El agua de caldera es el agua líquida que se encuentra dentro de una caldera o en las tuberías, bombas y otros equipos asociados, y que está destinada a evaporarse para convertirse en vapor . El término también se puede aplicar al agua cruda destinada a usarse en calderas, al agua de alimentación de calderas tratada , al condensado de vapor que se devuelve a una caldera o a la purga de caldera que se elimina de una caldera.
Las impurezas en el agua dejarán depósitos sólidos a medida que el vapor se evapora. Estos depósitos sólidos aíslan térmicamente las superficies de intercambio de calor, disminuyendo inicialmente la tasa de generación de vapor y potencialmente causando que los metales de la caldera alcancen temperaturas de falla. [1] Las explosiones de calderas no eran poco comunes hasta que los operadores de calderas sobrevivientes aprendieron a limpiar periódicamente sus calderas. Algunos sólidos podían eliminarse enfriando la caldera, por lo que la expansión térmica diferencial causaba que los sólidos cristalinos frágiles se agrietaran y se descascararan de las superficies metálicas de la caldera. Otros sólidos se eliminaban mediante lavado con ácido o fregado mecánico . [2] Varias tasas de purga de la caldera podían reducir la frecuencia de limpieza, pero la operación y el mantenimiento eficientes de las calderas individuales se determinaban por prueba y error hasta que los químicos idearon medios para medir y ajustar la calidad del agua para minimizar los requisitos de limpieza.
El tratamiento del agua de calderas es un tipo de tratamiento industrial del agua que se centra en la eliminación o modificación química de sustancias que pueden dañar la caldera. Se utilizan distintos tipos de tratamiento en diferentes lugares para evitar la formación de incrustaciones , corrosión o espuma . [3] El tratamiento externo de los suministros de agua cruda destinados a su uso dentro de una caldera se centra en la eliminación de impurezas antes de que lleguen a la caldera. El tratamiento interno dentro de la caldera se centra en limitar la tendencia del agua a disolver la caldera y mantener las impurezas en formas que tengan menos probabilidades de causar problemas antes de que puedan eliminarse de la caldera en la purga de la caldera. [4]
A temperaturas y presiones elevadas dentro de una caldera, el agua exhibe propiedades físicas y químicas diferentes a las observadas a temperatura ambiente y presión atmosférica . Se pueden agregar productos químicos para mantener los niveles de pH , minimizando la solubilidad en agua de los materiales de la caldera y permitiendo al mismo tiempo la acción eficiente de otros productos químicos agregados para prevenir la formación de espuma, consumir oxígeno antes de que corroa la caldera, precipitar los sólidos disueltos antes de que formen incrustaciones en las superficies generadoras de vapor y eliminar esos precipitados de las proximidades de las superficies generadoras de vapor. [5]
Se puede utilizar sulfito de sodio o hidracina para mantener las condiciones reductoras dentro de la caldera. [6] El sulfito es menos deseable en calderas que funcionan a presiones superiores a 1000 libras por pulgada cuadrada (6900 kPa); [7] porque los sulfatos formados por combinación con oxígeno pueden formar incrustaciones de sulfato o descomponerse en dióxido de azufre corrosivo o sulfuro de hidrógeno a temperaturas elevadas. [8] El exceso de hidracina puede evaporarse con vapor para proporcionar protección contra la corrosión neutralizando el dióxido de carbono en el sistema de condensado de vapor; [9] pero también puede descomponerse en amoníaco que atacará las aleaciones de cobre . Los productos basados en aminas filmógenas como Helamin pueden ser preferibles para la protección contra la corrosión de los sistemas de condensado con aleaciones de cobre. [8]
Las calderas que funcionan a presiones inferiores a 200 libras por pulgada cuadrada (1400 kPa) [10] pueden utilizar agua de alimentación sin ablandar con la adición de carbonato de sodio o hidróxido de sodio para mantener las condiciones alcalinas para precipitar el carbonato de calcio , el hidróxido de magnesio y el silicato de magnesio . El agua dura tratada de esta manera provoca una concentración bastante alta de partículas sólidas suspendidas dentro de la caldera que sirven como núcleos de precipitación que evitan la posterior deposición de incrustaciones de sulfato de calcio . Se pueden añadir materiales orgánicos naturales como almidones , taninos y ligninas para controlar el crecimiento de cristales y dispersar los precipitados. [11] El lodo blando de precipitados y materiales orgánicos se acumula en partes inactivas de la caldera para eliminarse durante la purga del fondo. [8]
Las concentraciones de lodos de caldera creadas por el tratamiento de coagulación se pueden evitar con el tratamiento con fosfato de sodio cuando la dureza del agua es inferior a 60 mg/L. Con una alcalinidad adecuada , la adición de fosfato de sodio produce un precipitado insoluble de hidroxiapatita con hidróxido de magnesio y silicatos de magnesio y calcio . La lignina se puede procesar para lograr estabilidad a alta temperatura para controlar las incrustaciones de fosfato de calcio y los depósitos de óxido de hierro magnético . [12] Las concentraciones aceptables de fosfato disminuyen de 140 mg/L en calderas de baja presión a menos de 40 mg/L a presiones superiores a 1500 libras por pulgada cuadrada (10 000 kPa). La alcalinidad recomendada disminuye de manera similar de 700 mg/L a 200 mg/L en el mismo rango de presión. Los problemas de formación de espuma son más comunes con una alcalinidad alta. [8]
El control coordinado del pH y los fosfatos intenta limitar la corrosión cáustica que se produce a partir de las concentraciones de iones hidroxilo bajo las incrustaciones porosas en las superficies generadoras de vapor dentro de la caldera. Las calderas de alta presión que utilizan agua desmineralizada son las más vulnerables a la corrosión cáustica. La hidrólisis del fosfato trisódico es un regulador de pH en equilibrio con el fosfato disódico y el hidróxido de sodio. [13]
Los quelantes como el ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) o el ácido nitrilotriacético (NTA) forman iones complejos con el calcio y el magnesio . La solubilidad de estos iones complejos puede reducir los requisitos de purga si se agregan polímeros de carboxilato aniónico para controlar la formación de incrustaciones. La descomposición potencial a altas temperaturas limita el uso de quelantes a calderas que operan a presiones inferiores a 1500 libras por pulgada cuadrada (10 000 kPa). [12] Los productos de descomposición pueden causar corrosión del metal en áreas de estrés y alta temperatura. [14]
Muchas calderas de gran tamaño, incluidas las que se utilizan en centrales térmicas, reciclan el vapor condensado para reutilizarlo en la caldera. El condensado de vapor es agua destilada , pero puede contener gases disueltos. A menudo se utiliza un desaireador para convertir el condensado en agua de alimentación eliminando gases potencialmente dañinos, como oxígeno, dióxido de carbono , amoníaco y sulfuro de hidrógeno . [15] La inclusión de un pulidor (un recipiente de intercambio iónico ) ayuda a mantener la pureza del agua y, en particular, a proteger la caldera de una fuga en el tubo del condensador.
Todas las calderas pierden algo de agua en las fugas de vapor, y otra parte se desperdicia intencionalmente como purga de la caldera para eliminar las impurezas que se acumulan dentro de la caldera. [16] Las locomotoras de vapor y las calderas que generan vapor para su uso en contacto directo con materiales contaminantes pueden no reciclar el vapor condensado. Se requiere agua de reemplazo para continuar la producción de vapor. El agua de reposición se trata inicialmente para eliminar los materiales flotantes y suspendidos. [17] El agua dura destinada a calderas de baja presión se puede ablandar sustituyendo sodio [18] por cationes divalentes de calcio y magnesio disueltos que tienen más probabilidades de causar incrustaciones de carbonato y sulfato . [19] Las calderas de alta presión generalmente requieren agua desmineralizada por ósmosis inversa , destilación o intercambio iónico . [20]