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Geração de Vapor Profª Maria Regina Thomaz DEFINIÇÃO NR-13: “Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo. “ Tipo de Caldeiras Flamotubular: Os produtos de combustão circulam pelo interior dos tubos, que ficam imersos na água a ser vaporizada. Aquatubular: A água a ser vaporizada circula pelos tubos, e os produtos de combustão pelo exterior deles. Caldeiras Flamotubulares Baixo rendimento térmico; Maior espaço ocupado; Ideal para pequenas instalações; Simples construção. Verticais: Os tubos são colocados verticalmente num corpo cilíndrico fechado nas extremidades por placas, chamadas espelhos ; A fornalha interna fica no corpo cilíndrico logo abaixo do espelho inferior. Os gases de combustão sobem através dos tubos, aquecendo e vaporizando a água que está em volta deles. As fornalhas externas são utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de combustíveis de baixo poder calorífico, tais como: serragem, palha, casca de café e de amendoim e óleo combustível. Horizontais Abrangem vários modelos, desde as caldeiras Cornuália e Lancaster, de grande volume de água, até as modernas unidades compactas. As principais caldeiras horizontais apresentam tubulões internos nos quais ocorre a combustão e através dos quais passam os gases quentes. Podem ter de 1 a 4 tubulões por fornalha. Tipos: Cornuália; Lancaster; Multitubular; Locomóvel; Escocesa. Cornuália: é constituída de um tubulão horizontal ligando a fornalha ao local de saída de gases; Funcionamento simples; Rendimento Baixo; Lancaster: A caldeira Lancaster é de construção idêntica à anterior, porém tecnicamente mais evoluída; É constituída de dois a quatro tubulões internos; Algumas delas apresentam tubos de fogo e de retorno. Multitubular: a queima de combustível é efetuada em uma fornalha externa; Os gases quentes passam pelos tubos de fogo; Queima de qualquer tipo de Combustível. Locomóvel: apresenta uma dupla parede em chapa na fornalha, pela qual a água circula; Fácil transferência de Local; Utilizada em Serrarias e em Campos de Petróleo. Escocesa: o modelo de caldeira industrial mais difundido no mundo; É destinada à queima de óleo ou gás; Criada basicamente para uso marítimo. arias e em Campos de Petróleo. CALDEIRA AQUATUBULAR Maior Rendimento; Maior produção de Vapor; Maior Superfície de Aquecimento. TUBULÃO DE ÁGUA INFERIOR É o elemento de ligação dos tubos para possibilitar a circulação de água na caldeira, tem por função de acumular lama formada pela reação dos produtos químicos com a água da caldeira. A água que sai deste elemento é encaminhada para tratamento. Tubulão de água superior É um corpo cilíndrico contendo em seu interior água e vapor formado pela troca térmica entre os gases da combustão e a água em circulação na caldeira. Sua principal função é separar a água do vapor (ambos saturados). Estes tubos contém conexões para visores de nível, válvulas de segurança, instrumentos de indicação e controle, além de tubos de ligação com superaquecedor de vapor. Tubulão de água inferior Tubos de alimentação de água São distribuídos no tubulão superior através de furos dispostos em toda a extensão do tubulão. Este tubos são geralmente posicionados 45º para baixo e direcionados na parte traseira do costado do tubulação. Tubos de purga contínua Localiza-se abaixo do nível de água aproximadamente, com furos em toda a extensão. É deste tubo que se faz coleta de água para análise de sólidos, fosfatos, dispersantes, pH, sulfito, alcalinidade, sílica,a qual é feito o controle químico da água da caldeira. Defletor É constituído de chapas, colocados no costado frontal do tubulão de vapor, formando uma câmara para receber o vapor dos tubos geradores. Separadores de vapor Consiste em chicanas e filtros que destinam- se a reter água do vapor, de maneira que esse entre “seco” no superaquecedor. Tubos de circulação São tubos traseiros do feixe tubular que conduzem a água do tubulão de vapor para o tubulão de água, chamadas de tubos descendentes. Tubos geradores São tubos dianteiros do feixe tubular ascendentes e descendentes, que conduzem a mistura água e vapor saturado para o tubulão de vapor. Estes tubos são que recebem maior quantidade de calor da fornalha e a caldeira propriamente dita. Parede d’água – Tubulação da Caldeira São tubos dianteiros do feixe tubular ascendentes e descendentes, que conduzem a mistura água e vapor saturado para o tubulão de vapor. Estes tubos são que recebem maior quantidade de calor da fornalha e a caldeira propriamente dita. A parede d’água pode ser frontal, traseiro ou lateral. Quanto à construção, podem ser: Aletados ou membranados; Tangentes; Espaçados. Superaquecedor É destinado a aumentar a temperatura do vapor saturado, tornando este mais seco sem aumentar sua pressão. É constituído de tubos lisos/aletados resistentes a altas temperaturas, que aproveitam os gases de combustão para dar o devido aquecimento ao vapor saturado, transformando-o em vapor superaquecido. Economizador O economizador tem a finalidade de aquecer a água de alimentação da caldeira. Normalmente está localizado na parte alta da caldeira entre o tambor de vapor e os tubos geradores de vapor, e os gases são obrigados a circular através dele, antes de saírem pela chaminé. Existem vários tipos de economizadores e na sua construção podem ser empregados tubos de aço maleável ou tubos de aço fundido com aletas. Pré-aquecedor de ar O pré-aquecedor de ar é um equipamento (trocador de calor) que eleva a temperatura do ar antes que este entre na fornalha. O calor é cedido pelos gases residuais quentes ou pelo vapor da própria caldeira. A instalação desses equipamentos oferece a vantagem de melhorar a eficiência da caldeira pelo aumento da temperatura de equilíbrio na câmara de combustão. Alimentação de bagaço Queimadores Os queimadores são peças destinadas a promover, de forma adequada e eficiente, a queima dos combustíveis em suspensão. Equipamentos auxiliares • Sopradores de Fuligem (ramonadores) Os sopradores de fuligem permitem uma distribuição rotativa de um jato de vapor no interior da caldeira e tem por finalidade, fazer a remoção da fuligem e depósitos formados na superfície externa da zona de convecção das caldeiras. Válvulas de segurança As válvulas de segurança e de alívio de pressão são dispositivos que protegem automaticamente os equipamentos de processo de um eventual excesso de pressão. Caldeiras e vasos de pressão obrigatoriamente necessitam desses dispositivos de segurança para sua proteção, em cumprimento à legislação através de normas como a NR-13 , e atendendo aos códigos nacionais e internacionais de projeto. Indicadores de nível Os indicadores de nível tem por objetivo indicar o nível de água dentro do tubulão de evaporação. Em geral, são constituídos por um vidro tubular. Sistemas de controle de água de alimentação Os sistemas de controle de água de alimentação devem regular o abastecimento de água ao tubulão de evaporação para manter o nível entre limites desejáveis. Esse limites devem ser observados no indicador de nível. A quase totalidade das caldeiras são equipadas com sistemas automatizados, que proporcionam maior segurança, maiores rendimentos e menores gastos de manutenção. Sensores de temperatura Os sensores fazem a medição da temperatura dos fluidos. São mais utilizados os PT-100. Medem a temperatura dos gases de combustão, do ar de entrada, da água de entrada, do vapor gerado e do combustível. Tratamento de águapara caldeiras A água para caldeiras deve receber tratamento que permita: remoção total ou parcial de sais de cálcio e magnésio, os quais produzem incrustações. O processo, designado por abrandamento da água pela cal soldada, consiste na injeção de soluções de CaO (cal) e NaCO3 (carbonato de sódio) para precipitar o carbonato de cálcio e formar hidróxido de magnésio floculado, de modo a serem removidos antes de a água ser bombeada para a caldeira. As principais grandezas de qualidade da água são: Dureza total e PH. Eliminação da dureza •Precipitação com fosfatos •Tratamento com quelatos •Controle do pH e da alcalinidade •Eliminação do oxigênio dissolvido •Controle do teor de cloretos e sólidos totais Clarificação: O processo consiste na previa floculação, decantação e filtração da água com vistas a reduzir a presença de sólidos em suspensão. •Abrandamento: Consiste na remoção total ou parcial dos sais de cálcio e magnésio presentes na água, ou seja, consiste na redução de sua dureza. •Desmineralização ou troca iônica •Desgazeificação São empregados equipamentos especiais que aquecem a água e desta forma, são eliminados os gases dissolvidos. Pode ser utilizado vapor direto para o aquecimento da água a ser desgazeificada. •Remoção de sílica Como já foi abordado, a sílica produz uma incrustação muito dura e muito perigosa. Os tratamentos normalmente empregados no interior da caldeira não eliminam a sílica. Os métodos mais usados para essa finalidade são a troca e tratamento com óxido de magnésio calcinado. •Métodos internos Os tratamentos internos se baseiam na eliminação da dureza, ao controle do pH e da sua alcalinidade, na eliminação do oxigênio dissolvido e no controle dos cloretos e do teor total de sólidos. Manutenção das Caldeiras Todo tratamento para obter bons resultados depende de um controle eficiente e sistemático, quer dos parâmetros químicos e físicos, como de certas operações e procedimentos. •Controle químico •Limpeza química das caldeiras •Proteção de caldeiras contra corrosões Oxidação Um dos principais responsáveis pela deterioração das caldeiras é a corrosão, que age como fator de redução da espessura das superfícies submetidas à pressão. A corrosão não é sentida pelos instrumentos de operação da caldeira, ou seja, os pressostatos e as válvulas de segurança não detectam sua evolução por que não é acompanhada por elevação de pressão. Oxidação Corrosão interna •Oxidação generalizada do ferro •Corrosão galvânica •Corrosão por aeração diferencial •Corrosão salina •Fragilidade cáustica •Corrosão por gases dissolvidos Corrosão externa Esse tipo de corrosão acontece nas superfícies expostas aos gases de combustão e é função do combustível utilizado e das temperaturas. Nas caldeiras aquatubulares, as superfícies de aquecimento mais quente são aquelas do superaquecedor, podendo ocorrer corrosão tanto nas caldeiras que queimam o oleio como carvão. NORMAS REGULAMENTADORAS •NR 4 - Serviços especializados em engenharia de segurança e em medicina do trabalho (SESMT). •NR 5 - Comissão Interna de Prevenção de Acidentes •NR 6 - Equipamento de Proteção Individual – EPI •NR 10 - Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade •NR 13 - Caldeiras e Vasos de Pressão •NR-15 - Atividades e Operações Insalubres •NR 17 - Ergonomia •NR 23 - Proteção Contra Incêndios •NR 26 - Sinalização de Segurança Grande parte da geração de energia elétrica do hemisfério norte utiliza vapor de água como fluído de trabalho em ciclos termodinâmicos, transformando a energia química de combustíveis fósseis ou nucleares em energia mecânica, e em seguida, energia elétrica. Toda indústria de processo químico tem vapor como principal fonte de aquecimento: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores e inúmeros processos e equipamentos térmicos e mesmo outros setores industriais, como metalúrgico, metal-mecânico, eletrônica, etc., podem se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos. Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura constante durante a condensação a pressão constante. A pressão de condensação do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos processos. O controle de pressão, por ser um controle mecânico de ação direta é conseguido muito mais facilmente que o controle direto de temperatura. A faixa de temperaturas até 170 ºC utiliza vapor saturado até 10 kgf/cm2 , cuja temperatura de saturação é 183 ºC. Nesta faixa está a grande maioria de pequenos e médios consumidores de vapor. Maiores temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de saturação, o que implica num maior custo de investimento devido a necessidade de aumento da resistência mecânica e requisitos de fabricação e inspeção do gerador de vapor. O limite da temperatura de vapor saturado é o ponto crítico, a 374 ºC e 218 atmosferas. Não é vantajoso utilizar-se vapor superaquecido para processos de aquecimento a temperaturas mais altas, já que seria perdida a facilidade de controle de temperatura e diminuição drástica da disponibilidade de energia por unidade de massa ou volume de vapor. Vapor superaquecido é utilizado e produzido para geração de energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos, e neste caso a limitação de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de construção empregados. Em utilização industrial, poderíamos arbitrar uma classificação de geradores de vapor em relação a pressão de trabalho: - baixa pressão: até 10 kgf/cm2 - média pressão: de 11 a 40 kgf/cm2 - alta pressão: maior que 40 kgf/cm2 Grandes caldeiras, as quais são utilizadas tanto para geração própria de energia elétrica quanto para processos de aquecimento, estão limitadas a pressões da ordem de 100 kgf/cm2 . Existem caldeiras de maiores pressões, mas utilizadas somente em grandes centrais termoelétricas ou grandes complexos industriais, representando um número muito reduzido de unidades, em comparação com as milhares de pequenas caldeiras em operação. As caldeiras são dispositivos de alta complexidade e, por lidarem com vapor de água sob alta pressão e alta temperatura, são instalações de alta periculosidade. Possuem variadas características construtivas, que diferem de modelo para modelo. Entretanto, algumas características são comuns a todas as caldeiras — algumas dessas características serão apresentadas nesta seção. 1 Aspectos gerais de caldeiras Caldeiras são o coração de plantas termelétricas e diversos outros segmentos da indústria. Convertem energia proveniente de quatro fontes de energia básicas: energia química de combustíveis fósseis, energia nuclear, e a partir da fissão ou da fusão de átomos. 2 Classificação de caldeiras 1. aquecimento ou fornecimento de calor para processador; 2. geração de energia elétrica; 3. movimentação de máquinas e motores (motores de barcos e navios, por exemplo). As caldeiras podem se destinar a suprir três demandas principais: Fonte: Adaptada de Rayaprolu (2009 Figura 1. Classificações de caldeiras quanto aos seus diferentes aspectos Aspecto alimentação/queima : 1. PF - pulverised-fuel : combustível pulverizado, operando com a finalidade tanto de gerar energia elétrica como de atender à demanda de vapor para determinados processos no parque industrial; 2. CFBC - circulating fluidized bed boilers: caldeiras com leito fluidizado circulante; 3. BFBC - bubbling fluidized bed combustion: caldeiras com combustão em leito fluidizado borbulhante. BFBC : caldeiras com combustão em leito fluidizado borbulhante queima de biomassas com alto teor de umidade e baixo poder calorífico ( ex: bagaço de cana 55% de umidade) leito fluidizado borbulhante é formado por um grande volume de areia, que se “fluidiza” ao receber uma quantidadede ar por baixo da grelha, a alta pressão, com bicos de sopragem adequadamente dimensionados a massa de areia é aquecida por queimadores, e em seguida o combustível começa a ser injetado, e passa a queimar no leito de areia, dispensando o uso dos queimadores de partida, que são então apagados. grande volume de areia com temperatura controlada em 850ºC, promove uma grande estabilização da combustão e queima completa do combustível; caldeira mais estável em termos de produção, pressão e temperatura do vapor; suportando melhor as variações de umidade, granulometria e poder calorífico do combustível, comparada a uma caldeira com grelha. https://rincox.com.br/areia-para-leito-fluidizado-de-caldeira/ https://rincox.com.br/areia-para-leito-fluidizado-de-caldeira/ https://rincox.com.br/areia-para-leito-fluidizado-de-caldeira/ Aplicações dos modelos de caldeiras Caldeiras aquatubulares : aplicadas, em grande parte, em centrais térmicas, operando com ciclo Rankine, para gerar energia elétrica; Caldeiras flamotubulares: geração de vapor saturado, para atender à demanda de utilidades como vapor e água quente para processos industriais. indústria de alimentos (laticínios, bebidas, frigoríficos, entre outros). 3. Caldeira aquatubular Gerador de vapor aquatubulares são aqueles em que a água está contida dentro dos tubos, enquanto a combustão e a passagem dos gases à alta temperatura ocorrem do lado de fora dos tubos. Função de uma caldeira aquatubular, assim como de qualquer outra caldeira, é transferir energia térmica proveniente de alguma fonte para o fluido de trabalho. A fonte de energia abrange combustíveis fósseis, líquidos, sólidos e gasosos, além de fontes geotérmicas, energia solar térmica ou rejeito de calor de outros processos. Em todos os casos, a fonte de calor está na parte externa dos tubos que conduzem a água. O processo de evaporação gradual da água, que é posteriormente extraída de um reservatório situado na parte superior da caldeira. Caldeiras aquatubulares são equipamentos complexos, que possuem inúmeros trocadores de calor, bombas e sistemas de segurança. Caldeira aquatubular/combustível pulverizado Caldeira aquatubular/combustível pulverizado Características técnicas Caldeiras aquatubulares podem ser aplicadas em pequena, média e grande escala, mas são muito comuns em empreendimentos de grande porte, tendo como objetivo gerar vapor superaquecido para posterior expansão em turbinas. Há uma grande variedade de modelos construtivos de caldeiras aquatubulares. Características técnicas O princípio de operação das caldeiras aquatubulares é o mesmo, porém, sua forma construtiva pode variar significativamente em relação à combustão utilizada ou em relação ao circuito termo-hidráulico (sistema água/vapor). A combustão de combustíveis pulverizados, muito comum nesse tipo de caldeira, é obtida por meio da moagem do combustível (usualmente carvão) e da posterior pulverização do combustível em pó. O carvão é reduzido a partículas que podem variar de 55 a 100 micrometros. Uma parcela da energia inserida no ciclo é destinada aos moinhos, equipamentos de grande porte e difícil manutenção. A injeção de carvão pode ser feita em um esquema de queima frontal, ou queima tangencial. A câmara de combustão é revestida de tubos de água, que formam a chamada parede de água, onde ocorre a transferência de calor para gerar o vapor. Forma de circulação da água nos dutos Circulação natural: a bomba de alimentação apenas garante a manutenção do nível de água do tubulão, à medida que ele diminui em função do consumo de vapor. A circulação natural ocorre devido à variação da massa específica da água, à medida que ela recebe o calor da fornalha. Com a massa específica da água é muito menor do que a água líquida, ela tende a retornar ao tubulão superior naturalmente. Essa circulação, então, ocorre de forma permanente durante a operação da caldeira. Na prática, segundo Teir (2003), a pressão no sistema deve ser menor do que 170 bar para que haja uma circulação adequada. • Circulação forçada: uma segunda bomba promove a circulação da água, acelerando seu retorno ao tubulão superior. Comparação entre as vantagens e desvantagens desses dois sistemas. 4 Caldeiras Flamotubulares Os feixes de tubos são dispostos dentro de um reservatório de água. Como os tubos estão imersos, seu lado externo está em contato com a água, enquanto o lado interno é percorrido pelos gases de combustão. Em geral, são caldeiras de pequeno e médio porte, utilizadas na maioria dos processos industriais para fornecer vapor saturado, além de água quente. A caldeira flamotubular pode ser considerado um grande vaso de pressão que age como um reservatório que contém a mistura água-vapor, como mostra a Figura a seguir. A combustão que ocorre na câmara gera gases de combustão quentes, que transferem energia para o líquido que o rodeia, através dos tubos de passagem. A caldeira flamotubular consiste no fato dos tubos conterem, em seu interior, os gases quentes e, em sua parte externa, a água. O queimador, geralmente opera com óleo ou gás natural, que permite a formação de uma chama quase horizontal, que percorre boa parte do tubo de chama, ou câmara de combustão. Na Figura a seguir pode-se verificar o resultado de uma simulação numérica computacional indicando o campo de temperatura esperado, dando uma noção do formato de chama dentro da câmara de combustão de uma caldeira de três toneladas de consumo de vapor por hora. Fonte: Ermel, (s.d.) No anteparo existente na outra extremidade da caldeira, os gases de combustão à alta temperatura são direcionados ao feixe de tubos que os conduz até a chaminé. Durante todo o caminho percorrido, a transferência de energia para a água força a formação de vapor saturado na camada superior da caldeira. O vapor é extraído pela tomada superior, indicada na Figura 7. Características técnicas segundo Rayaprolu (2013), para caldeiras flamotubulares: 1) adequadas para utilização apenas com combustíveis limpos, como é o caso do gás natural ou do óleo; 2) estrutura interna por onde os gases de combustão circulam é complexa e naturalmente acumula sujeiras e incrustações; 3) constantes mudanças de direção e os pequenos diâmetros dos tubos demandam uma rotina frequente de manutenção dessas caldeiras; 4) por um vaso de pressão, o formato cilíndrico garante uma distribuição homogênea das tensões e auxilia na integridade estrutural da caldeira; 5) soldas e acessos devem seguir normas de segurança criteriosas (SARKAR, 2015). Carvão, lenha ou mesmo biomassa, não podem ser utilizados, em função da maior exigência de manutenção, devido ao alto nível de material particulado ou formação de fuligem. Outra questão importante envolvendo caldeiras flamotubulares é o poder calorífico do combustível utilizado. Esse tipo de caldeira apresenta dimensões reduzidas, assim, a área de transferência de energia dos gases para a água não é grande. Dessa forma, é necessário que a combustão esteja contida na região da câmara de combustão, ou tubo de chama, para que, ao chegar no anteparo da outra extremidade, apenas gases de combustão sejam transportados. Segundo Rayaprolu (2013), caldeiras flamotubulares são projetadas para atenderem a consumos de vapor de até 35 toneladas por hora e pressões de trabalho menores do que 25,3 Bar ou 2,53 Mpa. Com geometria tubular, são dispostas no sentido horizontal, mas caldeiras de pequeno porte podem ter seu arranjo construtivo no sentido vertical. Como possui um reservatório grande, esse vaso de pressão contém uma grande quantidade de vapor saturado e pode representar grande risco de morte aos operadores, no caso de um acidente. Caldeira de baixo custo, compacta, de rápida produção,alguns fabricantes podem não destinar a qualidade necessária para que esse equipamento suporte adequadamente as condições de operação. A característica construtiva de caldeiras flamotubulares faz com que o grande reservatório de água seja também um grande reservatório térmico. Ainda as flamotubulares: a) suportam grandes variações no consumo instantâneo de vapor; b) tem uma vida útil esperada de 25 anos, sendo que há registros de operação de caldeiras com mais de 75 anos; c) das rotinas de manutenção necessárias; d) tratamento da água de alimentação é um dos pontos-chave para garantir o bom funcionamento do equipamento; e) as de médio e grande porte são montadas no local final de instalação; f) representam menor investimento inicial; g) necessitam de intervalos menores de manutenção e limpeza, para garantir a disponibilidade e a vida útil. Geração de Vapor Slide 2 Slide 3 Slide 4 Slide 5 Slide 6 Slide 7 Slide 8 Slide 9 Slide 10 Slide 11 Slide 12 Slide 13 Slide 14 Slide 15 Slide 16 Slide 17 Slide 18 Slide 19 Slide 20 Slide 21 Slide 22 Slide 23 Slide 24 Slide 25 Slide 26 Slide 27 Slide 28 Slide 29 Slide 30 Slide 31 Slide 32 Slide 33 Slide 34 Slide 35 Slide 36 Slide 37 Slide 38 Slide 39 Slide 40 Slide 41 Slide 42 Slide 43 Slide 44 Slide 45 Slide 46 Slide 47 Slide 48 Slide 49 Slide 50 Slide 51 Slide 52 Slide 53 Slide 54 Slide 55 Slide 56 Slide 57 Slide 58 Slide 59 Slide 60 Slide 61 Slide 62 Slide 63 Slide 64 Slide 65 Slide 66 Slide 67 Slide 68 Slide 69 Slide 70 Slide 71 Slide 72 Slide 73 Slide 74 Slide 75 Slide 76 Slide 77 Slide 78 Slide 79 Slide 80 Slide 81 Slide 82 Slide 83 Slide 84 Slide 85 Slide 86 Slide 87 Slide 88 Slide 89 Slide 90 Slide 91 Slide 92 Slide 93 Slide 94
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