El agua de caldera es agua líquida dentro de una caldera , o en tuberías, bombas y otros equipos asociados, que está destinada a la evaporación en vapor . El término también puede aplicarse al agua cruda destinada a uso 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, lo que inicialmente disminuye la tasa de generación de vapor y potencialmente hace que los metales de la caldera alcancen temperaturas de falla. [1] Las explosiones de calderas no eran infrecuentes hasta que los operadores de calderas supervivientes aprendieron a limpiar periódicamente sus calderas. Algunos sólidos se podían eliminar enfriando la caldera, por lo que la expansión térmica diferencial provocaba que los sólidos cristalinos quebradizos se agrietaran y se desprenderan de las superficies metálicas de la caldera. Otros sólidos se eliminaron mediante lavado ácido o descrudado mecánico . [2] Varias tasas de purga de calderas podrían reducir la frecuencia de limpieza, pero la operación y el mantenimiento eficientes de las calderas individuales se determinaron mediante 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 de aguas industriales enfocado a la eliminación o modificación química de sustancias potencialmente dañinas para la caldera. Se utilizan distintos tipos de tratamiento en diferentes lugares para evitar incrustaciones , corrosión o formación de espuma . [3] El tratamiento externo de los suministros de agua bruta destinados a ser utilizados 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 con menos probabilidad de causar problemas antes de que puedan eliminarse de la caldera durante la purga de la caldera. [4]
A las elevadas temperaturas y presiones 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 al mismo tiempo permitiendo la acción eficiente de otros productos químicos agregados para evitar 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 para 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 el vapor para brindar protección contra la corrosión al neutralizar el dióxido de carbono en el sistema de condensado de vapor; [9] pero también puede descomponerse en amoníaco, que atacará las aleaciones de cobre . Para la protección contra la corrosión de sistemas de condensado con aleaciones de cobre se pueden preferir productos basados en aminas formadoras de película , como la helamina . [8]
Las calderas que funcionan a presiones inferiores a 200 libras por pulgada cuadrada (1400 kPa) [10] pueden usar agua de alimentación sin ablandar con la adición de carbonato de sodio o hidróxido de sodio para mantener condiciones alcalinas para precipitar carbonato de calcio , hidróxido de magnesio y 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 evitando la posterior deposición de incrustaciones de sulfato de calcio . Se pueden agregar 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 porciones inactivas de la caldera para ser eliminado durante la purga del fondo. [8]
Las concentraciones de lodos de caldera creadas por el tratamiento de coagulación se pueden evitar mediante 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 altas temperaturas para controlar las incrustaciones de fosfato cálcico y los depósitos magnéticos de óxido de hierro . [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 alta alcalinidad. [8]
El control coordinado del pH y los fosfatos intenta limitar la corrosión cáustica que se produce por concentraciones de iones hidroxilo bajo 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 tampón 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 calcio y magnesio . La solubilidad de estos iones complejos puede reducir los requisitos de purga si se añaden polímeros de carboxilato aniónicos para controlar la formación de incrustaciones. La posible descomposición a altas temperaturas limita el uso de quelantes a calderas que funcionan 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 tensión y alta temperatura. [14]
Muchas calderas grandes, incluidas las utilizadas en centrales térmicas, reciclan el vapor condensado para reutilizarlo dentro de 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, incluidos 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 fugas de vapor; y 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 no pueden reciclar el vapor condensado. Se requiere agua de reemplazo para continuar con 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 cationes divalentes de calcio y magnesio disueltos por sodio [18] y que probablemente causen incrustaciones de carbonato y sulfato . [19] Las calderas de alta presión normalmente requieren agua desmineralizada mediante ósmosis inversa , destilación o intercambio iónico . [20]