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SYMONNE MARINHO MOREIRA O USO DE CATALISADOR DE COMBUSTÃO NA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS BLUMENAU 2022 SYMONNE MARINHO MOREIRA USO DE CATALISADOR DE COMBUSTÃO NA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário Dante como pré-requisito para a obtenção do grau de bacharel, sob a orientação do Prof. Giovani Renato Zonta. BLUMENAU 2022 AGRADECIMENTOS Primeiro agradeço a Deus, por ter me mantido na trilha certa durante este projeto de pesquisa com saúde e forças para chegar até o final. A minha família pelo incentivo e estímulo que me deram, mesmo distantes. Aos meus pais José Maria Moreira e Sônia Maria Marinho Moreira que sempre acreditaram no meu potencial e incentivaram durante toda a caminhada. Ao meu esposo e meu filho por entender todos os momentos em que estive ausente e por estarem sempre ao meu lado, dando-me forças para continuar. A minha Sogra Irene Gelinski por todo apoio fornecido. Aos Professores que que me acompanharam nessa jornada em especial ao meu Professor e Orientador Giovani Renato Zonta por toda dedicação e por sempre estar presente para indicar a direção correta que o trabalho deveria tomar. Ao Centro Universitário Dante de Blumenau pelos conhecimentos lá adquiridos. Dedico esta conquista a todos vocês. O USO DE CATALISADOR DE COMBUSTÃO NA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS Acadêmico: Symonne Marinho Moreira Orientador: Giovani Renato Zonta Centro Universitário Dante Curso – Engenharia Mecânica Data 23/03/2022 RESUMO O presente trabalho analisa os benefícios do uso do catalisador de combustão Sahara solid-fuel additive na queima de biomassa na caldeira flamotubular, o catalisador fará com que ocorra melhor a queima do cavaco proporcionando também eficiência energética e redução de resíduos não queimados. Como objetivo, serão apresentados os tipos de caldeiras existentes, o funcionamento de uma caldeira flamotubular, a definição da biomassa que é utilizada na caldeira. Será realizado o estudo comparativo da queima da biomassa com o uso do catalisador de combustão e sem o uso do catalizador, o comparativo do custo da tonelada do cavaco com e sem o aditivo e serão apresentados os cálculos comparativos da eficiência energética. Palavras-chave: Caldeira; Eficiência; catalisador de combustão. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Uma ilustração da eolípila de Heron ou Máquina Térmica de Heron .................... 11 Figura 2 - Bomba a vapor de Thomas Savery ...................................................................... 11 Figura 3 - Motor Atmosférico de Thomas Newcomen .......................................................... 12 Figura 4 - Caldeira Aquatubular ........................................................................................... 13 Figura 5 - Caldeira Flamotubular.......................................................................................... 14 Figura 6 - Tipos de Combustível Biomassa .......................................................................... 21 Figura 7 - Silo dosador do Aditivo ........................................................................................ 22 Figura 8 - Cinzas da saída da caldeira ................................................................................. 23 Figura 9 - Pedras e não queimados ..................................................................................... 23 Figura 10 - Caldeira Mista .................................................................................................... 24 Figura 11 - Características da Caldeira Mista ...................................................................... 25 Figura 12 - Cinzas da saída da caldeira ............................................................................... 33 Figura 13 - Cinzas da saída da caldeira ............................................................................... 33 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 - Consumo de cavaco sem aditivo ........................................................................ 27 Gráfico 2 - Consumo de cavaco com aditivo ........................................................................ 27 Gráfico 3 - Custo total sem aditivo ....................................................................................... 28 Gráfico 4 - Custo total com aditivo ....................................................................................... 28 Gráfico 5 - Custo da tonelada do cavaco sem e com aditivo ................................................ 29 Gráfico 6 - Eficiência sem e com o uso do aditivo ................................................................ 32 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 9 OBJETIVOS ........................................................................................................................ 10 2 REVISÃO DA LITERATURA ....................................................................................... 10 2.1 HISTÓRIA DA CALDEIRA .................................................................................... 10 2.2 CALDEIRA FLAMOTUBULAR. ............................................................................. 14 2.2.1 Componentes da Caldeira ............................................................................ 15 2.2.1.1 Câmara de combustão – fornalha ............................................................. 15 2.2.1.2 Grelhado ................................................................................................... 15 2.2.1.3 Tambor de vapor ...................................................................................... 15 2.2.1.4 Refratários ................................................................................................ 16 2.2.1.5 Válvulas de segurança .............................................................................. 16 2.2.1.6 Ventilador primário .................................................................................... 17 2.2.1.7 Ventilador secundário ............................................................................... 17 2.2.1.8 Exaustor de tiragem .................................................................................. 17 2.2.1.9 Soprador de fuligem .................................................................................. 18 2.2.1.10 Pré-aquecedor de ar ............................................................................. 18 2.2.1.11 Filtro multiciclone .................................................................................. 18 2.2.1.12 Silo dosador .......................................................................................... 19 2.2.1.13 Dutos e tubulações ............................................................................... 19 2.2.1.14 Tanque de condensado ........................................................................ 19 2.2.1.15 Tanque de descarga de fundo .............................................................. 19 2.2.1.16 Chaminé ............................................................................................... 20 2.3 COMBUSTÍVEIS .................................................................................................. 20 2.4 BIOMASSA COMO COMBUSTÍVEL .................................................................... 20 2.5 USO DO CATALISADOR DE COMBUSTÃO NA QUEIMADA BIOMASSA ......... 22 2.6 PROBLEMAS RELACIONADOS NA COMBUSTÃO DE BIOMASSA ................... 23 2.7 CÁLCULO EFICIÊNCIA TÉRMICA DAS CALDEIRAS ......................................... 26 3 METODOLOGIA (MATERIAL E MÉTODOS) .............................................................. 24 3.1 CONSUMO DE CAVACO ..................................................................................... 26 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................... 29 4.1 EFICIÊNCIA TÉRMICA DA CALDEIRA SEM A UTILIZAÇÃO DO CATALISADOR DE COMBUSTÃO .................................................................................................................. 30 4.2 EFICIÊNCIA TÉRMICA DA CALDEIRA COM A UTILIZAÇÃO DO CATALISADOR DE COMBUSTÃO .................................................................................................................. 31 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................................... 33 6 REFERÊNCIAS ........................................................................................................... 35 9 1 INTRODUÇÃO A água é essencial para os seres vivos, e após o desenvolvimento de meios para de transformações de energia, foi possível realizar o aquecimento e superaquecimento deste recurso natural, tanto para fins residenciais no nosso dia a dia, quanto para finalidade de uso nas indústrias. O sistema de funcionamento de uma caldeira é feito pela queima de um combustível (líquido, sólido ou gasoso) ou pela conversão de energia elétrica, onde ocorre o aquecimento da água produzindo o vapor. Dentre os combustíveis usados na caldeira podemos citar: óleo combustível, óleo diesel e outros derivados de petróleo, o carvão, biomassa, o gás natural, entre outros. Neste estudo, a combustão de biomassa em caldeiras foi enfatizada como uma fonte de energia renovável e com baixo custo, como uma fonte potencial de eletricidade para aplicações em indústrias, usando a queima da biomassa como material combustível, será realizado na caldeira flamotubular (mista) ICAVI modelo ICFB 04010 um comparativo do rendimento usando o catalisador de combustão Sahara solid-fuel aditive com a queima tradicional de cavaco de madeira eucalipto. A biomassa é matéria proveniente de plantas vivas, incluindo caules, ramos, folhas de árvores, bem como resíduos da colheita agrícola e processamento de sementes ou frutos, que ao queimar na caldeira gera energia térmica, que seguidamente é transformado em energia elétrica no aquecimento de água ou formação do vapor, o que é muito utilizado por indústrias (CARDOSO,2012). Em uma época de grande preocupação com o meio ambiente, a combustão de biomassa em caldeiras tem se mostrado muito eficaz na redução das emissões de dióxido de carbono e a pesquisa e demonstração de seus benefícios são de grande importância. Como o uso de fontes alternativas de energia, principalmente renováveis, é cada vez mais procurado, a biomassa parece fornecer uma solução importante. Portanto, através desta pesquisa, buscamos desenvolver mostrar as vantagens e desvantagens do uso do catalisador de combustão, e ao mesmo despertar a demanda por inovação neste campo. 10 OBJETIVOS Objetivo geral: analisar os benefícios, vantagens e desvantagens da utilização do catalisador de combustão Sahara solid-fuel additive na queima de biomassa na caldeira flamotubular. Objetivos específicos: ➢ Apresentar o estudo comparativo da queima da biomassa com o uso do catalisador de combustão Sahara solid-fuel aditive e da queima da biomassa sem o uso do catalisador. ➢ Avaliar a eficiência energética com o uso do catalisador; 2 REVISÃO DA LITERATURA Essa seção apresenta a revisão da literatura sobre alguns tipos de caldeiras existentes, o funcionamento da caldeira flamotubular mista, o uso de biomassa como combustível e o estudo comparativo da queima de biomassa com e sem o catalisador de combustão Sahara solid-fuel aditive. 2.1 HISTÓRIA DA CALDEIRA A primeira máquina a vapor rudimentar registrada foi a eolípila descrita por Heron de Alexandria no Egito romano do século I. Vários dispositivos movidos a vapor foram posteriormente experimentados ou propostos, como a turbina a vapor de Taqi al-Din, uma turbina a vapor no Egito otomano do século 16 e a bomba a vapor de Thomas Savery na Inglaterra do século XVII. O desenvolvimento destas máquinas geradoras de vapor foi estimulado pela necessidade de encontrar uma fonte de calor que substituísse o carvão fóssil, porque esse gerava muitos gazes e resíduos pela sua queima. 11 Figura 1 - Uma ilustração da eolípila de Heron ou Máquina Térmica de Heron Fonte: https://www.ancient-origins.net Figura 2 - Bomba a vapor de Thomas Savery Fonte: https://cdn.britannica.com 12 Em 1712, o motor atmosférico de Thomas Newcomen se tornou o primeiro motor com sucesso comercial usando o princípio do pistão e do cilindro, que era o tipo fundamental de máquina a vapor usado até o início do século XX. A máquina a vapor foi usada para bombear água das minas de carvão. Figura 3 - Motor Atmosférico de Thomas Newcomen Fonte: https://c7.alamy.com/ Durante a Revolução Industrial, os motores a vapor começaram a substituir a energia eólica e hídrica, e eventualmente se tornaram a fonte dominante de energia no final do século 19 e assim permaneceram nas primeiras décadas do século 20, quando a turbina a vapor mais eficiente e a combustão interna motor resultou na rápida substituição dos motores a vapor. A turbina a vapor se tornou o método mais comum pelo qual os geradores de energia elétrica são acionados (WISER, 2000). Foi no século XXI que as caldeiras industriais passaram a produzir mais de 10 toneladas de vapor por hora. O processo energético que ocorre em um gerador de vapor é distribuir energia térmica pela queima de combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos. A energia térmica distribuída na queima de combustível precisa ser transferida para a superfície de absorção de calor (ALFATINI, 2002). A caldeira a vapor produz um processo de transferência de calor no qual um fluido que está inicialmente em estado líquido aquece e muda de estado. Portanto, eles incluem um aumento na temperatura do fluido que atinge a mudança de fase. As caldeiras a vapor podem 13 ser usadas para: aquecer água ou outros fluidos, esterilizar e gerar eletricidade. As caldeiras de combustível funcionam queimando combustível para produzir vapor. Em termos desta classificação, os autores Leite e Militão (2008) classificam as caldeiras em: flamotubular e aquatubular. O primeiro tipo refere-se a caldeiras que conduzem gases de combustão em todo o seu interior e geralmente funcionam com combustíveis líquidos ou gasosos. Este tipo de caldeira funciona com combustível líquido ou gasoso, onde o queimador é colocado na frente da fornalha. A troca de calor é realizada principalmente por radiação de luz. Na parte de trás da caldeira, a troca de calor é realizada principalmente por radiação de gasosa e convecção. Em uma caldeira flamotubular o gás quente circula dentro do tubo e a água a ser aquecida para produzir vapor fica localizada ao redor do tubo. Os tubos são montados como em um trocador de calor, com um ou mais canais. A grande vantagem deste tipo de caldeira é a facilidade de construção, devido ao baixo valor de investimento e baixo custo, não necessita de um tratamento de água muito robusto e é fácil de manter e utilizar qualquer tipo de combustível. Como desvantagens apresentam baixa capacidade, baixa taxa de produção de vapor, circulação insuficiente de água, dificuldade de instalação de superaquecedores, economizadores e pré-aquecedoresde ar (ALBERICHI, 2013). Figura 4 - Caldeira Aquatubular Fonte: https://icavi.ind.br/ 14 2.2 CALDEIRA FLAMOTUBULAR. Caldeiras Flamotubulares Horizontais: Abrangem vários modelos, desde as caldeiras Cornuália e Lancaster, de grande volume de água, até as modernas unidades compactas. Nesta seção abordaremos de forma sucinta a caldeira flamotubular mista e as funções dos principais componentes do equipamento, seus acessórios e periféricos. A caldeira flamotubular mista de concepção vertical possui circulação de água bem definida, com tubos de descida “downcomers”, alocados fora da área de queima, melhorando desta forma a circulação da água por convecção natural através da diferença de densidade entre a água com elevada temperatura, para a água com baixa temperatura. Figura 5 - Caldeira Flamotubular Fonte: Manual De Operação E Manutenção Caldeira Flamotubular 15 2.2.1 Componentes da Caldeira 2.2.1.1 Câmara de combustão – fornalha É na câmara de combustão onde acontece a queima dos voláteis, e do material em suspensão. Possui um transmissor de temperatura que indica a temperatura de operação. A câmara de combustão é o local mais quente da fornalha e deve ter limitada a temperatura para proteger o material refratário das paredes e evitar que as cinzas se fundam. 2.2.1.2 Grelhado O grelhado é o conjunto onde se dá a maior parte da combustão e resfriamento das cinzas. Sua função é transportar e revolver o combustível, através de seções fixas e seções móveis, de forma lenta e progressiva expondo o combustível à radiação emitida pela combustão. O combustível passa por três etapas sobre a grelha: 1ª Etapa: início do grelhado onde entra a alimentação de combustível, nessa região ocorre a pré-secagem do combustível; 2ª Etapa: região central do grelhado, nessa região ocorre a combustão; 3ª Etapa: nesta etapa ocorre o resfriamento da escória antes de sair no canal do sistema de extração de cinzas. 2.2.1.3 Tambor de vapor A caldeira flamotubular possui um único tambor, que tem como principais funções: ➢ Acumular água e manter o nível dela para distribuição de coletores inferiores, que posteriormente irão para as paredes e áreas de evaporação; 16 ➢ Acumular todo o vapor gerado nas paredes e evaporadores para liberação na saída principal e derivações para instrumentos e periféricos; ➢ Fazer a purga da água, através das descargas de fundo, eliminando assim sólidos que decantam no fundo do tambor de vapor. Contém também uma descarga de superfície, para a purga dos sais que se encontram no nível da água; ➢ Fazer separação de gotículas de água do vapor, através dos filtros dispostos de acordo com a qualidade necessária do vapor. O tambor de vapor é dimensionado de forma a propiciar um volume de água e vapor que permita variações de carga com mínima variação de pressão na caldeira mantendo-se a pureza do vapor na saída dela. 2.2.1.4 Refratários Os refratários têm como finalidade manter a temperatura da fornalha, pois possuem um baixo coeficiente térmico, o que impede que o calor de combustão saia para o ambiente externo. Esse calor mantido dentro da fornalha, auxilia na queima dos combustíveis, pois seca a biomassa, queima toda a matéria orgânica (reduzindo a quantidade de cinzas) e eleva a temperatura dentro da câmara de combustão. 2.2.1.5 Válvulas de segurança As caldeiras devem ser dotadas de válvulas de segurança com pressão de abertura ajustada em valor igual ou inferior à PMTA (pressão máxima de trabalho admissível), considerando os requisitos do código de projeto relativos a aberturas escalonadas e tolerâncias de calibração. Constitui condição de risco grave e iminente a não instalação desse item de segurança. 17 2.2.1.6 Ventilador primário Está localizado próximo ao grelhado, e é composto por um caracol com rotor, construído com chapas e reforços de barras chatas, para maior segurança. O acionamento é feito por transmissão direta com acoplamento elástico. O ventilador primário garante a introdução de ar atmosférico na quantidade ideal para auxiliar a queima e secagem do combustível, minimizando emissões de fuligem e fumaça. A injeção do ar é feita sob a grelha, e a modulação do ar é controlada através de um inversor de frequência. 2.2.1.7 Ventilador secundário Está localizado próximo ao grelhado, e é composto por um caracol com rotor, construído com chapas e reforços de barras chatas, para maior segurança. O acionamento é feito por transmissão direta com acoplamento elástico. O ventilador secundário injeta ar na parte superior frontal ou lateral da câmara de combustão, e é acionado manualmente por uma alavanca que modula o damper. O ar secundário auxilia na queima de particulado e gases pobres da combustão. 2.2.1.8 Exaustor de tiragem Ventilador centrífugo, projetado para executar a tiragem dos gases da caldeira. A sua vazão é controlada através de um inversor de frequência, e controlado através de um sensor de pressão da fornalha que mantém a pressão constante, conforme ajustado em seu set-point no start-up. 18 2.2.1.9 Soprador de fuligem O sistema de sopragem de fuligem foi projetado para manter as superfícies de troca térmica permanentemente limpas. O soprador de fuligem atua utilizando o vapor saturado da caldeira para realizar a limpeza das tubulações em que está aplicado. O uso frequente dos sopradores de fuligem nos tubos enquanto a caldeira está em operação, reduz significativamente o tempo gasto mais tarde na limpeza manual. Afinal, o isolamento provocado pelas impurezas aderidas na tubulação dificulta a troca térmica, fazendo com que para manutenção da vazão e pressão haja um consumo maior de combustível. 2.2.1.10 Pré-aquecedor de ar Conjunto de tubos verticais posicionados defasadamente, que funciona como um trocador de calor, onde internamente aos tubos são conduzidos os gases da combustão, e externamente o ar atmosférico que será injetado pelo ventilador primário sob o grelhado. 2.2.1.11 Filtro multiciclone O filtro multiciclone é responsável pela separação das partículas sólidas do gás de combustão, controlando a emissão de particulado na atmosfera. Os ciclones utilizados são de fluxo invertido com entrada axial, sendo constituído por um corpo cilíndrico e aletas inclinadas. A saída do gás limpo é feita pelo topo do ciclone através de um tubo cilíndrico central. No movimento circular decrescente do gás, as partículas mais pesadas, devido à densidade ou tamanho, são retiradas contra as paredes do ciclone através de forças centrífugas, descendo para a base do ciclone, onde serão descartadas na rosca transportadora. 19 2.2.1.12 Silo dosador A alimentação do combustível será feita através de um silo dosador com sistema de fundo móvel, o qual fará a retirada do combustível de dentro do silo para alimentar a caldeira. 2.2.1.13 Dutos e tubulações São tubos que direcionam os gases de combustão através dos processos que ocorrem na caldeira até a chaminé. 2.2.1.14 Tanque de condensado O tanque de condensado tem a função de armazenar o condensado que retorna do processo, além da água de reposição, para manter a caldeira abastecida adequadamente. 2.2.1.15 Tanque de descarga de fundo O tanque de descarga de fundo é responsável por fazer a eliminação dos contaminantes da água do equipamento. Possui uma válvula automática, que pode ser acionada manualmente, que faz a purga para o sistema de tratamento de água. O tanque de descarga de fundo é responsável pelo recebimento e despressurização das descargas de todos os pontos da caldeira, mantendo estes locais limpos para que o fluxo da água circule corretamente. 20 2.2.1.16 Chaminé A chaminé é cilíndrica vertical, auto estável e fixado após o lavador de gases. O diâmetro é calculado conforme a vazão de gases. A chaminé é umaparte da caldeira sensível à operação em baixa carga, e sua vida útil pode ser efetivamente reduzida, quando o equipamento opera fora dos padrões de projeto. A condensação dos ácidos resultantes da combustão ataca a chaminé de forma agressiva, gerando corrosão e consequente inutilização. Esse ataque ocorre, pois, o ar atmosférico resfria a parede externa da chaminé onde estão sendo conduzidos os gases de combustão, fazendo com que os ácidos resultantes da queima do combustível condensem nas paredes internas da chaminé. 2.3 COMBUSTÍVEIS Segundo BAZZO (1995), “toda substância capaz de reagir com o oxigênio e liberar energia térmica é identificada como combustível”. Analisando essa informação quase tudo que queima pode ser feito uma triagem e dimensionado para consumo de uma caldeira, mas o fator mais importante é o custo- benefício. Os combustíveis podem ser classificados fisicamente em três tipos distintos: sólidos, líquidos e gasosos. Segundo BALESTIERE (2007), “O poder calorífico de uma substância corresponde à quantidade de calor que se desprende na queima total de uma unidade de massa do mesmo”. 2.4 BIOMASSA COMO COMBUSTÍVEL Em termos energéticos, biomassa é toda matéria orgânica, de origem animal e vegetal, que pode ser utilizada para obtenção de energia. Assim como a energia hidráulica e outras 21 fontes renováveis de energia, biomassa vegetal é uma forma indireta de energia solar, sendo convertida em energia química através da fotossíntese. Os benefícios da biomassa ainda são objeto de muitos debates quando comparados com outras fontes de energia renováveis. No entanto, a biomassa tem muitas vantagens sobre os combustíveis fósseis devido à redução da quantidade de emissões de carbono (CARDOSO, 2012), é uma fonte renovável de energia e não pode ser esgotada, pois é derivada principalmente de plantas, o que significa que enquanto as plantas existirem neste planeta, a biomassa estará disponível como fonte de energia renovável. Outras fontes da biomassa são provenientes da agricultura, silvicultura, pesca, aquicultura, algas e resíduos. Muitos especialistas em energia concordam que quando você combina o caráter econômico e ambiental das fontes de energia, a biomassa está no topo da lista como uma das melhores fontes de energia. Figura 6 - Tipos de combustível biomassa Fonte: https://www.portal-energia.com/o-que-e-energia-biomassa/ A biomassa ajuda a reduzir a quantidade de gás de efeito estufa que causa mais impacto no aquecimento global e nas mudanças climáticas, a energia da biomassa ajuda a limpar nosso meio ambiente. A população mundial está constantemente aumentando com um aumento cada vez maior de resíduos que precisam ser descartados de maneira adequada. Grande parte do lixo acaba nos recursos hídricos, prejudicando os ecossistemas e causando impacto negativo na saúde humana. Esse lixo poderia ser aproveitado para valorização e produção de energia, bioferilizadores e outros produtos. 22 2.5 USO DO CATALISADOR DE COMBUSTÃO NA QUEIMA DA BIOMASSA O aditivo de combustível sólido Sahara é um catalisador de combustão de última geração, testado pelo IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas), em biomassas como cavacos de eucalipto, pinus, bagaço de cana, proporcionando uma melhor reação de combustão a nível qualitativo e quantitativo, aumentando a reatividade de queima em até 70%, gerando uma melhor reação de combustão nas biomassas, para um mesmo fim, melhorando a eficiência dos equipamentos, caldeiras, secadores e fornos, e alcançando economias consideráveis. Por meio de uma combustão mais eficiente, a formação de fuligem, material particulado e outros poluentes é reduzida em até 85%, ocasionando maior eficiência de transferência de calor. Devido a melhor eficiência de queima dos combustíveis, o produto reduz substancialmente a porcentagem de poluentes no gás de combustão. A redução do material particulado e da fuligem está diretamente relacionada à melhoria da combustão, ou seja, quanto maior a eficiência de combustão do combustível sólido, maior será a redução do material particulado / fumaça, chegando a uma redução de até 85%, portanto há menos poluição para o meio ambiente. O aditivo reduz consideravelmente os resíduos de não queimados nas cinzas leves e pesadas, como também os depósitos de escória, e previne nova formação. Para que a dosagem de aditivo seja adicionada na medida correta, foi instalado na caldeira um sistema de silo dosador conforme mostra a figura 7. Figura 7 - Silo dosador do aditivo Fonte: Sahara 23 2.6 PROBLEMAS RELACIONADOS NA COMBUSTÃO DE BIOMASSA Alguns problemas relacionados a má combustão da biomassa (cavaco de eucalipito) na caldeira antes do uso do “Sahara Solid-Fuel Additive • Depósito e sinterização de cinzas; • Resíduo de não queimados; • Corrosão a baixa e alta temperatura em caldeiras, fornos, secadores, etc; • Formação de pedras nas grelhas e incrustação nos tubos e super aquecedores, prejudicando a passagem do ar, e promovendo perda de eficiência nas caldeiras e corrosão nas partes metálicas; Fonte: Sahara Fonte: Sahara Figura 8 - Cinzas da saída da caldeira Figura 9 - Pedras e não queimados 24 3 METODOLOGIA (MATERIAL E MÉTODOS) O presente trabalho constitui num estudo de caso e revisão da literatura, seu desenvolvimento foi realizado a uma análise nos dados técnicos de trabalho em uma caldeira flamotubular (mista) ICAVI modelo ICFB 04010 instalada na planta do cliente de Itu-SP, que utiliza o cavaco de eucalipto como combustível, com alta eficiência, baixas emissões e durabilidade extrema, com o consumo de aproximadamente 150 toneladas por dia de cavaco e com capacidade de produção de aproximadamente 500 toneladas de vapor por dia. O catalisador Sahara Solid Fuel Additive foi aplicado no combustível (cavaco de eucalipto) através de equipamento de dosagem fornecido em comodato na esteira de alimentação da caldeira na proporção de 400 ppm ou seja, 400 gramas do catalisador para 1 tonelada de cavaco de eucalipto. Figura 10 - Caldeira Mista do cliente de Itu/SP Fonte: Site ICAVI 25 Figura 11 - Caldeira Mista do cliente de Itu/SP Fonte: Site ICAVI Figura 12 - Características da caldeira mista Fonte: Sahara 26 3.1 CÁLCULO EFICIÊNCIA TÉRMICA DAS CALDEIRAS A eficiência pelo método direto é dada pelo quociente entre a energia produzida pela caldeira na forma de vapor e o consumo de energia do combustível. A energia do vapor pode ser definida pelo produto entre a vazão em massa de vapor e o ganho de entalpia observado na água, em sua transformação de água de alimentação em vapor. Como mostra a equação (1): 𝜂𝑀𝐷 = �̇�𝑣(ℎ𝑣 − ℎ𝑎) �̇�𝑐 . 𝑃𝐶 . 100 (1) Onde: 𝜂𝑀𝐷= 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑜 𝑚é𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑡𝑜 𝑚 ̇ 𝑣= 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚á𝑠𝑠𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] ℎ𝑣 = 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑜 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] ℎ𝑎 = 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑑𝑎 á𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝑚 ̇ 𝑐= 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚á𝑠𝑠𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] 𝑃𝐶 = 𝑝𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 3.2 CONSUMO DE CAVACO É importante salientar que o consumo de cavaco será utilizado como um comparativo pare demonstrar o quanto o aditivo pode ser eficiente. Sendo assim o gráfico 1 demonstra o consumo de cavaco sem o uso de aditivo, dos meses de outubro/2020 a janeiro/2021. Somente estão listados os dados destes meses, por não haver coleta de dados no período anterior. 27 Gráfico 1 - Consumo de cavaco sem aditivo Fonte: Elaborado pela autora (2022) O gráfico 2 demonstra o consumo de cavaco com o uso de aditivo, dos meses de fevereiro a maio/2021, há uma tendência de redução no consumo de cavaco. Gráfico 2- Consumo de cavaco com aditivo Fonte: Elaborado pela autora (2022) 875,58 4.149,17 4.046,63 3.460,19 500,00 1.000,00 1.500,00 2.000,00 2.500,00 3.000,00 3.500,00 4.000,00 4.500,00 out/20 nov/20 dez/20 jan/21 to n el ad as mês CONSUMO DE CAVACO SEM ADITIVO 4.037,67 3.944,02 3.631,87 3.398,46 500,00 1.000,00 1.500,00 2.000,00 2.500,00 3.000,00 3.500,00 4.000,00 4.500,00 fev/21 mar/21 abr/21 mai/21 to n el ad as mês CONSUMO DE CAVACO COM ADITIVO 28 O gráfico 3 demonstra o custo mensal total do cavaco sem o uso de aditivo, dos meses de outubro/2020 a janeiro/2021. Gráfico 3 - Custo total sem aditivo Fonte: Elaborado pela autora (2022) O gráfico 4 demonstra o custo mensal total do cavaco com o uso de aditivo, dos meses de fevereiro a maio/2021. Gráfico 4 - Custo total com aditivo Fonte: Elaborado pela autora (2022) R$ 280.185,60 R$ 1.327.734,40 R$ 1.294.921,60 R$ 1.107.260,80 R$ 0,00 R$ 200.000,00 R$ 400.000,00 R$ 600.000,00 R$ 800.000,00 R$ 1.000.000,00 R$ 1.200.000,00 R$ 1.400.000,00 out/20 nov/20 dez/20 jan/21 Custo Total Sem Aditivo R$ 1.317.289,84 R$ 1.286.736,53 R$ 1.184.897,59 R$ 1.108.747,58 R$ 1.000.000,00 R$ 1.050.000,00 R$ 1.100.000,00 R$ 1.150.000,00 R$ 1.200.000,00 R$ 1.250.000,00 R$ 1.300.000,00 R$ 1.350.000,00 fev/21 mar/21 abr/21 mai/21 Custo Total Com Aditivo 29 O gráfico 5 demonstra o comparativo do custo da tonelada do cavaco sem e com o uso de aditivo. Gráfico 5 - Custo da tonelada do cavaco sem e com aditivo Fonte: Elaborado pela autora (2022) 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Todas as caldeiras são consideradas trocadores de calor, porque as caldeiras operam com a pressão mais alta que a atmosférica. Desta forma, devido à combustão do combustível utilizado, a água em seu interior é aquecida, para que a água possa obter energia, de modo a atingir a finalidade de geração de vapor. As caldeiras são projetadas para absorver o máximo de energia para máxima eficiência. O calor da combustão do combustível é transferido para a água por convecção, radiação e condução. Para o estudo foi utilizado a caldeira flamotubular (mista) ICAVI modelo ICFB 04010 com produção de vapor de aproximadamente 500 toneladas por dia, para os cálculos serão utilizados os dados fornecidos pelo cliente conforme tabela 1. R$ 320,00 R$ 326,25 R$ 0,00 R$ 50,00 R$ 100,00 R$ 150,00 R$ 200,00 R$ 250,00 R$ 300,00 R$ 350,00 Sem Aditivo Com Aditivo Custo da Tonelada do Cavaco sem e com Aditivo 30 Tabela 1 - Dados Apurados Fonte: Sahara 4.1 EFICIÊNCIA TÉRMICA DA CALDEIRA SEM A UTILIZAÇÃO DO CATALISADOR DE COMBUSTÃO Para o cálculo da eficiência térmica da caldeira sem o uso do aditivo, será utilizada a equação 1. 𝜂𝑀𝐷 = �̇�𝑣(ℎ𝑣 − ℎ𝑎) �̇�𝑐 . 𝑃𝐶 . 100 (1) Dados: Outubro 2020 Novembro 2020 Dezembro 2020 Janeiro 2021 𝜂𝑀𝐷= 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚 ̇ 𝑣= 3.831,17 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] ℎ𝑣 = 2.792,56 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] ℎ𝑎 = 439,95 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝑚 ̇ 𝑐= 875,58 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] 𝑃𝐶 = 2.700,00 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝜂𝑀𝐷= 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚 ̇ 𝑣= 17.755,47 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] ℎ𝑣 = 2.792,56 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] ℎ𝑎 = 439,95 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝑚 ̇ 𝑐= 4.149,17 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] 𝑃𝐶 = 2.350,00 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝜂𝑀𝐷= 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚 ̇ 𝑣= 16.124,94 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] ℎ𝑣 = 2.792,56 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] ℎ𝑎 = 439,95 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝑚 ̇ 𝑐= 4.046,63 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] 𝑃𝐶 = 2.392,00 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝜂𝑀𝐷= 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚 ̇ 𝑣= 15.560,19 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] ℎ𝑣 = 2.792,56 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] ℎ𝑎 = 439,95 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝑚 ̇ 𝑐=3.460,19 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] 𝑃𝐶 = 2.245,00 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 31 Calculando: Outubro 2020 Novembro 2020 𝜂𝑀𝐷 = 3.831,17(2.792,56 − 439,95) 875,58 . 2.700,00 . 100 𝜂𝑀𝐷 = 17.755,47(2.792,56 − 439,95) 4.149,17 . 2.350,00 . 100 𝜂𝑀𝐷 = 91,1% 𝜂𝑀𝐷 = 102,3% Dezembro 2020 Janeiro 2021 𝜂𝑀𝐷 = 16.124,94(2.792,56 − 439,95) 4.046,63 . 2.392,00 . 100 𝜂𝑀𝐷 = 15.560,19 (2.792,56 − 439,95) 3.460,19 . 2.245,00 . 100 𝜂𝑀𝐷 = 93,6% 𝜂𝑀𝐷 = 112,6% 4.2 EFICIÊNCIA TÉRMICA DA CALDEIRA COM A UTILIZAÇÃO DO CATALISADOR DE COMBUSTÃO Para o cálculo da eficiência térmica da caldeira com o uso do aditivo, será utilizada a equação 1. 𝜂𝑀𝐷 = �̇�𝑣(ℎ𝑣 − ℎ𝑎) �̇�𝑐 . 𝑃𝐶 . 100 (1) Dados: Fevereiro 2021 Março 2021 Abril 2021 Maio 2021 𝜂𝑀𝐷= 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚 ̇ 𝑣= 16.831,21 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] ℎ𝑣 = 2.792,56 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] ℎ𝑎 = 439,95 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝑚 ̇ 𝑐= 4.037,67 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] 𝜂𝑀𝐷= 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚 ̇ 𝑣= 15.936,20 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] ℎ𝑣 = 2.792,56 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] ℎ𝑎 = 439,95 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝑚 ̇ 𝑐= 3.944,02 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] 𝜂𝑀𝐷= 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚 ̇ 𝑣= 14.381,80 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] ℎ𝑣 = 2.792,56 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] ℎ𝑎 = 439,95 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝑚 ̇ 𝑐= 3.631,87 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] 𝜂𝑀𝐷= 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚 ̇ 𝑣= 14.062,14 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] ℎ𝑣 = 2.792,56 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] ℎ𝑎 = 439,95 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝑚 ̇ 𝑐=3.398,46 [ 𝑘𝑔 𝑠 ] 32 𝑃𝐶 = 2.245,00 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝑃𝐶 = 2.073,00 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝑃𝐶 = 2.175,00 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] 𝑃𝐶 = 2.315,00 [ 𝑘𝐽 𝑘𝑔 ] Calculando: Fevereiro 2021 Março 2021 𝜂𝑀𝐷 = 16.831,21(2.792,56 − 439,95) 4.037,67 . 2.245,00 . 100 𝜂𝑀𝐷 = 15.936,20(2.792,56 − 439,95) 3.944,02 . 2.073,00 . 100 𝜂𝑀𝐷 = 104,3% 𝜂𝑀𝐷 = 109,5% Abril 2021 Maio 2021 𝜂𝑀𝐷 = 14.381,80(2.792,56 − 439,95) 3.631,87 . 2.175,00 . 100 𝜂𝑀𝐷 = 14.062,14 (2.792,56 − 439,95) 3.398,46 . 2.315,00 . 100 𝜂𝑀𝐷 = 102,3% 𝜂𝑀𝐷 = 100,4% Gráfico 6 - Eficiência sem e com o uso do aditivo Fonte: Elaborado pela autora (2022) 91,1 102,3 93,6 112,6 104,3 109,5 102,3 100,4 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 105,0 110,0 115,0 out/20 nov/20 dez/20 jan/21 fev/21 mar/21 abr/21 mai/21 EFICIÊNCIA 33 Analisando o gráfico, tem-se a média da eficiência sem o aditivo no período de outubro/20 a janeiro/21 de 98,5%, e a média do rendimento com o aditivo no período de fevereiro/21 a maio/21 de 105,3% conseguindo uma melhora na eficiência em 6,8% e uma economia no consumo de cavaco de 6,4%. É notório o resultado da queima do cavaco com o aditivo, pois alguns dos problemas encontrados antes do uso, eram a formação de pedras nas grelhas e os resíduos de não queimados, com o uso do aditivo tem-se uma queima total, conforme figuras 12 e 13. Fonte: Sahara Fonte: Sahara 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS Após as análises das variáveis dos resultados apurados constatou-se a boa atuação do catalisador de combustão “Sahara Solid-Fuel Additive” ressaltando as condições e alteração no período anterior e durante a aplicação do aditivo. Analisando os gráficos 3 e 4 do custo total do cavaco sem e com aditivo percebe-se que a tendência com o passar dos meses é a redução do custo, pois há uma redução do consumo do cavaco. Figura 13 - Cinzas da saída da caldeira Figura 14 - Cinzas da saída da caldeira 34 Os números no gráfico 6 comprovam uma ação direta do aditivo na melhoria da combustão, com resultado direto na economia do cavaco (biomassa) de 6,4% e ganho na eficiência de 6,8%, considerando ainda a redução de resíduos de não queimados, formação de pedras na grelha, fornalha e incrustação no tubulão, pré ar e super aquecedor, se o tubo está incrustado precisa-se de mais energia para aquecer esse tubo, ou seja, mais consumo de cavaco, como o aditivo elimina essas incrustações, necessitamos de menos energia, ou seja, menor consumo de cavaco, através de uma evaporação mais rápida na umidade presente na biomassa, proporcionando um melhor aproveitamento do poder calorífico (PCI/kg) do cavaco ( combustível sólido) Quando consegue reduzir os resíduos de não queimados, formação de pedras na grelha, fornalha e incrustação no tubulão, pré ar e super aquecedor com o passar do tempo reduz-se a necessidade de paradas para manutenção.Para as análises referentes a redução de manutenção, corrosão dos equipamentos e só poderão ser analisadas e mensuradas em um período maior e constante do uso do catalisador “Sahara Solid-Fuel Additive”. 35 6 REFERÊNCIAS ALTAFINI, C. R. Caldeiras. Curso de engenharia mecânica. Universidade de Caxias do Sul, 2002. ALBERICHI, M. Estudo das instalações e operações de caldeiras de uma indústria de produtos químicos do estado do Paraná, sob ótica da NR-13 e NR- 28. Monografia do curso de especialização em Engenharia de Segurança do Trabalho. Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2009. BALESTIERI, J. A. P. Máquinas térmicas. Curso de Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá – UNESP – FEG, 2007. BAZZO, Edson. Geração de Vapor. Trabalho de conclusão de curso em Engenharia Ambiental. Editora da UFSC. Florianópolis, 1995. BOMBA A VAPOR. Disponível em: < https://cdn.britannica.com/14/133014-050- D2175859/Thomas-Savery-steam-pump-engraving.jpg >. Acesso em: 13 ago. 2021. CALDEIRA FLAMOTUBULAR: Disponível em: < https://icavi.ind.br/pt/produtos/caldeira-aquatubular-ica/>. Acesso em: 13 ago. 2021. CARDOSO, B.M. Uso da Biomassa como Alternativa Energética. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2012 EOLÍPILA. Disponível em: < https://www.ancient-origins.net/ancient- technology/ancient-invention-steam-engine-hero-alexandria-001467>. Acesso em: 13 ago. 2021. 36 FORÇA A VAPOR. Disponível em: < https://www.civilopedia.net/pt-BR/rise-and- fall/technologies/tech_steam_power>. Acesso em: 13 ago. 2021 LEITE, N. R.; MILITÃO, R. de A. Tipos e aplicações de caldeiras. PROMINP – ENGENHEIRO DE SUPRIMENTOS. Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Mecânica. 2008 SAHARA SOLID FUEL ADDITIVE®. Disponível em: < https://www.saharabr.com.br/pt-br/sahara-solid-fuel-additive.asp >. Acesso em: 13 ago. 2021. TAFNER, Elisabeth Penzlien; DA SILVA, Everaldo. Metodologia do Trabalho Acadêmico. Indaial: ASSELVI, 2008. WISER, Wendell H. Recursos energéticos: ocorrência, produção, conversão, uso. Birkhäuser. (2000). HEGELE, Jonas H. Manual de Operação e Manutenção Caldeira Flamotubular. Pouso Redondo: ICAVI.
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