A medida que las tecnologías de energía renovable eólica y solar sigan evolucionando y madurando, las plantas de energía alimentadas con fósiles, y en particular las unidades alimentadas con carbón, seguirán desapareciendo.Con la pérdida de plantas alimentadas con carbón, se reduce la necesidad en la industria energética de tratamiento de agua de reposición, química de generación de vapor, tratamiento de agua de refrigeración y experiencia en limpieza de descargas de aguas residuales.
Sin embargo, las centrales eléctricas tradicionales que funcionan con combustibles fósiles representan sólo una fracción de las muchas industrias del mundo que generan vapor.Además, continúan evolucionando otros métodos de producción de energía con menor uso intensivo de carbono, donde la química del agua/vapor (y el tratamiento del agua de refrigeración y las aguas residuales) son y seguirán siendo fundamentales.Éstas incluyen: Purificador de agua salada
Sin embargo, como muchos expertos de la industria pueden atestiguar por experiencia, a menudo el personal de la planta se centra en la química y la ingeniería de procesos en detrimento de los sistemas de agua y vapor.Eso es así hasta que ocurre una falla que paraliza parte o toda la planta, o mucho peor, lesiona al personal.Algunas perturbaciones también pueden poner en peligro la planta en lo que respecta a las normas medioambientales.
Esta serie de cuatro partes examinará las tecnologías modernas de tratamiento de agua y control/monitoreo químico para ayudar a los empleados actuales y futuros de la planta con problemas complejos, donde incluso los trastornos aparentemente leves pueden causar dificultades importantes.La discusión tendrá frecuentemente un tono holístico, ya que a menudo un método de tratamiento o una cuestión operativa no se limita a un sistema sino que puede influir en múltiples procesos.Esta primera entrega considerará el tratamiento del agua de reposición.
Dos artículos recientes sobre tecnología del agua han examinado aspectos particulares del tratamiento del agua de reposición1,2.Sin embargo, ninguno de los dos profundizó completamente en dos aspectos muy importantes del proceso, particularmente en el segundo punto que se enumera a continuación:
El resto de este artículo aborda brevemente el primer punto, pero se centra principalmente en el segundo.
Las impurezas en las calderas de alta presión pueden causar deposición y corrosión, y potencialmente pueden transmitirse con el vapor para inducir incrustaciones y corrosión en los sobrecalentadores, recalentadores y turbinas.El control químico adecuado del agua/vapor de la caldera requiere un aporte de alta pureza, programas de tratamiento químico del agua de alimentación/condensado bien diseñados, un monitoreo analítico integral en línea alrededor del circuito y un uso sensato de la purga para mantener las concentraciones de contaminantes del agua de la caldera dentro de los límites, sin desperdiciar energía y agua.Con respecto a la pureza del efluente del sistema de reposición, las pautas del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) recomiendan3:
Las pautas de la Asociación Internacional para las Propiedades del Agua y el Vapor (IAPWS) reemplazan el sodio con la conductividad después del intercambio catiónico (CACE) para calcular la influencia del ingreso de dióxido de carbono al aporte, que a menudo ocurre en tanques de almacenamiento ventilados.El límite CACE recomendado por IAPWS es 0,1 µS/cm4.
Como se informó anteriormente en la Referencia 2, en la Figura 1 se muestra una configuración muy común para la composición de alta pureza de una planta de energía.
El micro o ultrafiltro minimiza la contaminación por partículas de las membranas de ósmosis inversa (RO).Las unidades modernas de ósmosis inversa normalmente pueden eliminar más del 99% de los iones disueltos, lo que deja una carga ligera para una unidad de intercambio iónico o un sistema de electrodosionización (EDI) posterior.El pulidor de intercambio iónico o unidad EDI produce el efluente final de alta pureza.
Mientras que esta configuración o algo similar es común para las unidades generadoras de energía, los requisitos de agua de reposición para las calderas industriales suelen ser menos estrictos, pero siguen siendo importantes.
La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) revisó recientemente sus directrices de larga data para la pureza del agua de calderas industriales5.La Figura 2 es un extracto de esa guía.
El punto clave de esta discusión es que las calderas de baja presión pueden tolerar mayores concentraciones de impurezas debido a menores flujos de calor y al reducido potencial de arrastre de sólidos al vapor.(Examinaremos dichos datos con más detalle en un artículo posterior de esta serie sobre la química del agua de calderas, pero recomendamos a los lectores de este artículo que se comuniquen con ASME (www.asme.org) para comprar una copia de las pautas).
Cuando se trata de impurezas en el agua de calderas de baja presión, el mayor problema potencial es la dureza.Tenga en cuenta el límite bajo de dureza del agua de alimentación de 0,5 mg/L incluso para el rango de presión más bajo de la Figura 2. Para unidades de alta presión, el límite disminuye a cero.
El resultado típico de las variaciones de dureza se muestra a continuación.
Una reacción primaria es:
Las incrustaciones de carbonato de calcio (CaCO3) se forman por la solubilidad inversa del calcio disuelto y la alcalinidad del bicarbonato (HCO3-) con la temperatura.El efecto general de la deposición de incrustaciones sobre las temperaturas de las paredes del tubo se ilustra en la Figura 4.
El sobrecalentamiento del tubo es un resultado común de la formación de incrustaciones.Otros depósitos pueden ser de naturaleza porosa, lo que puede provocar corrosión debajo del depósito, un tema para discusión futura.
En consecuencia, para los generadores de vapor de baja presión, un método de tratamiento de reposición de núcleos muy común durante años ha sido el ablandamiento con sodio.
Un suavizante contiene muchos millones de pequeñas perlas de intercambio iónico y cada perla tiene una enorme cantidad de sitios activos (típicamente el ion sulfonato (SO32-)) que, en forma regenerada, tienen iones de sodio unidos.A medida que el agua pasa a través de la resina, el sodio se intercambia por dureza y otros cationes que tienen una mayor afinidad por los sitios de intercambio.
Un suavizante bien diseñado y utilizado puede reducir la dureza del maquillaje a concentraciones muy bajas, lo que lleva a un punto clave de este artículo.Por experiencia personal y a través de informes de colegas, una enfermedad común en las plantas con fallas en los tubos de calderas es el mal funcionamiento o falla frecuente de los ablandadores de sodio.Las inspecciones de los tubos extraídos fallidos generalmente revelan depósitos similares a los de la Figura 3. Aún más inquietantes son los casos en los que se ordenó a los operadores que pasaran por alto el sistema de reposición cuando el ablandador fallaba y alimentaban directamente agua sin tratar a los generadores de vapor.Las fallas rápidas de las calderas fueron un resultado común, con costos de interrupción y reemplazo de materiales que alcanzaron seis, siete o, a veces, incluso ocho cifras.La ingeniería y la química de procesos no deben reemplazar la operación y el mantenimiento de los sistemas de agua y vapor.Este es un tema que se desarrollará a lo largo de esta serie.
Aparte de la captura de dureza, el ablandamiento con sodio por sí solo no elimina otros iones del agua de reposición.En calderas de baja presión con buen control de purga, la mayoría de las impurezas pueden ser manejables;sin embargo, las cuestiones relativas a la alcalinidad merecen una discusión adicional.
En algunas aplicaciones de control de la corrosión, puede ser deseable una concentración suave de HCO3-, ya que los iones pueden formar una capa protectora suave sobre las superficies metálicas y ayudar a reducir el potencial de corrosión.Sin embargo, el HCO3-, al llegar a la caldera, se convierte en gran medida en CO2 mediante las siguientes reacciones:
La conversión total de CO2 de las reacciones combinadas puede alcanzar el 90%.El CO2 se evapora con vapor y cuando se vuelve a disolver en el condensado, el CO2 puede aumentar la acidez del retorno del condensado e inducir una corrosión significativa del acero al carbono.
En consecuencia, muchos sistemas de ablandamiento están equipados con equipos posteriores para eliminar la alcalinidad.En la Figura 7 se muestra una configuración común.
El sistema incluye un descarbonatador de tiro forzado.La alimentación de ácido aguas arriba de la torre convierte la alcalinidad en CO2, que escapa por el respiradero de la torre.La alimentación cáustica al efluente del descarbonatador reajusta el pH.Esta disposición fundamental puede reducir la alcalinidad a niveles bajos de partes por millón (ppm).Una alternativa al descarbonatador de tiro forzado que se muestra arriba es un dispositivo de ablandamiento con desalcalinizador, donde una unidad de anión base fuerte (SBA) seguiría a los suavizantes.La resina SBA, cuando se regenera con salmuera, coloca la resina en el ciclo del cloruro donde luego puede eliminar la alcalinidad.
El sistema de la Figura 7 no hace nada para eliminar otros iones, incluidos cloruro, sulfato y sílice.En algunos casos, puede resultar beneficioso eliminarlos de la corriente de reposición, especialmente si el condensado que regresa a los generadores de vapor es de buena calidad.En ese sentido, la OI básica de dos etapas y de un solo paso se está volviendo más común como reemplazo del suavizante.RO eliminará el 99% o más del total de iones disueltos.Esto permite aumentar los ciclos de concentración de la caldera, lo que da como resultado una purga reducida.
De vez en cuando, se verán referencias que llaman al agua desmineralizada “agua hambrienta”, lo que implica que es similar al ácido y será muy agresiva con los metales, particularmente el acero al carbono.Como se ha demostrado en la industria energética, con un acondicionamiento adecuado del pH el agua purificada no es agresiva de esa manera.
La falta de atención a la operación y el mantenimiento del sistema de agua de reposición puede causar graves problemas de deposición y corrosión en los generadores de vapor.Las fallas posteriores pueden ser costosas y potencialmente peligrosas.Este artículo abordó varios de los aspectos más importantes del tratamiento del agua de reposición para generadores de vapor.
Brad Buecker es presidente de Buecker & Associates, LLC, consultoría y redacción técnica/mercadeo.Más recientemente, se desempeñó como publicista técnico senior en ChemTreat, Inc. Tiene más de cuatro décadas de experiencia en la industria energética o en apoyo a ella, gran parte de ella en puestos de química de generación de vapor, tratamiento de agua, control de calidad del aire e ingeniería de resultados en City Water, Light. & Power (Springfield, Illinois) y la estación La Cygne, Kansas de Kansas City Power & Light Company (ahora Evergy).Buecker tiene una licenciatura en química de la Universidad Estatal de Iowa con cursos adicionales en mecánica de fluidos, equilibrios de energía y materiales, y química inorgánica avanzada.Puede ser contactado en [email protected].
Katie Perryman es directora del equipo técnico de pretratamiento de ChemTreat.Tiene nueve años en la industria del tratamiento de agua con un enfoque en aplicaciones de pretratamiento que incluyen sistemas de separación de membranas y de intercambio iónico.Ha dedicado su tiempo en ChemTreat brindando apoyo a una amplia variedad de clientes en las industrias de energía, química, alimentos y bebidas y transporte, entre otras.Perryman tiene una licenciatura en química de Virginia Tech.Puede comunicarse con ella en [email protected].
Brad Buecker se desempeñó recientemente como publicista técnico senior en ChemTreat, Inc. Tiene más de cuatro décadas de experiencia o está afiliado a las industrias de tratamiento de agua y energía, gran parte de ella en química de generación de vapor, tratamiento de agua de reposición de alta pureza, puestos de ingeniería de resultados y control de calidad del aire en City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) y en la estación La Cygne, Kansas de Kansas City Power & Light Company (ahora Evergy).También pasó dos años como supervisor interino de agua y aguas residuales en una planta química y once años en dos empresas de ingeniería.Buecker tiene una licenciatura en química de la Universidad Estatal de Iowa con cursos adicionales en mecánica de fluidos, equilibrios de energía y materiales, y química inorgánica avanzada.Es autor o coautor de más de 250 artículos para varias revistas técnicas y ha escrito tres libros sobre química de plantas de energía y control de la contaminación del aire.Es miembro del comité de planificación del Taller de Química de Servicios Eléctricos de ACS, AIChE, AIST, ASME, NACE (ahora AMPP).Buecker forma parte del consejo asesor editorial de la revista Water Technology.Recibió el Premio Paul Cohen 2013 de la Conferencia Internacional del Agua (IWC) y ha sido seleccionado para recibir el Premio al Mérito de la IWC para 2022.
Máquina de cloración por electrólisis Katie Perryman es directora del equipo técnico de pretratamiento de ChemTreat.Tiene nueve años en la industria del tratamiento de agua con un enfoque en aplicaciones de pretratamiento que incluyen sistemas de separación de membranas y de intercambio iónico.Ha dedicado su tiempo en ChemTreat brindando apoyo a una amplia variedad de clientes en las industrias de energía, química, alimentos y bebidas y transporte, entre otras.Perryman tiene una licenciatura en química de Virginia Tech.Puede comunicarse con ella en [email protected].