Tratar bem da água que irá ser aplicada dentro das caldeiras tem um objetivo bem claro: evitar que o emprego de água bruta cause uma série de transtornos e, principalmente, prejuízos para as plantas industriais, tais como elevados custos operacionais e de manutenção. "As caldeiras têm seu princípio de funcionamento baseado na diferença de densidade dos fluidos que nela estão presentes, isto é, a água e vapor. A água de alimentação das caldeiras aquecida no feixe tubular da caldeira e no tubulão, se transforma em vapor. Em decorrência deste aquecimento, resulta uma corrente ascendente do fluido mais quente (vapor) e uma corrente descendente do fluido mais frio (água). Estas correntes tomam o nome de corrente de convecção", explica Mauricio Sanches Garcia, um dos responsáveis pelo reparo de caldeiras, do Arsenal da Marinha do Rio de Janeiro.
"O fluido mais quente (vapor) sai do tubulão e passa pelo superaquecedor onde recebe uma quantidade adicional de calor, elevando sua temperatura até a desejada. Este vapor que passa pelo superaquecedor é chamado de vapor principal e se destina a trabalhar nas máquinas principais (turbinas), sendo descarregado no condensador principal onde, resfriado, transforma-se em condensado, diminuindo em muito seu volume o que provoca um vácuo no condensador que é mantido pelo ejetor de ar", acrescenta. "O condensado é aspirado do condensador pela bomba de extração de condensado, ou simplesmente bomba de condensado, e descarregado no tanque aquecedor desarejador, através do condensador dos ejetores, onde é aquecido pelo vapor utilizado neste aparelho. No tanque, o condensado é aquecido pelo vapor de descarga das auxiliares e drenagens de alta pressão (principais fontes de aquecimento da água de alimentação), sendo então desarejado. O condensado se constitui assim na água de alimentação das caldeiras, que é aspirada da câmara de armazenamento do tanque aquecedor desarejador pela bomba de recalque e descarregada na aspiração da bomba de alimentação principal (B.A.P), de onde será descarregada na caldeira com pressão superior a desta, através do economizador", salienta.
"No economizador, antes de entrar no tubulão da caldeira, a água de alimentação sofre mais um aquecimento dado pelos gases quentes da combustão do óleo queimado na fornalha, e assim reinicia o ciclo", finaliza Mauricio.

Qualidade da água
A qualidade da água de alimentação das caldeiras é um dos principais fatores a serem analisados para que seja mantida a confiabilidade do sistema e o bom funcionamento evitando-se assim problemas decorrentes de uma água inadequada para a aplicação em caldeiras de alta pressão. O código ASME recomenda alguns limites para caldeiras industriais, de acordo com as pressões de trabalho. A tabela 1 apresenta estes limites.

Possíveis transtornos causados pelo mau tratamento da água
Entre os problemas mais conhecidos pela utilização da água bruta neste tipo de indústria está a incrustação, que se caracteriza pelo acúmulo de material fortemente aderido sobre a superfície da caldeira, necessitando de esforços consideráveis para sua remoção (limpezas mecânicas ou químicas). Muitas incrustações são formadas por precipitação de sais e/ou óxidos na forma cristalina, gerando incrustações altamente coesas e aderidas. É possível pela coloração resultante e o peso da incrustação saber qual foi a composição química causadora de sua origem. Material de coloração marrom claro pode indicar argila e sólidos suspensos, ou também produtos de corrosão (Fe₂O₃).
 

Coloração verde ou azul indica a presença de cobre. Compostos esverdeados e pesados indicam ocorrência de sílica; incrustações esbranquiçadas são formadas por cálcio e magnésio; depósitos negros leves apontam presença de material orgânico, enquanto os pesados indicam a presença de produtos corrosivos (ferro). "A água bruta não tratada é super corrosiva", explica Nelson Santos, Gerente de Divisão SDI da Veolia Water Brasil. Procurando evitar o desgaste de alguns equipamentos, a água bruta é tratada e têm os sais minerais removidos.
"A corrosão em caldeiras é geralmente causada pela presença de gases dissolvidos (principalmente o oxigênio) e sua reação com o ferro presente no aço do equipamento", explica Alberto Abrikian, diretor técnico, da Ecosan. "Como medida preventiva, é feita a desaeração na água de alimentação da caldeira, através de métodos mecânicos (desaeradores) complementados quimicamente pela adição de sequestrantes de oxigênio, tais como o sulfito de sódio ou hidrazina. Lembramos que, para caldeiras de altas pressões, a corrosão passa a ser a preocupação principal do tratamento, uma vez que as etapas de pré-tratamento de água dessas caldeiras são obrigatórias e as incrustações normalmente presentes são originadas justamente pelos produtos de corrosão (tais como óxido de ferro). Nessas caldeiras, outros processos peculiares de corrosão são também observados, tais como o ataque cáustico, fragilização por hidrogênio, entre outros", acrescenta.
 

Outro vilão do sistema gerador de vapor, embora não menos preocupante é o arraste. Como o próprio nome diz, trata-se de um fenômeno caracterizado pelo arraste de água da caldeira para a linha de vapor, causando os mais diversos inconvenientes, a saber: formação de depósitos em superaquecedores, turbinas, válvulas e acessórios da seção pós-caldeira, queda acentuada no rendimento de equipamentos que utilizam vapor para aquecimento, formação de golpes de aríete nas linhas, entre outros. "O arraste é combatido através de alguns procedimentos simples, porém eficientes, destacando-se: manutenção dos limites de sólidos dissolvidos e suspensos na água da caldeira; evitando-se a contaminação por materiais orgânicos e dosagem excessiva de soda cáustica; equilibrando produção e demanda de vapor, evitando as elevações bruscas de consumo; operação com nível de água de acordo com recomendações do fabricante e observação detalhada do projeto do equipamento, incluindo os dispositivos empregados para eliminação de gotículas localizada no interior das caldeiras (chamados popularmente de chevrons ou filtros de vapor)", encerra Alberto.
 

Como evitar estes problemas: filtrando água para caldeiras
A desmineralização é o melhor processo de tratamento da água para caldeiras, pois ela elimina todos os sais minerais existentes na água e evita problemas como corrosão e incrustações, avalia Alberto Abrikian, da Ecosan. Temos hoje dois tipos de tecnologia para que se realize este processo, garante o diretor Ângelo Krieger, Diretor Comercial da Permution. O procedimento pode ser feito através de Troca Iônica ou então por Osmose Reversa, acrescenta. Ambas as ações são eficientes e aplicadas de acordo com as necessidades do que cada cliente irá precisar. Para saber, no entanto, qual será o melhor processo de aplicação é necessária uma análise da água bruta ou clarificada, que antecede o tratamento para a caldeira, existente no local.
Também é importante conhecer a pressão de trabalho da caldeira, pois com o aumento da pressão a pureza da água também tem uma exigência maior. Arno Rothbarth, engenheiro de processos e treinamentos da RTH Consultoria afirma que a análise da água deve constar pH, condutividade e o "balanço iônico" que determina a concentração de todos os principais íons presentes. A soma dos ânions e/ou dos cátions determina a salinidade total da água.
Uma das formas de tratamento da água para as caldeiras está na utilização de um desmineralizador por troca iônica. Esta tecnologia tem sido a preferida no Brasil, devido à baixa salinidade média das águas brasileiras, pela facilidade operacional, baixo custo de aquisição dos equipamentos, baixo custo operacional e alta taxa de recuperação de água, que pode chegar a 98%. A instrumentação de controle de um desmineralizador de troca iônica compreende manômetros, totalizador de vazão, rotâmetros para água afluente e para as soluções regenerantes, e condutivímetro tipo industrial. Vários outros instrumentos podem ser adicionados ao processo, sempre dependendo das necessidades do cliente. O sistema consiste na passagem da água por um leito de resina, que por processos químicos realiza a troca de íons resultando na remoção de elementos não interessantes ao processo, tais como, Cálcio, Magnésio, Sódio, Potássio e Ferro. Este processo possui alta eficiência e confiabilidade. As resinas são capazes de operar em uma única coluna (trocador de leito misto) ou em colunas separadas (trocador de cátions e trocador de ânions). No método de desmineralização por colunas separadas há na primeira coluna uma remoção total dos cátions presentes da água bruta. Esta coluna contém resina catiônica fortemente ácida em ciclo hidrogênio, onde os cátions existentes na água bruta são retidos nas resinas e liberam o cátion H⁺.
Após a substituição, a água passa a conter apenas o cátion H⁺. Em seguida, uma água decationizada (ácida), passa para a segunda coluna. Está irá conter uma resina aniônica trabalhando no ciclo hidróxido (OH^-) que removerá todos os ânions existentes, sílica e gás carbônico dissolvido, substituindo-os pelo ânion hidroxila que, em combinação com o cátion H⁺, formará uma molécula de água (H₂O). "O processo de tratamento que emprega as resinas trocadoras catiônicas e aniônicas é denominado desmineralização", afirma Ângelo Krieger, Diretor Comercial da Permution. "Neste tipo de tratamento temos a substituição dos íons catiônicos (Ca, Mg, Na) por íons hidrogênio e dos íons aniônicos (Cloretos, Sulfatos, Carbonatos, Silicatos, Bicarbonatos e Nitratos) por íons hidroxila", acrescenta. "Deste modo, elimina-se grande parte dos sais presentes na água, tornando-a equivalente à água destilada, eliminando assim os problemas de incrustações, cristalizações e corrosões", completa.
Já em um leito misto, o processo é feito em um único vaso, que trabalha com resinas catiônica e aniônica adequadamente misturadas, obtendo água desmineralizada com valores abaixo de 1,0 µS/cm². O sistema de troca iônica por leito misto requer cuidados especiais para sua regeneração, como a separação física das resinas, introdução de ácido e soda simultâneos e diferentes lavagens.
Além disso, ainda é necessário uma linha de ar comprimido (limpo, seco e sem oleosidade) com baixa pressão, para a mistura das resinas dentro do vaso após as etapas de regeneração das resinas. Desta forma, com duas resinas dentro do mesmo vaso é preciso dois visores de observação para um bom acompanhamento do processo de regeneração. Com um regenerante (ácido) vindo debaixo do vaso e outro por cima (soda), um coletor especial é instalado na altura da linha de separação das resinas.
Os pontos negativos desta tecnologia são poucos comparados aos da tecnologia de osmose reversa. Os principais pontos são:
- Risco de acidente no manuseio de ácido e soda;
- Construção de tanques para armazenar ácido e soda;
- Construção de tanque de neutralização após as regenerações.
Outra maneira também bastante utilizada é a filtração por Osmose Reversa. O sistema tem a mesma finalidade de um desmineralizador por troca iônica, mas funciona de uma maneira diferente. Enquanto um desmineralizador com resinas efetua a troca iônica, a osmose reversa utiliza membranas como filtro, fazendo a seletividade pelo tamanho do íon ou da molécula. Por se tratar de uma filtração, as membranas também retêm alguns tipos de vírus e bactérias presentes na água. Então, a resina realiza um processo químico e a osmose reversa um processo físico de filtração.
Segundo Rothbarth as membranas são fabricadas a partir de material cerâmico ou polimérico, fazem sua seletividade a partir do diâmetro dos poros, permitindo a passagem de alguns componentes e impedindo a passagem de outros. As aplicações de membranas são extensas, e são conhecidas da microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração, eletrodiálise e osmose reserva. Trata-se, portanto, de um processo simples de filtração. Diferente da desmineralização com resinas onde ocorre substituição de íons e a agregação ou reação entre os íons H⁺ e [OH]^- para formar novamente a molécula de água (H₂O).
No tratamento de água para caldeiras de alta pressão é necessária a desmineralização ou dessalinização da água, o que significa a remoção de sais e outros contaminantes, dissolvidos ou misturados à água. "O tratamento típico por este processo, aplicado à água de alimentação de cadeiras é a Osmose Reversa (OR). Recebe este nome, pois são capazes de reverter o processo de osmose (pressão osmótica) que é a passagem de uma solução menos concentrada para uma mais concentrada" comenta Rothbarth. Para reverter este processo osmótico, bombas de alta pressão forçam a passagem da água de um meio mais concentrado para um menos concentrado, tendo como produto, água pura de um lado e água com altos teores de sais do outro. Este efluente com alta concentração de sais e outros contaminantes orgânicos é um "ponto fraco" deste sistema, já que pode provocar problemas ambientais. Como foi citada anteriormente, a rejeição de água pelo processo OR pode chegar a 25% da água afluente. Os pontos negativos desta tecnologia podem ser enumerados da seguinte forma:
- Alto consumo de energia elétrica;
- Alto percentual de água rejeitada;
- Alto custo de pré-tratamento;
- Consumo de antiincrustante durante todo o tempo de operação;
- Redução gradual de permeado devido a saturação das membranas;
- Não é seletiva para sílica;
- Não atinge os níveis de condutividade para caldeiras de alta pressão;
- Necessita de um sistema de desmi através de leito misto de resinas.
O especialista Arno Rothbarth informa ainda que os sistemas de osmose reversa é muito eficiente para caldeiras de baixa e média pressão. Para caldeiras de alta pressão onde os requisitos de concentração de sílica no vapor é de 20 ppb, é necessário instalar um sistema de resinas com leito misto. O especialista traçou ainda alguns cenários típicos e as tecnologias mais indicadas.
Cenário 01: Se a água afluente é de baixa salinidade e as exigências de pureza da água são elevadas, certamente a escolha será pela tecnologia de resinas.
Cenário 02: A água possui elevada salinidade e a pureza exigida não é tão rigorosa, a tecnologia de Osmose Reversa atenderá às necessidades do processo.
Cenário 03: A salinidade é elevada e a pureza da água também é elevada, a recomendação seria pelo uso de tecnologia mista; membranas com duplo passe e polimento em leito misto de resinas.
Cenário 04: A dessalinização de água do mar ou água salobra, a tecnologia de Osmose Reversa sempre será a recomendada. Os leitos de resinas não suportam salinidades de 15.000 ppm ou maiores.
Como as água internas no Brasil possuem baixa salinidade, é importante avaliar todos os aspectos técnicos e econômicos para optar por osmose ou resina, uma análise dos pontos negativos das tecnologias já nos direciona ao melhor cenário, não apenas pelo custo da tecnologia, mas pelo resultado da sua utilização.