O Tanque de Alimentação e o Condicionamento da Água de Alimentação

Todos os aspectos do projeto, construção e operação de tanques de alimentação e semi-desaeradores, incluindo cálculos.

A importância do tanque de alimentação da caldeira, onde a água de alimentação da caldeira e a água de reposição são armazenadas e na qual o condensado é retornado, é frequentemente subestimada. A maioria dos itens da planta na casa de caldeiras são duplicados, mas é raro ter dois tanques de alimentação e este item crucial é frequentemente o último a ser considerado no processo de projeto. O tanque de alimentação é o principal ponto de encontro da água de reposição fria e do retorno de condensado. É melhor se ambos, juntamente com o vapor flash do sistema de blowdown, fluírem através de tubos esguicho instalados bem abaixo da superfície da água no tanque de água de alimentação. Os tubos esguicho devem ser feitos de aço inoxidável e ser adequadamente suportados.

Temperatura de operação

É importante que a água no tanque de alimentação seja mantida em uma temperatura alta o suficiente para minimizar o teor de oxigênio dissolvido e outros gases. A correlação entre a temperatura da água e seu teor de oxigênio em um tanque de alimentação pode ser vista na Figura 3.11.1. Se uma alta proporção de água de reposição for usada, aquecer a água de alimentação pode reduzir substancialmente a quantidade de produtos químicos removedores de oxigênio necessários. Exemplo 3.11.1 Economias de custos associadas à redução do oxigênio dissolvido na água de alimentação por aquecimento. Base para cálculo:

A taxa de dosagem padrão para sulfito de sódio é 8 ppm por 1 ppm de oxigênio dissolvido.
É usual adicionar 4 ppm adicionais para manter uma reserva na caldeira.
O sulfito de sódio catalisado líquido típico contém apenas 45% de sulfito de sódio. Para o exemplo Cálculo 1 Cálculo 2 Economia anual Obviamente há um custo envolvido no aquecimento do tanque de alimentação, mas como a temperatura da água seria aumentada pela mesma quantidade dentro da caldeira, esta não é energia adicional, apenas a mesma energia usada em um lugar diferente. A única perda real é o calor extra perdido do próprio tanque de alimentação. Desde que o tanque de alimentação esteja devidamente isolado, essa perda de calor extra será quase insignificante. Uma economia adicional importante é a redução da quantidade de sulfito de sódio adicionada à água de alimentação da caldeira. Isso reduzirá a quantidade de blowdown de fundo necessário, e essa economia mais do que compensará a pequena perda adicional de calor do tanque de alimentação da caldeira. Para evitar danos à própria caldeira A caldeira sofre choque térmico quando a água fria é introduzida nas superfícies quentes da parede da caldeira e seus tubos. Água de alimentação mais quente significa uma menor diferença de temperatura e menos risco de choque térmico. Para manter a saída projetada Quanto menor a temperatura da água de alimentação da caldeira, mais calor é necessário na caldeira para produzir vapor. É importante manter a temperatura do tanque de alimentação o mais alta possível, para manter a saída necessária da caldeira.

Cavitação da bomba de alimentação da caldeira

Atenção: taxas muito altas de retorno de condensado (tipicamente acima de 80%) podem resultar em temperatura excessiva da água de alimentação, e cavitação na bomba de alimentação. Se a água próxima ao ponto de ebulição entrar em uma bomba, ela é suscetível a mudar para vapor na área de baixa pressão no olho do impulsor da bomba. Se isso acontecer, bolhas de vapor são formadas à medida que a pressão cai abaixo do vapor da água. Quando a pressão sobe novamente, essas bolhas colapsarão e a água fluirá para a cavidade resultante em uma velocidade muito alta. Isso é conhecido como ‘cavitação’; é barulhento e pode danificar seriamente a bomba. Para evitar esse problema, é essencial fornecer a melhor Altura Positiva Líquida de Sucção (NPSH) possível para a bomba para que a pressão estática seja o mais alta possível. Isso é grandemente auxiliado posicionando o tanque de alimentação o mais alto possível acima da caldeira, e dimensionando generosamente a tubulação de sucção para a bomba de alimentação (Figura 3.11.2).

Projeto do tanque de alimentação

O tanque de alimentação (Figura 3.11.3) pode influenciar a maneira como toda a casa de caldeiras opera de várias maneiras. Com um projeto cuidadoso do tanque de alimentação e sistemas associados, economias substanciais podem ser feitas em energia e produtos químicos de tratamento de água, juntamente com confiabilidade aumentada de operação. Enquanto tanques de alimentação cilíndricos, tanto verticais quanto horizontais, não são incomuns em outras partes do mundo, a forma retangular é a mais regularmente usada no Reino Unido. Isso normalmente oferece o volume máximo de armazenamento de água para a área de piso que ocupa. Materiais do tanque de alimentação:

Ferro fundido - Tanques de ferro fundido são geralmente montados a partir de seções retangulares: Problemas frequentemente surgem de vazamentos nas juntas das seções, e eles são propensos à corrosão.
Aço carbono - Provavelmente o material de construção mais comum para tanques de alimentação: Sem revestimento, é um material relativamente de baixo custo, mas é extremamente suscetível à corrosão. Essa fraqueza pode ser melhorada aplicando revestimentos adequados à superfície, mas o custo disso pode ser mais do que o custo do tanque, especialmente porque o revestimento também necessitará de manutenção regular.
Plástico - Este material geralmente não é adequado para tanques de alimentação devido ao alto custo de materiais capazes de suportar as temperaturas relativamente altas envolvidas. No entanto, o plástico é um material adequado para o tanque de água de reposição fria.
Aço inoxidável austenítico - A vida útil aumentada de um tanque de alimentação adequadamente feito neste material invariavelmente justificará o maior custo inicial. O tipo 304L é geralmente selecionado como o grau mais apropriado de aço inoxidável. Capacidade do tanque de alimentação O tanque de alimentação fornece uma reserva de água para cobrir a interrupção do suprimento de água de reposição. A prática tradicional é ter um tanque de alimentação com capacidade suficiente para permitir uma hora de geração de vapor na evaporação máxima da caldeira. Para plantas maiores isso pode ser impraticável e uma alternativa pode ser ter um tanque de alimentação ‘hotwell’ menor com armazenamento adicional de água tratada fria. Deve também ter capacidade suficiente acima de seu nível de trabalho normal para acomodar quaisquer surtos na taxa de retorno de condensado. Essa capacidade é referida como ‘ullage’. Uma alta taxa de retorno de condensado pode ocorrer na partida quando o condensado retido na planta e tubulação é subitamente retornado ao tanque, onde pode ser perdido pelo ralo através do transbordamento. Se isso ocorrer, pode ser sábio revisar o sistema de retorno de condensado, para controlar a taxa de retorno e evitar desperdício.

Construção do tanque de alimentação

As seguintes notas podem ser úteis no projeto de um tanque de alimentação:

Enrijecimento - O tanque deve ser totalmente soldado e é muito importante usar enrijecimento adequado para fortalecer os lados e o topo do tanque e fornecer suporte adequado para a base. A falha em fazer isso resultará em flexão excessiva e falha prematura.
Conexões de tubulação - Todas as conexões de tubulação com flange devem ter um afastamento de pelo menos 150 mm para facilitar o isolamento. Todas as conexões roscadas devem ter um afastamento de pelo menos 20 mm.
Olhais de elevação - É essencial instalar olhais de elevação para permitir instalação segura e fácil.

Tubulação do tanque de alimentação

Retorno de condensado Conforme o vapor é gerado, a água dentro da caldeira evapora e é substituída bombeando água de alimentação para dentro da caldeira. Conforme o vapor passa pelo sistema para os vários itens da planta de uso de vapor, ele muda de estado de volta para condensado, que é, essencialmente, água quente de muito boa qualidade. A menos que alguma contaminação seja provável (talvez devido ao processo), este condensado é água de alimentação ideal para a caldeira. Faz sentido econômico, portanto, retornar o máximo possível para reutilização. Na realidade, é quase impossível retornar todo o condensado; algum vapor pode ter sido injetado diretamente no processo para aplicações como umidificação e injeção de vapor, e geralmente haverá perdas de água da própria caldeira, por exemplo, via blowdown. A água de reposição (tratada quimicamente) deverá, portanto, ser introduzida no sistema para manter os níveis de trabalho corretos. O retorno de condensado representa enormes potenciais de economia de energia na casa de caldeiras. O condensado tem um alto conteúdo de calor e aproximadamente 1% menos combustível é necessário para cada aumento de 6°C na temperatura do tanque de alimentação. A Figura 3.11.5(a) mostra a formação de vapor a 10 bar g quando a caldeira é abastecida com água de alimentação fria a 10°C. A porção na parte inferior do diagrama representa a entalpia (42 kJ / kg) disponível na água de alimentação. Um adicional de 740 kJ / kg de energia térmica deve ser adicionado à água na caldeira antes que a temperatura de saturação a 10 bar g seja alcançada. A Figura 3.11.5(b) mostra novamente a formação de vapor a 10 bar g, mas desta vez a caldeira é alimentada com água de alimentação aquecida a 70°C retornando mais condensado. A entalpia aumentada contida na água de alimentação significa que a caldeira agora só precisa adicionar 489 kJ/kg de energia térmica para trazê-la à temperatura de saturação a 10 bar g. Isso representa uma economia de 9,2% na energia necessária para gerar vapor a esta mesma pressão. O condensado retornado é praticamente água pura e isso economiza não apenas nos custos de água, mas também nos produtos químicos de tratamento de água, o que reduz as perdas associadas ao blowdown. Se o condensado pressurizado estiver sendo retornado, então o vapor flash será liberado no tanque de alimentação. Esse vapor flash precisa ser condensado para garantir que tanto o calor quanto o conteúdo de água sejam recuperados. O método tradicional de fazer isso tem sido introduzi-lo no tanque de alimentação através de tubos esguicho, mas um método mais moderno e eficaz é usar uma cabeça de desaerador de condensação de vapor flash onde a reposição fria, o retorno de condensado e o vapor flash são misturados (ver Figura 3.11.6). Vapor flash de sistemas de recuperação de calor Um sistema de recuperação de calor pode, por exemplo, recuperar vapor flash do blowdown da caldeira. É outra oportunidade para usar calor recuperado para elevar a temperatura do tanque de alimentação e assim economizar combustível. Assim como com o condensado pressurizado, o vapor flash precisa ser condensado. Tradicionalmente, isso era alcançado usando tubos esguicho, mas um método moderno e muito mais eficaz é a cabeça de desaerador de condensação de vapor flash. Água de reposição Esta é a água fria da estação de tratamento de água que repõe quaisquer perdas no sistema. Muitas estações de tratamento de água precisam de um fluxo substancial através delas para alcançar o desempenho ideal. Um fluxo ‘gotas’ resultante de um controle modulante no tanque de alimentação pode, por exemplo, ter um efeito adverso no desempenho de um amaciante. Por essa razão, um pequeno tanque de reposição fria de plástico ou aço galvanizado é frequentemente instalado. O fluxo do amaciante é controlado ‘liga/desliga’ no tanque de reposição. De lá, uma válvula modulante controla seu fluxo para o tanque de alimentação. Este tipo de instalação leva a uma operação mais ‘suave’ da planta de caldeiras. Para evitar que a água de reposição relativamente fria afunde diretamente no fundo do tanque (onde será puxada diretamente para a linha de água de alimentação da caldeira), e para garantir distribuição uniforme de temperatura, é comum esguichar a água de reposição no tanque de alimentação em um nível mais alto. Injeção de vapor Conforme mencionado anteriormente, há vantagens significativas em manter o conteúdo do tanque de alimentação em uma alta temperatura. Uma das maneiras mais convenientes de alcançar essa temperatura mais alta é injetando vapor no tanque de alimentação. Ventilação O tanque de alimentação deve ser ventilado para prevenir qualquer acúmulo de pressão. Como guia, esta ventilação variará em tamanho de DN80 em um tanque de 2 000 litros a DN250 em um tanque de 30 000 litros. A ventilação deve ser equipada com uma cabeça de ventilação, que incorpora um defletor interno para separar a água arrastada do vapor para descarga através de uma conexão de drenagem. Transbordamento Deve ser equipado com uma vedação de água em ‘U’ para evitar perda de vapor flash. Retirada da bomba de alimentação Se a retirada for da base do tanque de alimentação, deve haver um tubo interno de 50 mm para evitar que qualquer sujeira no fundo do tanque entre na tubulação. Deve ser generosamente dimensionado para que as perdas por atrito sejam minimizadas, e a altura positiva líquida de sucção (NPSH) para a bomba de alimentação seja maximizada. Drenagem Uma conexão de drenagem deve ser instalada no fundo do tanque de alimentação para facilitar seu esvaziamento para inspeção. Isolamento O tanque de alimentação deve ser adequadamente isolado para prevenir perdas de calor. O conselho de um especialista em isolamento respeitável deve ser buscado na seleção do material correto e espessura econômica. Abertura de inspeção Uma abertura de inspeção de tamanho adequado deve ser instalada para permitir inspeção interna e instalação de auxiliares, conforme apropriado. Controle de nível de água Tradicionalmente, controles de flutuador foram usados para esta aplicação. Controles modernos usam sondas de nível, que fornecerão um sinal de saída para modular uma válvula de controle. Não apenas esse tipo de sistema exige menos manutenção, mas, com o uso de um controlador apropriado, uma única sonda pode incorporar alarmes de nível e dispositivos de indicação remota. Sondas de nível podem ser arranjadas para sinalizar nível de água alto, o nível de água normal de trabalho (ou controle), e nível de água baixo. Os sinais da sonda podem ser conectados a uma válvula de controle no suprimento de água fria de reposição. A sonda é equipada com um tubo de proteção dentro do tanque de alimentação para protegê-la da turbulência, que pode resultar em leituras falsas. Um indicador de nível local ou visor de nível de água no tanque de alimentação é recomendado, permitindo a visualização do conteúdo para fins de confirmação, e para comissionamento de sondas de nível. Termômetro Pode ser um dispositivo de leitura local ou remota.

Desaeradores

Cabeça de desaerador atmosférico A unidade de mistura de uma cabeça de desaerador reúne todos os fluxos entrantes. Ela mistura a água fria de reposição de alto teor de oxigênio com o vapor flash do condensado e do sistema de recuperação de calor do blowdown. O oxigênio e outros gases são liberados da água fria e podem ser automaticamente removidos através de uma ventilação antes que a água entre no tanque de alimentação principal. A cabeça de desaerador reduz consideravelmente a quantidade de vapor que normalmente se esperaria emanar do tanque sob condições de trabalho. Por causa disso, tanques de desaerador atmosférico devidamente projetados equipados com cabeças de desaerador requerem menos capacidade de ventilação do que um tanque comum equipado com uma tampa ventilada. Tipicamente, os tamanhos de ventilação em um tanque de desaerador atmosférico variam de DN80 em um tanque de 2 000 L, a DN250 em um tanque de 30 000 L. Desaerador pressurizado Em plantas de caldeiras maiores, desaeradores pressurizados são às vezes instalados e vapor vivo é usado para trazer a água de alimentação a aproximadamente 105°C para expelir o oxigênio. Desaeradores pressurizados são geralmente termicamente eficientes e reduzirão o oxigênio dissolvido a níveis muito baixos. Desaeradores pressurizados:

Devem ser equipados com controles e dispositivos de segurança.
São classificados como vasos de pressão, e exigirão inspeção formal periódica. Isso significa que desaeradores pressurizados são caros, e só se justificam em casas de caldeiras muito grandes. Se um desaerador pressurizado for considerado, seu desempenho em carga parcial (ou regulação efetiva) deve ser investigado. Uma revisão detalhada dos desaeradores pressurizados é dada no Módulo 21 deste Bloco. Tratamento condicionante Este é um tratamento adicional que complementa o tratamento externo, (por exemplo, o sistema de troca básica) e é geralmente realizado adicionando produtos químicos em quantidades dosadas, seja no tanque de água de alimentação ou na tubulação de água de alimentação antes de sua entrada na caldeira. O tratamento químico necessário depende de muitos fatores, tais como:
As impurezas inerentes à água de reposição e sua dureza.
O volume de condensado retornado para reutilização e sua qualidade em termos de valor de pH, conteúdo de TDS, e dureza.
O projeto da caldeira e suas condições operacionais. Decidir sobre o tipo de regime químico e sistema de tratamento de água é uma questão para um especialista em tratamento de água qualificado que deve sempre ser consultado. O propósito do tratamento condicionante é melhorar o tratamento da água bruta após ter sido processada o máximo possível pela estação de tratamento de água principal. Ele garante a qualidade porque, inevitavelmente, haverá algumas impurezas que encontram um caminho através do sistema de tratamento principal. Os objetivos do tratamento de água são:
Prevenir a formação de incrustação a partir de níveis baixos restantes de dureza que podem ter escapado do tratamento. Fosfato de sódio é normalmente usado para isso, e faz com que a dureza precipite no fundo da caldeira onde pode ser submetida a blowdown.
Lidar com quaisquer outras impurezas específicas presentes. Estes serão substâncias específicas para aplicações específicas.
Manter o equilíbrio químico correto na água da caldeira - para prevenir a corrosão, ela precisa ser um pouco alcalina e não ácida. Tipicamente, uma solução cáustica de 1% será usada para alcançar um pH alvo entre 9 e 11. O Padrão Britânico BS 2486 recomenda pH 10,5 - 12,0 para caldeiras de casco @ 10 bar, pH 9 poderia ser usado em caldeiras de pressão mais alta apenas.
Condicionar quaisquer matérias suspensas. Será um floculante ou coagulante, que fará com que a matéria suspensa aglomere e afunde no fundo da caldeira de onde pode ser submetida a blowdown.
Fornecer proteção anti-espuma.
Remover traços de gases dissolvidos. Estes são principalmente oxigênio e dióxido de carbono e a presença desses gases dissolvidos na planta de caldeiras e sistema causará corrosão. É, portanto, necessário removê-los e/ou neutralizá-los se os danos devem ser prevenidos. Dióxido de carbono O dióxido de carbono dissolvido está frequentemente presente na água de alimentação na forma de ácido carbônico e isso causa a queda do nível de pH. O controle adequado de pH corrigirá isso, mas o dióxido de carbono também é liberado nas caldeiras devido ao aquecimento de carbonatos e bicarbonatos. Estes se decompõem em soda cáustica com a liberação de dióxido de carbono. Isso pode precisar ser tratado com o uso de um inibidor de corrosão de condensado, para prevenir ataque corrosivo ao sistema de condensado. Oxigênio O mais prejudicial dos gases dissolvidos é o oxigênio, que pode causar picada no metal. Quantidades muito pequenas de oxigênio podem causar danos severos. Ele pode ser removido tanto mecanicamente quanto quimicamente. A quantidade de oxigênio dissolvido presente depende da temperatura da água de alimentação; quanto menor a temperatura da água de alimentação, maior o volume de oxigênio dissolvido presente. Qualquer oxigênio restante é então tratado com a adição de um removedor químico de oxigênio como sulfito de sódio catalisado. 8 ppm de sulfito de sódio é suficiente para lidar com 1 ppm de oxigênio dissolvido. No entanto, é usual adicionar um extra (ou ‘reserva’) de 4 ppm de sulfito de sódio porque:
Há um perigo significativo de danos corrosivos.
O sistema de dosagem química é geralmente ‘de malha aberta’ com amostras de água tomadas em intervalos, e ajustes feitos à taxa de dosagem.
Há uma preocupação sobre a dispersão completa do produto químico, talvez devido ao método de injeção, correntes de circulação, ou estratificação dentro do tanque de alimentação. A taxa total de dosagem, portanto, é 8 ppm de sulfito de sódio por 1 ppm de oxigênio dissolvido mais 4 ppm. Outros removedores de oxigênio envolvem compostos orgânicos ou hidrazina. Esta última, no entanto, é considerada cancerígena, e não é geralmente usada em plantas de baixa e média pressão. Outros ‘tratamentos internos’ para fornecer proteção à caldeira e ao sistema de condensado podem incluir:
Aminas neutralizantes - Estas têm um efeito neutralizante sobre o ácido gerado pela solução de dióxido de carbono no condensado.
Aminas formadoras de filme - Estas criam um filme atrativo a óleo, repelente a água nas superfícies metálicas que é resistente tanto ao dióxido de carbono quanto ao oxigênio. Mais detalhes sobre esse assunto complicado estão disponíveis em manuais de tratamento de água e especialistas em tratamento de água; isso é muito uma questão para conselho especializado e análise profissional. Existem, no entanto, uma ou duas áreas que pedem mais explicação:
O principal programa de tratamento de água da caldeira visa transformar sais formadores de incrustação em lodos macios ou móveis. Os condicionadores de lodo usados na dosagem química impedem que esses sólidos se depositem em superfícies metálicas e os mantêm em suspensão.
Sob altas pressões e temperaturas, a sílica pode apresentar um problema real porque pode se combinar com as superfícies de aquecimento metálicas para causar pontos quentes. Polímeros sintéticos especiais podem prevenir esse problema.
Os níveis de alcalinidade na caldeira são particularmente importantes e estes são controlados pela adição de hidróxido de sódio. Manter um nível de pH entre 10,5 - 12 evitará problemas de corrosão fornecendo condições estáveis para a formação de um filme de magnetita (Fe3O4) em uma camada fina e densa nas superfícies metálicas, protegendo-as do ataque corrosivo. Produtos químicos adicionados durante o tratamento condicionante aumentarão o nível de TDS na água da caldeira e uma taxa mais alta de blowdown será necessária.