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Prevención de incrustaciones en el agua de la caldera: ¿Cómo controla un analizador de calidad del agua la dureza y la sílice para prolongar la vida útil del equipo?
Introducción
La formación de incrustaciones en las calderas puede tener consecuencias negativas para la economía y los equipos. La formación de la capa dura causada por la presencia de dureza y sílice en el agua puede reducir la transferencia térmica. El acero al carbono, material común en las calderas, tiene una conductividad térmica de aproximadamente 50 W/mK. Mientras que las incrustaciones de calderas, como el sulfato de calcio, pueden tener una conductividad de 0,6 W/mK. Esto significa que el calentador debe aumentar considerablemente su potencia para que el calor pase a través de las incrustaciones.¿Qué son las incrustaciones en el agua de la caldera y por qué son un problema?
Las calderas son dispositivos que producen vapor mediante el cambio de fase del agua. Normalmente utilizan gas natural, propano, petróleo, carbón o electricidad como fuente de calor. Cuando el agua con alta dureza o sílice entra en la caldera, deja incrustaciones que pueden depositarse en los elementos calefactores. Además, se forman lodos en el fondo, que se expulsan de la caldera para mantener la química.Razones para la formación de incrustaciones
Ahora que sabemos que la formación de incrustaciones es un problema para el funcionamiento de la caldera, podemos pasar a la razón por la que se produce la formación de incrustaciones:
Dureza del agua
La dureza del agua se manifiesta por la presencia de iones de calcio y magnesio. Bajo calor, estos iones precipitan como carbonatos y sulfatos. En condiciones alcalinas, se transforman en carbonato de calcio e hidróxido de magnesio. Estos forman una capa dura sobre la superficie del calentador. Incluso con una concentración inferior a 0,1 ppm, las calderas de alta presión con altas temperaturas pueden acelerar su deposición cristalina. Si no se controla, puede provocar la reducción del diámetro interno de las tuberías.Presencia de sílice en el agua
En comparación con la dureza, la sílice forma una capa más vítrea. Es mucho más densa que la cal. Su conductividad es mucho peor que la de la cal. Incluso con una capa microscópicamente delgada, la transferencia de calor requerida puede provocar fallos o sobrecalentamiento de los elementos calefactores. La deposición es casi permanente. Su eliminación puede requerir perforación mecánica o ácido fluorhídrico, que es peligroso. Además, a una presión de 400 psig, la sílice se convierte en vapor, que puede filtrarse a equipos como turbinas y dañar sus álabes.Estándares de calidad del agua recomendados para calderas
Los parámetros de calidad del agua suelen ser determinados por el fabricante de la caldera. Se recomienda mantener la composición química del agua dentro del rango definido. Sin embargo, estos suelen ser los mismos que se mencionan en el código CRTD-Vol. 34 de ASME (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos). El título del código es "Consenso sobre Prácticas Operativas para el Control de la Composición Química del Agua de Alimentación y del Agua de Caldera". Es el estándar de referencia de la industria para calderas acuotubulares. La guía general proporciona una tabla que destaca la necesidad de ajustar los requisitos de composición química según la presión de operación:Parámetro | 0-300 psig | 301-600 psig | 901-1000 psig |
Dureza total (ppm) | <0,3 | <0,2 | Ninguno detectado |
Sílice (ppm) | <150 | <40 | <8 |
Alcalinidad total (ppm) | <700 | <500 | <200 |
Conductancia específica | 7000 S/cm | 5000 S/cm | 2000 S/cm |
Cómo funcionan los analizadores de calidad del agua
Los analizadores de calidad del agua son los ojos que controlan el proceso de la caldera. La presencia de iones de calcio y magnesio con sílice es indetectable para el ojo humano. Los analizadores de calidad del agua utilizan tecnología sofisticada para detectar estas impurezas en el contexto de la prevención de incrustaciones en el agua de la caldera. Así es como lo hacen:Monitoreo de la dureza
La técnica más moderna y rápida para el análisis de la dureza del agua son los electrodos selectivos de iones (ISE). El sensor está diseñado para reaccionar con iones de calcio y magnesio. Funciona según el principio de la ecuación de Nernst:Monitoreo de sílice
En comparación con la dureza, el monitoreo de sílice requiere un diseño mucho más sofisticado en los analizadores de calidad del agua, especialmente para prevenir la formación de incrustaciones en el agua de calderas. El método más común es el método del azul de molibdeno. Convertimos el agua que contiene sílice a un color azul intenso para su detección. La sílice reacciona con el molibdato en condiciones ácidas, lo que resulta en la formación de azul de molibdato de silicio. La intensidad del color azul indica la presencia de sílice en el agua. Un emisor con una frecuencia de 810 nm proyecta luz a través de la muestra de agua. El absorbedor en el otro extremo detecta la cantidad de luz que realmente la atraviesa. La generación de la señal es directamente representativa de la sílice presente en el agua. La capacidad de detección del analizador de calidad del agua con sílice es de 0 a 200 ppb con una precisión de ±1%.Monitoreo en tiempo real y alerta temprana para la prevención de incrustaciones
El monitoreo de la presencia de iones de calcio, magnesio y sílice en tiempo real ofrece enormes ventajas para la prevención de incrustaciones en las calderas.
Sistema de control automatizado
Los informes de análisis de laboratorio pueden tardar horas en diagnosticar un problema, lo que posteriormente requiere una operación manual. Esto provoca la formación de incrustaciones durante el proceso. El monitoreo moderno en tiempo real de los analizadores de calidad del agua proporciona valores en tiempo real con acciones de control directas mediante su integración con el Sistema de Control Distribuido (DCS).
El sistema puede iniciar la purga de la caldera para eliminar los minerales concentrados. Además, las bombas químicas pueden inyectar inhibidores de incrustaciones al aumentar la dureza para proteger los elementos calefactores de las calderas.
Preservación de la capacidad de transferencia de calor
Mediante la detección temprana, podemos prevenir la formación de incrustaciones. Como mencionamos anteriormente, una incrustación de 1/16" puede reducir la eficiencia operativa de la caldera en un 5 %. El sistema puede generar alarmas, lo que permite evitar los puntos calientes localizados que provocan abombamiento de los tubos o fragilización por hidrógeno.
Análisis forense
Los analizadores modernos de calidad del agua pueden detectar y registrar datos durante 30 días o más. Gracias a su integración con DCS, los operadores pueden detectar una tendencia al alza a lo largo del día. Esto puede indicar la degradación o el agotamiento de los desmineralizadores para el funcionamiento de las calderas.
Reducción del consumo energético y de los costes de mantenimiento
Al prevenir la formación de incrustaciones, se reduce el sobrecalentamiento y la fatiga por corrosión. Esto puede prolongar la vida útil de las calderas y equipos asociados entre un 20 % y un 30 %. Además, se reduce considerablemente la necesidad de una limpieza química agresiva, lo que previene el adelgazamiento del metal de la caldera con el tiempo. A continuación, se presenta una tabla que muestra el impacto de las incrustaciones en la eficiencia de las calderas, que se evita fácilmente mediante el uso de analizadores de calidad del agua:
Espesor de la escala (pulgadas) | Pérdida de eficiencia (%) | Aumento del costo de la energía (%) |
0.016 | 5 | 5-10 |
0.043 | 10 | 10-15 |
0.094 | 15 | 15-20 |
0.177 | 20 | 20-25 |
Conclusión
Las calderas son equipos costosos que requieren supervisión constante durante su funcionamiento para evitar paradas prolongadas por mantenimiento. Una de las principales causas de la degradación de la eficiencia de las calderas y de los daños en los equipos es la presencia de dureza y sílice en el agua de alimentación. Los analizadores avanzados de calidad del agua, que funcionan con el principio de Electrodos Selectivos de Iones (ISE) y el método del Azul de Molibdeno, pueden detectar cambios mínimos en los niveles de iones de magnesio/calcio y sílice, respectivamente. El resultado es un mejor control de la caldera, mayor vida útil del equipo, menor mantenimiento y mayor eficiencia.
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