Tratarea Apei

1.INTRODUCERE

Apa utilizata in generarea aburului nu este niciodata pura, deoarece apele naturale sunt supuse continuu proceselor de evaporare si condensare. in timpul acestor procese, apa dizolva gaze din atmosfera si substante ce se gasesc in scoarta terestra. Gazele dizolvate, substantele si alte impuritati pot fi inlaturate intr-o anumita masura prin tratarea externa a apei. Apa de alimentare a cazanului tratata extern contine inca contaminanti ce pot duce la formarea de depuneri, coroziuni ale metalelor si creeaza probleme in diversele componente ale sistemului de producere al aburului cum ar fi tevile cazanului, supraincalzitoarele, economizoarele si instalatia de condensare.

Coroziunea si crusta din sistem conduc la reducerea transferului termic, cresterea consumului de combustibil si supraincalziri ale metalelor ce culmineaza cu spargerea tevilor, crescand costurile de intretinere si de inlocuire a echipamentelor. De asemenea, pot aparea frecvent pierderi indirecte datorita perioadelor de oprire a cazanului. Pe langa neplacerile produse in operare si reducerea duratei de viata a componentelor, creste frecventa accidentelor produse datorita formarii excesive de crusta si deteriorarilor provocate de coroziune in sistemele generatoare de abur.

In continuare sunt tratate pe scurt problemele de incrustare si coroziune si sunt prezentate masuri pentru evitarea lor prin tratarea apei de alimentare a cazanului.

 

 2. PROBLEMELE TIPICE CARE APAR PE SUPRAFETELE AFLATE IN CONTACT CU APA

2.1. Efectul sarurilor aflate in apa de alimentare a cazanului

Sarurile dizolvate de calciu, magneziu, fier, cupru, aluminiu si silice contribuie la formarea depozitelor . La inceput aceste depozite au fost asociate numai cu prezenta in apa a sarurilor de calciu si magneziu, sub denumirea de saruri de duritate.
Concomitent cu cresterea presiunii de operare, cazanele au devenit mai complicate si efectele impuritatilor de fier, aluminiu, cupru si silice din apa de alimentare au inceput sa fie evidente. Pe langa sarurile obisnuite de calciu si magneziu (carbonatul de calciu, sulfatul de calciu, hidroxidul de magneziu si fosfatul de magneziu), s-au gasit in compozitia crustelor silicati de fier, aluminiu, calciu si magneziu. Silicatii complecsi formeaza una din cele mai tari cruste izolatoare, dand nastere la grave probleme de transfer termic. in sistemele moderne de producere a aburului, cel mai mare procent din condensat este recirculat, reunindu-se cu apa de alimentare a cazanului si astfel produsii de coroziune sunt readusi in cazan, contribuind de asemenea la dezvoltarea si intarirea crustelor.

2.2. Coroziunea electrochimica

Diferentele de potential ce exista intre diferitele portiuni de metal sau intre doua metale creeaza celule electrochimice intre aceste zone. in cazul fierului in contact cu apa din cazan, reactia:

Fe —–> Fe+2 + 2e2

apare la anodul celulei electrochimice avand ca efect solubilizarea fierului in apa. La catod se formeaza ionii de hidroxil incarcati negativ. Acesti anioni se deplaseaza catre anod unde se combina cu cationii Fe+2 si formeaza hidroxidul feros conform reactiei :

Fe+2 + 2 OH —–> Fe(OH)2

Hidroxidul feros, sub forma unui precipitat alb, este rapid oxidat la hidroxidul feric:

4Fe(OH)2 + O2 + 2 H2O —–>4Fe(OH)3

Hidroxidul feric este apoi dehidrolizat formand produsi de coroziune cunoscuti sub denumirea de rugina si oxidul feric hidratat:

2Fe(OH)3 —–>  Fe2O3 + 3 H2O
Fe(OH)3 —–> FeO(OH) + H2O

Produsii de coroziune precipita la anod si formeaza pe suprafata acestuia un film ce poate contine si urme de alte tipuri de saruri. Functie de porozitatea filmului, care afecteaza penetrarea lui de catre ionii de metal, reactiile de coroziune vor continua.

2.2.1. Efectul temperaturii asupra coroziunii

Viteza reactiei de coroziune creste o data cu cresterea temperaturii. Difuziunea oxigenului dizolvat este marita (vascozitatea este redusa dand posibilitate oxigenului atmosferic sa patrunda mai usor in solutie). Oxigenul atinge suprafata catodica mult mai usor si astfel are loc o depolarizare a celulei electrolitice. Un alt fenomen ce apare la temperaturi ridicate este cresterea activitatii hidrogenului la catod. Toate aceste procese maresc incidenta coroziunii. De exemplu, o crestere a temperaturii apei potabile de la 15 °C la 80 °C mareste viteza de coroziune de patru ori.

2.2.2. Efectul pH-ului asupra coroziunii

La un pH foarte scazut al apei de cazan (pH<4.3, pH acid) sau la un pH foarte ridicat al apei de cazan (pH>12, pH alcalin), hidrogenul apare la suprafata metalului si accelereaza coroziunea. La pH ridicat, pe langa fenomenul aratat mai sus, apar probleme legate de un atac caustic, de spumare si antrenare de impuritati. La valori ale pH-ului din domeniul intermediar, oxigenul dizolvat este factorul care determina coroziunea. in practica, apa de cazan este mentinuta la un pH intre 8.5 si 10.0, in functie de presiunea si temperatura de operare.

2.3. Efectele gazelor dizolvate in apa de cazan

Cele mai periculoase dintre gazele dizolvate in apa de cazan sunt bioxidul de carbon si oxigenul. Alte gaze cum ar fi amoniacul, hidrogenul sulfurat si clorul se datoreaza in special procesului de contaminare.
Efectul bioxidului de carbon este scaderea pH-ului prin formarea acidului carbonic si deci coroziunea este initiata datorita activitatii hidrogenului.
Oxigenul dizolvat in apa cauzeaza depolarizare la catod intensificand astfel coroziunea. Chiar cantitati foarte mici de oxigen pot provoca coroziune in cazane, mai ales daca presiunea si temperatura de operare sunt ridicate.
Dintre celelalte gaze amoniacul ataca cuprul, hidrogenul sulfurat si clorul produc coroziune datorata unui pH scazut. in cazul hidrogenului sulfurat se formeaza sulfura de fier (catodica pentru fier) si coroziunea este ulterior agravata.

2.4.Coroziunea sistemelor de condensare

Condensatoarele sunt expuse in mod special la coroziune datorita prezentei bioxidului de carbon ce ia nastere prin descompunerea bicarbonatilor in apa de cazan. Bioxidul de carbon dizolvat in apa formeaza acidul carbonic ce duce la scaderea pH-ului si implicit la coroziune acida. Daca este prezent si oxigenul, coroziunea este accelerata datorita refacerii si eliberarii ulterioare a bioxidului de carbon si astfel reactiile chimice importante se perpetueaza. Produsele de coroziune din sistemul de condensare sunt transportate in tancul de apa de alimentare si in cazan, unde formeaza noi cantitati de crusta si provoaca probleme de coroziune.

2.5 Spumarea si antrenarea de impuritati

Spumarea este un proces mecanic guvernat de tensiunea superficiala a apei de cazan, manifestindu-se prin aparitia de bule la suprafata apei din tambur. O crestere rapida a incarcarii cazanului, un nivel prea ridicat al apei in cazan si separatoare de abur insuficiente pot duce la spumare. Tensiunea superficiala si prin aceasta spumarea este afectata de diferite componente ale apei de cazan cum ar fi solidele aflate in suspensie, sarurile dizolvate, precum si orice alt surfactant organic, ca de exemplu uleiul, etc. Alcalinitatea inalta creste tensiunea de suprafata si de aici tendinta creare a spumei. Substantele cu solubilitate scazuta, prin antrenare mecanica, devin particulate in timpul in care aburul trece prin supraincalzitor. Aceste particulate transportate impreuna cu aburul se pot depune pe lamele turbinei, reducandu-i performanta. Substantele dizolvate in apa de cazan se volatilizeaza si sunt antrenate ca impuritati ale aburului (contaminanti) in turbina, unde, sub influenta unor valori favorizante ale temperaturii, se pot depozita si pot duce la scaderea performantei turbinei. Acest fenomen de antrenare a substantelor prin volatilizare creste in intensitate direct proportional cu presiunea de operare si cu cantitatea de saruri dizolvate cum ar fi silicea, hidroxidul de sodiu, etc.

3. TRATAMENTUL APEI DE CAZAN

Un progres din punct de vedere economic si o functionare optimizata a instalatiilor de abur si incalzire pot fi realizate prin tratarea adecvata a apei de alimentare care imbunatateste conditiile in faza lichida din cazan. Printr-o combinatie optima intre un tratament extern al apei si un tratament intern al apei de cazan prin utilizarea de antiscalanti, inhibitori de coroziune , antispumanti, etc. sunt atinse urmatoarele obiective:
1. Prevenirea formarii depozitelor;
2. Reducerea coroziunii metalice;
3. Prevenirea spumarii si antrenarii de impuritati.

3.1. Prevenirea formarii depozitelor

3.1.1. Scalanti stoichiometrici

Au ca scop schimbarea structurii chimice a impuritatilor din apa de cazan prin adaos de
antiscalanti, cum ar fi fosfati si chelati care reactioneaza stoichiometric cu impuritatile. Fosfatii formeaza hidroxiapatite de calciu si magneziu, care nu sunt aderente, formand un namol moale ce poate fi usor indepartat prin purja cazanului. Cateodata, pentru a mentine un pH alcalin, este adaugat hidroxid de sodiu. O conditionare ulterioara a namolului este adusa prin adaos de dispersanti, cum ar fi lignosulfonatii, ce limiteaza fortele de atractie intre particule, reducand sedimentarea. Aplicarea acestor aditivi este limitata datorita stabilitatii scazute la temperatura.
Chelatii reactioneaza cu metalele bivalente si trivalente formand complecsi solubili, stabili la temperatura inalta. Chelatii cei mai comuni sunt EDTA (acidul etilendiaminotetraacetic) si NTA (acidul nitrilotriacetic). Utilizarea chelatilor este dificila datorita faptului ca nivelele stoichiometrice trebuie urmarite indeaproape in sistem. Deoarece chelatii sunt potential corozivi, adaugarea directa in apa de cazan sau utilizarea lor in cazane cu suprafete fierbinti pot duce la dizolvari locale ale metalului. Tratamentul apei de alimentare cu chelati este de obicei scump datorita necesitatii de mentinere a concentratiilor stoichiometrice, mai ales cand apa de adaos are duritate mai mare.

3.1.2. Scalanti nonstoichiometrici

Acestia sunt in general dispersanti (ex. poliacrilati, polimetacrilati) care sunt utilizati in general pentru a controla formarea de depozite. Ei sunt adsorbiti pe suprafata precipitatelor din apa de cazan prevenind aglomerarea solidelor, sarurilor de duritate, etc, care raman astfel in suspensie. Dintre cei amintiti, poliacrilatii sunt cei mai eficienti scalanti nonstoichiometrici. Oricum acestia nu sunt potiviti pentru a controla precipitatele metalelor grele. Fosfonatii si acizii fosfonici sunt adsorbiti pe anumite particule metalice (fier, cupru si zinc), pastrindu-le sub forma de suspensii prin reducerea fortelor de atractie. Acesti scalanti nu necesita pastrarea unor concentratii stoichiometrice pentru a controla formarea de cruste. Dar acesti scalanti au mai putin efect la temperaturi ridicate.

3.2. Controlul coroziunii

3.2.1.Controlul coroziunii datorate oxigenului

Asa cum s-a mentionat anteior, la valori de pH intermediare intre domeniul acid si cel bazic, prezenta oxigenului dizolvat in apa de cazan provoaca depolarizare la catod la orice celula de coroziune, sustinind prin aceata procesul de coroziune. in ciuda degazarii mecanice si termice a apei de adaos, cantitati foarte mici de oxigen se regasesc totdeauna in apa de cazan. Acest oxigen rezidual este in mod uzual indepartat prin utilizarea unui substante chimice care elimina oxigenul, cum ar fi sulfitul de sodiu sau hidrazina. Acesti aditivi sunt adesea catalizati pentru a le creste viteza de reactie. Dintre substantele “curatitoare” de oxigen, sulfitul se utilizeaza in cazanele de joasa si medie presiune pe cind in cazanele de presiune inalta se utilizeaza hidrazina catalizata. Hidrazina, pe linga reactia cu oxigenul, converteste oxidul de fier (rugina) la magnetita (Fe3O4) care are pasivitate mai mare si confera suprafetei metalice mai multa stabilitate la coroziune. Cu exces de hidrazina, stratul de magnetita creste in grosime, devenind strat izolator, ceea ce atrage dupa sine necesitatea opririi si curatirii acide a cazanului. Hidrazina are ca efect si cresterea pH-ului in condensat prin formarea ionului de amoniu. Recent, hidrazina a fost clasificata drept substanta cancerigena, ceea ce a condus la utilizarea de produse alternative.

3.2.2. Controlul coroziunii datorate bioxidului de carbon

Coroziunea datorata pH-ului acid cauzat de prezenta bioxidului de carbon este evitata prin utilizarea aminelor volatile sau neutralizante, cum ar fi morfolina, ciclohexilamina, dietilaminoetanolul, amoniacul,etc. Acesti produsi neutralizeaza acidul carbonic format si cresc pH-ul intre 7.5 si 9.5. Pentru un control mai bun al coroziunii acide in sectiunea de dupa cazan a sistemului, de obicei se utilizeaza o combinatie de amine neutralizante, dar acestea sunt ineficiente in ceea ce priveste coroziunea provocata de oxigenul dizolvat.

3.3.Controlul spumarii si prevenirea antrenarii de particule

Antrenarea mecanica ce duce la spumare este de obicei controlata prin adaos de agenti antispumanti, substante tensioactive cum ar fi polioxialchinglicoli si poliamide.
Contrar spumarii, antrenarea impuritatilor volatile este greu de controlat. Singura solutie este de reducere a concentratiei solidelor volatile si de mentinere a pH-ului intre anumite limite care controleaza volatilitatea acestora.

3.4. Tratamentul apei de cazan si condensatului cu FINEAMIN®

Recente descoperiri in tratamentul apei de cazan au aratat ca un control efectiv al coroziunii si prevenirea depozitelor pot fi realizate prin utilizarea aditivilor multicomponenti pe baza de poliamine. Acesti inhibitori nu neutralizeaza numai bioxidul de carbon dar formeaza si un film (strat) hidrofob protector de magnetita intre suprafata metalului si apa. Dozajul necesar este redus si este independent de concentratia de bioxid de carbon si oxigen. Inhibitorii formatori de film protector contin diferite tipuri de amine neutralizante si deci cresc nivelul pH-ului in cazan si in sistemele de condensare.
Aminele FINEAMIN®  sunt adsorbite pe suprafata compusilor cristalini de calciu si magneziu prevenind cresterea ulterioara a cristalelor. Precipitatele cristaline devin cu timpul amorfe si isi pierd capacitatea de aderenta, fiind astfel usor de indepartat. Dispersantii specifici continuti in aceste produse actioneaza asupra hematitei (Fe2O3) si asupra sarurilor de calciu si magneziu. Aminele formatoare de film protectiv au eficienta crescuta pe suprafetele metalice necorodate, din acest motiv fiind foarte cautate in sistemele noi. Utilizarea produselor FINEAMIN®  ofera o inlaturare usoara a depunerilor, ajuta la imbunatatirea transferului de caldura la suprafetele de condensare. Pe langa eliminarea depozitelor, poliaminele imbunatatesc condensarea in picatura a aburului si deci o mai buna evacuare a condensatului.

Concluzie

Sunt evidente avantajele utilizarii la tratamentul apei din cazane a produselor multicomponent bazate pe FINEAMIN®  (amestec de poliamine, amine neutralizante si dispersanti) asupra celor obtinute cu programele conventionale si de aceea produsele FINEAMIN® ar trebui sa fie preferate.