SD XSO3Na2 SD X

NO3Na SD X X

SiO2 SD , SS X XMat. Organica SD, SS X X

(PO4)2Ca3 SS XCO3Ca SS X

Mg (OH)2 SS XMgSiO3 SS XArena SS X

Aracilla SS XBarro SS X

SD: Sólidos disueltos; SS: Sólidos en suspensión.

En la actualidad las calderas se construyen cada vez mas compactas, lo que implica lautilización de una mayor potencia térmica por unidad de área, y por lo tanto tubos masexigidos.Por ello, los límites actuales fijados por los fabricantes tienden a ser mas exigentes (masbajos).

El caudal de purga (o el valor promedio si es intermitente) referido al caudal de agua dealimentación nos da el porcentaje de purga. Nótese que el porcentaje de purga se refiereal caudalde alimentación y no al de agua de reposición.

Si dividimos 100 por el porcentaje de purga obtenemos los ciclos de concentración, o sealas veces que se han concentrado los sólidos.

Supongamos una caldera de 100 ton/h, con un volumen de agua de 20 toneladas.Cargamos la caldera y evaporamos el agua, manteniendo el nivel con agua dealimentación. Cuando han salido 20 ton de vapor, ha entrado otro tanto de agua dealimentación. Los sólidos contenidos en las 20 ton de agua son los que estaban en las 20ton iniciales mas los que entraron con las otras 20 ton, es decir el doble. Esto sedenomina tener dos ciclos de concentración. De la misma manera, cuando se hanproducido 200 ton de vapor, se han producido 10 ciclos de concentración, y los sólidos

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contenidos en el agua inicial, si no se ha purgado nada, han aumentado su concentracióntambién en un factor diez.

Tomemos como ejemplo una caldera trabajando a 50 Kg/Cm2 (750 psi). Según lainformación de la tabla queremos mantener una concentración que no supere las 2000ppm. Supongamos que el agua de alimentación (retorno de condensado mas agua deaporte, ambos ablandados) tiene 50 ppm de salinidad. El número de ciclos deconcentración admisible resulta de: 2000/50=40; y el porcentaje de purga requerido esde: 100/40=2.5%. Si la producción de vapor es de aprox. 100 ton/h, el caudal de agua dealimentación debe ser: 100/(1-0.025)=102.56 ton/h, y la purga: .025 x 102.56=2.56ton/h.Si el retorno de condensado es del orden del 80%, con contenido de sólidos despreciablefrente al del agua de aporte (ablandada), las 50 ppm supuestas provienen del 20% de aguade aporte. Es decir que esta agua no debe tener mas de 50 x 100 / 20 = 250 ppm. En lapráctica debe tenerse en cuenta que los sólidos aportados por el agua sufrenmodificaciones por efecto de la temperatura.Además, otros sólidos son agregados como parte del tratamiento interno que se utilice (lafigura 2 resume estos sólidos).

Problemas particulares

Haremos una reseña rápida de los principales problemas derivados de cada sustancia oimpureza particular contenida en el agua de aporte.

Desde el punto de vista químico se considera como impureza del agua a cualquiersustancia que tenga por composición química una fórmula diferente de H2O. Estasimpurezas pueden provenir de contaminaciones o bien ser sustancias inherentes almaterial utilizado en el almacenamiento del agua.

Las impurezas que normalmente se encuentran en el agua se presentan disueltas o ensuspensión. Dentro de las diversas impurezas podemos mencionar el calcio, magnesio,bicarbonatos, carbonatos, sílice, sodio, sólidos disueltos y en suspensión, materiaorgánica, aceite, hierro, cobre, y gases disueltos.

La figura 3 es una tabla que muestra algunos de los problemas que son causados por lapresencia de concentraciones excesivas de algunas de estas impurezas en el agua.

Todos los gases disueltos en el agua de alimentación pasan al vapor. El desaireadortérmico elimina normalmente los gases presentes en su totalidad. Generalmente seagrega algo de hidrazina o bisulfito de sodio para eliminar cualquier traza de oxigeno. Eloxígeno es muy corrosivo en todo el sistema de vapor.

El CO2, si bien es totalmente eliminado por el desaireador térmico, puede formarse dentrode la caldera a partir de la alcalinidad (bicarbonatos). El CO2 es transportado por el vapor y

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se redisuelve en el condensado bajando su pH, con lo que aumenta la corrosividad delmismo para las cañerías de acero al carbono.

FIigura 3

PROBLEMAS CAUSADOS POR LAS DISTINTAS IMPUREZASIMPUREZA CORROSION FORMACION DE

DEPOSITOSARRASTRE

Calcio ---- X ----Magnesio ---- X ----

Bicarbonato X X ----Carbonato X X ----

Sílice ---- X VolatilizaciónSólidos Disueltos ---- ---- X

Sólidos en Suspensión ---- X XMateria Orgánica ---- X X

Hierro ---- X ----

La figura 4 muestra los sólidos habitualmente presentes en una caldera, y el efecto delcalor. Nótese que los bicarbonatos constituyen la alcalinidad del agua. Es muy raro quelos carbonatos estén presentes (pH>8.3). Sin embargo, como consecuencia de latemperatura, se producen reacciones que precipitan CaCO3 e Mg(OH)2, y liberan CO2.También producen Na2CO3 e NaOH, ambos constituyentes de la alcalinidad del agua de lacaldera. Elevados tenores de alcalinidad producen severos problemas de corrosión.

Figura 4

ACCION DE LOS SOLIDOS DISUELTOS INORGANICOS EN EL AGUA DE LA CALDERATres cationes y tres aniones forman nueve sales posibles)Ca(HCO3)2

Mg(HCO3)2

NaHCO3

Estas sustancias sufren transformaciones poracción del calor

(Se explican mas abajo)

CaSO4 Solubilidad limitadaMgSO4

Na2SO4

CaCl2MgCl2NaCl

Solubles en el agua de la caldera

Reacciones debido al calor:Ca(HCO3)2 -----> CaCO3 + CO2 + H2OMg(HCO3)2 -----> MgCO3 + CO2 + H2O2 NaCO3H -----> CO3Na2 + CO2 + H2OReacciones posteriores debido al calor:

H2O + MgCO3 -----> Mg (OH)2 + CO2

H2O + Na2CO3 -----> 2 NaOH + CO2

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Los sólidos disueltos, al aumentar su concentración, alcanzan sus solubilidades y pasana incrementar los sólidos en suspensión. El exceso de sólidos disueltos y en suspensión,y la presencia de trazas de aceites o detergentes, es causa de formación de espumas yarrastre de gotas en el vapor.

Los sólidos en suspensión, y especialmente la dureza, tienden a provocar incrustacionessobre los tubos donde se depositan. Estos depósitos constituyen una capa de muy bajaconductividad térmica,retardando la transferencia de calor desde la llama al agua. En otras palabras, paratransmitir la misma cantidad de calor por unidad de tiempo y de área, desde la llama alagua, la temperatura de la pared es cada vez mayor, lo que finalmente deriva en la rotura ofalla de los tubos.Comparada con el acero de la caldera, la conductividad térmica de losdepósitos minerales es muy baja. Algunos valores de conductividad térmica, determinadosexperimentalmente, se muestran en la figura 5.

Figura 5

MATERIAL TEMPERATURA( _C )

CONDUCTIVIDADTERMICA

Depósitos en calderas 65 9,1Serpentita 20 7,0

Yeso 40 2,6Oxido de hierro 200 4,1Oxido de cobre 45 7,0

Hierro 100 413

(La conductividad térmica está expresada en BTU/SqFt.h.ºF.in)

Los efectos provocados por los depósitos en la transferencia de calor se muestran en lafigura 6.

La Sílice en el agua de calderas se evapora parcialmente, existiendo un equilibrio entresílice en el vapor y en el agua, que depende de la temperatura. La presencia de sílice en elvapor es la responsable de severos problemas de erosión en las líneas de vapor y en losálabes de las turbinas, y del posterior desbalanceo del rotor.

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Figura 6EFECTOS CAUSADOS POR LOS DEPOSITOS EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR

(120.000 BTU/h.sqin ~ 4680 Kcal/h.cm2 )

a) Con caño sin depósitos (f1_”, e = 3,4 mm) 3,4 mm

332 ºC

Caída en el tubo Dt = 32 ºC 300 ºC

Caída en la película Dt = 40 ºC

260 ºC

(~ Vapor de 600 #)

Película

b) Caño con incrustaciones (f1_”, e = 3,4 mm, espesor incrustación = 0,024” = 0,61 mm)

3,4 mm

540 ºC

Caída en el tubo Dt = 37 ºC 503 ºC

Caída en el depósito Dt = 201 ºC

302 ºC

Caída en la película Dt = 42 ºC 260 ºC

(~ Vapor de 600 #)

PelículaIncrustación

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A la temperatura máxima del tubo (540 ºC) y a la temperatura límite permisible deoxidación para acero al carbono tipo SA 210, la conductividad estimada para laincrustación de sulfato de calcio (~0,024" de espesor) es de 10 BTU/h.Sqft.ºF/in.-La temperatura de ablandamiento del metal de los tubos de caldera es de alrededor de 482ºC. Cuanto mas alta es la temperatura de operación de la caldera, menos depósitos puedetolerar.La presencia de depósitos en una caldera puede traer uno o más de los siguientesproblemas:

Sobrecalentamiento de los tubos con su consiguiente rotura.Pérdida de rendimiento térmico (mayor consumo de combustible).Ataque cáustico.Fragilidad por hidrógeno.Performance ineficiente del aparato separador de vapor.Restricción del flujo de agua.Mantenimiento mas frecuente y mas costoso.Daños físicos.

Tratamientos

Para evitar los problemas mencionados se recurre a una serie de tratamientos. Cuandoestos se efectúan sobre el agua de alimentación reciben el nombre de tratamientosexternos. Por el contrario, los tratamientos internos son aquellos efectuadosdirectamente sobre el agua de la caldera.

Daremos una descripción rápida de los mismos.

Tratamientos externos

Estos tratamientos se efectúan sobre el agua de alimentación, sobre el agua de aporte, ysobre el retorno de condensado.

El agua de aporte es por lo menos ablandada, o mejor aún desmineralizada. Elablandamiento, efectuado con resinas de intercambio iónico, no modifica el total desólidos disueltos sino que solo reemplaza la dureza (Calcio y magnesio) por sodio. Esutilizada en calderas de baja presión y con aguas no muy salinas. Cuando la presión deoperación de la caldera aumenta, se impone la desmineralización parcial o total.A medida que se perfeccionan los sistemas generadores de vapor, es decir a medida quese aumenta la potencia específica o tasa de evaporación por unidad de área decalentamiento, los parámetros de calidad de agua de reposición se tornan más críticos, ypor lo tanto es necesario recurrir a un estudio detallado de las impurezas contenidas en elagua, su remoción y la adopción de un sistema de tratamiento de la misma.

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El condensado arrastra sólidos en suspensión y disueltos como consecuencia de lacorrosión de las cañerías y equipos, y de las pérdidas hacia adentro en las zonas con vacío(turbina y condensador). Si se utiliza vapor con máquinas alternativas, es posible quetambién tenga aceite.Dado que el contenido de sólidos del condensado es de solo algunas ppm, en calderas debaja presión no es habitual contar con tratamiento de condensado, pero en calderas quetrabajan por encima de los 40 Kg/cm2 es mandatorio contar con tratamiento decondensado. Como estos tratamientos tienen por objeto eliminar esas pocas ppm, se losllama pulido de condensado.

La figura 7 muestra las exigencias habituales para hierro y cobre, dos contaminantesaportados mayoritariamente por el condensado. El hierro proviene de las cañerías de aceroal carbono, mientras que el cobre viene de las aleaciones utilizadas en los tubos de loscondensadores.

El agua de alimentación (condensado más agua de aporte) es desaireada (eliminación deCO2 y oxígeno) en un desaireador térmico que actúa además como precalentador.Comúnmente estos equipos garantizan un tenor de oxígeno residual inferior a 0.007 ppm(0.005 ml/l).

Figura 7LIMITES MAXIMOS PARA HIERRO Y COBRE EN EL AGUA DE ALIMENTACION

Presión de trabajo(Kg/cm2)

Límite para hierro(ppm)

Límite para cobre(ppm)

< 21 0,1 0,0421 a 42 0,05 0,0142 a 49 0,025 0,00549 a 56 0,015 0,005

56 a 105 0,001 0,001> 105 <0,001 <0,001

La figura 8 muestra el ciclo de vapor e identifica los principales tratamientos externos.

Tratamientos internos

Con este nombre se denominan los agregados de algunas sustancias al agua dealimentación de calderas para tratar de minimizar los problemas mencionados.

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Figura 8CICLO DE VAPOR

Los fosfatos producen soda cáustica y los distintos tipos deben ser dosificados en lasproporciones exactas para alcanzar el pH requerido.Las aminas volátiles tienden a formar una capa protectora hidrófoba sobre las paredes delas cañerías y sistemas de vapor, lo que tiende a aumentar el nivel de protección ydisminuye la corrosión.Con el amoníaco pasa algo similar. Estos productos, al pasar al vapor son luegoincorporados al condensado alcalinizándolo, lo que disminuye sensiblemente lasposibilidades de corrosión en las líneas de conducción de condensado. Otra ventaja es lano presencia de sólidos.

Para evitar las incrustaciones debidas a la dureza remanente o al hierro y cobreincorporados a través del condensado, se utilizan los fosfatos, que tienden a formarprecipitados que se mantienen finamente divididos y en suspensión, y que salen con lapurga.

También se utilizan agentes quelantes que forman complejos que se mantienen ensolución.

En resumen podemos decir que existen dos tipos de tratamiento:

Fosfatos: Permiten regular el pH dentro de la caldera y prevenir las incrustaciones. Setrabaja con concentraciones del orden de las 50 ppm. El exceso se saca con la purga. Nose utilizan con presiones arriba de los 50 Kg/Cm2.

A.V.T.: Nombre derivado de la sigla: "All Volatile Treatment", consiste en utilizar amoníaco ehidrazina solamente, con concentraciones de 1 a 3 ppm. Alcaliniza el condensado. Por

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sobre 50 Kg/Cm2 y en calderas de un solo paso, supercríticas, se utiliza solamente estesistema.

Originalmente las ventajas del AVT eran neutralizadas por el hecho de que el condensadoligeramente alcalino (pH entre 8 y 9) era corrosivo para las aleaciones de cobre que seutilizaban en los tubos de los condensadores. La aparición de aleaciones de tipo inoxidablepara estos tubos, y el desarrollo de calderas de alta presión y un solo paso (one-through),donde no resulta admisible la presencia de sólidos en el agua de alimentación, ha dadoimpulso a la utilización de este sistema.

En calderas de un solo paso y supercríticas, el AVT es mandatorio. En calderas con domo,el inconveniente que presenta frente al método de los fosfatos es que estos últimos en elagua de la caldera actúan como amortiguador de las posibles variaciones del pH inducidaspor la contaminación del condensado por, por ejemplo, pérdidas en el condensador. Estasituación se evita, sin embargo, disponiendo de equipos de pulido de condensado.

Las tablas de la figura 9 muestran la tolerancia de control de tratamiento químico desistemas generadores de vapor sugeridas de acuerdo con resultados obtenidos de diversasbibliografías y experiencias prácticas.

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Figura 9TOLERANCIA PARA CONTROL DEL AGUA DE CALDERAS

CONTROL DE TOLERANCIA< 21 Kg/cm2 21 a 42 Kg/cm2 42 a 63

Kg/cm263 a 105Kg/cm2

FOSFATO 30 a 50 ppm (PO4) 20 a 40 ppm (PO4) Verificar lacurva

Verificar lacurva

ALCALINIDAD 300 a 400 ppm(CO3Ca)

250 a 300 ppm(CO3Ca)

SULFITO 30 a 50 ppm(SO3)

20 a 40 ppm(SO3)

HIDRAZINAen agua dealimentación

0,1 a 0,2 ppm(N2H4)

0,05 a 0,15 ppm(N2H4)

0,05 a0,1 ppm(N2H4)

0,05 a 0,1ppm

(N2H4)

SILICE < 150 ppm(SiO2)

50 a 125 ppm max.(SiO2)

SOLIDOSDISUELTOS

< 3500 ppm < 2000 ppm

pH AGUA DEALIMENTACION

> 8,5 > 8,5 ~9 ~9

pHCONDENSADO

8 a 8,5 8 a 8,5 8,5 a 9 8,6 a 9,2

EXCESO DEQUELANTESen el agua decaldera

5 a 10 ppmdivididos por los ciclosde concentración delagua de alimentación

5 a 10 ppmdivididos por los ciclos deconcentración del agua de

alimentación