Apostila Caldeiras a Vapor_ERE_1 sem 2021

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“Geradores de Vapor ”
Prof. Dr. Flávio Neves Teixeira
Gerador de Vapor (caldeira)
Equipamento que, utilizando a energia química
liberada durante a combustão de um combustível,
promove a mudança de fase da água do estado
líquido para vapor a uma pressão maior que a
atmosférica.
O vapor resultante é utilizado para o
acionamento de máquinas térmicas, para a geração
de potência mecânica e elétrica, assim como para fins
de aquecimento em processos industriais
Desenvolvimento dos 
geradores de vapor
Classificação dos Geradores de Vapor
• Utilização principal;
• Disposição relativa dos gases e do fluido de
trabalho;
• Força motriz da circulação do fluido de trabalho;
• Nível de pressão de operação;
• Tipo de combustível ou fonte de calor;
• Tecnologia de combustão;
• Organização do fornecimento de ar e exaustão dos
gases de combustão;
• Disposição da fornalha e superfície de aquecimento.
Atendendo à utilização principal
• Energéticas (instaladas em centrais termelétricas)
•16-18MPa com 438°C, 24-34 MPa com 540-580°C;
• Industriais: 2-8 Mpa com 340-440°C;
• De aplicação marítima.
Atendendo à disposição relativa dos gases
e do fluido de trabalho
• Flamotubulares;
• Aquotubulares.
Caldeira flamotubular ou de tubos de fogo
Vapor
Gases
Esquema de uma caldeira aquotubular.
Caldeira flamotubular ou de tubos de fogo
Caldeira flamotubular ou de tubos de fogo
Esquema de uma caldeira aquotubular.
Esquema de uma caldeira aquotubular.
Atendendo à força motriz de circulação do 
fluido de trabalho.
Princípio da circulação natural.
• De circulação natural;
• De circulação forçada;
• De circulação contínua.
Atendendo ao nível de pressão de operação
• Caldeiras de vapor de pressão super crítica (> 22,1 MPa). São
utilizados nas CTEs, com circulação contínua e reaquecedor;
• Caldeiras de vapor de baixa e média pressão (< 10 MPa). 
Geralmente são do tipo industrial, com feixe de convecção e 
sem reaquecedor;
• Caldeiras de vapor de alta pressão (10 - 14 MPa). São
utilizadas nas centrais termelétricas, com circulação natural e
com reaquecedor só para pressões acima de 14 MPa;
• Caldeiras de vapor de pressão super alta (> 17 MPa). São
utilizadas nas CTEs, com circulação natural ou forçada e
reaquecedor;
•Caldeiras de vapor com pressão deslizante.
Distribuição de calor absorvido na caldeira em função da 
pressão
O nível de pressão define a percentagem média de calor absorvido pelas 
diferentes superfícies interiores da caldeira
Diagrama ‘T-S’ esquemático de isóbaras para caldeiras
1- Processo numa caldeira de 
baixa pressão;
2- Processo numa caldeira 
de alta pressão;
3- Processo numa caldeira 
supercrítica.
Atendendo ao tipo de combustível ou fonte de calor
• Para combustíveis sólidos como carvão mineral, biomassa e
resíduos sólidos urbanos;
• Para combustíveis líquidos como óleo combustível e óleo
diesel;
• Para combustíveis gasosos como gás natural, gás de processo
e calor residual.
As caldeiras de vapor caracterizam-se pela possibilidade de operar
com qualquer tipo de combustível, e inclusive sem ele, recuperando a
energia residual de um fluxo de gases quentes.
Porém, o tipo de combustível determina as características
construtivas e volume da fornalha. Uma caldeira projetada para a
queima de óleo combustível ou gás, não pode ser utilizada para a
queima de carvão sem ser modificada.
Atendendo à tecnologia de combustão
Atendendo à organização do fornecimento de ar e exaustão 
dos gases de combustão
Componentes 
principais de um 
Gerador de Vapor 
aquotubular
Valor da pressão em diferentes pontos dos dutos de 
ar e gases de uma caldeira a vapor.
a) Com tiragem forçada,
b) Com tiragem balanceada.
Estequiometria da Combustão. Excesso De Ar
A combustão, de uma forma simples, é a reação química rápida
de oxidação de um combustível, resultando na liberação de
calor.
Os elementos considerados combustíveis são constituídos de
carbono e podem ser queimados facilmente com o oxigênio
presente no ar atmosférico liberando grandes quantidades de
calor de maneira controlável.
Para que ocorra a combustão são necessárias três condições
básicas:
1- Presença do combustível,
2- Presença do oxigênio e
3- Uma fonte de calor para iniciar o processo de combustão
Equações das reações químicas que se verificam no processo 
de combustão, escritas na base molar:
 Combustão do Carbono:
MJ6,406COOC 22 
 Combustão do Hidrogênio:
MJ08,571OH2OH2 222 
 Combustão do Enxofre:
MJ47,29SOOS 22 
 Combustão do Metano:
MJ0,978OH2COO2CH 2224 
Reação de combustão completa
A combustão é completa quando os elementos químicos presentes na
composição química do combustível reagem com o oxigênio até produtos
finais, com a máxima liberação de calor e sem “sobras” de oxigênio
Reação de combustão com excesso de oxigênio
É aquela na qual a proporção entre combustível e oxigênio permite que todo
combustível seja queimado e ainda exista oxigênio nos gases de combustão, por
exemplo:
CalorOCOO2C 222 
Reação de combustão com falta de oxigênio
Reação incompleta, é dizer, que não consegue chegar até os seus produtos
finais. A quantidade de calor liberada neste caso é menor que durante a
combustão completa. Um exemplo de reação incompleta é:
CalorCOO
2
1
C 2 
Reações de combustão com o ar atmosférico
CalorN76,3CON76,3OC 2222 
A combustão incompleta causada por insuficiência da
quantidade de ar fornecida provocará um desperdício de
combustível, que pode ser identificada por diversos
indicadores, tais como:
• Presença de CO, H2 e CH4 nos gases de combustão;
• Aparecimento de partículas de com uma fração considerável
de carbono não queimado (fuligem ou “fumaça negra”);
• Diminuição da temperatura na fornalha.
Reação de combustão de um combustível ‘C’ (sólido 
ou líquido) com ar
• Grupo 1: Produtos da oxidação completa;
• Grupo 2: Ar em excesso e, eventualmente, a umidade do
combustível e do ar;
• Grupo 3: Produtos gasosos e sólidos (fuligem) de
combustão incompleta;
• Grupo 4: Fração mineral não combustível (cinzas).
C + Ar = (CO2 + SO2 + H2O) + (N2 + O2) + (CO + H2 + CH4 + Fuligem) + Cinzas
1 2 3 4
Os analisadores de gases podem ser classificados em:
Contínuos: baseiam-se no uso de sensores que detectam a variação de
diferentes propriedades físicas do gás em função da
concentração de diferentes compostos nele.
Exemplo “LAND COMBUSTION Series II” pode medir a
concentração de NO, NO2 , SO2 , O2 , CO, CO2, H2S e
CxHy (hidrocarbonetos) nos produtos da combustão.
Volumétricos: baseiam-se na absorção seletiva de diferentes
componentes do gás por alguns reativos, sendo que a
redução do volume da amostra corresponde com o teor
do gás dado.
Exemplo: Orsat.
Composição dos produtos da combustão para diferentes 
valores do coeficiente de excesso de ar
CO, H2, CH4
Para determinar a composição dos produtos da combustão, e dispor de 
dados para o cálculo do coeficiente de excesso de ar, utilizam-se 
analisadores de gases.
Balanço de energia 
em caldeiras
Q2 = perdas com os gases de escape
Evidência: tge >> ta (tge > 120 oC)
Causa: área de troca de calor insuficiente nas 
superfícies do pré-aquecedor de ar e economizador.
Q3 = perdas por combustão química incompleta
Evidência: presença de produtos de combustão
incompleta nos gases (CO, H2 CH4, CnHn, ...)
Causas: ar secundário insuficiente, tempo insuficiente 
de permanência dos gases na fornalha, etc.
Q4 = perdas por combustão mecânica incompleta
Evidência: partículas de carbono e fuligem nos gases.
Causas: ar secundário insuficiente, problemas com a
aerodinâmica da fornalha que provocam arraste excessivo, alta
umidade do combustível sólido, gra-nulometria excessivamente
fina, operação deficiente do queimador, etc.
Q5 = perdas ao meio ambiente
Causa: a temperatura dassuperfícies
externas da caldeira é maior que a
temperatura ambiente.
Q6 = perdas devidas a alta temperatura das
cinzas
Causa: os resíduos extraídos durante a limpeza
periódica da grelha possuem uma temperatura
maior que a ambiente, extrações líquidas das
cinzas.
A eficiência, segundo a primeira lei da termodinâmica, pode
ser calculada de duas maneiras:
 Por balanço direto, calculando-se a eficiência a partir de:
t
útil
c
PCI
Q

 Por balanço indireto, calculando-se a eficiência a partir de:
t
6
2i
i
t
c
PCI
QPCI 



Ou ainda, como:
 65432c qqqqq1 
Tipo de caldeira Combustível q2 q3 q4 
1 
q5 q6 
1 
 
Industrial Bagaço 8 - 18 0,4 1 - 4 0,800 < 0,1 0,840 
Energética
2 
Carvão betuminoso
3 
6,89 8,4E10
-6 
0,73 0,224 0,921 
 
Valores médios das perdas e da
eficiência em caldeiras
Sistemas de combustão: fornalhas e queimadores
Tipos de
fornalhas
Combustíveis
Líquidos e gasosos
Combustíveis
sólidos
Caldeiras de pe-
quena Capacidade
Caldeiras de alta
Capacidade (CTE)
•Disposição frontal dos queimadores
•Disposição lateral dos queimadores
•Disposição do queimador no chão 
da fornalha
•Leito fluidizado circulante
•Suspensão
•Queima Tangencial
•Pressurizada
•Ciclônica
•Grelha fixa ou basculante
•Grelha rotativa
•Suspensão
•Leito fluidizado borbulhante
Para a queima de combustíveis sólidos os tipos mais usuais de 
fornalhas são:
 Fornalhas para queima em grelha;
Fornalha de grelha plana 
Grelha com recuo mecânico
• Fornalhas de queima em suspensão
Fornalha de vórtex vertical ou de jatos tangenciais 
Queimadores
Queimadores de jato em vórtex para carvão pulverizado
• Vazão mássica de 
combustível por unidade 
de queimador: 6 - 7 t/h; 
• Temperatura da mistura 
(ar primário +combust.) 
< que 100 °C;
• Temperatura do ar 
secundário: 300 - 315 °C;
• Velocidade de saída do ar 
primário: 25 - 27 m/s;
• Velocidade de saída do ar 
secundário: 30 - 35 m/s;
• Concentração de 
combustível no ar 
primário: 300 - 320 g/m3.
Queimadores de jatos diretos
• Vazão mássica de combustível por
unidade de queimador: 6 - 10 t/h;
• Temperatura da mistura (ar primário +
combustível): < 100 °C;
• Temperatura do ar secundário: 300 -
315 °C
• Velocidade de saída do ar primário: 25 -
30 m/s;
• Velocidade de saída do ar secundário:
40 - 50 m/s;
• Ângulo de passe descendente dos
direcionadores do duto de ar primário:
10° - 20°;
• Ângulo de passe descendente dos
direcionadores do duto de ar
secundário: > 50°.
Queimadores para combustíveis líquidos
a. Queimador com nebulização pela 
pressão do combustível;
b. Queimador de copo rotativo; 
c. Queimador com nebulização por 
ar comprimido ou vapor 
Funções do balão superior
• Separar o vapor saturado da mistura água-vapor formada.
• Misturar a água de alimentação com a água remanescente após a
separação do vapor;
• Permitir a injeção de substâncias para o controle de corrosão e
tratamento químico da água;
• Purificar o vapor removendo contaminantes e resíduos;
• Remover parte da água para controlar o conteúdo de sólidos;
• Estocar água a fim de suportar uma rápida variação de carga
(produção de vapor);
• Impedir a passagem de água para os superaquecedores evitando
danos térmicos;
• Prevenir o transporte junto ao vapor de gotículas de água com
sólidos dissolvidos para o superaquecedor e a turbinas que podem
provocar danos severos.
Características Construtivas das Superfícies de Aquecimento
Balão superior
Superaquecedores
1 - superaquecedor convectivo
2 - superaquecedor semi-radiante
3 - superaquecedor radiante (de teto)
4 - reaquecedor intermediário 
7
5
6
4
Vapor para
reaquecimento
Vapor 
superaquecido
Vapor 
reaquecido
1- Superaquecedor convectivo; 
2- Superaquecedor semi-radiante; 
3- Superaquecedor radiante (placas 
penduradas); 
4- Superaquecedor radiante (de teto); 
5- Reaquecedor convectivo; 
6- Reaquecedor semiradiante; 
7- Reaquecedor radiante (de 
parede); 
Atemperadores
Economizadores
a- Economizador simples;
b- Economizador duplo.
Pré-aquecedores de ar
a.Pré-aquecedor 
tubular;
b.Pré-aquecedor 
regenerativo,
c.Pré-aquecedor
de tubos de calor
Ventiladores e Sopradores de Fuligem
Em caldeiras de vapor de grande capacidade, atendendo a sua função:
 Ventiladores de tiragem forçada ou sopradores;
 Ventiladores para o ar primário;
 Ventiladores de tiragem induzida ou exaustores;
 Ventiladores para a recirculação dos gases.
Atendendo suas características construtivas:
 Centrífugos:
• Ventiladores centrífugos com pás curvadas para frente;
• Ventiladores centrífugos com pás curvadas para trás;
• Ventiladores centrífugos com pás retas; 
• Ventiladores centrífugos com aerofólio;
 Radiais, geralmente com pás de passo variável.
Rotor de um ventilador com pás voltadas para trás Rotor de um ventilador com pá reta
A limpeza ocorre pela ação conjunta dos fatores dinâmico e 
térmico.
• Fator Dinâmico: transformação da energia cinética em 
energia de deformação da camada de sedimentos (fuligem). 
Quando as tensões mecânicas que surgem superam a 
resistência da camada de sedimentos, acontece a destruição 
da mesma.
• Fator Térmico: surgimento de tensões térmicas na camada 
de fuligem que está sendo banhada por um jato de vapor ou 
água relativamente fria. Se o grau destas tensões supera o 
limite de resistência da camada de sedimentos, aparecem 
fissuras que facilitam a ação dinâmica.
Seqüência de limpeza de fuligem com água
Antes Durante
Depois
Corrosão nas Superfícies de Aquecimento e Tratamento 
Químico Interno
• Pode aparecer nos tubos das superfícies de aquecimento tanto na
superfície externa como interna
• Provocam a corrosão externa agentes contidos nos produtos da
combustão (pentóxido de vanádio, vapores de ácido sulfúrico, etc).
• A interna é provocada por agentes corrosivos presentes no fluido de
trabalho: o oxigênio, CO2, NaOH, etc.
• A corrosão externa se dá a alta e baixa temperatura a alta
temperatura: nas paredes de água (agente H2S, Tg > 700 °C) e
nos superaquecedores (agente V2O5, Tg > 610 °C ). Os fatores
mais importantes que favorecem a formação do acido sulfídrico:
• Falta de oxigênio devido a um excesso de ar menor que
1(<1), favorecendo então, a formação de H2S (ácido
sulfídrico ou sulfeto de hidrogênio);
• Presença no fluxo de gases de partículas sólidas de carvão
que contêm enxofre.
Corrosão interna
Causas da corrosão das superfícies internas dos tubos:
 Presença de gases corrosivos como o O2 e CO2, bem como de elementos que facilitem
a formação destes gases;
 Parâmetros altos de pressão e temperatura do fluído de trabalho;
Alta concentração de agentes corrosivos;
Alta carga térmica na superfície de aquecimento;
 Formação de incrustações que estimulam o processo de corrosão.
Tipos mais comuns de corrosão nas superfícies internas da 
caldeira de vapor:
 Corrosão por O2 e CO2;
 Corrosão por vapor;
 Corrosão alcalina;
 Corrosão por incrustações.
Métodos de prevenção da corrosão por oxigênio utilizados 
com maior freqüência nas centrais termelétricas:
 Controle da estanqueidade dos equipamentos da central termelétrica que trabalham
sob vácuo;
 Introdução de compostos como a hidrazina e amoníaco no tubulão;
 Desaeração da água de alimentação.
A velocidade da corrosão por oxigênio se deve a:
 Concentração de oxigênio(mais importante);
 Conteúdo de impurezas na água;
 Velocidade de circulação da água.
A corrosão por CO2 se deve a uma diminuição do PH quando o CO2
está presente na água de alimentação. A reação é simples:
3222 COHCOOH 
A corrosão por vapor:
• É comum nas superfícies dos superaquecedores com temperaturas maiores que 500
°C.
• Provoca: uma diminuição uniforme da espessura da parede do tubo e se intensifica
quando se tem cargas térmicas altas e impurezas no vapor.
• Solução: eliminar cargas térmicas excessivas e melhorara qualidade do vapor.
A corrosão alcalina:
• Se desenvolve geralmente nos tubos próximos a chama dos queimadores.
• Para prevenir esta é necessário diminuir a concentração de NaOH na água da caldeira
adicionado fosfatos ácidos e sais de amônia.
A corrosão localizada devida a incrustações:
•Se deve à presença de substâncias agressivas nas incrustações, lodos sedimentados e 
outras substâncias nas superfícies internas das caldeiras de vapor durante a parada por 
manutenção. 
•Métodos para conservação das superfícies internas:
 Proteção com um gás inerte;
 Proteção com água desaerada sobre pressão;
 Proteção com uma solução de amoníaco;
 Tratamento das superfícies de aquecimento com uma solução de 1 % de amoníaco e nitrato de
sódio.
Corrosão nos tubos das paredes da fornalha
Falha num tubo da parede da fornalha devido a corrosão 
das cinzas 
Caldeira de 455 MW 
para carvão pulverizado
Caldeira moderna de 860 MW com 
equipamentos para o controle ambiental
Caldeira típica para bagaço de cana (vista em corte) AUP-40 (CALDEMA)
•Capacidade: 120,0 t/h
•Pv superaquecido: 4,2 MPa;
•Tv superaquecido: 400,0 °C;
•Tágua: 95,0°C;
•Tg: 157 °C;
•Excesso de ar: 30,0;
•Ìndice ger. de vapor: 2,31 kgvapor/kgbag
Dados de operação AUP-62 (CALDEMA)