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SECCION IV TRATAMIENTO INTERNO
El propósito de la caldera y el sistema de distribución de vapor, es producir vapor, el cual se utilizará para diferentes procesos en cada planta en particular. La caldera es un recipiente cerrado en el cual, el calor producido al quemar combustible, transforma en vapor a presión. El vapor se forma cuando el agua se calienta a su temperatura de ebullición. El calor es producido al quemarse combustible, el cual puede ser algún derivado del petróleo, cascarilla de algún tipo de semilla, fibra, bagazo de caña, madera etc. El diseño de las calderas permite que por lo general el combustible se queme por completo y que una gran parte del calor producido se aproveche para calentar agua y producir el vapor. El sistema de distribución de vapor lo lleva a diferentes puntos de utilización y controlar la presión y temperatura que son necesarias en los procesos, antes de que se consuma la energía calórica y la consecuente disminución de temperatura y condensación de vapor. Debido a la “pureza” y temperatura del condensado, el mismo se debería aprovechar como agua de reposición a la caldera. GENERACION DE VAPOR: En la mayoría de los sistemas, y es lo deseable en todos los casos, el agua que esta en el desaereador es bombeada a la caldera. Una vez dentro de la caldera, el agua sigue un patrón de recirculación, que esta determinado por al diferencia de densidad del agua a diferentes temperaturas. Este fenómeno se conoce como circulación natural. Conforme el agua se va calentando, el vapor se desprende del agua en el domo de vapor en las calderas tubulares y en la porción superior en las calderas de tubos de fuego. Por lo general las calderas cuentan con algún tipo de arreglo interno que ayuda a separar el vapor de pequeñas gotas de agua que pueden llevar sólidos disueltos que se pueden depositar en diferentes áreas por las que pasa el vapor, provocando ensuciamiento y pérdida de eficiencia en equipos como turbinas. La calidad del vapor se determina de acuerdo con la mayor o menor presencia de gotas de agua. Entre menos agua haya, mejor es la calidad del vapor. Cuando el vapor lleva agua, se habla de “arrastre”. PURGA DE LA CALDERA: La purga de agua de la caldera consiste, en la expulsión de cierta cantidad de agua con una alta concentración de sólidos disueltos, con el propósito de mantener ciertos rangos previamente establecidos. De esta manera se garantiza que el riesgo de formación de incrustaciones, arrastre y otros problemas, se mantengan al mínimo. La purga manual intermitente básicamente se utiliza para expulsar sólidos en suspensión en forma de lodos, que se forman en mayor o menor cantidad dependiente de la cantidad de dureza que entra a la caldera. Cuando se presenta una contaminación en el agua de la caldera, es necesario aumentar la purga para eliminar el agua contaminada en el menor tiempo posible. PURGA DE FONDO: Dependiendo de la calidad de agua de alimentación de que se disponga, el parámetro limitante que determina el régimen de purga puede ser la alcalinidad, sílice, sólidos totales etc. La mayoría de los sistemas cuentan con un mecanismo de purga intermitente o de fondo se abre cada cierto tiempo, dependiendo de la calidad de agua que se utiliza, la frecuencia de la purga de fondo puede variar desde cada hora, hasta una cada ocho horas, y algunos sistemas trabajan con solo una purga cada 24 horas. Es conveniente tener en mente que para desalojar lodos de la caldea, resulta mas eficaz, un régimen de purgas cortas pero frecuentes, que una sola purga de larga duración. Cada fabricante de calderas hace sus recomendaciones con respecto a la operación de la válvula de purga de fondo, y por lo general lo recomendable es que se tengan a mano para consulta de todo el personal involucrado. PURGA CONTINUA: Como su nombre lo indica, esta purga es permanente mientras la caldera esta en operación. Consiste en el desalojo continuo de cierta cantidad de agua de la caldera, la cual contiene la mayor concentración de sólidos disueltos. Por lo general la válvula de control de la purga continua tiene una graduación que permite al operador darse cuenta de si esta purgando mucho o poco. Las variaciones que se hacen en la válvula, basadas en los análisis del agua de la caldera, deben ser pequeñas, de lo contrario se presentará una condición de altos y bajos con la consiguiente dificultad para mantener un balance químico adecuado. Existen mecanismos electrónicos que pueden automáticamente controlar la purga continua mediante un control continuo de conductividad. El sistema de purga continua ofrece la posibilidad de recuperar cierta cantidad de energía que puede ser empleada para calentamiento de algunos procesos por medio de un intercambiador de calor.
A pesar de todo el tratamiento externo, que en mayor o menor grado se hace el agua de alimentación de calderas, es requerimiento indispensable dar un tratamiento químico y un control estricto al agua de la caldera, a fin de evitar ciertos problemas potenciales que pueden provocar paros no programados y ocasionar grandes pérdidas a las plantas.
Las incrustaciones o depósitos, es la acumulación de materiales sobre las superficies internas de la caldera, que pueden interferir o retardar la transferencia de calor y/o restringir la circulación normal del agua. El efecto resultante será un recalentamiento del metal, pudiendo llegar a presentarse fallas catastròficas. Los contaminantes mas comúnmente culpables de la formación de depósitos en sistemas de baja presión son: el calcio y el magnesio. El hierro, cobre, sílice y aluminio, afectan mas seriamente conforme aumenta la presión de trabajo de los sistemas. Contaminaciones con aceite, y el lodo arrastrado por el agua en casos de plantas que usan directamente agua de río, con en algunos casos los principales responsables de la formación de depósitos. Muchos sólidos que son solubles en el agua de alimentación se precipitan, o sea, que se convierten en sólidos en suspensión en el agua de la caldera. Este fenómeno se produce a raíz de solubilidad inversa de algunas sales, las cuales se tornan menos solubles conforme aumenta la temperatura. En otros casos, la mayor concentración y cambios químicos que se realizan en el agua de la caldera, serán factor determinante para la precipitación. Tenemos por ejemplo la alcalinidad. Por lo general, en el agua de alimentación, la alcalinidad esta en la forma de bicarbonato. Dentro de la caldera, la alta temperatura provoca la conversión de bicarbonato a carbonato. Los carbonatos se combinan con el calcio para producir carbonato de calcio. Ca (HCO3) 2 calor CaCO3 + CO2 H2O Bicarbonato de Calcio Carbonato Bióxido de Agua De calcio carbono La precipitación, directamente sobre la superficie de los tubos, es lo que forma la incrustación. Generalmente las incrustaciones se forman en la áreas en que mayor daño pueden causar, esto es particularmente grave en las calderas acuatubulares, en donde el agua circula por el interior de los tubos. El mayor riesgo de incrustaciones existe en las áreas de mayor temperatura debido a una mayor propensión de las sales a precipitarse y depositarse en la pared de los tubos. La incrustación comienza a actuar como material aislante entre el metal y el agua que circula, la cual actúa como enfriante sobre la pared del tubo, de ahí viene el recalentamiento y posterior ruptura del metal. Los sólidos que no se precipitan directamente sobre los tubos, se mantienen en el agua como materiales en suspensión. Esto es lo que se conoce como lodos de caldera. Mucho de este material se irá a acumular sobre la incrustación formada en las áreas mas caliente, pero no tendrá la formación cristaloide de la incrustación. Mientras se siga un régimen de purga adecuada, los lodos se pueden extraer de la caldera de manera que no presenten un peligro grave para el sistema. Si la purga no se hace con la frecuencia requerida, los lodos comienzas a depositarse prácticamente sobre la superficie de la caldera y sobre todo en áreas de poca circulación. Los depósitos entonces, pueden adherirse muy tenazmente a la superficie del metal y convertirse en un material duro, muy difícil de despegar. El calor actúa cementando los depósitos. Esto es particularmente cierto en calderas a las que se les bota el agua cuando aún estàn calientes. Debido a este fenómeno, los depósitos de lodos pueden ser tan problemáticos de eliminar como las incrustaciones. Los depósitos de hierro con frecuencia se forman por el mismo mecanismo mencionado en relación con los lodos. El hierro entra a la caldera en forma de productos de corrosión proveniente de los sistemas de condensado sin ninguna protección contra la corrosión. En calderas sin ningún tratamiento, las incrustaciones pueden ser de carbonato de calcio, sulfato de calcio, etc. Otros contaminantes del agua se comportan en forma diferente, por ejemplo el magnesio tiende a combinarse con la sílice precipitàndose como silicato de magnesio, si no hay suficiente sílice, se combina con la alcalinidad como hidróxido de magnesio. En general, la forma de controlar la formación en el agua de la caldera, siendo de especial importancia para nosotros la sílice y el hierro. Con cierta frecuencia se presenta la formación de depósitos o incrustaciones en partes de equipo que están en contacto con el agua de alimentación antes de que llegue a la caldera. Así es que encontramos a veces depósitos en el desaereador, en bombas y tuberías, las cuales reducen la capacidad y aumentan el peligro de interrupciones no programadas. Los depósitos en áreas externas y anteriores a la caldera, pueden ser causados por uno o varios de los siguientes aspectos: sobresaturaciòn de carbonato de calcio presente en el agua, reacción entre la dureza del agua y productos químicos de tratamiento, la presencia de gran cantidad de hierro / o condensado contaminado con aceite, por ejemplo. Dos aspectos importantes tendientes a evitar este tipo de problemas son: un buen control de la dureza en el agua de alimentación y procurar que la dosificación del fosfato se haga directamente a la caldera o en línea de agua de alimentación, lo mas cerca de la caldera que las condiciones lo permitan.
En la caldera es posible encontrar diferentes tipos de procesos corrosivos. Cualquiera de ellos puede causar daños de consideración y costosas raparaciones. Los tipos mas comùnes son: Corrosión por oxigeno, corrosión ácida, corrosión cáustica y fragilidad cáustica del metal.
El oxigeno disuelto en el agua, se convierte en un elemento muy corrosivo, especialmente cuando el agua se calienta. Uno de los aspectos mas negativos es que la corrosión por oxigeno se presenta en forma de perforaciones profundas, porque no se requiere que haya habido una gran pérdida del metal para que se produzca una falla en un tubo. La severidad de la corrosión por oxigeno depende de la cantidad de oxigeno disuelto en el agua, del pH y de la temperatura. La desaereaciòn mecánica y química, ya han sido mencionadas en la sección de Tratamiento externo.
A pesar de que para un adecuado pH es importante operar en condiciones alcalinas, un exceso de iones hidròxilo (OH) particularmente en calderas que trabajan a alta presión, puede resultar en un ataque corrosivo. Este ataque es localizado y por lo general está favorecido por la formación de depósitos porosos, en los cuales se evapora el agua dejando una alta concentración cáustica. Sistemas de baja presión, no están expuestos a este tipo de corrosión.
La fragilidad cáustica del metal, también conocida como resquebrajamiento intercristalino del acero al carbón, es causada por una reacción corrosiva que se realiza siguiendo los bordes de los granos cristalinos dentro del metal. El ataque al metal por lo general no se detecta y la falla se presenta en forma repentina, a menudo con resultados catastròficos. El término “fragilidad cáustica” tiene su origen en el hecho de que las fallas ocurren en presencia de una solución cáustica muy concentrada y de que el metal falla como si sufriera una quebradura repentina sin que se pueda apreciar una deformación previa del metal. Para que se presente un problema de resquebrajamiento intercristalino, se requiere la conjugaciòn de tres factores independientes: 1) que exista un escape de vapor, el cual permita la concentración de agua de caldera en el punto de fuga. 2) ataque al metal por la concentración de soda cáustica originada por la concentración del agua de la caldera, la cual en ese caso en particular posee la característica muy especial de producir la fragilidad, 3) que el área del metal expuesta a la concentración, haya estado sometida a un esfuerzo de tensión. La fuga y subsecuente concentración de agua de caldera, puede presentarse en áreas donde los tubos de la caldera son cilindrados al domo. La expansión y contracción alternas del metal como resultados de los cambios de temperatura en la caldera, pueden propiciar la formación de pequeñas rendijas por las cuales el agua de la caldera puede escapar. Como se requieren tres factores para iniciar este proceso corrosivo, si eliminamos uno de ellos, se hará desaparecer el riesgo de dicho problema. Se ha comprobado que cuando una determinada agua tiene la característica propiedad de producir la fragilizaciòn cáustica, y la misma se mantiene con una cierta relación de nitrato/cáustica en el agua de la caldera, se elimina la propiedad fragilizadora. El inhibidor utilizado como parte del tratamiento continuo es Nitrato de Sodio y la relación NaNO3/NaOH en calderas que trabajan a menos de 250 libras de presión, debe ser de 0.20. ARRASTRE DE VAPOR: Por arrastres debemos entender el hecho de que algún contaminante esta siendo llevado por el vapor al salir este de la caldera. El contaminante mas común que encontraremos, son pequeñas gotas de agua, las cuales contienen sólidos en suspensión. Si el arrastre es muy severo y el vapor se utiliza para mover turbinas, se pueden presentar fallas por depositaciòn de sólidos en el equipo. La formación de espuma en el agua de la caldera y la vaporización selectiva de algunos contaminantes, son las causas mas comunes del arrastre. También puede ser provocado por causas enteramente mecánicas. La formación de espuma està ligada estrechamente con varios elementos en el agua de la caldera, siendo los principales los sólidos disueltos y la alcalinidad. No olvidemos entonces de tratar de mantener nuestro sistema dentro de los rangos establecidos. CONTROL DE CORROSION EN LINEAS DE VAPOR CONDENSADO: La corrosión en partes del sistema posteriores a la caldera, es muy común. La manifestaciòn mas patente de este problema es el aumento en costo de mantenimiento para reparar y reemplazar tubería y equipos en el sistema de vapor y condensado. Las fugas de vapor a través de picaduras producida por la corrosión en las tuberías, son también muy importantes por ejemplo, en un sistema de 200 libras de presión, un agujero de ¼ de pulgada de diàmetro provoca la perdida de alrededor de 500 libras de vapor por hora. Por último lo que menos se nota pero que es de mucha importancia es la creación de productos de corrosión, los cuales pueden crear un potencial para formar depósitos en la caldera, cuando los mismos son acarreados por el condensado que se recupera. Las causas mas comunes de la corrosión en estas áreas del sistema de generación de vapor son: 1) bajo pH producido por bióxido de carbono y ataque por oxigeno. La corrosión relacionada con el bióxido de carbono se encuentra casi exclusivamente en sistemas de condensado. El bióxido de carbono se forma dentro de la caldera como producto de la descomposición de los bicarbonatos y carbonatos presentes en el agua, de acuerdo con las siguientes reacciones: 1) 2HCO3 + calor CO3-2 + CO2 + H2O bicarbonato carbonato bióxido de agua carbono 2) CO3-2 + H2O + calor 2 OH CO2 carbonato agua hidroxilo bióxido de carbono En el condensado el bióxido de carbono se combina con agua para formar ácido carbónico. 3) CO2 + H2O H2CO3 bióxido de agua ácido carbónico carbono El ácido carbónico hace que el pH baje y se produzca la corrosión por bajo pH. Esta corrosión generalmente se presenta como un adelgazamiento general del metal. Por lo general las fallas se presentan en donde ya el metal es mas delgado, por ejemplo en las áreas de tubería que tienen rosca. En secciones horizontales de tubería es muy típico que se produzca el adelgazamiento del tubo en el área por donde corre el condensado. TRATAMIENTO QUIMICO DEL CONDENSADO: AMINAS NEUTRLIZANTES: Dado que el principal causante de la corrosión en las líneas de condensado es el ácido carbónico, la neutralización química de la acidez y consecuente aumento del pH del condensado, es una solución lógica para este problema. Además, como el producto neutralizante debe ser trasladado por el vapor hasta los diferentes puntos de condensación, este debe ser de naturaleza volátil. Por las razones anteriores, es que se utilizan aminas orgánicas conocidas como aminas neutralizantes, las cuales, dosificadas a la caldera, se volatilizan y son llevada por el vapor por todo el sistema. La cantidad de amina neutralizante a dosificar se controla por lo general por la determinación del pH del condensado, el cual, en la mayoría de los sistemas de baja presión, se trata de mantener entre 7.5 y 8.5 AMINAS FORMADORAS DE PELICULA: Las aminas fílmicas representan un medio eficaz para controlar la corrosión en las líneas de condensado. Estas actúan formando una delgada capa sobre la superficie del tubo que impide el contacto del condensado ácido con el metal. Al contrario de las aminas neutralizantes, estas no se deben dosificar a la caldera sino directamente a la tubería de vapor en forma independiente de los demás productos. Una técnica mas avanzada para prevenir la corrosión en estos sistemas, involucra la combinación de aminas neutralizantes y aminas fílmicas. |
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