Trattamento dell'acqua di caldaia: perché il calcare uccide il rendimento
La maggior parte delle caldaie non si guasta all'improvviso. Perde rendimento in silenzio, una frazione di punto percentuale alla volta, mentre un sottile strato minerale si forma sul lato acqua delle superfici di scambio. Nessuno lo vede, il vapore continua ad arrivare, e l'unico sintomo è una bolletta del combustibile che sale e fumi un po' più caldi ogni mese. Quando un tubo si deforma o un focolare si crepa, il danno è stato fatto anni prima.
Quello strato è il calcare, e impedirlo è il compito del trattamento dell'acqua di alimento. Questa guida spiega che cos'è il calcare e perché si forma, quanto costa davvero in combustibile e in vita della caldaia, come si costruisce un sistema di trattamento passo dopo passo e come capire se il vostro non funziona. Amplia la breve sezione sulla qualità dell'acqua della nostra pagina caldaie a vapore industriali .
Che cos'è il calcare e perché si forma
Tutta l'acqua naturale contiene minerali disciolti. Quelli che contano di più in una caldaia sono i sali di durezza, calcio e magnesio, insieme alla silice. Due fattori li spingono fuori dalla soluzione e sul metallo.
Il primo è la temperatura. A differenza della maggior parte delle sostanze, il carbonato e il solfato di calcio diventano meno solubili man mano che l'acqua si scalda, quindi escono dalla soluzione proprio dove l'acqua è più calda: sulle superfici dei tubi e del focolare, dove entra il calore.
Il secondo è la concentrazione. Una caldaia trasforma l'acqua in vapore, e il vapore esce quasi puro, senza portare con sé nessun minerale. Tutto ciò che è entrato con l'acqua di alimento resta dentro. Ora dopo ora l'acqua di caldaia si concentra, finché i minerali non riescono più a restare disciolti e si depositano come uno strato duro, simile alla pietra.
| Deposito | Da dove proviene | Perché conta |
|---|---|---|
| Carbonato di calcio | Acqua dura con alcalinità carbonatica | Il calcare più comune; relativamente tenero ma isolante |
| Solfato di calcio e magnesio | Acqua dura ricca di solfati | Più duro e aderente, difficile da rimuovere |
| Silice e silicati | Acque sotterranee e alcune acque superficiali | Vetroso e molto isolante; molto difficile da pulire |
| Ossidi di ferro | Corrosione nel circuito di alimento e nelle linee delle condense | Segno di corrosione altrove; si aggiunge ai depositi |
Il primo costo: il combustibile
L'acciaio conduce bene il calore. Il calcare lo conduce male, molte volte peggio dell'acciaio, e il calcare ricco di silice ancora peggio. Uno strato di calcare si interpone tra la fiamma e l'acqua come una coperta, quindi meno calore raggiunge l'acqua e più ne esce dal camino.
I dati di settore più usati, come quelli delle schede tecniche sul vapore delle agenzie per l'energia, collocano la perdita intorno all'1–2 percento del combustibile per ogni 0,4–0,8 mm di normale calcare carbonatico, e diverse volte di più per il calcare contenente ferro o silice. Sono valori approssimativi, perché i depositi reali variano, ma la direzione non è mai in dubbio: il calcare costa sempre combustibile, e la perdita cresce a ogni millimetro.
Per dare un numero, prendiamo l'impianto a gas da 2 t/h del nostro confronto dei combustibili per caldaie industriali, che brucia circa 5.440 MWh di gas all'anno:
| Rendimento perso a causa del calcare | Combustibile aggiuntivo all'anno | Gas naturale aggiuntivo all'anno |
|---|---|---|
| 2% (sottile calcare carbonatico) | circa 110 MWh | circa 11.000 Nm³ |
| 5% (calcare più spesso o ricco di silice) | circa 270 MWh | circa 28.000 Nm³ |
Quel combustibile si brucia ogni anno in cui il calcare resta al suo posto, oltre a tutto ciò che l'impianto richiedeva comunque. Nella maggior parte degli impianti è molto più del costo annuo di un addolcitore e del suo sale.
Il secondo costo: metallo surriscaldato
Il combustibile è il costo che si paga lentamente. Il danno al metallo è il costo che si paga tutto in una volta.
Un tubo o un focolare di caldaia resiste al calore della fiamma solo perché l'acqua dall'altra parte porta via il calore alla stessa velocità con cui arriva. Il metallo resta vicino alla temperatura dell'acqua. Mettete uno strato di calcare tra metallo e acqua e quel raffreddamento si interrompe: il calore continua ad arrivare, ma non riesce a uscire altrettanto facilmente, e il metallo si scalda di più.
L'acciaio perde resistenza all'aumentare della temperatura. Un tubo ampiamente resistente alla sua temperatura di progetto può indebolirsi fino a deformarsi, formare bolle o criccarsi alla stessa pressione quando lavora molto più caldo. Nelle caldaie a tubi di fumo, il tubo focolare, che riceve il calore più intenso, è di solito il primo a soffrirne. Questi guasti sono costosi da riparare, fermano la produzione e nei casi peggiori sono pericolosi: per questo i recipienti a pressione vengono ispezionati e per questo il trattamento dell'acqua è una condizione di esercizio sicuro, non un optional.
L'altro nemico: l'ossigeno disciolto
Il calcare è solo metà del problema. L'acqua contiene anche ossigeno e anidride carbonica disciolti, che non formano calcare. Provocano invece corrosione.
L'ossigeno attacca l'acciaio con una vaiolatura localizzata: piccoli fori profondi invece di una perdita uniforme di metallo, ed è per questo che una caldaia può sembrare sana e perdere lo stesso. L'anidride carbonica lascia la caldaia con il vapore, si scioglie nelle condense come acido carbonico e corrode le tubazioni di ritorno. Il ferro asportato dalla corrosione torna poi in caldaia e si aggiunge ai depositi. Un buon programma di trattamento affronta insieme calcare e corrosione.
Come si costruisce un sistema di trattamento
Il trattamento dell'acqua di alimento è una catena, e ogni anello elimina un problema diverso. Non tutti gli impianti hanno bisogno di tutti gli anelli, ma ogni impianto deve sapere quali ha tralasciato e perché.
1. Filtrazione
Rimuove solidi sospesi, sabbia e limo prima che raggiungano l'addolcitore o le membrane. Economica, semplice, è la base di tutto ciò che segue.
2. Addolcimento
Un addolcitore a scambio ionico sostituisce calcio e magnesio con sodio, che resta disciolto alle temperature di caldaia e non forma calcare. È il passaggio singolo più importante per la maggior parte degli impianti e il minimo per qualsiasi caldaia a vapore alimentata con acqua dura. Notate ciò che non fa: l'addolcimento non riduce la quantità totale di solidi disciolti e non rimuove la silice.
3. Osmosi inversa, dove l'acqua lo richiede
L'osmosi inversa spinge l'acqua attraverso una membrana che trattiene la maggior parte dei sali disciolti, silice compresa. Dove l'acqua di reintegro è ricca di solidi disciolti o di silice, trasforma l'economia della caldaia, come mostra l'esempio sugli spurghi qui sotto. Non è gratuita: un impianto a membrane scarta parte dell'acqua come concentrato, consuma elettricità e richiede a monte acqua addolcita o condizionata per proteggere le membrane.
4. Degasazione
L'acqua calda trattiene meno gas di quella fredda. Un serbatoio di alimento mantenuto intorno a 85–90 °C elimina buona parte dell'ossigeno, e un degasatore pressurizzato, che porta l'acqua all'ebollizione con il vapore, lo rimuove quasi del tutto. Gli impianti più piccoli combinano spesso un serbatoio caldo con un deossigenante chimico per eliminare il resto.
5. Condizionamento chimico interno
I prodotti chimici dosati nell'acqua di alimento mantengono l'acqua di caldaia alla giusta alcalinità, trasformano la durezza residua in un fango morbido che si può spurgare invece di cuocersi in calcare, e tengono quel fango in sospensione. Dove le condense ritornano, ammine neutralizzanti proteggono le linee di ritorno dall'acido carbonico. Negli stabilimenti alimentari e farmaceutici in cui il vapore tocca il prodotto, la scelta dei prodotti è limitata e va concordata con il fornitore del trattamento.
6. Spurghi
Per quanto buono sia il trattamento, i solidi disciolti entrati con l'acqua di alimento restano in caldaia. Lo spurgo rimuove una quantità controllata di acqua di caldaia concentrata per mantenere la concentrazione sotto il limite. Lo spurgo continuo o automatico controlla i solidi disciolti; brevi spurghi di fondo rimuovono il fango che si deposita nella parte più bassa della caldaia.
Gli spurghi: il costo di un'acqua di alimento sporca, in numeri
Lo spurgo è il punto in cui la qualità dell'acqua di alimento si traduce direttamente in denaro, perché ogni chilogrammo spurgato è acqua trattata, portata alla temperatura di caldaia e poi buttata. La quantità necessaria segue una regola semplice:
Spurgo come quota del vapore = TDS dell'acqua di alimento ÷ (limite di TDS dell'acqua di caldaia − TDS dell'acqua di alimento)
Ecco lo stesso impianto da 2 t/h, con una media di 1.200 kg/h di vapore a 10 bar (rel.) per 6.000 ore l'anno e un limite di 3.000 mg/L per l'acqua di caldaia, prima con acqua addolcita e poi con acqua da osmosi inversa:
| Acqua di alimento addolcita (TDS 250 mg/L) | Acqua di alimento da osmosi inversa (TDS 20 mg/L) | |
|---|---|---|
| Spurgo come quota del vapore | circa 9% | meno dell'1% |
| Portata di spurgo | circa 110 kg/h | circa 8 kg/h |
| Acqua calda scaricata all'anno | circa 650 m³ | circa 50 m³ |
| Calore scaricato all'anno | circa 123 MWh | circa 9 MWh |
| Gas bruciato per reintegrarlo | circa 14.000 Nm³ | circa 1.000 Nm³ |
L'acqua di spurgo esce alla temperatura di caldaia, circa 184 °C a 10 bar (rel.), quindi ogni chilogrammo porta via diverse volte il calore dell'acqua fredda che lo sostituisce. Per questo un'acqua di alimento più pulita ripaga due volte: meno spurgo significa meno acqua e prodotti chimici, e meno calore buttato. Su un impianto grande, un recipiente di flash e uno scambiatore possono inoltre recuperare buona parte del calore dello spurgo residuo.
Il confronto non esaurisce l'economia dell'osmosi inversa, perché l'impianto a membrane ha i propri costi di esercizio e acqua di scarto. Mostra però perché fonti d'acqua ricche di TDS rendono l'osmosi inversa degna di un preventivo, e perché il ritorno di condense pulite, quasi prive di solidi disciolti, è uno dei migliori investimenti in qualsiasi impianto a vapore.
Obiettivi tipici di qualità dell'acqua
I limiti esatti dipendono dal tipo di caldaia, dalla pressione e dalla documentazione del costruttore, che prevale sempre. Come guida generale per le caldaie a vapore a tubi di fumo:
| Parametro | Obiettivo tipico | Perché |
|---|---|---|
| Durezza totale dell'acqua di alimento | Il più vicino possibile a zero, di solito sotto circa 2 mg/L come CaCO₃ | La durezza è la materia prima del calcare |
| Ossigeno disciolto nell'acqua di alimento | Il più basso possibile dopo degasazione e deossigenazione | L'ossigeno provoca corrosione per vaiolatura |
| pH dell'acqua di alimento | Circa 8,5–9,5 | Protegge il circuito di alimento dalla corrosione |
| pH dell'acqua di caldaia | Circa 10,5–12 | L'acqua alcalina protegge l'acciaio della caldaia |
| TDS dell'acqua di caldaia | Sotto il limite del costruttore, spesso 2.000–3.500 mg/L | Oltre, iniziano schiuma e trascinamento |
| Silice dell'acqua di caldaia | Entro il limite per la pressione di esercizio | I limiti si restringono all'aumentare della pressione |
Le caldaie ad acqua calda a circuito chiuso sono più tolleranti, perché circola sempre la stessa acqua ed entra poca acqua nuova. Il rischio è il reintegro ripetuto per compensare le perdite, che porta ogni volta nuova durezza e nuovo ossigeno.
L'acqua nel Golfo: due problemi opposti
Gli impianti del Golfo si trovano spesso di fronte a una di due acque di origine molto diverse, che richiedono trattamenti diversi.
- Le acque sotterranee sono spesso dure e ricche di solidi disciolti e silice. L'addolcimento da solo lascia alti i solidi disciolti, quindi lo spurgo resta elevato, e non tocca la silice. L'osmosi inversa è spesso giustificata.
- L'acqua dissalata ha poca durezza ma anche poca alcalinità naturale, che tampona la corrosione, quindi può essere aggressiva verso l'acciaio se non viene condizionata. Qui l'attenzione passa dal controllo del calcare al controllo del pH e alla degasazione.
Molti siti usano entrambe le fonti in momenti diversi, quindi l'unica base affidabile per il progetto è una vera analisi dell'acqua che userete davvero. Come le condizioni dell'acqua influiscono sulla scelta tra vapore, acqua calda e olio diatermico è trattato nella nostra guida vapore, acqua calda o olio diatermico, e le condizioni locali più ampie nella nostra pagina scaldabagni in Arabia Saudita .
I segnali di un trattamento dell'acqua che non funziona
- Temperatura dei fumi in aumento a parità di carico. Il calore che non raggiunge più l'acqua esce con i fumi; un aumento costante è il classico segnale precoce di incrostazione.
- Combustibile per tonnellata di vapore in aumento senza variazioni nella produzione.
- Addolcitore che rigenera in ritardo o non rigenera, oppure durezza rilevata nell'acqua addolcita.
- Schiuma, trascinamento o vapore umido, spesso causati da un TDS troppo alto nell'acqua di caldaia.
- Condense scolorite o rugginose, segno di corrosione nel circuito di ritorno.
- Allarmi frequenti di basso livello o livello instabile, che possono accompagnare la schiuma.
- Calcare o vaiolatura visibili all'ispezione, il che significa che il danno è già iniziato.
Una semplice routine di analisi
| Analisi | Frequenza | Che cosa indica |
|---|---|---|
| Durezza dell'acqua addolcita | Ogni giorno, o a ogni turno negli impianti grandi | Se l'addolcitore fa il suo lavoro |
| TDS o conducibilità dell'acqua di caldaia | Ogni giorno | Se lo spurgo è regolato correttamente |
| pH e alcalinità dell'acqua di caldaia | Da giornaliera a settimanale | Se il dosaggio chimico è corretto |
| Riserva chimica (per esempio solfito o fosfato) | Da giornaliera a settimanale | Se ossigeno e durezza vengono gestiti |
| Temperatura del serbatoio di alimento | A ogni turno | Se l'ossigeno viene eliminato |
| Conducibilità delle condense | Settimanale, o in continuo | Se le condense sono contaminate prima di tornare |
Registrate i risultati. Un registro trasforma letture singole in tendenze, ed è la tendenza, non un singolo numero, a mostrare un problema abbastanza presto da risolverlo a basso costo.
Se il calcare si è già formato
Il calcare si può rimuovere con una pulizia chimica ad acidi inibiti o con mezzi meccanici, a seconda del deposito e della caldaia. In entrambi i casi è un lavoro da specialisti: l'acido sbagliato o la procedura sbagliata possono danneggiare la caldaia più del calcare, e pulire senza correggere la causa rimette solo l'orologio a zero. La sequenza è sempre la stessa: identificare il deposito, rimuoverlo in sicurezza, poi correggere il trattamento perché non ritorni.
Domande frequenti
Perché il trattamento dell'acqua di caldaia è necessario?
Perché l'acqua non trattata deposita calcare, che spreca combustibile e surriscalda il metallo, e porta ossigeno, che corrode l'acciaio. Il trattamento protegge sia il rendimento sia la sicurezza della caldaia, ed è di solito una condizione della garanzia del costruttore.
Quanto combustibile fa sprecare il calcare in caldaia?
I dati di settore più comuni la stimano intorno all'1–2 percento del combustibile per ogni 0,4–0,8 mm di calcare normale, e di più per depositi ricchi di silice o ferro. Su un impianto a gas da 2 t/h, una perdita del 2 percento vale circa 11.000 Nm³ di gas all'anno.
Basta un addolcitore per una caldaia a vapore?
Per molti impianti con acqua moderatamente dura, un addolcitore con degasazione, condizionamento chimico e spurghi corretti è sufficiente. Dove l'acqua è ricca di solidi disciolti o silice, l'addolcimento da solo lascia spurghi elevati e silice non trattata, e l'osmosi inversa merita di solito una valutazione.
Che cos'è lo spurgo della caldaia?
La rimozione controllata di acqua di caldaia concentrata per mantenere i solidi disciolti sotto il limite, più brevi spurghi di fondo per eliminare il fango depositato. Più l'acqua di alimento è pulita, meno spurgo serve.
Perché eliminare l'ossigeno dall'acqua di alimento?
L'ossigeno disciolto provoca corrosione per vaiolatura, piccoli fori profondi che possono perforare tubi e serbatoi mentre il metallo circostante sembra sano. Riscaldare l'acqua di alimento e aggiungere un deossigenante lo eliminano.
Il ritorno delle condense aiuta davvero?
Sì, in tre modi. Le condense sono calde, quindi fanno risparmiare combustibile; sono quasi prive di solidi disciolti, quindi riducono lo spurgo; e sono già trattate, quindi tagliano i costi di acqua e prodotti chimici.
Trattamento dell'acqua progettato fin dall'inizio, non aggiunto dopo
I nostri sistemi a vapore sono progettati con trattamento dell'acqua, serbatoi di alimento e degasazione come parte dell'impianto, e i nostri gruppi su skid arrivano già configurati. Inviateci un'analisi dell'acqua, o almeno diteci da dove proviene, insieme alla domanda di vapore e al ritorno delle condense, e i nostri ingegneri definiranno la catena di trattamento adatta.
I recipienti a pressione sono progettati secondo i requisiti ASME e ogni unità è prodotta nell'ambito di un sistema di gestione della qualità certificato ISO 9001:2015. Scrivete a sales@eauchauffage.com o chiama +1 (905) 299-3382. Sfogliate l'intera gamma di caldaie a vapore.