Noções de Caldeiras e Aplicações do Vapor na Indústria

ICT527 ICT572 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II Profa Jaqueline Costa Martins jaquelinemartinsunifalmgedubr Unidade III Noções de Caldeiras Introdução e aplicações Vapor base da Revolução Industrial Motor a vapor revolucionou a indústria e os sistemas de transportes Atualmente o motor a vapor não é mais utilizado usamse os motores de combustão interna Atualmente a obtenção de trabalho mecânico a partir do vapor é feita com o uso de turbinas Principais aplicações das turbinas a vapor acionamento de geradores elétricos em centrais termoelétricas Acionamento de grandes bombas ventiladores e compressores A maior utilização do vapor envolve o aquecimento especialmente em processos industriais httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788521209447pageid12 httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788536530758pageid0 Introdução e aplicações Vapor produzido pelos geradores de vapor mais conhecidos como caldeiras de vapor que transformam a energia de combustíveis em vapor Eventualmente podem existir caldeiras elétricas Representa cerca de 13 da distribuição de demanda energética do setor industrial Setores industriais que mais produzem e consomem vapor refinaria de petróleo papel e celulose química e petroquímica e alimentos e bebidas No Brasil dentro do setor de refino de petróleo deve ser incluído o segmento de produção de etanol Esses setores são responsáveis por mais de 85 do vapor produzido e consumido pela indústria como um todo httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788521209447pageid12 httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788536530758pageid0 Introdução e aplicações Uma instalação de vapor de água começa pela sua geração em caldeiras O vapor produzido é então distribuído por meio de tubulações dentro da planta industrial O consumo final de vapor ocorre em inúmeros equipamentos dentro da planta chamados de pontos de consumo O vapor de água é um meio muito eficiente de transporte de energia httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788521209447pageid12 httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788536530758pageid0 Uma bomba faz a alimentação de água da caldeira na pressão desejada A vaporização ocorre em um vaso de pressão uma espécie de tanque caldeiras flamotubulares ou em tubos caldeiras aquatubulares O vapor produzido é do tipo saturado Introdução e aplicações Caldeiras flamotubulares Os gases de combustão escoam no interior de tubos em direção à chaminé A água envolve esses tubos e se vaporiza à medida que recebe calor A fornalha também pode ser envolvida total ou parcialmente pela água Esse tipo de caldeira pode ser montado na vertical ou na horizontal httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788521209447pageid12 httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788536530758pageid0 Empregadas para pressões de até 20 bar e produção máxima de 40 th de vapor saturado úmido ou seja com título entre 85 e 95 Introdução e aplicações Caldeiras acquatubulares A vaporização da água ocorre no interior de tubos que recebem o calor resultante da combustão Nesse tipo de caldeira é possível produzir vapor em pressões mais elevadas uma vez que é mais fácil construir tubos que resistam a altas pressões do que tanques Uma caldeira aquatubular basicamente é constituída por um tubulão na parte superior e outro na parte inferior httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788521209447pageid12 httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788536530758pageid0 Feixes de tubos interligam os tubulões Por ação natural a água desce para o tubulão inferior e sobe deste para o tubulão superior Nesses tubos ascendentes ocorre a vaporização Esses tubos são posicionados nas paredes da fornalha e no circuito dos gases quentes resultantes da combustão Introdução e aplicações Caldeiras acquatubulares No tubulão superior existe uma mistura de água e vapor A água de alimentação da caldeira é fornecida no tubulão superior de onde também é extraído o vapor saturado produzido No tubulão inferior tubulão de lama acumulamse todos os tipos de impurezas eventualmente arrastadas pela água Essa sujeira acumulada deve ser drenada periodicamente httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788521209447pageid12 httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788536530758pageid0 Introdução e aplicações Caldeiras acquatubulares Quando a caldeira produz vapor superaquecido existe mais um feixe de tubos que aquece o vapor saturado recebido do tubulão superior que recebem mais calor de combustão permitem o aquecimento do vapor saturado e consequentemente a produção de vapor superaquecido na parte da caldeira denominada superaquecedor que está localizada mais perto da fornalha ponto mais quente da caldeira httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788521209447pageid12 httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788536530758pageid0 Introdução e aplicações Caldeiras acquatubulares Esse tipo de caldeira também pode apresentar outro feixe de tubos para préaquecer a água de alimentação antes de ela chegar ao tubulão de evaporação Esse componente recebe o nome de economizador Geralmente fica localizado mais para o final do circuito dos gases quentes quando a temperatura está mais baixa httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788521209447pageid12 httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788536530758pageid0 Caldeiras de grande porte ainda podem apresentar um préaquecedor de ar de combustão Tratase de uma espécie de trocador de calor localizado próximo à chaminé Introdução e aplicações Caldeiras acquatubulares Podem ser empregadas até pressões de cerca de 140 bar com produção que pode superar 500 th de vapor atendendo a quase todas as necessidades industriais Existem caldeiras para pressão e produção ainda maiores onde a circulação entre os tubulões é do tipo forçada Essas caldeiras gigantescas são empregadas em usinas termoelétricas de grande porte e invariavelmente operam com vapor superaquecido httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788521209447pageid12 httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788536530758pageid0 Introdução e aplicações Tanto nas flamotubulares como nas aquatubulares a movimentação dos gases de combustão desde a fornalha até a chaminé é feita por ventiladores Quando o ventilador insufla o ar na câmara de combustão o sistema é denominado tiragem forçada Outra possibilidade é localizar o ventilador na base da chaminé Nesse caso ele faz a sucção dos gases de combustão do interior da caldeira e os direciona para a chaminé Esse sistema é denominado tiragem induzida httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788521209447pageid12 httpsintegradaminhabibliotecacombrreaderbooks9788536530758pageid0 Tipos e componentes Caldeiras de pequeno porte de vapor saturado cerca de 40 th para flamotubulares e 80 th quando aquatubulares são inteiramente produzidas nas instalações do fabricante e entregues completamente montadas ao cliente Caldeiras de médio porte são prémontadas nas instalações do fabricante e a montagem final é feita na instalação do cliente Já as caldeiras de grande porte são inteiramente montadas in situ isto é na instalação do cliente a partir de componentes fornecidos pelo fabricante Na prática as caldeiras são classificadas como de baixa pressão p 10 bar média pressão 10 p 40 bar e alta pressão p 40 bar Essas faixas não devem ser consideradas valores absolutos e imutáveis Tipos e componentes Dados técnicos de caldeiras para especificação capacidade produção nominal de vapor th Pode variar em função da temperatura da água de alimentação pressão de operação máxima pressão de operação MPa kgfcm2 bar psig tipo de combustível tipo de fornalha e queimador capacidade térmica potência térmica produzida na forma de vapor kcalh kJh BTUh eficiência é o rendimento da caldeira para as condições nominais de operação É a relação entre a potência térmica produzida na forma de vapor e a potência disponibilizada pelo combustível consumo de combustível quantidade de combustível kg ou m3 consumido por hora nas condições nominais de operação superfície de aquecimento área m2 da superfície efetiva de troca de calor entre os produtos da combustão e a água Tipos e componentes taxa de evaporação relação entre a capacidade e a superfície de aquecimento kghm2 volume de água com a caldeira cheia volume de água m3 que a caldeira comporta sem estar em operação volume de água com a caldeira em operação volume de água m3 dentro da caldeira quando em operação nas condições nominais Nesse caso existe uma mistura de água e vapor dimensões extensão máxima da envoltória da caldeira a b c comprimento largura altura peso normalmente devem ser fornecidos dados da caldeira vazia isto é sem água e em regime operacional pleno ou seja os pesos da água e do vapor são considerados diâmetro e altura da chaminé potência das bombas de alimentação de água kW potência dos ventiladores de tiragem kW Equipamentos e tratamento de água Água de alimentação das caldeiras Presença sais minerais carbonatos bicarbonatos sulfatos cloretos hidróxidos gases dissolvidos na água de alimentação danifica as caldeiras e até mesmo os equipamentos que utilizam o vapor por elas produzido Problemas relacionados à corrosão são associados aos gases dissolvidos reduzindo a resistência mecânica dos materiais metálicos comprometendo a segurança Os minerais causam depósitos que levam à incrustação de superfícies metálicas especialmente nas paredes de tubos dificultando a troca de calor e o escoamento de fluidos A redução da capacidade de transmissão de calor eleva a temperatura na região incrustada prejudicando o desempenho da caldeira Por sua vez quanto maior a temperatura mais intensos são os efeitos da corrosão Portanto a água de alimentação da caldeira deve ser tratada Equipamentos e tratamento de água Água de alimentação das caldeiras A melhor forma para eliminar os gases dissolvidos é a desaeração Um desaerador recebe o condensado que é a água resultante da condensação do vapor utilizado na planta e que retorna para a caldeira Além disso também recebe a água de reposição uma vez que nem todo o vapor condensado retorna à caldeira Toda essa água é borrifada contra uma corrente de vapor e se aquece Com isso os gases dissolvidos que são mais voláteis são arrastados para a parte superior do desaerador e liberados para a atmosfera Muitas vezes o desaerador não é capaz de eliminar totalmente os gases dissolvidos Para a eliminação dos traços residuais de gases podem ser adicionados produtos químicos sequestrantes de O2 e CO2 A adição desses produtos depende do nível de pressão da caldeira Equipamentos e tratamento de água Água de alimentação das caldeiras Uma água é mais dura quanto maior for o teor de minerais na sua composição A dureza da água está relacionada à quantidade de íons minerais nela dissolvidos especialmente cálcio e magnésio Uma indicação de dureza muito utilizada é estabelecida pela quantidade de carbonato de cálcio CaCO3 presente em um litro de água mgl A unidade mgl equivale a ppm parte por milhão Regra geral quanto maior a pressão de operação da caldeira menor deve ser a dureza da água Equipamentos e tratamento de água Água de alimentação das caldeiras A sílica também é forte causadora de incrustações Para redução da dureza usase o abrandamento por cal Aplicase o abrandamento no processo prévio de tratamento da água bruta ou seja na clarificação e filtração A cal reage com o cálcio e o magnésio e se precipita na forma sólida Para reduzir ainda mais a dureza são empregadas técnicas de desmineralização da água que podem envolver osmose reversa e eletrodiálise baseadas na separação por membranas Entretanto a troca iônica é mais comum se baseia na troca de um íon por outro no interior de um vaso fechado preenchido com resinas Equipamentos e tratamento de água Água de alimentação das caldeiras O desmineralizador é constituído por um leito de trocador catiônico seguido de trocador aniônico No primeiro os cátions de cálcio magnésio e sódio são substituídos por íons de hidrogênio Com isso a água fica muito ácida No segundo leito os ânions de sulfato carbonato cloreto e sílica são substituídos por íons de hidróxidos Hidrogênio e hidróxido reagem entre si e formam água Equipamentos e tratamento de água Água de alimentação das caldeiras Uma vez tratada a água é enviada ao tubulão superior da caldeira aquatubular ou ao tanque da caldeira flamotubular através de uma bomba hidráulica centrífuga de múltiplos estágios Essa bomba fornece a pressão sob a qual a caldeira irá operar Equipamentos e tratamento de água Controle nas caldeiras Controle de nível conforme demanda de vapor Existem 4 modos de controle de nível para caldeiras onoff da bomba estrangulamento da válvula de controle de alimentação variação da velocidade do motor e combinação das últimas duas Equipamentos e tratamento de água Controle nas caldeiras Controle de nível conforme demanda de vapor Equipamentos e tratamento de água Controle nas caldeiras Controle de combustão conforme demanda de vapor Se a demanda de vapor aumentar é preciso fornecer mais potência para aumentar também a taxa de evaporação consequentemente é preciso fornecer mais combustível para a queima Controle feito a partir da medição da pressão do vapor Com o aumento da extração de vapor da caldeira a pressão tende a cair O sinal da medição da pressão de vapor servirá para controlar a combustão Na produção de vapor saturado o controle da pressão implica no controle da temperatura variáveis dependentes Na de vapor superaquecido o controle de temperatura normalmente é feito por injeção de água pressurizada após o superaquecedor componente denominado dessuperaquecedor Equipamentos e tratamento de água Dispositivos de segurança Em geral a caldeira deve ser apagada quando houver anomalias operacionais Apagar a caldeira significa cortar o fornecimento de combustível ou cessar o processo de combustão Isso deve ocorrer se o nível de água ficar abaixo do limite mínimo ou se a pressão ultrapassar um limite máximo Existem vários tipos de falhas que podem levar a essas situações Se a pressão continuar subindo além do valor máximo uma válvula de segurança deve se abrir automaticamente para expelir para a atmosfera o vapor em sobrepressão Equipamentos e tratamento de água Dispositivos de segurança Outra situação pode ocorrer na fornalha A chama se apaga e o combustível continua a ser fornecido sem que seja queimado Vapores do combustível tomam o volume da câmara e até do circuito dos gases quentes Se houver uma ignição ocorre a explosão Existem vários dispositivos que monitoram o processo de combustão e cortam o seu fornecimento em caso deste tipo de falha Importante NR13 Norma Regulamentadora no13 de 1996 instalação à segurança na operação e manutenção e à inspeção de segurança das caldeiras Equipamentos e parâmetros Eficiência das caldeiras hcaldeira energia adicionada ao vapor na caldeira energia fornecida pelo combustível Equipamentos e parâmetros Eficiência das caldeiras Dependente do tipo da caldeira e do combustível Caldeiras flamotubulares a óleo ou gás apresentam rendimento entre 85 e 90 Caldeiras aquatubulares ficam na faixa entre 87 e 92 Caldeiras a lenha ou cavaco apresentam rendimento da ordem de 80 Caldeiras maiores a bagaço de cana costumam apresentar rendimento da ordem de 85 Equipamentos e parâmetros Eficiência das caldeiras Exemplo Uma caldeira produz 15 th de vapor saturado a 26 barg pressão relativa mediante a queima de gás natural A temperatura da água de alimentação é de 70 C Calcule o consumo de gás natural sabendo que o rendimento da caldeira é de 88 PCIgás 36960 kJ kg ρgás 074 kgm3 Exercício 1 Uma caldeira de uma usina de etanol queima 40 th de bagaço de cana com 50 de umidade para produzir vapor superaquecido T 280 C p 34 barg A temperatura no desaerador é igual a 85 C e o rendimento total da caldeira é de 82 Calcule a capacidade de produção de vapor th Equipamentos e parâmetros Eficiência das caldeiras Exercício 2 Para o exemplo anterior calcule o custo do combustível por tonelada de vapor produzido Considere que o custo do gás natural é de R 140m3 preços já com impostos