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LO QUE OCURRE EN EL INTERIOR DE LA CALDERA(Y EN EL RESTO DEL SISTEMA DE VAPOR)
Seminario sobre intercambio inico, agua y energa, 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 SA
Seminario sobre intercambio inico, Agua y Energa, Rosario, Septiembre 1990
Ing. Ricardo E. PAUER Gte. de Ingeniera
IntroduccinCuando el agua ingresa a unacaldera(generador de vapor), inevitablemente transportaslidos disueltos, slidos en suspensin y gases, en una magnitud que depende del
tratamiento al que haya sido sometida para su acondicionamiento.
Al ingresar elagua, esta recibe un aporte intensode calor, eleva su temperatura hastaalcanzar el punto de ebullicin, se evapora y sale de la caldera. El vapor, en condiciones
ideales, no contiene slidos. Por lo tanto los slidos contenidos en el agua que permanece
en la caldera resultan cada vez mas concentrados. A medida que el vapor sale, se agrega
igual cantidad de agua de alimentacin, con lo que ms slidos ingresan al sistema.
Si la caldera no se purga, es decir si no se extrae parte del agua donde los slidos se han
concentrado, estos continuarn aumentando su concentracin hasta que se superen sus
solubilidades y comiencen a "salir" de la solucin. Estos slidos en suspensin,
dependiendo de su naturaleza, precipitan y se depositan sobre las superficies de
calefaccin calientes (tubos) sufriendo transformaciones qumicas que los convierten en
incrustaciones; o simplemente incrementan los slidos en suspensin en el agua de la
caldera. Este incremento, junto a una mayor tendencia a formar espumas, contribuye a
aumentar el arrastre de agua por el vapor, lo que de alguna manera termina actuando
como purga.
Los problemas creados por los slidos en los sistemas de vapor son muchos, tales como
problemas de corrosin, erosin y desbalanceo de las turbinas, prdida de eficiencia, falla
de los tubos de la caldera y de los sobrecalentadores, etc.
Mediante la purga se puede mantener bajo control la concentracin de los slidos en elinterior de la caldera. Esta purga puede hacerse en forma continua o peridicamente, ya
que las calderas poseen un "recipiente" o "tanque" inferior donde los slidos
sedimentables tienden a concentrarse. En estos casos, purgas intermitentes de corta
duracin dan a veces mejor resultado.
La purga se regula para mantener la concentracin de slidos dentro de ciertos valores,
que dependen fundamentalmente de la presin de operacin y de la potencia de la caldera.
La figura 1 es una tabla que muestra los valores tradicionalmente recomendados por la
ABMA (American Boiler Manufacturer's Association). (Los ltimos dos renglones se han
extrado de otras referencias).
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Figura 1A.B.M.A. BOILER WATER LIMITSBoiler
pressureTotal Solids
"as is"Slica as
SiO2Total
AlkalinitySuspended
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 slica limits from 450 psig and up have been calculated to prevent volatilization of
Silica into the steam)
La figura 2 es otra tabla donde se indica que sustancias se hallan normalmente presentes
en el agua de alimentacin de las calderas, las que se agregan como parte del
tratamiento, y las que se forman en distintas transformaciones qumicas.
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Figura 2SOLIDOS PRESENTES EN EL AGUA DE LA CALDERA LUEGO DEL TRATAMIENTOSustancia Tipo de sustancia Presentes Agregados Formados
SO4Na2 SD X X
ClNa SD X
CO3Na2 SD X
NaOH SD X X
PO4Na3 SD X
SO3Na2 SD X
NO3Na SD X X
SiO2 SD , SS X XMat. Organica SD, SS X X
(PO4)2Ca3 SS X
CO3Ca SS X
Mg (OH)2 SS X
MgSiO3 SS X
Arena SS X
Aracilla SS X
Barro SS X
SD: Slidos disueltos; SS: Slidos en suspensin.
En la actualidad las calderas se construyen cada vez mas compactas, lo que implica la
utilizacin de una mayor potencia trmica por unidad de rea, y por lo tanto tubos mas
exigidos.
Por ello, los lmites actuales fijados por los fabricantes tienden a ser mas exigentes (mas
bajos).
El caudal de purga (o el valor promedio si es intermitente) referido al caudal de agua de
alimentacin nos da el porcentaje de purga. Ntese que el porcentaje de purga se refiere
al caudal
de alimentacin y no al de agua de reposicin.
Si dividimos 100 por el porcentaje de purga obtenemos los ciclos de concentracin, o sea
las veces que se han concentrado los slidos.
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 de
alimentacin. Cuando han salido 20 ton de vapor, ha entrado otro tanto de agua de
alimentacin. Los slidos contenidos en las 20 ton de agua son los que estaban en las 20
ton iniciales mas los que entraron con las otras 20 ton, es decir el doble. Esto se
denomina tener dos ciclos de concentracin. De la misma manera, cuando se han
producido 200 ton de vapor, se han producido 10 ciclos de concentracin, y los slidos
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contenidos en el agua inicial, si no se ha purgado nada, han aumentado su concentracin
tambin en un factor diez.
Tomemos como ejemplo una caldera trabajando a 50 Kg/Cm2 (750 psi). Segn la
informacin de la tabla queremos mantener una concentracin que no supere las 2000
ppm. Supongamos que el agua de alimentacin (retorno de condensado mas agua de
aporte, ambos ablandados) tiene 50 ppm de salinidad. El nmero de ciclos de
concentracin admisible resulta de: 2000/50=40; y el porcentaje de purga requerido es
de: 100/40=2.5%. Si la produccin de vapor es de aprox. 100 ton/h, el caudal de agua de
alimentacin debe ser: 100/(1-0.025)=102.56 ton/h, y la purga: .025 x 102.56=2.56
ton/h.
Si el retorno de condensado es del orden del 80%, con contenido de slidos despreciable
frente al del agua de aporte (ablandada), las 50 ppm supuestas provienen del 20% de agua
de aporte. Es decir que esta agua no debe tener mas de 50 x 100 / 20 = 250 ppm. En la
prctica debe tenerse en cuenta que los slidos aportados por el agua sufren
modificaciones por efecto de la temperatura.
Adems, otros slidos son agregados como parte del tratamiento interno que se utilice (la
figura 2 resume estos slidos).
Problemas particularesHaremos una resea rpida de los principales problemas derivados de cada sustancia o
impureza particular contenida en el agua de aporte.
Desde el punto de vista qumico se considera como impureza del agua a cualquier
sustancia que tenga por composicin qumica una frmula diferente de H2O. Estas
impurezas pueden provenir de contaminaciones o bien ser sustancias inherentes al
material utilizado en el almacenamiento del agua.
Las impurezas que normalmente se encuentran en el agua se presentan disueltas o en
suspensin. Dentro de las diversas impurezas podemos mencionar el calcio, magnesio,
bicarbonatos, carbonatos, slice, sodio, slidos disueltos y en suspensin, materia
orgnica, aceite, hierro, cobre, y gases disueltos.
La figura 3 es una tabla que muestra algunos de los problemas que son causados por la
presencia de concentraciones excesivas de algunas de estas impurezas en el agua.
Todos los gases disueltos en el agua de alimentacin pasan al vapor. El desaireador
trmico elimina normalmente los gases presentes en su totalidad. Generalmente se
agrega algo de hidrazina o bisulfito de sodio para eliminar cualquier traza de oxigeno. El
oxgeno es muy corrosivo en todo el sistema de vapor.
El CO2, si bien es totalmente eliminado por el desaireador trmico, puede formarse dentro
de 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 del
mismo para las caeras de acero al carbono.
FIigura 3PROBLEMAS CAUSADOS POR LAS DISTINTAS IMPUREZAS
IMPUREZA CORROSION FORMACION DEDEPOSITOS ARRASTRECalcio ---- X ----
Magnesio ---- X ----
Bicarbonato X X ----
Carbonato X X ----
Slice ---- X Volatilizacin
Slidos Disueltos ---- ---- X
Slidos en Suspensin ---- X X
Materia Orgnica ---- X X
Hierro ---- X ----
La figura 4 muestra los slidos habitualmente presentes en una caldera, y el efecto del
calor. Ntese que los bicarbonatos constituyen la alcalinidad del agua. Es muy raro que
los carbonatos estn presentes (pH>8.3). Sin embargo, como consecuencia de la
temperatura, se producen reacciones que precipitan CaCO3 e Mg(OH)2, y liberan CO2.
Tambin producen Na2CO3 e NaOH, ambos constituyentes de la alcalinidad del agua de la
caldera. Elevados tenores de alcalinidad producen severos problemas de corrosin.
Figura 4ACCION DE LOS SOLIDOS DISUELTOS INORGANICOS EN EL AGUA DE LA CALDERA
Tres cationes y tres aniones forman nueve sales posibles)
Ca(HCO3)2Mg(HCO3)2
NaHCO3
Estas sustancias sufren transformaciones por
accin del calor
(Se explican mas abajo)
CaSO4 Solubilidad limitada
MgSO4
Na2SO4CaCl2MgCl2NaCl
Solubles en el agua de la caldera
Reacciones debido al calor:
Ca(HCO3)2 -----> CaCO3 + CO2 + H2O
Mg(HCO3)2 -----> MgCO3 + CO2 + H2O
2 NaCO3H -----> CO3Na2 + CO2 + H2O
Reacciones posteriores debido al calor:
H2O + MgCO3 -----> Mg (OH)2 + CO2H2O + Na2CO3 -----> 2 NaOH + CO2
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Los slidos disueltos, al aumentar su concentracin, alcanzan sus solubilidades y pasan
a incrementar los slidos en suspensin. El exceso de slidos disueltos y en suspensin,
y la presencia de trazas de aceites o detergentes, es causa de formacin de espumas yarrastre de gotas en el vapor.
Los slidos en suspensin, y especialmente la dureza, tienden a provocar incrustaciones
sobre los tubos donde se depositan. Estos depsitos constituyen una capa de muy baja
conductividad trmica,
retardando la transferencia de calor desde la llama al agua. En otras palabras, para
transmitir la misma cantidad de calor por unidad de tiempo y de rea, desde la llama al
agua, la temperatura de la pared es cada vez mayor, lo que finalmente deriva en la rotura o
falla de los tubos.
Comparada con el acero de la caldera, la conductividad trmica de los
depsitosmineralesesmuy baja. Algunos valores de conductividad trmica, determinadosexperimentalmente, se muestran en la figura 5.
Figura 5MATERIAL TEMPERATURA( _C ) CONDUCTIVIDADTERMICA
Depsitos en calderas 65 9,1
Serpentita 20 7,0
Yeso 40 2,6
Oxido de hierro 200 4,1
Oxido de cobre 45 7,0
Hierro 100 413
(La conductividad trmica est expresada en BTU/SqFt.h.F.in)
Los efectos provocados por los depsitos en la transferencia de calor se muestran en la
figura 6.
La Slice en el agua de calderas se evapora parcialmente, existiendo un equilibrio entre
slice en el vapor y en el agua, que depende de la temperatura. La presencia de slice en el
vapor es la responsable de severos problemas de erosin en las lneas de vapor y en los
labes 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 cao sin depsitos (f1_, e = 3,4 mm)
3,4 mm
332 C
Cada en el tubo Dt = 32 C
300 C
Cada en la pelcula
Dt = 40 C
260 C
(~ Vapor de 600 #)
Pelcula
b) Cao con incrustaciones (f1_, e = 3,4 mm, espesor incrustacin = 0,024 = 0,61 mm)
3,4 mm
540 C
Cada en el tubo Dt = 37 C
503 C
Cada en el depsito
Dt = 201 C302 C
Cada en la pelcula
Dt = 42 C 260 C
(~ Vapor de 600 #)
Pelcula
Incrustacin
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A la temperatura mxima del tubo (540 C) y a la temperatura lmite permisible de
oxidacin para acero al carbono tipo SA 210, la conductividad estimada para la
incrustacin de sulfato de calcio (~0,024" de espesor) es de 10 BTU/h.Sqft.F/in.-La temperatura de ablandamiento del metal de los tubos de caldera es de alrededor de 482
C. Cuanto mas alta es la temperatura de operacin de la caldera, menos depsitos puede
tolerar.
La presencia de depsitos en una caldera puede traer uno o ms de los siguientes
problemas:
Sobrecalentamiento de los tubos con su consiguiente rotura.
Prdida de rendimiento trmico (mayor consumo de combustible).
Ataque custico.
Fragilidad por hidrgeno.
Performance ineficiente del aparato separador de vapor.
Restriccin del flujo de agua.
Mantenimiento mas frecuente y mas costoso.
Daos fsicos.
TratamientosPara evitar los problemas mencionados se recurre a una serie de tratamientos. Cuando
estos se efectan sobre el agua de alimentacin reciben el nombre de tratamientos
externos. Por el contrario, los tratamientos internos son aquellos efectuados
directamente sobre el agua de la caldera.
Daremos una descripcin rpida de los mismos.
Tratamientos externosEstos tratamientos se efectan sobre el agua de alimentacin, sobre el agua de aporte, y
sobre el retorno de condensado.
El agua de aporte es por lo menos ablandada, o mejor an desmineralizada. El
ablandamiento, efectuado con resinas de intercambio inico, no modifica el total de
slidos disueltos sino que solo reemplaza la dureza (Calcio y magnesio) por sodio. Es
utilizada en calderas de baja presin y con aguas no muy salinas. Cuando la presin de
operacin de la caldera aumenta, se impone la desmineralizacin parcial o total.
A medida que se perfeccionan los sistemas generadores de vapor, es decir a medida que
se aumenta la potencia especfica o tasa de evaporacin por unidad de rea de
calentamiento, los parmetros de calidad de agua de reposicin se tornan ms crticos, y
por lo tanto es necesario recurrir a un estudio detallado de las impurezas contenidas en el
agua, su remocin y la adopcin de un sistema de tratamiento de la misma.
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El condensado arrastra slidos en suspensin y disueltos como consecuencia de la
corrosin de las caeras y equipos, y de las prdidas hacia adentro en las zonas con vaco
(turbina y condensador). Si se utiliza vapor con mquinas alternativas, es posible quetambin tenga aceite.
Dado que el contenido de slidos del condensado es de solo algunas ppm, en calderas de
baja presin no es habitual contar con tratamiento de condensado, pero en calderas que
trabajan por encima de los 40 Kg/cm2 es mandatorio contar con tratamiento de
condensado. Como estos tratamientos tienen por objeto eliminar esas pocas ppm, se los
llama pulido de condensado.
La figura 7 muestra las exigencias habituales para hierro y cobre, dos contaminantes
aportados mayoritariamente por el condensado. El hierro proviene de las caeras de acero
al carbono, mientras que el cobre viene de las aleaciones utilizadas en los tubos de los
condensadores.
El agua de alimentacin (condensado ms agua de aporte) es desaireada (eliminacin de
CO2 y oxgeno) en un desaireador trmico que acta adems como precalentador.
Comnmente estos equipos garantizan un tenor de oxgeno residual inferior a 0.007 ppm
(0.005 ml/l).
Figura 7LIMITES MAXIMOS PARA HIERRO Y COBRE EN EL AGUA DE ALIMENTACIONPresin de trabajo(Kg/cm2) Lmite para hierro(ppm) Lmite para cobre(ppm)
< 21 0,1 0,04
21 a 42 0,05 0,01
42 a 49 0,025 0,005
49 a 56 0,015 0,005
56 a 105 0,001 0,001
> 105
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Figura 8CICLO DE VAPOR
Los fosfatos producen soda custica y los distintos tipos deben ser dosificados en las
proporciones exactas para alcanzar el pH requerido.
Las aminas voltiles tienden a formar una capa protectora hidrfoba sobre las paredes de
las caeras y sistemas de vapor, lo que tiende a aumentar el nivel de proteccin y
disminuye la corrosin.Con el amonaco pasa algo similar. Estos productos, al pasar al vapor son luego
incorporados al condensado alcalinizndolo, lo que disminuye sensiblemente las
posibilidades de corrosin en las lneas de conduccin de condensado. Otra ventaja es la
no presencia de slidos.
Para evitar las incrustaciones debidas a la dureza remanente o al hierro y cobre
incorporados a travs del condensado, se utilizan los fosfatos, que tienden a formar
precipitados que se mantienen finamente divididos y en suspensin, y que salen con la
purga.
Tambin se utilizan agentes quelantes que forman complejos que se mantienen ensolucin.
En resumen podemos decir que existen dos tipos de tratamiento:
Fosfatos: Permiten regular el pH dentro de la caldera y prevenir las incrustaciones. Se
trabaja con concentraciones del orden de las 50 ppm. El exceso se saca con la purga. No
se utilizan con presiones arriba de los 50 Kg/Cm2.
A.V.T.: Nombre derivado de la sigla: "All Volatile Treatment", consiste en utilizar amonaco e
hidrazina 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, supercrticas, se utiliza solamente este
sistema.
Originalmente las ventajas del AVT eran neutralizadas por el hecho de que el condensado
ligeramente alcalino (pH entre 8 y 9) era corrosivo para las aleaciones de cobre que se
utilizaban en los tubos de los condensadores. La aparicin de aleaciones de tipo inoxidable
para estos tubos, y el desarrollo de calderas de alta presin y un solo paso (one-through),
donde no resulta admisible la presencia de slidos en el agua de alimentacin, ha dado
impulso a la utilizacin de este sistema.
En calderas de un solo paso y supercrticas, el AVT es mandatorio. En calderas con domo,
el inconveniente que presenta frente al mtodo de los fosfatos es que estos ltimos en el
agua delacaldera actan como amortiguador de las posibles variaciones del pH inducidaspor la contaminacin del condensado por, por ejemplo, prdidas en el condensador. Esta
situacin se evita, sin embargo, disponiendo de equipos de pulido de condensado.
Las tablas de la figura 9 muestran la tolerancia de control de tratamiento qumico de
sistemas generadores de vapor sugeridas de acuerdo con resultados obtenidos de diversas
bibliografas y experiencias prcticas.
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Figura 9TOLERANCIA PARA CONTROL DEL AGUA DE CALDERASCONTROL DE TOLERANCIA
< 21 Kg/cm2 21 a 42 Kg/cm2 42 a 63
Kg/cm263 a 105
Kg/cm2FOSFATO 30 a 50 ppm (PO4) 20 a 40 ppm (PO4) Verificar lacurva
Verificar la
curvaALCALINIDAD 300 a 400 ppm(CO3Ca)
250 a 300 ppm
(CO3Ca)SULFITO 30 a 50 ppm(SO3)
20 a 40 ppm
(SO3)HIDRAZINAen agua dealimentacin
0,1 a 0,2 ppm
(N2H
4)
0,05 a 0,15 ppm
(N2H
4)
0,05 a
0,1 ppm
(N2H4)
0,05 a 0,1
ppm
(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
pHCONDENSADO8 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 ciclos
de concentracin del
agua de alimentacin
5 a 10 ppmdivididos por los ciclos de
concentracin del agua de
alimentacin