Caldeiras
Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo.
2. Tipos de Caldeiras e Suas Utilizações
Muitas são as formas de classificarmos as caldeiras, por esta razão apresentamos a seguir as mais conhecidas:
Quanto
ao Fluido que Passa Pelos Tubos:
Caldeiras Flamotubulares
Caldeiras Aquotubulares
Quanto à Fonte de Calor
Caldeiras Elétricas
Caldeiras com Câmaras de Combustão
Caldeiras de Recuperação
Caldeiras de Fluido Térmico
Quanto à Movimentação da água
nos Tubos
Caldeiras de Circulação Natural
Caldeiras de Circulação Forçada
Quanto à Pressão da Câmara de
Combustão
Caldeiras de Pressão Positiva
Caldeiras de Pressão Negativa
Quanto à Tiragem
Caldeiras de Tiragem Forçada
Caldeiras de tiragem Induzida
Caldeiras de tiragem Balanceada
Quanto à Pressão de Operação
Caldeiras Subcritica
Caldeiras Supercriticas
Quanto ao Tipo de Combustível
Caldeiras a Combustíveis Líquidos
Caldeiras a Combustível Sólido
Caldeiras a gás
O quadro a seguir apresenta uma distribuição das caldeiras levando em conta suas capacidades e pressões:
Estamos tão acostumados a trabalhar com caldeiras para usinas de geração de energia elétrica, na sua maioria de médio ou grande porte e com elevadas capacidades de geração de vapor, e consequentemente do tipo aquotubular, que consideramos as caldeiras flamotubulares como verdadeiras "caldeirinhas".
Entretanto, é importante que saibamos que a grande maioria das caldeiras distribuídas por todo o mundo são caldeiras de pequeno porte, do tipo flamotubular e estas, apesar de parecerem tão inofensivas são os equipamentos de geração de vapor que mais tem causado acidentes com vítimas.
Nas caldeiras flamotubulares os produtos gasosos resultados da queima do combustível, são adequadamente direcionados para circularem nas partes internas dos tubos de troca de calor, os quais estão circundados com a água que queremos transformar em vapor. Como estes tubos estão totalmente cobertos externamente pela água, a transferência de calor ocorre em todas a área da superfície tubular.
A superfície de troca de calor das caldeiras é dimensionada pelo projetista em função da capacidade da geração de vapor que se deseja obter, porém, para que a troca se torne mais eficiente, dá-se preferência a aplicação de um elevado número de tubos de diâmetro relativamente pequeno ao invés do uso de uma pequena quantidade de tubos de grande diâmetro. Estes tubos são posicionados em feixes tanto verticalmente como horizontalmente, mas estes últimos são mais freqüentes.
Existe uma infinidade de tipos e formas de caldeiras flamotubulares no mercado e dentre as características que as distingue temos:
As caldeiras flamotubulares são utilizadas apenas para a produção de vapor saturado pois a troca de calor é feita sempre entre o tubo com gás quente na parte interna envolvido completamente com água na forma líquida.
Assim, não havendo troca de calor adicional entre os gases e o vapor já gerado, exceto em caldeiras de queima combinada na qual uma câmara de queima adicional é instalada para gerar gases para aquecimento do vapor, tornando-o superaquecido.
As caldeiras flamotubulares em sua grande maioria possuem capacidade de geração de vapor reduzida (cerca de 5 toneladas por hora) e pressões inferiores a 20 kg/cm2. Modernamente podemos encontrar caldeiras deste tipo com capacidade superiores atingindo cerca de 30 toneladas de vapor por hora.
As principais vantagens deste tipo de caldeiras em relação as aquotubulares são:
Como desvantagens, possuem limitada capacidade de geração de vapor, e só produzem vapor saturado, o que as torna próprias apenas para a geração de vapor de aquecimento o que muitas vezes não interessa as industrias de grande porte que requerem vapor para acionamento de máquinas de processo como bombas, turbinas, ejetores, etc.
Estas caldeiras têm aplicabilidade bastante reduzida no setor industrial, onde a oferta de combustíveis fósseis ainda é muito elevada e os preços comparativamente vantajosos. Entretanto, em locais onde há pouca oferta de combustíveis e facilidade de obtenção de eletricidade, estas caldeiras devem ser consideradas como opção.
Basicamente a caldeira elétrica é constituída de um vaso de pressão não sujeito a chama, um sistema de aquecimento elétrico e de um sistema de água de alimentação. O rendimento deste tipo de caldeira é bastante elevado já que por efeito joule a troca de calor ocorre no interior da massa líquida sem perda do calor gerado.
O custo deste equipamento se torna reduzido devido a inexistência de dutos, câmaras de queima, queimadores, tubos de troca de calor, refratários, chaminés, dispersão de poluentes, etc.
Duas técnicas são usadas para a troca de calor nas caldeiras elétricas. A primeira consiste na introdução dentro do vaso de um conjunto de resistores blindados nos quais circula a corrente elétrica com alta liberação de calor. A potência dissipada - RI2 é diretamente transferida para a água pelo processo de convecção.
A outra técnica, consiste da condução elétrica, que acontece através da própria massa de água por onde circula a corrente elétrica entre eletrodos adequadamente posicionados. Neste caso a energia se dissipa na água também por efeito joule. Para que este segundo método tenha efeito é necessário que a água possua um valor de condutividade capaz de permitir a circulação elétrica.
O mercado já oferece um outro tipo de caldeira elétrica denominado caldeira de indução. Nestas caldeiras a água a ser transformada em vapor circula de forma forçada no interior das bobinas do secundário de um transformador, absorvendo o calor dissipado.
As caldeiras elétricas requerem especial atenção no que concerne a segurança no uso de energia elétrica, cujos equipamentos devem estar permanentemente sendo revisados e monitorados contra falhas. Os elementos de troca de calor ( resistências e eletrodos) são fortemente atacados durante o uso, com desgaste e formação de depósitos provenientes dos sais existentes na água.
Nas caldeiras aquotubulares a água a ser vaporizada circula no interior dos tubos de troca térmica, enquanto o calor proveniente da queima do combustível circula na parte externa. As caldeiras de grande porte que operam em altas e médias pressões são todas aquotubulares. Existem centenas de projetos diferentes para as caldeiras deste tipo, adequando-as ao uso a que se destinam.
Devido a sua alta flexibilidade, estas caldeiras foram gradualmente recebendo inovações visando elevar seu rendimento e confiabilidade. Uma destas inovações mais importante foi a instalação de uma seção tubular para passagem do vapor após sua saída da zona de evaporação, permitindo a elevação de sua temperatura acima da de saturação, ou seja o seu superaquecimento.
6. Caldeiras a Combustíveis Sólidos
Inúmeros são os combustíveis sólidos que podem ser aplicados para queima em caldeiras. Eles tanto podem ser combustíveis naturais como derivados, como apresentados a seguir:
Combustíveis Sólidos Naturais
Madeira
Turfa
Carvão mineral
Bagaço de cana, etc.
Combustíveis sólidos Derivados
Carvão vegetal
Coque de carvão
Coque de petróleo, etc.
Para uso nas caldeiras destinadas a geração de vapor para a termoeletricidade, o carvão mineral é o mais utilizado, por ser aquele encontrado com mais facilidade na natureza.
As caldeiras a carvão mais antigas utilizavam o carvão mineral na forma de pedras. Este combustível era muitas vezes introduzido nas caldeiras de forma manual tornando o processo de geração de calor bastante irregular. O carvão britado como é conhecido, é lançado em grelhas móveis que estão instaladas na parte inferior das fornalhas, abaixo das quais é insuflado ar para a combustão. Modernamente as caldeiras utilizam o carvão pulverizado.
Apesar do nosso país possuir uma grande reserva de carvão mineral na região sul, a qualidade deste produto é muito inferior a encontrada em outros países. O carvão mineral tanto pode ser obtido em minas de grande profundidade, como em reservas superficiais. As usinas térmicas de Santa Catarina ( Complexo Termelétrico Jorge Lacerda) utilizam carvões de minas, enquanto a Usina Presidente Médici situada em candiota, utiliza carvão de superfície.
O poder calorífico dos carvões minerais é muito inferior ao dos combustíveis derivados de petróleo além de possuir inúmeras impurezas inertes ao processo de combustão. Os constituintes inertes mais presentes nos carvões estão as cinzas, o enxofre e a umidade, sendo que em alguns casos as cinzas atingem percentuais em torno de 40 a 50% dependendo de sua origem.
Para minimizar a baixa qualidade dos carvões, eles são beneficiados por processos de lavagens denominados de flotação, tanto junto a mina de onde são extraídos, como em alguns, casos após o transporte antes de ser colocado nos pátios das usinas. Apesar disto o carvão de melhor qualidade é separado para ser enviado a processos siderúrgicos considerados mais nobres.
As caldeiras à carvão de alta eficiência efetuam a sua pulverização em moinhos transformando o combustível num fino pó que pode ser facilmente arrastado pelo fluxo de ar em direção aos queimadores através de dutos. Este ar , bem como os próprios moinhos são previamente aquecidos não só para facilitar a queima como para evitar que o carvão devido a sua umidade se aglomere nos dutos.
As fornalhas das caldeiras à carvão são bem maiores que as de óleo para que haja tempo de permanência suficiente da mistura até a queima total. Maiores também são todas as dimensões dos dutos de circulação dos gases bem como os espaçamentos entre os tubos dos feixes de troca de calor, em decorrência do grande volume de gases produzidos somados as cinzas contidas no carvão.
Caldeiras à carvão requerem além dos equipamentos já citados, os seguintes:
7. Caldeiras a Combustíveis Líquidos
Os principais combustíveis líquidos utilizados nas caldeiras são:
Descreveremos algumas características destes combustíveis:
Óleo Combustível
O óleo combustível é obtido a partir da mistura de um derivado de petróleo pesado, resíduo de vácuo ou resíduo asfáltico, com derivados mais leves, adicionados com a finalidade de especificar a viscosidade. Os derivados mais utilizados para esta diluição são: óleo decantado, óleo pesado de reciclo de FCC, óleo leve de reciclo, resíduo aromático, diesel e querosene.
As viscosidades máximas admissíveis para os óleos combustíveis, comercializados no Brasil, são padronizados pelo Departamento Nacional de Combustíveis (DNC), agrupadas em nove faixas.
A especificação do DNC prevê, para cada viscosidade, duas faixas de teor de enxofre: o óleo A de alto teor (com até 5% de enxofre para o óleo 1 e até 5,5% de enxofre para os óleos 2 a 9) e o óleo B de baixo teor (com menos de 1% de enxofre). Assim, um óleo combustível com viscosidade de 15.000 SSF a 50 ºC e 3% de enxofre é classificado para faturamento como óleo 5A.
|
Óleo Combustível |
Ponto de Fulgor |
Teor de Enxofre |
Viscosidade |
Teor de Sedimentos |
|
Tipos |
ºC |
% Peso (máx.) |
SSF a 50 ºC |
% Peso |
|
1A |
66 |
5,0 |
600 |
2,0 |
|
2A |
66 |
5,5 |
900 |
2,0 |
|
3A |
66 |
5,5 |
2.400 |
2,0 |
|
4A |
66 |
5,5 |
10.000 |
2,0 |
|
5A |
66 |
5,5 |
30.000 |
2,0 |
|
6A |
66 |
5,5 |
80.000 |
2,0 |
|
7A |
66 |
5,5 |
300.000 |
2,0 |
|
8A |
66 |
5,5 |
1.000.000 |
2,0 |
|
9A |
66 |
5,5 |
Sem Limite |
2,0 |
|
1B |
66 |
1,0 |
600 |
2,0 |
|
2B |
66 |
1,0 |
900 |
2,0 |
|
3B |
66 |
1,0 |
2.400 |
2,0 |
|
4B |
66 |
1,0 |
10.000 |
2,0 |
|
5B |
66 |
1,0 |
30.000 |
2,0 |
|
6B |
66 |
1,0 |
80.000 |
2,0 |
|
7B |
66 |
1,0 |
300.000 |
2,0 |
|
8B |
66 |
1,0 |
1.000.000 |
2,0 |
|
9B |
66 |
1,0 |
Sem Limite |
5,0 |
|
C |
66 |
- |
2,1 a 26,0 cST a 37,8 ºC |
em volume |
Cinzas - 0,10% (máx.) para o tipo C
Tabela de Classificação dos Combustíveis
Um óleo A é mais barato que um óleo B da mesma faixa de viscosidade. Dentro de uma mesma faixa de teor de enxofre, quanto maior a faixa de viscosidade em que o óleo for enquadrado mais barato ele fica.
O DNC também limita o teor máximo de água e sedimentos a 2,0% em volume. O teor de água obtido por destilação é somado ao teor de sedimentos obtido por extração. Quantidades de água e sedimentos entre 1,0% e 2,0%, embora aceitáveis, devem ser deduzidas da quantidade fornecida por ocasião do faturamento.
Resíduo
de Vácuo
A PETROBRÁS consome nos fornos e caldeiras da maioria de suas refinarias resíduo de vácuo puro. Ou seja, o produto de fundo da torre de destilação a vácuo é encaminhado diretamente para consumo sem nenhum tipo de diluição. Quando consumido diretamente, sem passar por tancagem, o produto não necessita de aquecimento adicional, já que a temperatura de retirada do produto da torre, 380 ºC, é maior do que a temperatura necessária para queima, 240 a 270 ºC. Assim, o controle de temperatura é feito através da mistura do resíduo de vácuo retirado da bateria de preaquecimento de carga de um ponto, com temperatura mais elevada que o desejado, com resíduo de outro ponto, com temperatura inferior à desejada. Este combustível, também, é fornecido para grandes consumidores, para utilização em fornos e caldeiras, sendo enquadrado para efeito de faturamento como óleo 8A.
Óleo Diesel
É o combustível padrão para motores diesel, e, praticamente, toda a produção brasileira é consumida para aquela finalidade. No passado foi maior a utilização do óleo diesel como combustível industrial, mas, com um evento das refinarias nacionais, produzindo uma maior gama de derivados, procurou-se soluções mais econômicas para combustão contínua, substituindo-se o óleo diesel por produtos menos nobres. É ainda utilizado em algumas caldeiras domiciliares e nos queimadores que trabalham em sistema automático aquecendo produtos que exigem um combustível com baixo teor de enxofre.
As caldeiras são construídas de acordo com o tipo de combustível que irá utilizar. As caldeiras que utilizam combustíveis líquidos possuem características bem definidas para isto. Como sabemos toda queima só ocorre após uma mistura adequada entre as moléculas do combustível com as moléculas do comburente e numa determinada temperatura.
Assim, apesar do combustível inicialmente se apresentar na forma líquida, é necessário transformá-lo em gás para que a queima ocorra, e normalmente esta transformação ocorre à saída dos queimadores após o líquido ter sido cuidadosamente pulverizado, aquecido, e colocado em contato com o ar.
Uma caldeira para queima de líquidos, em especial os mais viscosos, necessita de componentes auxiliares que facilitem este processo, tais como:
Gás Combustível de Refinaria
É um combustível gasoso, de baixo peso molecular médio, que não se liqüefaz por compressão, dificultando seu armazenamento. O gás combustível, geralmente, é uma corrente secundária do processamento em unidades de refinação e petroquímica (craqueamento catalítico, coqueamento retardado, reforma catalítica, pirólise) resultante do craqueamento térmico de frações mais pesadas. Antes de ser destinado como combustível, esta corrente, geralmente, passa por unidades de tratamento, onde é retirado o H2S, e por unidades de fracionamento onde são retiradas frações utilizadas pela indústria petroquímica.
É obrigatoriamente consumido na própria refinaria/petroquímica que o originou ou em indústrias vizinhas, interligadas através de gasodutos.
Gás Natural
O gás natural é encontrado em reservatórios subterrâneos naturais, associado ou não ao petróleo, donde é extraído através da perfuração de poços.
Após ser produzido, antes de ser enviado para consumo como combustível, geralmente, passa por unidades de processamento (PGN) que retiram deste gás as frações mais pesadas. Estas frações podem ser incorporadas às correntes de gás liqüefeito de petróleo e gasolina, ou servir como matéria prima de unidades petroquímicas.
A seguir, apresentamos algumas análises típicas deste combustível:
|
Gás 1
|
Gás 2
|
||
|
PCI (Kcal/Kg |
11.377 |
11.571 |
|
|
Peso Molecular |
20,2 |
17,6 |
|
|
Componentes: |
Composição |
em volume (%) |
|
|
Metano |
81,4 |
89,9 |
|
|
Etano |
10,08 |
8,5 |
|
|
Propano |
4,88 |
0,5 |
|
|
i - butano |
0,72 |
- |
|
|
n - butano |
1,11 |
- |
|
|
Isopentano |
0,22 |
- |
|
|
Neopentano |
0,21 |
- |
|
|
Pentanos e > |
0,15 |
- |
|
|
Nitrogênio |
1,08 |
0,7 |
|
|
CO2 |
0,52 |
0,4 |
|
|
Gás 1 - Gás produzido na Bacia de Campos (antes da PGN) Gás 2 - Gás produzido na Bacia de Campos (após a PGN) |
|||
Para fornecimento a consumidores externos à PETROBRÁS, o DNC exige o cumprimento da especificação abaixo:
|
Gás Natural
|
|
|
Densidade relativa ao ar, a 20 ºC Enxofre total, mg/m3 Gás Sulfídrico, mg/m3 Nitrogênio + Dióxido de carbono, % Vol. Poder calorífico, a 20 ºC e 1 atm Inferior, Kcal/m3 Superior, Kcal/m3
|
0,60 a 0,81 110 (máx.) 29 (máx.) 6 (máx.) 7.600 a 11.500 8.500 a 12.500 |
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OBS.: O produto deve ser isento de hidrocarbonetos condensados, óleos e partículas sólidas. |
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As caldeiras projetadas para a queima de gás são em geral muito mais simples que as utilizadas para os demais combustíveis. Isto se explica pelo fato do gás não requerer nenhum aquecimento prévio para ser queimado nas fornalhas, não necessitar de grandes reservatórios para sua estocagem, e por ser um combustível de alto rendimento contendo poucas impurezas.
Os ciclos combinados associando uma ou mais turbinas a gás à caldeiras de recuperação tem se apresentado como uma das melhores opções para a geração da termoeletricidade. Estas caldeiras podem ou não serem dotadas de queimadores e se destinam a produzir vapor aproveitando o calor residual contido nos gases ao deixarem a exaustão da turbina a gás.
Também tem sido muito utilizada a modificação de caldeiras, inicialmente projetadas para queima de óleo, para passarem a atuar alternativamente ou simultaneamente com queima de gás, são as denominadas caldeiras de queima mista.
Atualizado em 01-Dez-2000.
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