Águas de rios, lagos, represas, poços artesianos ou rede pública podem ser utilizadas como fonte para a alimentação de sistemas geradores de vapor. Estar atento à qualidade da água de alimentação das caldeiras é essencial para que seja mantida a confiabilidade do sistema e a caldeira tenha bom funcionamento e longa vida útil. O uso de água inadequada nas caldeiras causa problemas. É importante observar que um tipo de água que dispõe de boa qualidade para uso doméstico ou industrial pode não ser para utilização em caldeiras a vapor(1). "Se as fontes da água forem de rios, ela deverá passar por uma Estação de Tratamento de Água (ETA). Mesmo assim, a água ainda não está apta a ingressar na caldeira", avalia André Ricardo Telles, diretor executivo da Ecosan.

Parâmetros de qualidade para as águas de geração de vapor⁽¹⁾:
Parâmetros físicos: cor e turbidez.
Parâmetros químicos: pH, alcalinidade, dureza, cloretos, oxigênio dissolvido, gás carbônico, sulfatos, sulfitos, fosfatos, sílica, ferro, manganês e sólidos totais.
"Esta água deverá estar de acordo com os parâmetros de potabilidade, parâmetros físicos, cor e turbidez, além de sólidos em suspensão", aponta Telles. Primeiro, são removidos os sólidos grosseiros da água, passando pelos processos de coagulação, floculação, decantação e filtração. Numa segunda fase, são recomendadas a filtração para sólidos em suspensão; a filtração por carvão ativado para eliminar cloro e material orgânico; e a desmineralização composta por cátion, aníon e leito misto quando necessário.

Etapas
De acordo com Silvio Henrique R. Santos, gerente de vendas da EP Química, as etapas que compõem o abastecimento e o tratamento de água de uma caldeira para a produção de vapor são as seguintes:
• Estudo preliminar – Da fonte e qualidade de água.
• Estudo técnico do sistema de vapor – Percentual de retorno condensado, temperatura da água de alimentação, balanço de massa da caldeira, vazão de alimentação, ciclo de concentração, purga, vapor e condensado.
• Definição dos processos e tecnologias para o pré-tratamento – Por exemplo: sistema de desmineralização, abrandador ou osmose reversa.
• Definição do melhor tratamento químico – Em função da qualidade de água de reposição, alimentação (especificação) e limites de pressão de cada caldeira.
Segundo o engenheiro químico Arno Rothbarth, diretor técnico da RTH – Consultoria e Treinamentos, especialista em Utilidades e Cogeração e consultor em Celulose & Papel e Agroindústria, o tratamento de água para caldeiras ou geradores de vapor é feito em três etapas:
Tratamento primário – A clarificação da água, que remove material em suspensão da água. Fazem parte desta etapa a coagulação, a floculação, a decantação e a filtração.
Tratamento secundário – Atua na desmineralização da água e na preparação da água de alimentação da caldeira. Nesta fase, são retirados íons dissolvidos na água. O abrandamento remove os cátions responsáveis pela dureza da água (Ca e Mg) e a desmineralização remove cátions e ânions. Dependendo da pressão da caldeira, será preciso polimento da água através de troca iônica com leito misto de resinas ou eletrodeionização (EDI). O condicionamento da água de alimentação da caldeira, que é a remoção do oxigênio dissolvido na água, também pode ser um tratamento secundário.
Tratamento terciário – Tratamento interno da água na caldeira e o condicionamento do vapor para a distribuição no processo industrial.

Pressão
As caldeiras são equipamentos usados para a geração de vapor em diversas pressões. Não há uma classificação rigorosa das caldeiras em relação à pressão interna do gerador. Normalmente, são classificadas em: baixa, média e alta pressão. "Quanto mais elevada é a pressão, mais complexo fica o tratamento de água", salienta Rothbarth. Em relação à pressão do vapor, segundo ele, são realizados os seguintes tratamentos:
Baixa pressão – Clarificação e abrandamento (remoção de dureza da água).
Média pressão – Clarificação e troca iônica (desmineralização).
Alta pressão – Clarificação, troca iônica (desmineralização) e polimento final em leitos mistos de resinas catiônica e aniônica no mesmo vaso. Conforme Rothbarth, hoje, muitas indústrias substituíram a troca iônica pelas membranas de osmose reversa (OR), que deve ser projetada conforme a pureza da água e do vapor, com restrições à concentração de sílica. Se os padrões exigidos de sílica na água de alimentação da caldeira estiverem abaixo de 0,06 ppm (mg/l), será necessário um polimento para a sílica após a passagem pela osmose reversa. Com a osmose reversa mais o polimento, Rothbarth diz que se pode atingir valores muito baixos de sílica e condutividade:

SiO₂ < 0,06 mg/l e condutividade < 1,0 μS/cm.

O polimento pode ser feito através de troca iônica em leito misto ou pelo processo de eletrodeionização (EDI), sendo a água considerada ultrapura.

Aplicações do vapor
O vapor é usado em várias aplicações nas indústrias em geral. As caldeiras ou boilers (caldeiras elétricas) produzem vapor ou água quente direta e indiretamente para diversos tipos de processos. Os mais comuns são processos aquecidos a vapor em usinas, fábricas e turbinas, usinas de energia elétrica etc.
O vapor gerado nas caldeiras é utilizado no aquecimento direto ou indireto em um processo industrial e como força motriz, impulsionando turbinas para a geração de energia elétrica. "O vapor em baixa pressão é usado em trocadores de calor para aquecimento de diferentes produtos ou da água. Esse vapor é o vapor saturado, diferente do vapor superaquecido utilizado em turbinas", explica Rothbarth.
Os vapores de média e alta pressão podem ser usados em sistemas de cogeração de energia, ou seja, energia mecânica, elétrica e térmica. "Entretanto, para uso em turbinas, o vapor precisa ser superaquecido para aumento da entropia. A temperatura do vapor superaquecido está muito além da temperatura de saturação dele", complementa Rothbarth.
O vapor saturado é feito de água na fase líquida e de água na fase gasosa. Excelente fonte de calor e com alto coeficiente de transferência térmica. Melhora a qualidade dos produtos e a produtividade. O vapor superaquecido produz vapor com temperatura maior do que o vapor saturado à mesma temperatura. Usado em aplicações de propulsão/acionamento. A água supercrítica excede o ponto crítico da água. O volume da parte líquida é o mesmo da parte que é vapor. A água mais quente a uma pressão maior, não é líquido nem gás. É utilizada para movimentar turbinas em usinas de energia que demandem alta eficiência(3).

Aplicações do vapor nas indústrias
• Aquecimento – em processamento de alimentos, refinarias e usinas químicas;
• Esterilização;
• Propulsão/Movimento;
• Motriz;
• Limpeza;
• Hidratação;
• Umidificação;
• Atomização.
Fontes: Ecosan e EP Química.

Qualidade
São diferentes aplicações e qualidade do vapor para cada tipo de uso no processo.
"O fundamental é que a qualidade de água de reposição (pré-tratamento) deve ser especificada de acordo com a pressão de operação para cada caldeira, tratamento químico adequado ao uso e qualidade do vapor. O tratamento químico deve ser o mais ‘limpo possível’ com menor teor de sólidos para evitar arraste no vapor e contaminantes", recomenda Santos. No caso de plantas alimentícias, geralmente é exigida a certificação FDA para os insumos químicos, pelo uso direto ou indireto no processo produtivo.
A água bruta passa por um pré-tratamento para a remoção de materiais em suspensão e dissolvidos. "Dependendo da pressão da caldeira, o tratamento torna-se mais rigoroso à medida que a pressão e a temperatura do vapor aumentam", diz Rothbarth. No balão da caldeira, a água é condicionada para evitar corrosão e incrustação. "Este preparo pode ser feito através de sedimentação de material ou dispersão do material solúvel. Com a evaporação da água no interior da caldeira, a concentração de sólidos aumenta e precisa ser controlada", explica.
O vapor que sai da caldeira também pode provocar corrosão nas linhas de vapor e nos equipamentos onde o vapor será utilizado. "Normalmente, se adiciona uma amina volátil, que protegerá as linhas de vapor e os equipamentos através do controle de pH", ressalta Rothbarth.

Características da água de alimentação da Planta de Desmineralização de Água:

Características da água tratada desmineralizada:

Corrosão, incrustação e arraste
Corrosão, incrustação e arraste de líquido no vapor são problemas que ocorrem em uma caldeira por diversas razões:
Corrosão – Presença elevada de oxigênio dissolvido na água de alimentação, baixo pH no condensado, falta de produtos para neutralizar o oxigênio, como sequestrante de oxigênio, pH baixo ou elevado, alta condutividade e corrosão sob depósito.

Incrustação – Qualidade de água de reposição, excesso de alcalinidade, elevado pH, condensado contaminado, ciclo de concentração elevado e precipitados residuais de fosfato.

Arraste de líquido no vapor – Elevada condutividade e bolhas de ar na interface água/vapor, as quais podem acompanhar o vapor, o que é chamado de espumação. Mudança de carga de uma onda repentina na caldeira, mau projeto da caldeira ou má instalação do equipamento de separação de vapor no tubulão da caldeira, além de operar com nível elevado.
Fonte: EP Química.
Tendo sido realizadas as etapas sequênciais de tratamento, o maior controle deve ser feito na água no interior da caldeira. "Isso porque, com a elevada temperatura, a corrosão e a incrustação podem comprometer a integridade da caldeira", ressalta Rothbarth.
Segundo ele, o tratamento interno da água da caldeira de baixa pressão consome muito mais produtos químicos do que os tratamentos de caldeiras de média e alta pressão. "Os limites de contaminantes são maiores, entretanto, como a pressão é baixa, a temperatura interna também é mais baixa, reduzindo os riscos de incrustação e corrosão. Neste caso, o tratamento secundário utiliza somente o abrandamento, que retira cálcio e magnésio, deixando na água outros íons", salienta.
Em caldeiras de média e alta pressão, o tratamento secundário é feito com desmineralização aniônica e catiônica, o que reduz os riscos de incrustação e corrosão tanto no sistema pré-caldeira quanto no interior da caldeira. "A água de alimentação deverá passar por processos de remoção de oxigênio no desaerador, onde a água de alimentação tem a temperatura elevada acima de 100°C, eliminando a presença de oxigênio dissolvido, responsável por corrosão interna", explica Rothbarth.
As corrosões podem ocorrer em baixa ou alta temperatura. Em baixa temperatura, segundo ele, a maior incidência é corrosão por "Pit" provocada por gases, CO₂ e O₂, como mostram as figuras abaixo.

No desaerador, é possível eliminar 100% dos gases dissolvidos quando a temperatura ultrapassa 100°C, operação chamada de desaeração mecânica. Para garantir a ausência de oxigênio no interior da caldeira, produtos químicos conhecidos como sequestrantes são adicionados no desaerador, fazendo a desaeração química.
As incrustações também comprometem a integridade do gerador de vapor. O pré-tratamento da água é fator determinante no aparecimento das incrustações, que nada mais são do que o aumento de Sólidos Totais Dissolvidos (STD) na água, desde o tratamento primário. "Na geração do vapor, a água pura na forma gasosa deixa a caldeira e os sólidos permanecem no interior dos balões e das tubulações. A incrustação de qualquer natureza aumenta o isolamento entre a água que circula na caldeira e o calor que está no lado oposto. Desta forma, a temperatura do metal superaquece, levando, muitas vezes, ao rompimento do tubo", aponta Rothbarth.

Outras causas da ocorrência das incrustações são o excesso de impurezas na água de alimentação da caldeira, a ação da corrosão com subprodutos que ficam depositados, o vapor contaminado e a inadequação do tratamento químico usado. Mesmo com pouca espessura das incrustações, há elevadas perdas de eficiência devido à baixa condutividade térmica delas.
Os carbonatos de cálcio e de magnésio são elementos que geralmente provocam a incrustação cuja presença sugere dureza na água. Se houver grande quantidade de sílica em suspensão, a incrustação aumenta e forma os silicatos de magnésio e alumínio, que deixam nos tubos uma incrustação muito resistente e difícil de ser removida. Precipitação de sais e/ou óxidos na forma cristalina também provocam incrustações bem coesas e aderidas.
A corrosão ocorre nos tubos das caldeiras principalmente pelo gás carbônico e oxigênio. Com a elevada temperatura da água, a presença de gases, ácidos e sais também têm sua ação ativada. A corrosão está fortemente ligada ao pH da água. Gases dissolvidos e alguns sais ácidos são responsáveis pela queda do pH e aumento da corrosão. A corrosão é o ataque sofrido pelos metais que fazem parte dos componentes do sistema de geração do vapor provocado pela água e suas impurezas(2).

Prevenção e controle
O Grupo EP cita formas de se evitar tais problemas. Uma delas é especificar a qualidade de água de reposição de acordo com as normas de produção de vapor, por exemplo, a Norma de Caldeiras e Vasos de Pressão (Asme). Para reduzir o impacto dos contaminantes no interior das caldeiras e evitar os problemas relacionados, a empresa faz estudos e caracterização das águas disponíveis e projetos de engenharia e construção de sistemas de pré-tratamento, como osmose reversa, desmineralização e abrandadores.
Outra maneira é utilizar agentes químicos apropriados. Em seu Centro de Pesquisa e Conhecimento, a EP dispõe de dispersantes orgânicos e amina multifuncional que substituem os produtos geralmente utilizados, como sequestrante de oxigênio e polifosfatos.
A EP faz estudos de todo tipo de água e características do processo para prevenir problemas nas caldeiras. "Ter experiência, conhecimento e equipamentos automáticos e on-line são as melhores práticas para uso e controle do processo de produção de vapor", ressalta Santos.
A corrosão deve ser monitorada através da medição de pH, condutividade e solubilidade de gases. "O controle é feito ajustando estes parâmetros com produtos químicos e através da desaeração mecânica", explica Rothbarth.
Segundo ele, cada tipo de caldeira tem parâmetros preestabelecidos, entretanto, o controle de pH deve ser muito rigoroso. "Independentemente da pressão da caldeira, os limites de pH da água da caldeira devem estar entre 9,5 e 11,5", especifica.
Já as principais causas da incrustação são a temperatura da água e a concentração de Sólidos Totais Dissolvidos (STD). Estes sólidos (STD) podem ser monitorados através da condutividade da água de alimentação e da água da caldeira. Rothbarth diz que o controle é feito de duas formas:
1) Controle do ciclo de concentração da água da caldeira através das descargas;
2) E quimicamente através da adição de produtos de dispersão ou sedimentação.

Ciclo de concentração = STD água caldeira / STD da água de alimentação

Este ciclo de concentração deve ser estabelecido pelos responsáveis do tratamento químico da água da caldeira e também pela recomendação do fabricante da caldeira.
Para Telles, a forma mais ágil é o controle eficaz da qualidade da água de alimentação do sistema desmineralizador antes da água ir para a caldeira. "Desmineralizar água, seja com troca iônica, seja com osmose reversa, tem seus pontos favoráveis e contras. Caberá aos fabricantes e fornecedores avaliarem antes a qualidade de água para definição", ressalta.
"A água desmineralizada é aproximadamente neutra e contém pequena quantidade de íons de escape, variável com a composição da água a ser desmineralizada e a eficiência da regeneração", diz. Os íons de escape podem ser: cátions sódio, "escape" de troca de cátions ou ânions HCO₃- ou HSiO₃-; no caso de ocorrer escape de Na+, uma parcela dele na água desmineralizada sob a forma de NaOH, faz com que o pH se eleve. "O controle da água desmineralizada é feito através do valor de condutividade e do teor em sílica. São necessários ambos os controles porque uma parte da sílica não estando sob a forma eletrolítica não influi na condutividade", avalia Telles.

Enxugando custos
O custo do sistema de tratamento de água para as caldeiras varia de acordo com o nível de automação requerido, especificação da qualidade de água e vazão. "Quando a qualidade da água é ruim e as descargas de uma caldeira são elevadas, a indústria deverá se preocupar em ter uma empresa parceira que dê a solução e suporte a todo o processo de pré-tratamento, aplicação, automação e controle de performance das caldeiras. Só assim os custos serão reduzidos desde a economia de manutenção interna das caldeiras, energia (gás), consumo de água até insumos de produtos químicos", indica Santos. O Grupo EP elabora estudos de viabilidade técnica/econômica e ROI do investimento.
Rothbarth explica que o custo do tratamento químico da caldeira é baixo quando comparado ao risco de um acidente ou incidente na operação da caldeira. "Caldeiras de alta pressão têm um custo de tratamento químico muito baixo devido à necessidade de utilização de água ultrapura com concentrações insignificantes de STD e sílica", diz.
Agora caso ocorra corrosão ou incrustação, o risco operacional e o custo de manutenção podem ficar muito elevados. "O tratamento químico e o pré-tratamento da água são decisivos para tornar a operação da caldeira mais segura e com menor risco. Há inúmeros casos de caldeiras que apresentam problemas de incrustação que podem levar ao rompimento de tubulação, provocando a parada do gerador de vapor por vários dias, comprometendo a produção na indústria", salienta Rothbarth.
Para Telles, "enxugar significa reduzir possíveis gastos desnecessários para melhorar, controlar e manter os equipamentos sempre operativos", diz.

Fontes citadas por André Ricardo Telles, diretor executivo da Ecosan:
(1) Sarev e Martinelli Júnior (1998 APUD AZZOLINI et al., 2007, s.p.).
(2) Dantas (1988), Mascia (1989) e Altafani (2002).
Outras fontes utilizadas:
(3) www.disparco.com.br

Contato das empresas:
Ecosan: www.ecosan.com.br
EP Química: www.grupoep.com.br
RTH: www.rthconsult.com.br