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EDSON BAZZO
Ift/
GERA~AO
DE VAPOR
EDSON BAZZO
f'ItI
GERA~AO
DE VAPOR
Tania Regina de Oliveira Ramos
Tamara Bc:nakouche
EDSONBAZZO
Alcidcs Buss - Diretor-Bxecutivo cia Editora da UFSC
C1unda1Maria Meirelks Nasser
Marli .Auras
Cesar Luiz Pasold
JUlio Wtggcn - Presidenre
Aroo Blass
CONSELHO EDITORlAL
Antbnio Diomario de Queiroz - Reiter
Nilcea Lemos Pclandre - Vice- Reitora GERAGAO
DE VAPORI
UNlVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
sERlE DmAnCA
Impresso no Brasil
Maria Luiza,
Rafaella
Paula.Reservados todos os direitos de publlcacao total ou parcial
pela Editora da UFSC
621.18
621.18
1 - Geradores de vapor
2 - Caldeiras a vapor
[ndice para 0 cataloqo sistematico (CDU)
1. Geradores de vapor. 2. Caldeiras a vapor.
I. Titulo.
8364 Edson Bazzo
Geracao de vapor I Edson Bazzo. 2. ed.
__Florianopolis: Ed. da UFSC. 1995.
216 p.: il. (Serie Didatica). .
CDU 621.18
CDD 621.18
Ficha Catalografica
(Cat~logar;ao na fonte pelo Departamento
de Biblioteconomia e Documentar;ao da UFSC)
Editora da UFSC
, Campus Universitario - Trindade
C.P. 476 - 68040-900 - Florianopolis. SC
0) (048) 231-9408 e 231-9605
I!J (048) 231-9680
© Edson 8azzo
recebeu atencao especial no capitulo 3, por se tratar de uaa alternatlva
energet ica impOrtante para a quelma do carvac naclonal. Nos capitulos
subsequentes de 4 a la, 0 texto se concentra nos aspectos conceltuais da
materia. 0 capitulo 10 evidencia as caracterlstlcas funclonals de
A combustAo em lelto fluldlzado, por exemplo,publ1cado nesta area.
Ilesmo co. 0 advento de .tecnologias novas, pouco material dldatlco se tea
A nlvel nacional,tecnlcos e engenheiros que atuam no meie industrial.
referencia tallbemao uso de gas natural, tendo ell vIsta a tendencia de uso
crescente nos grandes centr~s industrIals do pais.
Embora, a publica<;lo deste livro tenha obJetivo claramente didAtico,
Importa ressaltar que seu conteudo tambemreUne Informao;i5esut.els para
De modogeral, as equacees estao estruturadas para
e para combustiveis llquldos, mas 0 texto faz
es tudo da lIatoOrh.
combustiveis s6l1dos
resolvldos, vlsando estlmular 0 interesse do aluno empontos relevantes ao
o assunto e complementadopor exerciciosde coebuat IveLs convencionais.
Ao longo dos ulti_os anos, na expectatlva de sintetlzar umassunto
bastante abrangente, lIuitas horas foraa dedicadas a pr-eparacac de textos
especificos, que correspondessem ao prcgrama previsto para a dlsclpllna de
slstellas tl!rllicos do cur so de gradua<;Aoell Engenharla Hecanica. Como
resultado concreto, todo 0 material reunido e, agora, apresentado na forma
de urn livro tecnlco, de cara.ter didatlco; enfatizando aspectos essenclals
sobre cOllbustil.o, Upos de fornalhas, tlpos de caldelras, dimenslonamento
ter.lco, funclonabilldade, segurano;ae desellpenho de geradores de vapor.
Em termos gerais, nAoha umainterdependencia direta entre os v~rIos
capltulos abordados, .as toda a lIetodologla de cUculo e orientada no
sentido de que, prll1eiramente, 0 leitor adqulra perfelto entendlmento dos
principlos baslcos sobre combustllo. A teoria da combustAoe abordada no
capitulo 3, COliateno;lIovoltada ao estudo de fornalhas destinadas a quelma
PlRIEfACO()
103
3
3
6
9
11
11
18
26
33
40
48
54
69
73
73
78
81
82
84
90
92
92
96
10- Dispositivos de controle e seguran<;a. 107
10.1- General1dades. ..... . . .. . .. . ... . .. . . .. .. .. . 107
9- Aquecedoresde ar .E.Bano
8- Economlzadores.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
1- Introdu<;ao .
2- Geradores de vapor. Componentesprincipals .
2. t- Componentesprincipais ' .
2.2- Calor associado ao vapor e gases de combustao..
Exerclclos. " ".. "" "". ". '." .
3- Fornalhas.........................................•.
3.1- Conceltos gerais ......•........................
3.2- CombustiveIs ........••.........................
3.3- Quei"", de 61eo .
3.4- Queimade carvao pulverizado .............••....
3.5- Queimaemgrelha .
3.6- Queimaell lelto f LufdLzado .
3.7- COlibustllo .
Exercicios .
4- Caldeiras aquotubulares ....................•........
4.1- COnceltos.gerais .
4. 2- Clrcula<;lIonatural. .
4.3- Clrcula<;lIoassisUda ..........................•
4.4- Clrcula<;lIofor<;ada............................•
5- Caidelras flamotubulares .
6- Caldelras eH,tricas .
7- Superaquecedores .
7. 1- Conslder~<;~esgeraIs. Classiflca<;lI.o .
7.2- Controle da temperatura de superaquecimento .
problemas relacionados com a operac;io ou com a manutangJ.o inadequacia do
equipamento.
as capitulo8 11 e 12 foram reeervado8 ao eatudo da tir.gem • da
transfereneia de c,alor na camara de combuatl.o e em feuee tubular... 0
texto e orientado ao desenvolvimento de projetoa de unidadea gerador,a. de
vapor, inclusive co~ apregenta~ao de correla~ae. importantes ao cilculo do.
coeficientes de perda da carga e coeticiant •• exter~08de transferinei. de
calor, neste caso, l.vando-~e em conta 08 eteitoa combinadoa d. conv.c~lo-
radiac;aoem meio a gases participantes.
'0 capitulo 13 aprasanta uma metodoloqia de cilculo, de.tinada 1
analise do deeempenho de unidadea gar.dora. d. vapor, em viata da
necQssidade premente d. eeonomizar energia • reduzir oe custoa da produ~lo,
I contribuindo para um,amaior competividade dos proQutoa industrial. a nlv.l
internacional. No decorrer doa an08 80, participando do progr .... de
i conservac;lo da enerqia, d.senvalvido a ntvel nacional, foram ex.cutado.
diveraoa trabalh08 da campo, que aerviram par. 0 treinamenta d. pea.oal
t6cnicc de empraaas ~nteressada. no au.mento de produtividad. OU,
eepecificamenta, na minimizar;ao das cu.toe envolvidaB com & gera9.1o d.
vapor. Toda & experiincia des~e tra.balho tacilitou .. orqani:ta<;io de urn.
matodologia de cllculo que conduzisse a resultados contilvei. para todo. o.
tipos de caldeira •.
Para ~lhor orientacio do leitor, toda a biblioqrafia consult.d. ,
citada ao final do livro. Havenda nacessidade de novas info~i6e., au
interesaa em aprofundar 0 a8tudo da mat'ria, naturalmente, , 1ndiepen.ivel
que se conhe<;ama qua sa consultem outra. tontea bib11oqrlfica.. 0 autor
agradece a todos aqual •• que de forma direta ou indireta contribuiram para
a orqaniza~io do material aqui apresentado. Sio virio. oa· collitga., que .0
10n90 de ecdce esse. anos, emitiram opiniO •• con.trutivas,.. auxiliaram no.
trabalho8 de revi!lio • que efetivamente •• timularaJD a publica~.o d••t.
livro.
No conteudo apresentado, incluaive, s10 anali.ado~ diversoainstala'iiio.
caldeiras industriais, atendendo ao intere ••• eapecifico de eng_nh.iroe
preocupados com a ae9uran~a pessoal e com a 8eguran~a da pr6pria
tenoeletrlcas cperando :COR pressOes da ordem de 250 bar (25000 kPal. 0
crescente consumo de energla eletrlca, allado A Indisponlbliidade de
centralshoje,Exlstem,casos aIcancandc valores supercr1tlcos.
vapor saturado, com pressoes Inferlores lIesmo a 10 bar (1000 kPal. Por,
outrc lado, servlc;os de actcnaaento lIecanlco envolvem 0 eOlprego de vapor
superaquecldo e as pressoes de trabalho sao norllalmente malores, ea alguns
A malorla dos processos Industrials envolve 0 e..prego desuperaquecldo.
servic;os de aqueclmento, quanto para servlc;os de aclonamento mecanlco. Sua
apllcac;ao e bastante abrangente, atendendo necessldades dlversas na
industrIa de alimentos, bebldas, papel, text1l, Metalurgica, quimlca, etc.
Para muitas regioes, 0 usa de vapor e Impresclndivel na gerac;~o de energia
eletrtca. Dependendo de sua aplLcacao, 0 vapor pede ser saturado ou
178
182
Atualmente 0 vapor e utilizado em larga escala, tanto paraIndustrial.
tellperaturas de ebullc;ao (170 a 350 ·Cl ou, no caso de 61eos minerals,
temperaturas em inicio de destllac;ao.
A p~eferencla pelo vapor COIIIO fluido de trabalho e Justlflcada pelo
seu alto calor especlflco, allado A ampla dlsponlbl1ldade da agua no mel0
al tasporsao fluldos identif1cadosprodutos crgantccs ' slntHlcos.
un)dades, por exemplo, sao construidas para operarem COM 61eos minerals ou
Algumasoutrosfluidos de trabalho poderlam ou podem ser empregados.
Naturalmente que, com a meSlla finalidade,diversos setores industriais.
substituisse os lnconvenientes apresentados pela queima direta do carvso
f6ssU, estlmulou 0 desenvolvimento das um.dades geradoras de vapor. A
questao principal era captar a energia l1berada pelo combustivel numa
unidade central e dlstribui-Ia aos pontos de consumo da empresa. A Ideia
evolulu aos dlas de hoJe, a ponto de tornar 0 vapor d'agua indispensavel em
A necessidade de se encontrar uma fonte de calor, quesecul,o 18.
As primeiras m~quinas destlnadas a gerar vapor surgiram no inlcio do •
INTROOUCAo
CAPiTULO
109
112
113
115
117
120
120
123
127
134
136
136
137
139
142
145
147
151
159
161
161
164
166
170
176
BlbliograIia ...............................•............
Apendice ...................................•............
10.2- Controle do nivel de agua , .
10.3- Controle da pressao de trabalho , ,
10.4- VUvulas de seguranca ····•·········
10.5- Separadores de vapor .....................•....
10.6- Sopradores de fulige•....................... '.'
11- Tirage .
11.1- Conceitos gerais. Classifica ..ao .
11.2- Perdas de carga ···················
11.3- Challlinese ventlla,dores.............•..•......
Exercicios .
12- Transfer~ncia de calor em caldeiras .
12.1- Consldera ..oes gerais .
12.2- Temperatura dos gases na camara de combustao ..
12.3- Calor irradiado na c~..ara de combustao .
12.4- Felxes Tubulares. Dimenslonamento termlco .
12.5- Convec..ao interna em felxes tubulares .
12.6- Convec..ao externa erafelxes tubulares .
12.7- Radiac;~o gasosa em feixes tubulares .
Exerciclos .
13- Balanc;o energetico de caldeiras ..,..........•.......
13.1- CAlculo da energia dlsponivel .
13.2- CAlculo da energfa uti I. , .
13.3- CAlculo da ecergia perdida .
13.4- Taxa de evapora ..ao e rendi.ento termico .
Exercic10s .
"',. .~
pesadas caem por gravidade ao fundo da fornalha em um selo d'agua. As
clnzas leves slo arrasta~as pelos gases, para cima, ea dlre~ao aos
superaquecedores, ao topo da fornalha. As temperaluras no InterIor da
c~mara de combustao variam na faIxa de 900 a 1400 ·C.
A caldeira compreende as partes onde ocorre mudan<;a de fase da agua
do estado liquldo para 0 vapor. As paredes d'agua e 0 tambor faze. parte
da caldeIra. As paredes d'agua se constltuem de diversos tuboS dispostos um
Durante 0 processo de combustao, as cinzasde wna cAmara de combustao.
queimadores sopram uma aistura de ar e carva.o puiverizado para 0 interior
Para diferenclar melhor cada componente, a figura 2.1 ,"ostra UlIIa
unfdade geradora de vapor completa e que f'oI proJetada para atender usa
central ter~letrica de 65 MY.
A fornalba coapreende 0 local onde se desenvolve a quelma de
De acordo COli 0 esquema da flgura 2.1, quatro nlvels decombus t1ve1.
-Superaquecedor
-Economizador
-Aquecedor de ar
-Fornalha
-caldeIra
As unidades geradoras de vapor slo construldas de acordo com normas
ou c6digos vigentes no pais e de forma a lIelhor aproveitar a energla
llberada pela quell1a de um determinado tipo de combustivel. Sua estrulura
e bastante diversificada. Unidades aodernas e de porte maior s~o
normalmente equlpadas com as segulntes componentes:
2.1- ComponenteB principais
GERADORESDE VAPOR. COMPQl\ENTESPRINCIPAlS
polencial hidroelelrico, lem levado lIuilos paises a investir no campo
terlloeletrlco, COm a Instala<;a.ode unrdades cada vez lIaiores, buscando
viabilizar a conslru<;~o de uslnas com potencias superiores a 1200 MY.
2 Cera~ao de Vapor
CWiTU.O 2
-Aquotubulares
Fig 2.1- Unidade geradora de vaporo
(65 HW, 230 tlh, 160 bar, 540/540 C)
A nivel geral, as caldeiras pede", sertratadas por caldeiras.
classificadas em:
.0-
CINZAS
,,
CARVAO Q ~
• AR
varIar entre 120 e 300 "c. dependendo do tlpo de InstaIacao e do tlpo de
combustivel quei.ado.
A maior parcela de energla e absorvida nas superficies expostas
dlretamente na camara de combusUo, onde. e predomlnanle a troca de calor
por radiac;ao. E. unldades bea dimenslonadas, as paredes d'agua represenlam
lIenos de 10 " da superficle total e sAo capazes de absorver ale 50 l( da
energia liberada na cOllbuslao,Nas partes posteriores da caldeira, os gases
f'ornecea calor por ccnveccao e por radia"i!.ogasosa. £ importante que os
cospcnentes sejaa instalados em contra-corrente, Essa dlsposl"ao garante
maior eflclencia e 0 emprego de menores superficies de aquecimento .
No melo industrial, as unidades geradoras de vapor sao simplesmenle
l1vremente por diferenc;a de densIdades e 0 vapor formado e acwnulado na
parte superior do_tambor separador. 0 vapor e saturado e dai e encaminhado
aos superaquecedores. A pressAo l: regulada por pressostatos l1gados ao
sistema de combustao.
o superaquecedor conslste de um ou DIalsfelxes tubulares, 'destinados
a aumentar a temperatura do vapor gerado na caldeira. Nas unldades de porte
maior, os superaquecedores sAo projetados de modo a absorverem energia p~r
radiac;ao e por convec"Ao.
A temperatura flnal do vapor pode ser controlada medlanle a injec;ao
de agua liquida atraves de WI atemperador. 0 reaquecedor lem func;Ao
equivalente ados superaquecedores e lambe..aparece lndicado na figura 2.1.
A .presenc;a do reaquecedor e necessaria quando se deseja elevar a
temperatura do v~por proveniente de eslagios intermediarios da turbina.
o economizador prb-aquece a agua de alimenta"Ao e e normalmente
instalado ap6s os superaquecedores. Alem de aumentar 0 rendimento da
unidade, sua instala"ao minimiza 0 cheque termico entre a agua de
alimenta"Ao e agua ja existente no tambor.
o aquecedor ~e ar aproveita 0 calor residual dos gases de combuslao,
pre-aquecendo 0 ar ulilizado na queima de combustivel. A temperatura final
dos gases encaminhados para a chamine e fator determlnante do real
MPERADORVAPOR SAT.
A agua circulaao lade do outro, revest Indo as paredes da fornalha.
Seu valor pedeaproveitamento tbrmico das unidades geradoras de vapor.
I
I
~ Q GASES+
---- CINlAS LEVES
CAMARA
DE
CDMBUSTAO
5G.r"dore~ de Vapor. C018ponentes Prlnclpals4 Ceufj:60 de Vapor
.q z Energla absorvlda pela caldelra (kW)
in Fluxo total de agua que deixa 0 taabor (kg/s)
h. Entalpla da 'gua na entrada do tambor (kJ/kg)
onde
sendo
(2.1)
oode, para 0 caso de vapor saturado,
(2.6)ho - (l-x}.hl. + x.hvo
(2.S)q s in (h.-h.)
Urnaavaliayao completa da energia envolvida no proeesso de combustio
deve consid.rar todo 0 calor gerado e dispontvel no interior da tornalba, 0
calor abaorvido pela ~qua da caldeira, a calor residual aS8ociado ao fluxo
de gases ou de cinzas, 4 ocorrencia de combustao parcial a, anfim, todo 0
calor perdido para 0 meio ambiente.
Para dete~inar 0 calor disponivel na cAmara de combu9tlo, isto 6, a
energia realmente entregue palos queimadores, deve-sa computar 0 calor
liquido liberado na,queima do combustivel mais 0 calor associado 409 fluxes
de massa do combustivel, do ar e da umidada do ar de com~ustle,
Os gases de co.bustlo perdem calor para a agua da caldelra atraves
das paredes d'agua, Celxes tubulares, superaquecedcr-es , reaquecedores e
economlzador. No caso de paredes d'agua ou de Celxes tubulares, de acordo
COil a Prlmelra Lel da TeraodinAalca, a equacao que determina a energia
absorvida pela agua da caldelra e
2.2- calor associado &0 vapor e gases d. combustio
disponibilidade de enerqia .letriea e qua os custos sej~ compensadores ..
Sua aplicayio e bastante restrita e tamb6m slo projetadas para forneeerem
apenas vapor saturado. As caldeira. e16tricas tem 0 principLe d.
funcionamento fundameneada na conversAo direta da energia eletrica em
energia tfrmica, mediante 0 usa de resistfncias ou de eletrodos submersos.
gase. de combustio circulam per dentro'de tubos e sua aplicay30 e restritA.
apenas 1s op.ra~oe9que admitem 0 usa de vapor saturado.
Nas caldeiras tlamotubulares 08inferiores a 15 t/h de vapor saturado.
qd = Calor liquido disponivel na cAMara de combustlo (kW)
mob Consumo de combustivel (kg/S)Pel = Poder caloriClco Inferlor do combustivel (kJ/kg)
mar = Massa real de ar de co.bustlo (kg/kg comb)
Va. = Umldade do ar (kg/kg ar seco)
reb Te.peratura do combustivel (oC)
ro. = Temperatura do ar de cOMbustlo (oC)
r' = Temperatura de referencla (oC)
Cpcb- Calor especlClco .edlo do combustivel (kJ/kg.oC)
ep.r= Calor especifico medlo do ar de co.bustlo (kJ/kg.oC)
Cpyp- Calor especiClco medio da ualdade do ar (kJ/kg.oC)
bouv~rquandoconvenient••doe16tricascaldeiras118
aquotubulares a aqua circula par dentro de tubos a, frequentemente, s30
adapt ad as em unidades equipadas com economizador e superaquecedore8. sendo
As caldeiras flamotubulares t~m uso limitado is in9tala~Oes de
pequeno porte, com pres86ee inferiores a 15 bar (1500 kP~) ou capacidades
As caldeiras aquotubulares tem usa mais abrangente, atendendo, desde
(2.4)cpvp.(T". - TO)Nas caldeiraspequenas f!bricas, atA grandes centrals termeletricas.
(2.3)c.,.•. (r". - rO)t.h".
-Eletricas
Cor_doro. do Vapor. Co.ponentea Pr1ncipal. 7GeraFio de Vapor6
,
I
~.
I
(2.2)Cpeb. (Teb - TO)t.heb-Flamotubulares
I
Fig 2.2- Unidade geradora de vapor (Exercicio 2.1)
SUPERAQUECEOOR
A presen~a de cinzas leves e uma caracteristica de caldelras
adaptadas.com fornalhas para quelma de cOlRbustivels s61ldos. as valores de
entalpla ou de calor especlfico medio podell ser tomados do apAndlce, ou.de
PAREDES O'AGUA
q. - Energla associ ada ao (luxo de gases (kW)
Eg Massa real de gases de co.bustll.o(kg/s)
me•• Massa de clnzas leves arra5tadas pelo. gases (kg/5)
r. • Te.per~tura dos gases (oC)
x_j : fra~ao massica do co.ponente j nos gases de co.bustlo
cPj = Calor especlflco medio do componente 1 (kJ/kg.·C)
Cpe.= Calor especlfico medio das clnzas (kJ/kg.oC)
sendo
(2.8)
onde, tendo em vista a presen~a de gases CO2; S02, H2O, N2 e 02,
¢ GASES
+
CINZAS LEYES
TAMBOR
(2.7)
b) A enerqia cedida pelos gases para as pared.. d'iqua,
auperaquecedores e reaquecedorea.
a) 0 consumo de agua no atemperador.
Considere que agua na pressao de 140 bar abs. e temperatura d.
180°C seja alimentada nos atemperadores. Utilizando os dado8 da tabela 2.1,
calcule.
2.1- Urna unidade geradora de vapor 6 projetada para quelmar carvao
pulverizado e pcodu eLr 100 k9/~ de vapor superaquecido na pr ••• ia d. 130
bar aba. e temperatura de 520°C. A figura 2.2, mostra uma parte daa paredes
d'lgua, tambor a.parader, superaquecedor, reaquecedores e a po.i~iode um
atemperador (ver tambem a figura 4.7). Outros dais at&mparadoree _10 tamb6m
instalados ao longo do circuito para, controle da temperatura de
superaquecimento.
o titulo do vapor depende da forma construtiva do tambor separador e
poder-a ser tanto menor, quanta ..alor for a carga da caldeira. A umidade
arrastada pelo pr6prlo vapor taJllbelRabsorve energla (calor senslvel) e,
portanto, deve ser conslderada nos calculos.
as valores de entalpla da agua liquida ou do vapor podelR ser tomados
do apend i.ce ou de outras fontes blbllograficas, .as sempre lembrando de
conslderar a p'ressll.oabsoluta, lsto ~, ao valor da pres7l1.oefetlva de
trabalho deve-se scaar- a pressao at.osf~rlca. A pressao efetlva e tallbe.
conheclda por pressllo instrUllental ou lIanollHrlca.
Para deterlRlnar a temperatura dos gases na cA.ara de combustll.oou em
qualquer ponto da unidade geradora. de vapor, Interessa conhecer a energia
resldual associada ao fluxo de gases e cln~as leves,
Exercic:ios
fontes bibllograficas apropriadas, levaode Qm conta 0 valor m.dio na taixa
de temperaturas considerada.
hs = Entalpla da :\guaque delxa 0 tambor (kJ/kg)
hI.= Entalpla do liquldo saturado (kJ/kg)
hV1I= En·talpla do vapor saturado (kJ/kg)
x THulo do vapor
9Ceredo,.., de Vapor. COOIpOflCntesPrlncipaisGeraf9:~o de Vapor8
Consumo de combustivel = 20 kg comb./s
Temperatura do combustivel ~ 25 ·C
Peder calorifico inferIor - 17.473 kJ/kg comb.
Massa de ar de co.bust~o = 7,357 kg ar seco/kg comb.
Umldade do ar - 0,013 kStkg ar seco
Massa de ga~es de combustilo • 8,080 kg gases/kg comb.
Massa de clnzas leves E 0,295 kg clnzas/kg comb.
Te.peratura do ar de combustilo • 300 ·C
Dados:
residual dos gases de combustll.o.
superaquecedor e reaquecedores. Considerando os Desmos
calcule a tellperatura correspondente ao calordados do exerciclo 2.1,
2.2- No processo de transfer~ncla de calor, parte da energla dlsponivel na
pulve rlzado fai cedlda pelos gases de combustlo para asquelma do carvll.o
paredes d'agua,
A fornalha e 0 componente da unldade geradora de vapor destlnado a
converter a energla quimlca do combustivel em energla termlca. De acordo
co. 0 tlpo e cos a qualldade do co.bustlvel dlsponlvel, os projetos tem se
alternado entre (ornalhas para quelma es suspensilo, que Ililaem grelha, ou
quelma em leito fluidlzado.
As fornalhas de quelaa e. suspensilo tem apllca<;iloaals abrangente,
principal.ente por penoltlrea a que lea de 61eo, carvll.opu lvertzado, ou
mesao gas natural. Serragea, casca de arroz e outros residuos Industrials
tambem vem sendo e.pregados nesse tipo de fornalha.
As fornalhas adaptadas COli grelha ou lelto fluldlzado t!m apllca<;ilo
restrita a unldades de pequeno ou de .e<iio porte e silo projetadas para
consUlOO de combustivels s611dos. 0 elevado tear de clnzas de grande parte
das reservas de caIvilo f6ssll, juntamente com outros combustlvels menos
nobres, tem justiflcado a apllca<;ilode fornalhas de leito fluldlzado, ou a
ado<;io de outros processos alternatlvos de coabustilo direta.
A flgura 3. 1 acst.ra 0 esquema de usa unidade geradora de vapor
adaptada COOl urna fornalha tlplca para queima em suspensilo. Silo fornalhas
projetadas com um ou aals quel.adores e coa u.a cAmara de volume compativel
co. 0 tipo e co. a quantidade de coabustivel que se deseja quelmar.
Oueiaadores, tambe. deno.lnados de .lsturadores, sll.oequipaMentos compactos
e estrategicamente lnstal~dos na fornalha, destlnados a promover a
combusU.o de 61eo, gas, carvac pulverizado e outros combustlveis
.convencionals.
Normalmente siloacoplados outros dlspositlvos auxillares, tals COIIO
1 bar - 100 kPa
3.1- Concelto8 Gerais
sistellas de igni<;lI.o,ventlladores de ar, bOJllbasde allmenta<;lI.ode 61eo,
dlspositlvos de controle e disposltlvos de seguran<;a.Consldere a energla resIdual assoclada ao fluxo de gases e
clnzas leves, arbl trando T·- 0 ·C COIOO tellperatura de
referencla e assumlndo Cpcb (0 a 25 ·C)- 1,50 kJIkg ·C.
SugesUo:
FORNALHAS
cAPfru.o 310 .Cer.~.io d. Vapor
Tab 2.1- Dados referente l unidade geradora
de vapor (Figura 2.2 e Exerclcio 2.1).
iD. paba T XLocal (kg/5) (bar) ·c)
2 94.0 140 180
3 93.0 140 336,8 0,99
8 100,0 135 440
9 100,0 130 520
10 94,1 32 340
11 94,1 30 420
13 97,4 28 520
-Funclonamento sob carga constante, llgando ou desllgando em torno
de ua nivel aedio de demanda termlea.
-Funclonament~flxo ea carga aaxll1a, em carga minima, ou sea carga.
-Funcionallento sob carga varIaveI e continua entre dois nivels,
maximo e .10101.1"0,de demanda ter.lca.
contato dlreto da chama com os tubas d'agua.
-Dlmens~es aproprladas para a grelha, no caso de quel.a de
coabustlvels s6l1dos.
-Forma apropriada para a c~mara, no sentldo de favorecer a queima e
garantir fluxo regular dos gases de co.bustAo.
-Temperaturas compativels co. 0 equipaaento e COM 0 pr6prio
combustivel que se deseJa quel.a •.
noo combustivelpara quelmarefetivamente
c~mara.
-Dlsposl,,!o adequada dos quelmadores de modo a evltar qualquer
Os dlsposltlvos de controle obJetlvam manter 0 quelmador sob
condi~~es ideals de opera~ao, regulando pressao e vazAo do combustivel ou
do ar de combustao, Os disposiUvos de seguranca devem lapedir eventuais
danos aos equlpamentos e·operadores envolvldos. Para controle da cOllbustlo,
dlferentes sIstemas sao utllizados, tals como:
tempo
interIor dagasto
-Altura compativel COllia circula~i!.oda agua nos tubos e
sequeFig 3.1- Esquema de uma c1mara de cOllbustlo
adaptada a wna caldeira do tlpo aquotubular
-Volume aproprlado ao tlpo e a quanUdade de combustIvel
deae ja quelmar.Em ter.os geraIs, 0 projeto de uma cAmara de combustao deve
considerar os segulntes aspectos:
0-
CINZAS
-QueiGa de 6leo ou de gas natural
-Quei.a de carvAo pulverizado
-Queiaa em grelha
-Quelma ea leito fluidlzado
caMARA DE
~BUSTAo
¢ GASES
Em fun~10 das condi~~es de instala~Ao e opera~Ao do queimador, 0 ar
necessaria a coabustlo pede ser adaitido na foraa de ar primario,
secundar-Io e terciario. sao ~is usados as quei.adores que ut LlIzaa ar
prilllArioe ar secundarIo. 0 ar pri_ario e utllizado para nebul1za~i!.odo
61eo combustivel, transporte de combustiveis s611dos pulverlzados, ou na
destlla9lo preUainar de hidrocarbanetos. 0 ar secundar-Io e Lancado de
encontro l nuvem farmada de combustivel. OU gases combustlvels, no sentldo
sempre de assegurar uma combustlo total e estavel.
A nivel lndustrial, UJD nUmero cons Iderave l de equipamentos ja tem side
projetado e construido, no intuito sempre de obter alta eficiencia e rapido
ret~rno do Investimento. Dentro desse quadro se sobressaem aqueles
equlpamentos, normalmente projetados para os combustlveis convencionals e
de eficiencla plenamente comprovada, aals especificaaente aqueles
des tlnados a:
TAMBOR SEPARADOR
13Fornalbas
-0
CO"BUSTivEL
+ AR
CON JUNTO DE
QUEIMADORES
~
Fr
Cer.~ao do Vapor12
indivIdual e da carga terllica exlgida peladepender de sua capacldade
o dlmensionamento da c~mara de combustlo deve assegurar espa~amento
adequado entre queilladores e paredes d'agua. UII eventual contato da chama
com as paredes pede provocar uaa elevada taxa de troca termlca, a ponto de
provocar a fentlmeno conhecido por evaporacac de fUme, call consequente
superaquecl ..ento do IRaterial dos tubos. Os espacaaentos varia., de acordo
com 0 tlpo de combustivel e com a capacidade dos quei.adores. Quelmadores a
61eo COm capacidades que ·varla. entre 1 e 10 HW (860 e 8600 Heal/h), por
exemplo, exlgem afastamentos minlmos de 0,4 a 0,8 ..das paredes laterais e
devea ser instalados em fornalhas COli profwidldades l1inlmas de
1,5 a 3,5 m (01). Quelmadores a carvao pulverlzado J~ exigem afastallentos
malores, pelo aenos COil reIacao ~s paredes laterais. A disposl~ao dos
quelmadores e varlavel de acordo com a tlpo de combustivel, da fornalha ou
da pr6pria caldeIra. A flgura 3.2 exeDlpliflca algumas InstaIacees,
usual.ente adotadas em caldelras aquotubulares de porte malar. A Instalao;ao
dos queimadores em posio;ao frontal e coaua na lllaloriadas fornalhas a
carvao pulverizado e em, pratlcamente, todas as fornalhas a 61eo. A op~ao
por quel.adores instalados em posl~10 vertical e convenlente, par exemplo,
quando se deseJa operar fornalhas a carvsc pulverlzado de fundo (lmldo
(itell3."'). A dlspos19ao tangencial se caracter lza pela instala~ao dos
queimadores nos cantos da fornalha, de .odo a crlarem um movlaento
rotaclonal de alta turbulAncla sabre 0 nacleo da chama. Em qualquer caso,
os que1aadores devem sempre garanllr uaa chama regular e transferencia de
calor hOMOg!nea para as paredes d'agua. 0 nUllero de queilladores val
xxxxxx:
xxxxxxxxxxx
Queima de lenha:
-Em grelhas incllnadas
-Em grelhas m6veis
xxxxxxxx>ocxxxx :
XX:XXXXX:XXxxxxxxxx
QueiMa de 6leo ou gas:
-Caidelras aquotubulares
-Caldelras flamotubulares
xxxxx
xxxxx
Quelma de carvao:
-Pulverlzado (fundo seco)
-Em greihas m6veis
800 1200400000
Tab 3.1- Cargas termlcas volumetrlcas lndicadas por algUAa~
fornalhas ellopera9ao e adaptadas Com paredes d'agua (kW/m )
15Fornalhas
..~
I'
A. carga termlca volumelrlca depende, prlnclpalaente, do tlpo de
combustive I, capacldade do gerador, processo de queima e caracterislicas da
camar.a de combustao. A. lnfluencia sign1ficatlva de lodos esses falores e
outros mais resulta em cargas termicas bastante variaveis. A. labela 3.1 da
uma idela dessa varia~~o, mas nao identifica casos especlflcamente
individuals e, portanto, nlo serve de subsidlo para proJeto de novos
equlpamentos. Caldeiras flamotubulares, por exemplo, na realldade tem
apresentado cargas terlllcas numa faixa bell malor, aIcancando valores da
crdem de 2000 kW/m3 (430 a 1720 Hcall..
3h).'
A altura deve ser de~inlda de modo a nao preJudlcar a efrculacao
natural da agua no interior dos tubes e, tambem, de modo a garantir tempo
suficiente para quei.a tolal do cosbust Ive1 no in:erior da cruaara. No
pri.eiro caso, se a clrcula~a.o for deflclente, 'se_pre haver a 0 risco de
superaquecl.enlo locarlzado, COM consequente enfraqueclmento dos tubos. No
segundo caso, se a altura for insuflciente, podera ocorrer quelma de gases
combustl veis no topo da fornalha, ou temperaturas multo elevadas, nao
recomendaveis aoS tubos dos superaquecedores.
q ~ Energia llberada (kW)
Vee= Volume <m3)
onde
Vee
(3.1)q =
q
o volume deve ser suflclente para garantlr UMa combust~o eficiente.
Voluaes pequenos podem lmplicar em combusl~o parcIal com presen~ de
Material ainda- combustivel nos gases que deixam a fornalha. Por outro lado,
volumes grandes, por representarem malor superficie de irradla~~o (paredes
d'agua) , .podem lmplicar em menores teDlperaturas na camara, a ponto de
dificultar 0 processo de ignl~~o das particulas de combustivel. U..a
informa9~0 bastante lmportante e que defIne a rela~~o, entre energla
llberada e volume da c~mara de combustao e a carga termlca volumetrlca, q,
sendo
C.rac;io do Yapor14
A presenca das paredes d'~gua nas fornalhas tem sldo fator
preponderante no estabeleclmento da temperatura de equilibrio no inter~or
da camara de cOllbustao. As temPeratura's normalmente encontradas estao na
falxa de 1000 a 1200 °c.. Entretanto, alguns casos particulares upHam essa
faixa para valores entre 800 e 1800 °c. A queima de carvao f6ss1l, por
exemplo, edge 0 conheci!lento da temperatura de fusao das cinzas. Hesse
caso, as f~rnalhas devem operar com temperaturas que contornem 0 problema
de aglomerac~o dessa clnza nas paredes d'~gua ou superaquecedores
(lte. 3.4). Deve-se sempre operar com temperaturas que assegurem combustao
plena, mas que n10 co.prometa. 0 Cunclonamento au a seguran~a da
Instalacao. ~. termos gerais, pode-se anteclpar que 0 fluxo de calor, entre
gases de combust~o e paredes d'agua, no interior da fornalha, varia numa
falxa bastante reduzida, na orde. de 180 a 220 kW/1I2para queima de 61eo e
de 200 a 250 kW/.2 na queima de carv30 pulverlzado.
xxxxxxxx
xxxxxxxxxXX>OCXXXXX
Queima de lenha:
-Em grelhas incltnadas
-Em grelhas .ovels
xxxxx
xxxxxxxxx
Queima de carvao:
-~ grelhas estacionarias
-Em grelhas m6vels
600400200000
Tab 3.2- Taxas de carregame2to Indicadas por algumas
fornalhas em operaCao (kg/. h)
carregamento tambem depende de uma serle de fatores, princlpalmente do tlpo
de grelha, tlpo de combustivel e tlragell dos gases de combustao. A nlvel
geral sao encontrados valores bastante varl~veis, conforme fica bem
caracterizado na tabela 3.2. Vale lembrar que as lnformacoes aqui reunldas
sao empiricas e nao excluem a possibilidade dos mesmos equipam~ntos
operarem com taxas de carregamento fora das falxas aqui Indicadas.
A forma da cAmara de combustao tambem tem Influencia sobre a
eflcl~ncla do equlpamento. A forma das paredes deve assegurar queilla
eflclente do combustivel e fluxo regular dos gases, inclusive no topo da
fornalha, onde normalllente estao instalados os superaquecedores. Em geral
as clmaras de combustao sao retaogulares, mas tallbe.podem Ser construidas,
sem qualquer preJuIzo, nas formas circular, hexagonal ou simIlar.
Fornalha. 17
'\
A exemplo do que ocorre co. a carga ter.lca volumetrlca, a taxa de
Jllcb- Consumo de coa.bustivel (kg/h)
Ag = Area da grelha (m2)
onde
(3.2)JDcb
lIZ.b
Algumas unldades sao proJetadas para quelmarem combustIve Is s611dos
sobre grelhas. Nesse caso, as dlmensoes da grelha pede. ser prellmlnarmente
deflnidas pela taxa de carregamento, m.., sendo
FIg 3.2- Alternatlvas usualmente adotadas na
conce~ao de fornalhas de quelma em suspensao
DISPOSICAO TANGENCIAL
OISPOSI(:Ao VERTICALDISPOSICAO FRONTAL
-0-0
AR =;1
COMB.
.AR -~ ~
.e: -'
<,
I..
camara decombustao.
16 Ceril.~ao d. Vapor
Os cOl1bustlveis s6lidos .ais empregados na gera<;ao de vapor sao de
orige~ natural. Do ponto de vista geologlco, a lenha, a turfa e a llnhita(3.3)Pc. '" 33900 c + 141800 (h - -i-) + 9200 s
Co.bus tlve1 Poder calorlfico tEPsuperior (kJlkg)
Oleo cOl1bustivel 43800 0,99
Lenha (base seca) 1600tl 0,36
Carvao f6ssil (SC) 19000 0,43
Baga~o de cana 94QO 0,21
Gas natural 51800 1,18
A quantldade de energia liberada por unidade de .assa, ou de volume,
e definida pelo podbr calorifico superior ou inferior e vai depender da
co.posl<;ao de cada co.bustivel. A tecnlca usada, quando se aplica a
pri.elra leI da ter.odina.ica as rea<;oesqul.lcas, consiste e. admltlr que
a entalpia de todos os ele.entos seja nula no estado de refer6ncia 25 DC e
760 IIUIIIl& (41). Para coabus t IveLs selIdos e l1quidos, 0 poder calorif1co
I-
superior pode ser calculado co. boa aproxiaa<;ao pela equa~~o
Tab 3.3- Correla<;ao existente entre alguns combustiveis
usados a nivel industrial (1 tEP a 44 GJ)
51870 kJ/kg++
A tabela 3.3 mostra poder calorifico superior e correla~ao exlstente
entre alguns co.bustiveis, usados para gera<;ao de vapor d'agua, em
toneladas equlvalente de petr6leo (tEP).55500 kJlkg+2 ~O+co~+
10110 kJlkg++2 CO
(CNTP).
o teor de UIIidade e conhecido a partir da composi<;ao quimica do
co.bustivel e 9h representa a parcela de vapor d'agua formada pela
combusUo do hldrogt!nio. 0 calor latente e to.ado de acordo co.. pressao
parcial do vapor d'agua, nas condi<;aes normais de temperatura e pressao
Pe'= Poder calorifico inferior (kJ/kg)
v = Teor de umidade (kg uaidadelkg comb)
onde
(3.4)Pc. - 2440.(9h + v)Pelc + O2 ~ CO? + 33900 kJ/kg
2 H2 + O2 ~ 2 H2O + 141800 kJlkg
S + O2 ~ S02 + 9200 kJlkg
Na quei.a de cOl1bustivei-sgasosos. a energia e llberada pelas
rea<;aes qui.icas com hldrogenio, monoxido de carbona. .etano, etano e
outros hidrocarbonetos:
o calculo do poder calorifico inferior dependera unicamente da
presenca de agua nos gases de cOllbustlioe calor latente de evaporacao,
sendo
Pe.= Poder caloriflco superior (kJ/kg)
c - Tear de carbona (kg carbono/kg comb)
h = Tear de hldrogenl0 (kg hidrog~nio/kg comb)
s Teor de enxofre (kg enxofre/kg comb)
0 := Tear de oxigenio (kg oxigenlolkg comb)
Toda subsU.ncia capaz de r-eagLr- com 0 oxig!nl0 e llberar energia
termica e Identificada como combustivel s6lldo, llquldo ou gasoso. Os
combustiveis sao caracterlzados pelas suas proprledades fisicos-quimlcas e
saC' encontrados na forma natural ou artificial. Petroleo e carvao fossil
sao exenpIos de combustlveis naturais. Derivados de petr6leo, coque e
carvAo vegetal sao exemplos de combustiveis artificiais.
Na queima de cOlllbustiveiss6lidos e liquidos, a energia liberada e
consequ8ncia de reacaes quimicas com 0 carbono, hldrog~nio e com 0 enxofre:
onde3.2- Combustiveis
19Fornalh.a.Cer.c;:&o de Vapor18
20 X, 0 poder calorifico superIor da Ilnhlta pode assualr valores da ordem
de 21000 kJlkg.
o carv!o e 0 combustive 1 fossIL lIals abundante da natureza.
Diversas formas de class1flca~io slo sugeridas. Costuaa-se deslgnar por
carvid betumlnoso todo 0 carva.o com elevado teor de aalerlas volAtels[09].
Segue-se 0 carvao selll-betumlnoso (materias v91ateis entre 10 e 18 X) e 0
~ algumas mInas 0 teor de enxofre e 0 teor de clnzas assumem
valores alnda malores. A presenca desses componentes nlo e desejaveI por
Implicare. e. Ul\a serle de lnconvenlenles de ordem ecol6gIca ou lIaterlal. 0
enxofre, quando combtnado.coll vapor d'agua, forma acldo sulfUrIco, atacando
as partes Mats frlas da unidade geradora de vapor. A clnza, dependendo da
tellperatura na clnlara de cOllbusU.o, pode fundlr e se agiollerar Junto as
superficies de aqueclJ1M!ntoda caldeIra. .Nas fornalhas para queima em
grelha, ainda, pode ocorrer obstru~lo parcIal da passagem do ar de
combustlo. Em termos geraIs, a cOllbustllodo carvio lmpllca na emlss110 de
fullgem. 6xidos sulfurosos, metals t6xlcos e compostos orgAnlcos ~
carclnogAnicos. Preciplladores berndimensionados pode. remover ate 98 Yo de
Para um conteUdo maxImo de ctnzas ell torno devalores entre 10 e 20 ".
para valores em torno de 35 %. 0 pader caloriflco superior da turfa assume
valores da ordem de 12500 kJ/kg.
A IlnhIta, fase lntermediarla entre e turfa e carvi!.obetuainoso, e
formada pela decomposl~!o u-Ida, submetlda a press!o de crostas ter~e~tres.
A IlnhIta, ao ser retirada das minas, aloda apresenta alto teor de umldade
(30 a 50 xl. Secada ao·ar, entre tanto, 0 teor de umldade pede balxar para
Secada ao ar-, consegue+se reduzir 0 teor de UIlldadeelevado de umldade.
Carbono 47 Y.
HldrogAnlo 3 Y.
Enxofre 4 Y.
Oxigenio 5 X
Nltrogenl0 1 Y.
Clnzas 40 X
Ela apresenta ua conteUdo muitofase de forll\a~llodo carvao mIneral.
Nalurall1l8nte que os cUculos deve.. considerar tamM.. 0 teor de
wuIdade, que em termos reals osclla entre· 10 e 30 Y.. A temperatura de
19n1<;ao da lenha e da orde. de JOO ·C. A lurfa se constltue na prlmelra
apresenta teores de cmzas superiores a 40 Y.. Uma composl<;i!.oquhlica
aproxlmada do carvao braslleiro (base seca), em geral obtldo de mInas
catarinenses, deve oscilar em torno dos segulntes valores:
No Brasil, em diversas mlnas 0 carvaocmzas, inferIor masmo a 5 ".
o carvao fossil tem suas caracteristlcas ext remaaent e var Iave Is,
prlnclpal"",nte levando-se em conta 0 teor de enxofre e 0 teor de cinzas.
Na Europa ou nos Eslados Unidos consegue-se carvao com baixo teor de49 Y.
6 Y.
44 "
1 Y.
Carbono
HidrogenI0
OxlgAnlo
Clnzas
de, medIante programas bem estruturados de reflorestamento, ter suas
reservas em continua reposl~i!.o. ~bora apresente caracteristicas bastantes
varlAvels, a composl~i!.oquimlca da lenha (base seca) deve oscllar em torno
dos segulntes valores:
1
A lenha b amplamente utllizada a nivel industrial e tea a vantagem
raramente usados na gera~ao de vapor. Briqueles se cons~ltuem de carvao de
pequena granulomelrla mlsturado com aglutlnante. 0 coque e obtldo a partIr
do carvao f6ssil ou do petr6leo ;, se const! tue, basLcaaent.e, de carbona
flxo.
-Carvio seco, com wu teor de matbrlas volAtels varlAvel na falxa de
40 a 50 l(.
-Carvao graxo, com um teor de matbrlas volAtels varlAvel na falxa
de 18 a 40 l(.
-Carvio magro, com um teor de matbrias volAtels varlAvel na faixa
de 10 a 18 Y..
-Antracito, com um teor de materias vol~tels varlAvel na falxa de
5 a 10 %.
BrlqUetes, coque e carvae vegetal Saoa serragea e a casca de ar roz,
anlracito (matbrlas volitels entre 5 e 10 l(). 0 car-vgc tambbm pode ser
classlficado como [011:
sao combustiveis naturais de forma~io recente, enquanto 0 carvio f6ss11 b
um combustivel natural de forma~io mais antlga. Sempre que disponiveis na
regiao, residuos industrials sio tambea empregados, como 0 baga~o de cana,
21TornalhasCeracylo 4. Vapor20
trabalhar com temperaturas balxas, a paraflna ccaeca a cristal1zar, se
solldificando ao Longo da tubula~ao e preJudicando 0 escoamento normal do
6leo.
caract.rlstieas para 0 61.0 diesel • para 0 61eo residual utiliz.ada em
caldeiraa. Toda instalal_iao, para armazenamento e usa de 61e09 residuais,.
d.ve po•• uir sistemas de aquecimento. HI. a neceseidade de urn aquecimento
preliminar. para permitir 0 trabalho de bombeamenta e de um aquecLmento
tinal, au complementar, para redu~ao da viscosidade a nLveis adequados de
combustl.o. Sob temperatura de 120°C, a viscosLdade do 6leo residual cai
para os valores recomendados pelos fabricantes de queimadores, na ordem de
40E (ver apAndice, pagina 183).
Aode petr61eo deverlio fluir se. apresentar prcbreeas de esceaaente.
A tabe1a 3.4 mostra os valoree m6dios de algumasCotIl 61808 naftAnicos.
Aqua e sedimentos pede levar ao bloqueio ":e liltros e queimadores ou a
t'ormac;lo de amulsc3es dificeis de serem quebradas. Davida a inconvenientes
de.sa natureza, inclusive, n~o e recomedAvel a mistura de 61eoB parafinicos
regul aeentan teor de enxofre, viscosidade, ponto de fluidez, ponto de
fulgor e densldade.
A viscosidade estadiretamente relacionada ao processo de combustlio
e deve ser suficienteMente re~uzida, para que 0 quelmador possa garantir um
bOil trabalho de nebuliza,,~o. A viscosidade do 6leo tea side co.ercialllente
indicada de acordo COli a escala Engler ou de acordo co. a escala SSU
(Segundos Sayboit Universal). No Sistema lnternaclonal de Unidades (51), a
viscosidade cinematica e indicada e. m2/s (1 .2/s - 106 cSt).
° ponto de fluidez indica a temperatura mlni.a e. que os derlvados
A contamina~3.o perde sedimentos por extragao, nao deve exceder a 2 ,.Sua co"erciallza"ao atende a normas queutllizado na industria Iloderna.
Para todoa e8 61e09, a quantidade de Aqua por destilagio, somadas aamplaaenteresIdual, e parte rellanescente' na des tLlacao do petr61eo.
° 6ieo combustivel, ta_belllchaaado de 6leo co.bust1vel pesado ou OUtroa
Carbone 83 \
10 ,
6 ,
Hidrog~nio
Enxotre
compo.i~loqulmlca pede oscilar em torno dos sequintes valoree:
aPara 61eo destinado ao usc em caldeiras,bidroglnio e enxofre.
A temperatura de fus~op~ra a clnza aclma especlflcada e da orde. de
1540 "C. Entretanto, ocorrem deforma"Oes J! a partir de 1300 "C.
Os combustivels liquldos, noraal.ente e.pregados na gera"lo de
vapor, s~o derlvados do petr6ieo. Gasollna, nafta, querosene, 6leo diesel
e 6leo combustivel sao fra~Oes obtldas da destila~~o do petr6leo. Apenas 0
6leo combustivel e usado em caldelras. ° 6leo diesel, ainda que queiaado
e. algwoas caldeiras, telllsua producao destlnada a IIOtores de combustao
Interna.
maSUA 8.pacifica da Aqua a 4°C.
08 61eos combustiveis residuais, dispontveis no mercado brasileiro,
apr.eentam caracteristicas berndiversificadas. 0 61eo tipo BTE .(Baixo·Tear
de Enxofre), per exempl0, terncomO caracteristica principal a limitayao de
1, na quantidade de enxofre. NOBdemais tipo. de 6180, esse percentual
.abe para 6 \. Em geral, OB 61eos residuals Be comp6em de carbona,
10 "
3 x
55 "
32 "
6xido de silicio (Si02)
dxido de aluminio (A1203)
dxldo ferrlco (Fe203)
dutros (CaO, MgO, Na20 ...)
o
C eA den.idade 6 a rela~aoda maS8a especifica do combustivel a 20
pequana chama no interior do mesmo. OCorrera inflama"ao simultanea quando
a temperatura corresponder ao ponto de fulgor do combustivel. 0 ponto de
tulgor para 61805 combustiveis residuais e da ordem de 130 °e.
Periodicamenta introduz-se umaprogressivo, com aqita~ao constanta.
niquel, vanad to, zLnco, cobalto, Ilanganes, sulfatos e' certos compostos
organicos aderell-se a essas partlculas.
A composi"lio qui_lea das cLnzas tambell e bastante var Iave I, UIIIa
analLse aproximada, no caso do carvao identlficado anteriormente, pode
indicar a seguinte composl"lio:
o ponto de tulgor indica a temperatura de intlama~io do combustivel.
A d.t.rmi,na~l.odo ponto de fulgor Ii feita pele apuelho Pensky Martens.
O'mami.tura do combustivel e introdu%ida no aparelho e 80fre aquaciraento
Chuabo, c!dmio, antimonio, selenio,c1nzas ~als noclvas a saude humana.
toda a fullgem, mas s6 pede. captar uma parte das mlnusculas partlculas de
23FornalhasCcra~io do VApor22
Conslderar UJIa fornalha proJetada para quelD1ar 1 kg/s de carvao
f6ss11 (47% C, 3X H, 4X S, 5% 0, IX N e 40X de clnzas). Admltlndo-se
Gases de pantanos, ou gases provenlentes da fermenta9ao de detritos,
la.bem slo classlflc~dos como naturals, mas ainda te_ usa restrito no campo
Exemplo 3.1
radloatlvas, ao ccnt rar-Ie dos coabustive t s convencionals, llberam energia
ate_ica por fissao ou por fusao nuclear. A flsslo nuclear se process a em
reatores, aediante bo_bardelo controlado de neutrons. Os perlgos de
radioatlvidade tea diflcultado uma utiliza9lio _als ampla de reatores
nucleares na gera«lo de vapor e, portanto, na gera910 de energia eletrica.
Metano (CH4) 90 x
Etano (C2H6J 6 %
Nitrogenio (N2) +- 3 x
Di6xido de carbona (CO2) - •. ,1 x
~
As subs tanc1as(U-235), slio classiflca1as como cembus tIve t s nucleares.
As substa.ncias radloatlvas exlstentes, como 0 Is6topo de urant o
A presen9a de enxofre e J~uena. No ca~o de gas natural tratado para
remo«ao de hidrocarbonetos aalores, para usa comerclal, 0 tear de enxofre ~
3 .
normalmente Inferior a 22 mg/m n e, por exempla, pode apresentar a seguinte
coaposi910 qulmlca (% ea volume):
D16xldo de carbono (CO2)- 1 %
12 X
26 X
X
54 %
7 Yo
Hldrogenl0
Mon6xldo de ¢arbono
Metano
Nltrogenlo
D16xldo de enxofre
73 X
14 %
3 X
2 x
7 %
Melano (CH4)
Etano (C2H6)
Propan~ (C3H8)
Butano (C4H10)
Nltrogenlo (N2)
Oleo de xlslo, iUcool e alcalrlo slo tambell disponlveis a nivel
industrial, mas ainda de usa pouco COllum na gera«lio de vapor.' Algumas
Indust rIas tem 0 alcatrao como sub-produto de processos de destlla9lio da
madeira ou da hulha.
Os cOllbustiveis gasosos lambem sliodlsponlvels na sua forma natural
ou de forma artifIcIal.
o gas naturai e obtido de campos petroliferos e, de acordo COm SUa
orIgem, apresenta caracteristicas bastante varlavels. A compos19lio quimlca
do gas natural varIa em torno dos segulntes valores (X elavolume):
gasogenl0, gas de igua, gas de coquerla ou gis de alto-forno slo todos
combustivels obtldos a partir de processos industrIals. 0 GLP (gas
llquefeito de pelr6leol e const.ltuido por hldrocarbonetos resultantes de
processa.entos convencionals de reflno de petr6leo ou do gas natural. Os
hldrocarbonelos predomlnanles no GLP (propano, propene, butano e buteno)
slo gasosos, mas se 11quefazem sob pressOes relalivamenle balxas. Embora
apresenlem uma serle de vantagens sobre os demals coabus t IveLs , nao e
vlavel 0 usa de gases na gera«ao de vapor, a nlio ser nos casos em que haJa
realmente disponlbllldade do produto a custos compensadores. Naturalmente
que os custos COm a produ«ao de gases cOllbustivels sao relatlvamente altos
e dependem tanto da materia prIma como do equipamento envolvido. Um mesllo
tlpo de gas, InclusIve, pede ter compos19ao quhica bastante var taveI. 0
8aS de gasog~neo, por exemplo, tambem chamado de gas pobre, e produzido a
partir da coabust.ao Incoapleta do carvao ou da madeira. Ulla anUise
volUlletrica, tip1ca para 0 gas de gasog~nio (base seca l, pode Lndlcar a
segulnte composl«lo quimlca (X em volume):
Enxofre Densldade VlscosldadeCombustivel
( X I (20/4 °Cl (oEiSO "c) (SSU/38 GCI
Oleo diesel 0,7 0,83 1,3 39
clleo resIdual 6,0 0,98 135,4 22000
·GLP, hidrogenio, g's de llumina«ao, gas de 61eo, gas deindustrial.Tabela 3.4- Caraclerislicas m~dlas de 61eos combuslivels
25Fornalho.24
Fig 3.3- Esquema simplificado do processo de
aqueclmento e combustao do 6leo combustivel.
~UECEDOR
caldeira. flamotubu1ares, par exemplo, s10 normalmente equip_d.. com
pequena. clmaras de combustao. ~s._ carqas t6rmicas d. caldeira.
flamotubul~re. sio aLt ae , em alguns casos, suparando me.mo a ca._ do.
1000 kw/ml (1720 Kca1/mlh)! Hao e 0 que ocorr. com ae cald"ira.
CONDENSAOOBOMBA
o usc d. 6leo combustivel envolve c emprego d. quaimadora.
apropriadament. projetados e distribuidos em lornalhas d. queima em,
suspenBl.o. 0 6180 dave sar nebulizado til lDisturado coca 0 ar, d. loraa iI.
ass8gurar utDA chama e.tivel e suficientemente di.tante dae pared.. da
3.3- ~u.ima a. oleo
OLEO (120·C)
pi OUEIMAOOR
o _spayo r.servado para a combustlo , baatant. var~'v.1.fornalha.
CONDENSAOO
TANOUE
PRIN C1PAL
au 19,01 MW, correspondente 1 energia liquida resultante apenaa do processo
de combuat!o, neste caso em particular, desconsiderando-s. 0 calor ••naivel
ja associado aoe fluxos de combustivel .·de ar de combuatao.
II, consideraodo 0 consume de combustivel, mCb • 1 kg/., tam-a.
transformar no malor nu-ero de gotas possivel e, consequentemente, garantir
maior area de contato com 0 ar de combustao. 0 tamanho das gotas varia de
10 a 200 I'JI. Bons quef aadcr es garantem WI minima de 85)1, de gotas com
dia.metro inferior a SO pm.
Pc! • 19.009,9 kJ/kg
o liquldo deve ser nebul1 zado de mane ira a sereslst~nclas eletricas.Pc! • 19668,7 - 2440.(9.0,03 + 0)
0,05
Pcs • 33900.0,47 + 141800. [0,03
Pcs. 19.668,7 kJ/kg
permltlr 0 trabalho de bombeamento e corre<;aoda viscosldade do 61eo para
valores prevlstos em proJeto, em geral de 2 a 8 ·E. As viscosidades
requeridas SaO obUdas sob temperaturas que variam de 90 a 130 ·C. A
temperatura de bombea_ento depende do 61eo utl1izado, podendo variar entre
40e 60 ·C. 0 61eo e aquecido com vapor, fluldo termlco, ou com
] + 9200.0,04
8
Re8olu~Ao:
o aquecimento e necessar Io parae sistellas complementares de operacao.
Aplicando-se as equayoes 3.3 e 3.4,
co~uBtlv.l e do ar de combustaa.
aquotubulares at.endea, desde pequenas instala<;oes, ate grandes centrais
termeletrlcas. As unldades Ae maior porte sao normal.ente proJetadas com
cargas teralcas Inferlores a 400 kW/mJ•
A flgura 3.3 mostra 0 esquema de um sistema completo de alimenta<;ao
e queima de 61eo, envolvendo aquecedores, bambas de engrenagem ou de rosca
a08 fluxoa docombust,lo. Descons-iderar 0 calor sensivel associ_do
Atuando em um campo mais abrangente, as caldelras_aquotubulares.
na cimara decombuatAo total, calcular a energia liquida disponLvel
~
r
I
I
I
f'ornalha.s 27
Os quelaadores de pressao com retorno de 61eo sao conslruidos
Fig 3.4- Nebullza~ao mecAnica (presslo direta).
-0
<,
L!= I J
[ I C]~ -----e··- --~IF I .:0
-0 RETORNO
Fig 3.6- Nebullza~ao mec~nlca (c/retorno de 61eo).
Fig 3.5- Correla~lo entre pressao e consumo de
61eo em queimadores de pressao dlrela (01).
PRESSAO (bot)
3020 2515105
equlpa.entos que eXige. uaa varia~ao acentuada na sua carga de lrabalho. 0
controle da Corma do Jato e llmltado na faixa de 45 a 80· e nlo e possivel
trabalhar coa cargas inferiores a 40 Yo. sem substltulr 0 bico Lnjetor
(figura 3.5).
Quei....dores desse tipo garante.. per-f'eLtaqueiaadores de pressae direta. ~OO
Entretanto. nlo slo apropriados anebuli~a!;lo ea carga constante.
o suprimento de ar e obtido por ventlladores de baixasuperior a • °E.
pressiio.
A Clgura 3.4 mostra 0 esquema de UII bico injetor utllizado por
A vlscosldade do 61eo nao deve serinterior da cAaara de combustao.
~ ~500r------r------r------r------r------r----~....
~
o~
~IOOOt------+------+---JO~~~--i------+------i
oo
varlam na CaiKa de 5 a 30 bar (500 a 3000 kPa). 0 trabalho de nebullza~ao
se realiza devido a energia c~netica do 11quido. que ao passar pelos blcos
injetores ganha ua aovlaento de rota~lo e e lan~ado em minusculas gotas no
o 61eo combustivel e comprimldo sob pressoes quenebullza!;lo IlecAnica.
Os queiaadores de pressao sao tambem conhecidos por quei..adores de
relatlvamente altas e constantes. Ja ani.ado dessa rola~ao, portanto. parte
do 61eo se proJeta na camara de combuslao e parte retorna. de acordo com a
presslo regulada Qa Ilnha de retorno do quelaador (flgura 3.6). A forma do
Jato lambem e Ilmllada. mas ja e possivel trabalhar COm eargas inferiores.
Em easos espeelals, pode-se atingir 10 ou 15 X da carga maxima. A
possibllidade de ajuste na pressao de retorno entre 6 e 22 bar. por
exemplo. permite varlar a capaeidade do quel..ador entre 200 e 1200 lcglh.
sem requerer a troea do bieo Injetor.
-Quelaadores de pressao dlreta
-Quelaadores de pressao COM retorno de 61eo
-Quelaadores CO. fluldo auxillar
-Quelaadores de copo rotatlvo
o IDovime.ntode rotacac do llquido e obtido COli presseesanterior.
exatamente para contornar os lnconvenlentes apresentados pelo sistemaOs quelaadores de 61eo sao normalmente classificados relativamente a
sua for.a de nebullza~ao. Sao bastante comuns:
fornalhaaC;er~ de Tapor 2928
Uma unidade gerad~ra de vapor, com capacidade para 200 kg/s de vapor
Exellplo 3.2
FIg 3.8- Nebuliza9io coa auxillo de copo rotativo.
equlvalenles entre 10 e 25 ~,do ar total de combuslao.
A quantldade de ar pri.arl0 alcan~ propcrcsessua capacldade nominal.
jato e bastante Ilmltado, mas e posslvel trabalhar Ja a partir de 20 Yo da
o controle da forma dod1retamenle na casara de co.bustAo (figura 3.8).
nebulLzacao, Iancando a nebllna formada de encontro ao ar secundar rc,
Hesse caso, 0 ar priaarlo tem uaa a~o co.ple.entar departiculas.
prlDiario e for"ado contra UlII cojuntc de palhetas f'Ixas , adqulrlndo wa
movlmento turbllhonarl0, de modo a carregar e foraar co. 0 oleo uma ..Istura
perfella. A nevoa formada, anlmada de Dlovl.ento rotativo e sob alta
velocldade, se proJeta ao encontro de ar secund~rI0, no interIor da camara
de combusU.o.
Nos queiaadores de copo rotativo, 0 oleo ~ baabeado ate 0 interIor
de um copo cOnlco ea regIme de alta rota~l!.o(3000 rpa), for.ando UIR fllme,
que ao a.lcanear 0 extremo do copo tende a desagregar-se eDi pequenas
o aresque..a de "'" quebador, que funclona com ar sob halxa pressio.
quantidade de ar de nebullza"io e malor, podendo alcan"ar propor"oes
equivalentes de 15 a 30 Yo do ar total de combustAo. A flgura 3.7 .ostra 0
31Fornalha.
I
Hesses que1madores, aque varlam de 5 a 10 lcPa (500 a 1000 ·lIIIIIlzO).
Hultos queimadores a ar oper-as COli ar de nebul1za".,o sob pressoes
Fig 3.7- Nebullza"l!.oa ar
OLEO
-.
¢ :r==n=~r.:====i :===:~~J Is L
l ARIZ)ARlO
press~es mals altas. £ multoquel.adores sl!.oconstruidos para operare. com .
comUIII,inclusive, 0 uso de quelmadores projetados para operare. tanto com
ar primario (1,5 a 6 bar) como com vapor (3a 10 bar). 0 suprimento de ar
secundarI0 e normalmente obtido co. 0 auxilio de ventiladores cetrifugos.
em press~es que varlam de O,~a 1,5 bar.
ar de nebullza"l!.o varia de 25 a 50 Yo
Nos quelll\3dores a ar, a pressa.o do 61eo 4: norraalmente inferlor a
'1,5 bar. 0 ar de nebullza"ao (ar prlmario) e fornecldo por compressores,
Nessas condi,,~es,a quantldade de
do consumo de 61eo. Alguns
regulados garantem u. conswao de vapor inferior a 10 Yo do ~onsumo de 6leo
(0,10 I<glkg)..
Que Imadores bemo consumo de vapor e baIxo.ventl1adores centrifugos.
Os quel..adores de oleo com fluldo auxillar pode.. ser construldos
ar comprlmldo ou slmplesmente COIllar a balxapara operarem COIft vapor.
pr essao. A ut1l1za,,:!.ode fluldo auxt Lrar tem se revelado como excelente
alternativa na nebuliza,,~o de oleo, com caracterlstlcas perfeitas do jato,
pratlcamente em todo 0 call1POde regula,,:!.o,podendo operar a partir de 20 Yo
da carga maxima. Diversos aodelos foram desenvolvldos e s~o disponivels a
nivel Industrial.
Nos quelmadores a vapor, a pressao dO'oleo e normalmente inferIor a
7 bar, mas podendo ellalguns casos aLcancar'valores da or-de.. de .12 bar. 0
supr reentc de todo 0 ar necessario a combust:!.oe obt1do co.. 0 auxillo de
Cer.~lo de V~por30
.0 ar utlUzado na quel..a de carvio pulverizado ~ normal..ente
pr()-aquecldo pelos gases de combustao. U.a parte desse ar Car prll1arlol edesviado para transportar 0 p6 de car\(llodo IIOlnbo para quelmadores
FIg 3.9- Esque.a sll1pllficado do processo de
lIoage.e de transporte do carvllopulverlzado.'
SILO
OUEIMADORES
~ ,
'"
CARVAo
envolvendo 0 emprego de
sistemas complementares de
com a
a uso de
carvl!.opulverizado exlge. entre tanto. alguns culdados especlals
estabilidade de chama e· com sua preparac;lIo.
estelras transportadoras. silos. molnhos e
operac;lio(flgura 3.9).
sempre garantlndo Ulna mlstura rlgorosa com 0 ar- de combustlio.
co. os IIeS.OS crlterlos adotados e.
quel.adores a 61eo. evitando contatos da chama com as paredes da fornalha e
a carvlo pulverlza~o sempre ternse apresentado Como uma alternatlva
vantaJosa para uso no campo da termeletricldade. as quelmadores de carvlio
pulverlzado tea sido proJetados
3.4- Quei....de Carvao Pulverizado
33}'ornalhaa
sugerlndo valores superiores a 1250 .3.
q
Vee>
;'cb.Pcl
entretanto. podell indicar a ordem de grandeza do volume necessario.
conhecendo-se apenas 0 consumo de 61eo combustive!. A tabela 3.1 indica
cargas t()rmicas varIavets entre 200 e 800 kll/m3. No case de caIdeIr-as
aquotubulares de porle lIalor. entrelanto. informac;oes complementares
Indlcam cargas termlcas Inferlores a 400 kll/m3. Nessas condlc;oes.0 volume
da camara de combustllopode ser estlmado. conforme equac;lIo3.1.
CUcul09 prel1l1inares.diversos fatores envolvldos no processo.
A cAmara de combustllo deve ser dimenslonada de formaa considerar
me. = 12.1 kg/s
Pcl."
hb=-----
m•. (h.-h.)
Adm1tindo. agora. que 0 poder calorif1co inferior do 61eo seJa da
ordem de 41600 kJ/kg. pode-se estlmar 0 consumo de combustivel apllcando-se
a equac;lIo
hv 3401 kJ/kg (12000 kPa; 520 GC)
h. 1133 kJ/kg (12000 kPa; 260 GC)
Co~ 0 auxl1io de tabelas termodinamicas tem-se;
Resoluc;lio:
a) 0 consumo de 61eo combustivel.
bl 0 volume mlnimo para a camara de combustllo.
para quelmar 61eo. A
Admltlndo-se rendlmento
superaquecldo (12000 kPa; 520 ·Cl. ~ proJetado
temperatura da agua de al1mentaC;lIo~ 260 ·C.
t~rmlco da ordem de 90 ~. estimar:
Co,.a.~5.o de Va.por32
aproxilladamente 20" de todo 0 ar utllizado na combust:l.o [03]. Os
queimadores s!o proJelados de forma a Impor DOvlaenlos de rota~ao tanto a
Illslura do p6 de carvao COlI0 ar pri.arlo, como 80 ar secund;irio.
o ar prlmArl0 deve ser lanc;adoCOlivelocldades entre 15 e 25 mis, 0
suficlenle para arrastar 0 combustivel e evitar eventual retorno da chama.
o ar secundar Io, por sua ""2, eo Iancado com velocldades var IaveLs entre
20 e (()als. Entretanto, no sentldo da chama penetrar suflcientemente 0
interior da camara, algumas Cornalhas sAo projeladas co. Jatos de ar mais
fortes, aapliando a falxa de velocldades para valores da ordellde 80 als, 0
campo de regula,,!o e geralaentf! superIor a 40" da carga uxiaa do
o ar compreende POl' exellplo, a utlliza9ao apenas dos
quel.adores sltuados em nlvei superior .inlmlza 0 efeito das superfIcies de
transfer~ncia de calor aals balxas da fornalha. POl' outro lado, COm cargas
aaxillas sao ta.bell'acionados os queiaadores sltuados ell nivel Inf'erIon
envolvendo tada a ;irea dlsponlveI para troca de calor, "Dessa forma,
controlando a troca de calor POl' radlac;llono Interior da fornalha,
conlrola-se lambem a te..peraturados gases que deixam a fornalha.
A 'temperatura de fusa.o das clnzas e fator deterllinante para a
escolha do llpo de fornalha. Nas fornalbas de carvao pulverlzado, as clnzas
rema~escentes da combustao podemser retiradas no estado s611do (f'undo
seeD) ou no estado 1lquido (fundo Umido).
primarlodlretamente na camara de combustllo,
Qualquer flutua"ao na
demanda de vapor, por exeaplo, tende a alterar a temperatura de salda dos
gases no topo da c!mara de combustao. l.portante que tadas as condl,90es de
trabalho seja.. continuaaente restabelecldas. A utlqzac;ao de queimadores
Inclln~vels, ou a instala~ao de quelaadores em d'versos~ nivels da camara,
vlabillzam 0 restabeleclaento das condi90es de trabalho, de forma raplda e
segura. Durante cargas ..lnlllas,
Dlversos tlpos de queiaadores s!o disponivels a nlvel de' mercado. A
flgura 3.10 DOstra 0 esqueoaa de um queillador a carvao pulverlzado, que
permite ainda 0 usc de 6leo COIllO combustivel auxiliar. 0 p6 de carvao,
juntamente co. 0 ar prillLirlo,eo projetado de encontro ao ar secundar Io,
problella de ajuste ou de equilibrio da unldade.rapldaaente as varlac;Oesde carga.
um constantecomde opera,,:l.o, responderdepossibiUdades A manutenc;:l.odas condl"iles de operacae desejadas or;
gis.
-FlexibUidade
FI~ J.IO-·Queimador de carvao pulverizado
-0 atendlmento de caldelras de grande porte. com cap~cldades
superlores a 1000 Vb de vapor.
-Sua alta eflci~ncla ~ralca, como resposta a UM processo de queima
'mais regular COill ua ainblo excesso de ar ,
-A possibilldade de operar e..co.blna..a~ coa queiaadores a 6leo ou
C
OLEO
". c.. ,.. -'~'" 1
-o-
quelmador. Dependendo do porte da caldeIra, alguns tlpos de queimadores sao
construldos para operarem com capacidades aclma de 40 MW [02J.
apropriadamente distribuidos nas paredes da fornalha. A granulometrla do
carvao or; var IaveL Uma boa pulveriza"lIo e obtlda quando de 10 a 90 " do
carvao tem granulometrla inferior a 200 mesh (15 pal. Porcentagens maiores
sllo desejaveis, mas implicarlam em maiores despesas de opera"ao e
.anuten"ao dos equipamentos de prepara"lIo do combustivel [031.
Naturalmente que a ~o por fornalhas de carvao pulverizado envolve
investlmentos adlcionais coa os equlpamentos de aoagem do carvao e coa a
remo"lIo de cinzas arrastadas co. os gases de co.bustao. Alem dlsso SliD
slgniflcatlvos os custos adlcion~ls coa a opera,,:l.oe .,anuten"ao desses
equlpamentos. A quel.,ae. grelba seria uoaaalternatlva imedlata para 0 usc
de car'iiiof6s5i1. Entretanto, a quelma de carv:l.opulverlzado compensa,
prlncipalmente tendo eravIsta:
3Sf'ornalha.Ger.~ao de Vapor34
.!las fornalhas de fWldo (uUdo (figura 3.12), os queimadores sao
projetados para lam;ar. a chaJaa para baixo, prevendo percurso e tempo
necessaria para que a combustao se co.plete no fundo da camara. Nesse local
os tubos sao protegldos par material refratario e as cinzas sao retiradas
no estado liquido, garantindo-se IDl minimo de arraste com os gases de
combusUio. 0 volume da camara e seapre menor, no sentido de garantir
temperaturas superlores a temperatura de fusao das cinzas, mas sem
comprometer a eficiencia ou a seguran9a da instala.,ao.
o carvao pulverizado tambea pede ser queimado e. fornalhas do tipo
ciclone (flgura 3.13). EDlbora tenham side originalmente projetadas para
consumir carvao triturado, de granuloDetria inferior a 12 mm, as 'fornalhas
clc16nlcas talRbeJll operam co. carvao pu'Iver fzado e. eeaao, nao oferece.
restri<;oes a outros tipos de collbustlv'!>is,como gas, 61eo, cavacos de
Fig 3.12- Fornalha de carvao pulverlzado (Fundo Umido).
CARVAO • AR III
r "'".
37Fornalha.s
preclpltadores eletrostatlcos.
au deauxt t teacom
parte das cinzas cal
por melos meclinlcos. A outra parte. mals Leve, e
gases, ate sua remo<;ao por melos meclinlcos
par g;avldade ao fundo da fornalha, de onde 'e retlrada
arrastada pela f luxo de
As fornalhas de fundo seco (flgura 3.11) sao normalmente proJetadas
3 . 3h1
com cargas termlcas var taveIs entre 170 e 230 kW/m (146 e 197 Mcallm .
Valores superiores sao admlssiveis, desde que nao Impliquem em temperaturas
de combustao multo pr6xlmas a temperatura de fusao das clnzas. Uma eventual
aglomera<;ao das cinzas nas paredes d'agua, au superaquecedores. reduz 0
fluxo de calor entre as gases e a agua da caldeira. A pr6prla seguran<;a da
lnstala<;ao f'Lca comprometida, uma vez que as clnzas tern car-act.er-Ls t Icaa
diferentes do a90' gerando tensees termlcas adiclonals, decorrentes do
efeito de dllata<;ao tlmllica nos tubas. Durante 0 processo de combustao,
FIg 3.11- Fornalha de carvao pulverlzado (Fundo seco)
L¢CINZAS
.0
CARVAo
~ AR (II
AR(21
OUEIMAOORES
PAREOE O'AGUA
Cera'ts.o de Vapor36
o tamanho e 0 numero de fornalhas ciclOnlc3s dependem da
~1ezibilidade de carga-requerida e da capacidade da caldeira. f conveniente
que todo carvao constltuido de cinza.s com baixo ponto de fusao seja
pr~oritariamente destinado aa fornalhas de fundo umido ou fornalhaa do tipo
cl-clone.
Carvio Carvao
Pulverizado Granulado
(Fundo seco) (Cicione)
Fornalha 20 70
Precipitadorea 76 29
chaminti 4 1
Tab 3.5- Porcentagem de cinz.!leratidas em unidades
de 600 HW,equipadas com tornalhas diterentes (03).
8imples.
capacidadeB que variam de 45 a 125 MW (03), a quaima ?o combustivel ee
proceaea em c1maras de pequenos volumea, atingindo temperaturas superiores
a 1600 °c. Ae altas temperatura8 atingidas promovem a fusi.o das cinzas,
fOrlllando uma fina pelicula sobre as paredes do ciclone, at~ sua extra~ao
pela parte inferior da fornalha. Apenaa uma pequena parcela termina sendo
.arr ... tad. pelos gases de cambustllo para a chaminli. A tabela 3.5 d.\ urna
Ld6ia desse arraste e compara du.s Instal.g6ee de masma capacidade,
adaptadas com fornalhas diferentel. As cinzas leves podem ser reinjetadas
na camara de combustao e retiradas no eat.do liquido. As cinzas llquidaB
.ao quimicamente inertes e os di9poaitlvos de coleta sao relativamente
au
pul'Yerizado.
Projetadas com cargas t4rmicas superiores a 5.000 kw/ml,
ar 6 nor~almente inferior ao uti11zado nos queimadores de carv~o
Fornalhas 39
)
-,
As fornalhas clcHlnlcas foraJll Iniclalllente Instaladas ea centrals
lerl1eletricas.Mals tarde, seu uso fol estendldo para apl1cao;ao no callpo
IndustrIal. A utlllza,.ao dessa fornalha, partlcularl1ente para carvao
trl turado, envolve lienor custo de preparacao do combustivel e garante UJl
conteudo bastante reduzldo de clnzas nos gases de cOllbustao.. 0 excesso de
Fig 3.13- Fornalha ciclOnlca
FORNAI..IIA
PAREOE 0 AGUA
AR(Z)~
CARVAO - ··l .-h._
AR(II-~
rGASES
aadelra OU oulros combustlveis slmilares. As fornalhas clcl6nlcas se
constltuem de umcllindro horizontal, Intelramente refrlgerado por agua e
convenlentemente revestldo por material refratarlo. 0 ar secundirlo e
Introduzldo tangencialmente a altas velocldades (90 a 100 m/s) e obrlga a
chaMa, em .ovlmenlo de a~~o centrifuga, a percorrer toda a parede Interna
da fornalha, propor-cfonando quelma total do combustive!. 0 ar secundar Io
representa cerca de 70 Y. de todo 0 ar utllizado na combustao. Ao centro e
Introduzldo ar t erc tar ro, provocando 0 efelto de contra-corrente,
facll1tando a combustao.
38 Cer.~o de Vapor
1
e-Do Upo de grelha, grau de auto_c;ao, forma de allllenta~ao
A !rea da grelha e nor_laente determ1nada pela taxa de
carregamento (itell3.1). ou por outros par~metros j! estabelecidos
exper1mentalaente. A taxa de carregamento, em teraos gerais, depende:
Fig 3.111 Dispositivo de all.anta<;ao de combustivel
utllizado em fornalhas ~e quel.a em grelha.
• GR HA
ALIMENTADOR-----.._
. '.
·1
I GASESCAIlVAO
A quell1aem grelha sempre Impllca em queillaparcial do combustivel. E comum
a presen~a de carbone nao queimado no cinzeiro, que tende ser tanto maier
quanto maior for 0 teor de clnzas do combustivel. 0 arraste de fuligem com
os gases de combustao e outra preocupa<;ao permanente, princlpalmente se 0
co..bustlvel for aUmentado por rotores, COIIIOIlostrado pela flgura 3.14.
Quando houver necessidade, equlpamentos de coleta podem ser adaptados de
tal forma que a fuUge., retorne por gravldade, ou seja pneumatlcamente
relnJetada na camara de combust~o. A reinjec;ao de fuligem pode signlf1car
uma eleva~~o de 2 a 3 X na eficl~ncla da calde1ra.
41Fornalha.
ocorrencia de camlnhos preferencials para 0 fluxo de ar prejudlca 0
processo de cOJlbustao,reduzlndo senslvelmente a eflciencia do equipa8eDto.
Aprlmario se mantenha bem dlstrlbll1do sobre toda a extensao da gndba...
rotores, adaptados COlip!s curvadas, espalhaJl0 combustivel sobre a grelha.
As particulas .als flnas SaO quellladas antes de atinglrem 0 leito. 0 lelto
de combustivel e usualmente aantido entre 7 e 12 em de espessura.
o suprimento de ar e assegurado por ventlladores que for~ 0 ar
atraves do lelto (ar primflrIo) e interior da camar-a de COIIbusUoo
(ar secundario). 0 ar pri.ario e soprado no sentido ascendente de modo a
refrlgerar a grelha e pro.over uma destila<;ao unlforme de todo 0
coabus t IveL A queima prossegue e se completa COllia Inje<;ao de ar
secundarl0 sobre 0 lelto de combustlvel. 0 ar secundarl0 se mlslura co. os
gases e cria a turbul~ncia requerlda para cOMpletar a co.bustao. As c1nzas
remanescentes devem ser retlradas ccntrnuaaente para que 0 flux<> de ar
Ua ou .aisresponder rapld_ente as oscUa<;~es de carga do equtpaaento.
sistema automatlco, 0 combustiveI e al1mentado co. 0 awc1110 de
dlsposltivos mecAnlcos ou pneuaat Icos, de modo a IIlnlllizarprobl_s COil
lnfiltra<;~es locallzadas e assegurar .aior eficiencla de coabusUo. A
flgura 3.111 IDOstra UIl dispositivo Iftultoutllizado, com posslbilidades de
PeloA ali.entac;ao pode ser manual ou automfltlca.carga da Instala<;ao.
f6ss11, sao aOlplaJlenteutil1zados a lenha, 0 bagaco de cana e diversos
r;eslduos industrials. Ea datas aals reeentes, projetos mals a~s e.
~,ornalhas para queIl1a de lenha tem resultado eIRealdeiras Call capacldades
superlores .esmo a 200 000 kg/h [05J. A quell1a e. grelha nao exlge uaa
Jreparac;ao rlgorosa do combustive!. Entretanto, deve-se assegurar UJlja
granulometrla uniCorme e que a allllenta<;aocorresponda as oscl1ao;6es de
Ale. do carvaoadaptarem ao conswno de var Ios tipos de combustiveis.
particularmente para uso e. centrals termeletrieas, conslderac;6es de ordem
pr!tica e economica lillltaralla aplicac;aode grelhas. que passaraa a ceder
lugar para fornalhas de carVaO pulverlzado ou fornalhas ele18nicas.
Apesar das li.itac;~es, as fornalhas de grelha alnda assuaem
importante papel no campo da gerac;iiode vapor, prlnclpablente por se
eo. a tmplantac;ao de caldelras de aalor porte,200 000 kg/h de vapor.
As tornalhas de queima em grelha tem sido proJetadas para .lendere.
caldeiras de pequeno e medio porte, em geral com capaeidades inferlores a
3.5- Queima "'" Grelha
Cer.«;:Ao de Vapor110
l-~I.'..~
doladas de paredes d'.~gua.
As grelhas rotatlvas sao conslruidas em ferro fundido na fonaa de
uma estelra e sao lenla.ente movidas por engrenagens. A energla consumida
para movl.enlar a grelha, em termos relativos, ~ negllgencl~vel. 0
cOMbustivel pede ser allmentado com 0 auxilio de rolores, na forma mostrada
-Fornalhas de grelha flxa ou eslacionaria.
-Fornalhas de grelha .6vel.
As fornalhas equlpadas COlA grelhas m6veis sao normal_enlekll/.2 [02).As fornalhas sllo construidas sob for.as baslante dlversificadas,
pedendo se classiflcar COMO:
FIg 3.15- Fornalha adaplada com grelha fixa,
Inclinada e com refrigera~ao d'agua [OS).
rolallvas leM essas caraclerisllcas e alendem a consumos maiores, pedendo
arcancar laxas de carregamento superiores a 200 kg/.2h de carvao
f6ss11 [03). 0 tipo e a qualldade do combustivel tambem interfere. na taxa
de carregamento. A queilla de carvao de boa qualldade, por exemplo, pede
representar taxas de carreganento ate valores da onflemde,;3())(g/n?h,algo
e. torno de 2300 kW/m2 (1980 Mcal/m2h). Por outr~ lado, 0 uso de carvllocom
20 r. de WII1dade e 20 r. de clnzas, por exemplo, pode slgnificar consumos
menores, na ordem de 1400 kW/m2. A presenca de flnos tambem interfere e
pede reduzlr a laxa de carregamento para valores Inferiores a 1000
¢ CINZAS
As fornalhas de grelhascombustivel e remo~ao auto~tlca das cinzas.
recoaendavef 0 uso de carvlo com alto leor de clnzas, princlpalmenle por
requerer lIlalorfluxo de ar e por Impl1car em maior arrasle de malerlal
ainda combustivel para 0 cinzeiro.
Para caldelras de porle maior, e recomendavel 0 emprego de fornalhas
equlpadas com grelhas ..6veis, que assegurem WlIa al1menlac;ao continua do
Nao ecom baixo leor de cinzas, de preferencla inferior a 15 r..
circula~lo, ambos promovea 0 necess~rio resfrlamento da grelha. Jatos de
vapor, estrateglcamenle dlstrlbuldos pela grelha, auxlliam no processo de
remo~ao das clnzas. A uliliza~ao de carvao f6ssil deve se 11mitar aos lipos
Hesse caso, tanto 0 ar pr Imar10 como a agua deda pr6prla caldeIra.
fornalha adaptada COm grelha inclinada, de tubos paralelos, destlnada a
quelmar lenha ou residuos industriais. Por dentro dos tubos circula a agua
A flgura 3.15 mostra umasenslvelmente a eflclencia do equlpamento.
LENHA
A nivel geral, pequenas unldades tem sldo normalmenle equipadas com
grelhas flxas, fabrlcadas em aco ou ferro fundldo e dlsposlas em plano
horizontal ou Incllnado. De acordo COllia tabela 3.2, caldelras adaptadas
com grelhas flxas tem sldo proj~tadas com taxas de carregamento superlores
a 100 kg/m2h para quelma de carvao f6ss11, ou superlores alSO kg/m2h para
quelma de lenha. Helhores resultados sAo alcan~ados com grelhas Inclinadas,
carregamento autom~tlco e tlragem for~ada. 0 carregamento manual favorece
Inflltra~aes locallzadas de ar, tornando a combustao irregular e reduzlndo
10GASES
GRELHA
42
43Fornolhas
mat~rlas
extra~Ao das clnzas.
-Tlpo de combustivel, quantldade de clnzas e teor de
·voU.tels.
-Fluxo de ar e tlragem dos gases de combustao.
Fig 3.17- Fornalha de grelha incllnada de
placas oscllantes e ali.enta~ao inferior.
CINZAS
Algumas fornalhas, entre tanto, sao construldas COlli paredes na forma de
arcos, no sentido de favorecer 0 processo de .lslura.e ignl~ao do malerial
combustivel.
As cinzas caem e. c3J0araS pr6prias (clnzeiros),conlroladas par
compartas, de onde sao removldas par slslemas convenclonals de lransparte
de materIals s61idos. A presen~a de carbono nao quel.ado no clnzeiro ,pede
As paredes d'agua sao usual.enle verticais.utllizado na combustao.
o ar secundarto e soprado atraves de duas ou mals fllelras de
tubeiras, direcionadas para a camara, logo aclma da grelha, sob pressoes de
600 a 800 1llIlIH20e nuaa propar~ao varlave1 ellltorno de 30 " de todo 0 ar
FIg 3.16- Fornalha de grelha rotatlva.
AR 121
presen~a de carbona nao quei.ado no cinzelro.
Tallbe. nesse caso, ~ InevltAvel asistemas convencionals de transporte.
AR
sao formados por dlversas paredes duplas llgadas i\ camara de ar. As
paredes s~o Inteiramente coberlas pelo leito de combustivel, de modo a
evitar caainhos preferencials de ar. Pequenos orificlos, dlslrlbuidos no
tapa dessas paredes, lnjelaa 0 ar pri.ario no sentido ascendenle de .odo a
assegurar uma combustao regular e' bem dislrlbuida sabre a superficie do
leito. As cinzas sao automatlcamente re.ovldas do fundo da fornalha por
Os canalsresidenc1a e quanUdade de combustivel que se deseJa quel.ar.
ser Dllnimizadamediante um controle adequado das variaveis que delerminam a
taxa de combuslao.
A flgura 3.17 .oslra UIIlafornalha de grelha construida com placas
paralelas e oscllantes. As placas oscllana lentamente na parte inferIor do
lello, de .odo a aovl.enlar 0 combuslivel ao longo de Dlultiplos
canals (relorlas). A frequencia de osclla~ao e fixada e. fun~ao do tempo deI¢ GASES
PAR EOE O'AGUA
I
/ESTEIRA
CARVAO
pela figura 3. 14, ou dlretamente pela base da grelha, como Dlostrado na
figura 3.16. Nesse caso, a taxa de combusl~o e conlrolada pela espessura
do leito, velocidade da esteira e fluxo de ar.
45Forn.lha..44 Cora'f.i.o de Vapor
:e
sendo TO a teaperatura de refer~ncla correspondente a 0 ·C. Subslltuindo os
valores na equao;;ioaclma, obtem-se mob = 1 kg/s.
335 kJ/kg4,186.(SO - 0)cp.(Ta - TO)haA queima de combustiveis s61idos, Jlultas vezes, exige a lnstalao;;ao
de quei.adores a 61eo ou a gol.spara, quando necessarlo, garantir
sustentao;;lloda chama ou auxillar no processo de acendimento da fornalha. A
figura 3.18 ..ostra uaa fornalha equlpada co.. grelha rotativa, destlnada a
Embora 0 valor da pressae absoluta nao tenha side informado, mas
tendo elR vista a pequena var Iacao do calor especlfico da agua l1quida, a
entalpia da Agua de alimeDta~llopode ser calculada atraves da equao;;ao
Fig 3.1S- Fornalha de grelha rotativa para quelma
de lenha e adaptada COm quelaadores a 61eo.
PC',1)9
my. (hy-ha)
Neste caso e conhecido 0 rendlmento global da unidade geradora de
vapor pelo poder caloriflco superior do coabus tIveI (lJ9= 0,70). Seguindo
mesma procedlmento adotado no exemplo 3.2,
Resolu~llo:
U.. gerador de vapor co. capacidade para 5 kgls de vapor deve ser
proJetado para quel.ar carvAo f65s11. 0 poder calorifico superIor do carvao
6 17535 kJlkg. Conslderando a entalpia final do vapor igual a 2790 kJlkg 'e
temperatura da 'gua de allmenta~Ao de 80·C, calcular 0 consumo de carvAo.
(Ad.iUr renciillentoglobal pelo Pea na ordem de 70 Xl·
Exemplo 3.3
FEIXE
TUBULAR
¢VAPOR SUPERAOUECIOOTAMBOR... --.........,.
quelma de lenha e adaptada COli que taador-es auxiliares junto a parede
frontal da cAmara de cOlllbustAo.0 uso de lenha em fornalhas assim
proJetadas, tem permitldo taxas de carregamento malores, superiores Mesmo a
600 kg/.2h.
No sentldo de se aJustar ~s necessldades de cada empresa, em
particular, ou concIliar a quelma de combustlveis disponlvels na regiAo,
diversos proJetos alternativos sAo permanentemente desenvolvidos. £ COlllum,
por exemplo, a queima conjunta de 61eo ou de carvao pulverlzado, com
res1duos de madeira, serragem au baga90 de cana. Em qualquer casa, a forma
e 0 volume da ct.ara de cOllbustAo sempre dependerao do tlpo ou das
proprledades quillicasde cada co~&ustlvel.
PAREOE O'AGUA
47rornalha.
Cer.~o do "apor46
- .•••. '*
qual1f1cados. a p~ de carbono no ctnzerrc e mini_. inferIor a de
temperatura de,equilibrio e baixa, e possivel transferir essa energia para
a agua da caldeira pOI' serpenlinas instaladas diretamenle no leito. Com
Isso, e possivel operaI' com taxas de evapora~ao mais elevadas. EM algumas
Instala~Bes, a quei.a de carvao de boa qualldade tem significado uma
absor,.ao de _als de SO r. do calor liberado, diretamente pelos tubos imer50s
e paredes da camara de cOllbustao. 1S50 representa uma importante vantagem
para as fornalhas de lello fluidizado.
Entretanto, mesmo para os cOmbustlveis menosperde para 0 cinzR.lro.
COIIO acalor aul to aclaa dos valores encontrados e. outras fornalhas.
Nas fornalhas de LeLt,o circulante, 0 ccabust Ivel e alhlentado COlli
granulollletriamenor, ou as velocldades de fluldiza~ao silo maiores. Nesse
caso, 0 lIaterial do leito e contlnuamente recirculado atraves das zonas de
ccnveccae e coletado POI' clclones, para reinJe,.ao na zona de combusUio
(c~ara principal). A figura 3.20 mostra 0 esquema de ullaunidade geradora
de vap'or, adaptada com fornalha de lelto circulante.
A _ovl.enta~ao conlinua do lelto garante taxas de transferencia de
Fig 3.19- Fornalha de leito estacionario
As fornalbas de grelba ou de queima em suspens~o sempre implicara..
em investimentos adlclonais para compensar a ma qualidade de alguns tipos
de combustlvels dlspoaiveis no mercado. 0 caso tlplco do ca~o f6ss1l com
alto teor de clnzas au co. quantldades signlficallvas de erueofre. As
clnzas tende. a pcejullicar 0 processo de combusta.o. Ha a necessldade de
ullamaior r"la~ ar/coabustlvel, a queima e normalmente parcial e alnda ha
o inconvenlente das clnzas se aglomerarem Junto a grelha e superficies de
aquecimento. Ale. disso, a presen~a excess iva de cinzas ou de erueofre pode
resultar e. consequfoclas desastrosas, tanto para 0 .el0 amblente, quanto
para a pr6prla lnstalao;;l(o. A ap.lLcacao de. siste.as aproprlados para 0
controle e re~ desse _terial envolve altos custos co. capital e
aanuten~10. Mesao ass~, &penas aini.iza 0 prohleaa.
As fornalhas de leito fluldizado tea se apresentado coao uma
alternallva via._l para contornar todos esses probteaas, Cam a vantagem
adicional de operan!ll co. cOlllbustiveismenos nobres, co. eficil!ncla e a
fustos coepensadores, a principio de funcionamento e slaples. a
!,ombustivel pe.-.anece ... suspensao no lelto, sob a~~o de uaa corrente
ascendente de ar-, 0 teapo que for suficiente para que a co.busUo se
complete. a leito pode ser do tlpo estacionario (borbulhante) ou do tipo
clrculan}e.
As fornalbas de leIto estacionario, lIais comuns. t~a a corrente de
ar inJetada unifonaeaente e com velocidades coapatlvels para que 0 leito se
mantenha fluldlzadD e ea agita~ao continua. 1sso permit" operaI' as
fornalhas coa teaperaturas relativaaente balxas, na ordea de 800 a 950°C.
Naturalcente que ~ parcela de carbono, ainda que reduzida, seapre se
PAREDE'-
0' AGUA
~ GASES
3.6- Queima e. Leite Fluldlzado
sistemas convenclonals. A flgura 3.19 mostra 0 esquema sl..plificado de uma
fornalha de leito estaclonario.
No Interesse de calcular a area da grelha, i.porla conhecer tambem 0
tipo de fornalba. a Coraa de ali.entacao e quaildade do coabustivel. Para
grelhas m6vels, a labela 3.2 indica taxas de carrega.ento que varia.. na
faixa de 140 a 300 tgla2h. Ja, para grelhas estacionarias, os valores cae..
para a faixa.de SO ..ISO kg/m2 h.
49Tornalh ••Cera.~.ao de Yapor48
ponto de fusio, ou de aaolecimento, a temperatura deve ser balxa 0
suficlente para evltar sua aglomera<;io nas paredes. A presenc;a do enxofre
deve ser controlada pel;' adlo;il.ode ..aior ou menor vol:JJDede earcarec.
Nesse caso, para garantir efetlva remoC;ao dos compostos de enxoCre, e
recomendavel operar a fornalha com temperaturas na falxa de 800 a 850 ·C.
A materia volatil e os Cinos de carvao podea ser queilOados denlro ou fora
do leito. Ell qualquer caso, a camara seapre tera espace llvre, aciaa do
leito, para garantir que lilacompleta dos volatels.
A geolletrla da