Engº Arno Rothbarth
Nos dias atuais, e cada vez mais, há uma preocupação com a produção e principalmente demanda de energia elétrica no mundo. No Brasil não poderia ser diferente e é muito importante a avaliação da demanda energética do “parque industrial” onde o cosumo de energia é intensivo. Desde a década de noventa, é permitivo aos autoprodutores de energia elétrica comercializar o excedente de energia gerada na planta industrial. É fato marcante nas indústrias de celulose e nas usinas de açúcar e álcool que investiram em caldeiras e turbinas de maior potência para a cogeração de energia.
Com o aumento da potência das caldeiras e turbinas, investimentos devem ser ampliados no tratamento de água para ajustar as exigências de pureza do vapor enviado para os turbogeradores. Entretanto, tem haviado uma incidência muito maior do que o esperado de depósitos de sais em turbinas, atingindo palhetas, eixo e carcaça.
A água de alimentação de caldeira
Há muito tempo os sistemas de tratamento secundário de água para caldeira são exigidos para produzir uma água de alta qualidade, isto é, pureza mineral e orgânica. Matéria orgânica, cátions e ânions são “sequestrados” através de carvão ativado, zeólitos, resinas ou membranas, por processos de adsorção, filtração, troca iônica, etc. Ainda assim, ocorrem fugas dos sistemas de tratamento de água, que não permitem ou dificultam a obtenção de água 100% isenta de impurezas, ou seja, água formada apenas por Hidrogênio e Oxigênio [H2O].
A qualidade exigida para a água de caldeiras de média e alta pressão tem sido mais rigorosa quando é transformada em vapor para ser utilizada em turbinas, em processos termoelétricos e de cogeração. O teor de sílica deve ser o mais baixo possível – abaixo de 30 ppb (partes por bilhão) ou30 mg/m³.
Volatilização e arraste
Sabemos que a sílica é um mineral abundante na natureza e está dissolvido, em pequenas quantidades, em águas de rios, lagos e lençóis freáticos. Em tratamento de água a sílica é expressa em SiO2, na sua fórmula mais simples, e a partir daí várias reações ocorrem formando os silicatos que são os principais constituintes de incrustações por este mineral. Nas caldeiras geradoras de vapor a, sílica se mantém dissolvida parcialmente por conta da alcalinidade e da temperatura da água da caldeira.
Quando se fala em volatilização da sílica deve-se entender como uma pequena porção da sílica que se mantém solúvel na fase gasosa da água (vapor) em função da concentração da mesma na fase líquida. O silício, o elemento químico base da sílica, pertence ao grupo 4A da tabela periódica e possui número atômico 14 e massa atômica
28 que na natureza é encontrada em vários minerais como o quartzo, amestista, sílex, e outros. A sílica possui um ponto de fusão de 1400ºC e ponto de ebulição de 3265ºC, logo é impossível imaginar a sílica se volatilizando na água da caldeira que está entre 250 e 300ºC.
Nas caldeiras que utilizam o vapor para geração de energia elétrica em turbogeradores, superaquecem o vapor saturado em quase 45% acima da temperatura de saturação na pressão específica. Este vapor superaquecido, na faixa de 420 e 480ºC, é um solubilizante de pequena quantidade de sílica presente na água da caldeira. Portanto, a melhor maneira de evitar a solubilização ou volatilização da sílica é manter a concentração da mesma, mais baixa possível.
Tudo isto significa dizer que o aumento da pressão da caldeira favorece a solubilização da sílica e o arraste para as turbinas e periféricos do sistema de vapor e condensado. A temperatura tem uma relação direta com a densidade do vapor e com a solubilização da sílica. Como recomendação da literatura e de alguns institutos e associações de metalurgia, fabricantes de caldeiras e turbinas, o limite para a sílica na água da caldeira deveria ser 20 ppb e o pH desta mesma água em torno de 10,0 e 10,5.
O arraste de sílica pode ser diferenciado da volatilização, pois ocorre mecanicamente, quando uma porção de água (líquida) ultrapassa os ciclones separadores da fase líquido – gás, no interior do balão superior das caldeiras e atinge a turbina. As principais causas destes arrastes são:
1. Súbita elevação de carga (demanda) de vapor;
2. Descontrole do nível de água no balão da caldeira;
3. Redução repentina de uso do vapor (fechamento rápido de válvula);
4. Problemas de projeto da caldeira;
5. Instrumentação defeituosa no controle de temperatura e nível de água.
Há um outro ponto do processo onde poderá haver contaminação por sílica que é o atemperador, ou o fluido que controla a temperatura do vapor superaquecido, muitas vezes conhecido como dessuperaquecedor. Algumas caldeiras possuem um condensador do vapor saturado do balão da caldeira e este condensado é misturado ao vapor superaquecido para controlar a temperatura do mesmo. É mais um ponto que deve ser considerado – manter a sílica na água da caldeira, na concentração mais baixa possível para não contaminar o vapor superaquecido.
Formação de depósitos
O vapor superaquecido, ao atingir as palhetas da turbina, reduz sua energia cinética e portanto há uma queda de velocidade do mesmo durante a impulsão do eixo da turbina. É nesta hora que os depóstios acontecem. O vapor vai trocando energia e perde pressão e temperatura, saturando a “solução” de sílica, que então, adere à superfície dos elementos da turbina. Outro fator que afeta a deposição nas turbinas é a velocidade do vapor na medida em que este se expande na turbina e facilita a deposição. Estes depósitos são silicatos complexados com outros sais presentes na água e no vapor da caldeira: silicato de sódio, metassilicato de sódio, silicato de ferro e sódio, silicato de sódio e potássio, silicato de potásio e alumínio, etc.
Estes depósitos são responsáveis por perda de rendimento da turbina e causam desbalanceamento da mesma causando danos mecânicos ao equipamento.
Remoção dos depósitos
Quando a turbina é incrustada por alguns depósitos solúveis em água, é possível remover estes depósitos com água levemente aquecida, inundando o interior da turbina e acionando o eixo lentamente.
Quando os depósitos são insolúveis, como a maioria dos silicatos, a recomendação é solicitar a assistência técnica do fabricante da turbina, pois, via de regra, um jateamento com material levemente abrasivo será necessário ser aplicado para remoção dos depósitos.
Finalizando, a prevenção das incrustações são fundamentais para evitar danos às caldeiras, tubulações, e turbinas industriais.
Arno Rothbarth
Engenheiro químico e consultor. Diretor técnico da RTH Consultoria Técnica Ltda. Realiza Cursos “In Company” nas áreas de Tratamento de Água e Efluentes, Operação de Caldeiras e Cogeração de Energia.
Fonte:http://www.meiofiltrante.com.br
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