Caldeiras em Centrais Termoelétricas

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Caldeiras em Centrais Termoelétricas
Acadêmicos: Igor Oliveira
Talisson Verão
UFGD – Engenharia de Energia – FAEN 
Disciplina: Transferência de Calor II
Professor: MSc. Antônio	Carlos Caetano de Souza
Introdução
Caldeira (gerador de vapor): é um equipamento que gera vapor através de uma troca térmica entre o combustível e o fluido de trabalho (água), com isso o fluido de trabalho se aquece e passe do estado líquido para o gasoso, aproveitando o calor liberado pelo combustível.
Caldeiras
Funcionamento
Essencialmente, a caldeira é constituída pela fornalha (câmara de combustão). No seu interior há uma tubulação, onde dependendo de sua classificação passa o calor ou água. Para produzir uma determinada potência a caldeira tem que queimar uma quantidade equivalente de combustível, aproveitar quase todo esse calor na área de troca térmica, emitir o mínimo de calor pela chaminé e também perder o mínimo possível através do isolamento.
Com o calor em contato com a água, ela é aquecida até sua ebulição produzindo vapor a alta pressão, podendo assim ser utilizadas das mais diversas formas.
Caldeiras
Figura 1 – Caldeira de grande porte (Foto: GEMEA – Grupo de estudo de maximização da eficiência agroindustrial, 2007).
Projetos e ilustrações de caldeiras
Figura 2 - Interior de uma caldeira Flamotubular. (Foto: Site EletroMec Online)
Um vaporizador de radiação envolvendo a fornalha (A);
Um vaporizador de convecção (B);
O sobre aquecedor do vapor (C);
O economizador (D);
O aquecedor de ar de combustão (E);
Os sistemas de insuflação de ar e de extração de gases (F);
O despoeirador dos fumos;
A instalação de secagem e pulverização do carvão (G);
Figura 3 - Projeto da Caldeira STEIN ET ROUBAIX, 2004. (Foto: Site Wikienergia)
Classificação de Caldeiras
As caldeiras flamatubulares são caldeiras que gera vapor da ordem 50 a
20.000 kg/h com pressão máxima de 15 bar ou 15 kg/cm², devido a sua
própria concepção de construção se torna inviável economicamente e
também devido a segurança acima destes valores a construção mecânica
da mesma.
Segundo ELETROPAULO (2004), as flamotubulares são, geralmente de pequeno porte e apresentam baixa eficiência e são utilizadas apenas para pressões reduzidas.
As aplicações de caldeiras flamatubulares com vazões da ordem 300 a
20.000 kg/h e pressões de 8,0 kg/cm² a 15 kg/cm², em industrias de
alimentos, frigoríficos, bebidas, laticínios, industrias têxtil
 Figura 4- Esquema de uma Caldeira Flamotubular. (Foto: Site UOL, blog “Como tudo funciona, 2010)
As caldeiras Aquatubulares são caldeiras que tem grande área de troca
térmica podendo trabalhar com pressões de 120bar, “120 kg/cm²” e
vazões da ordem de 150.000 kg/h, pois trabalham com balões e paredes de
água com painéis de tubos.
Uma caldeira aquatubular pode custar até 50% mais que uma flamotubular de mesma capacidade. Porém, possui algumas vantagens, entre elas, a maior capacidade de produção de vapor por unidade de área de troca de calor e a possibilidade de utilizar temperaturas acima de 450ºC e pressão acima de 60 Kgf/cm²
Figura 5 - Esquema de uma Caldeira Aquatubular. (Foto: Site UOL, blog “Como tudo funciona, 2010)
Caldeiras a Combustíveis Sólidos
Inúmeros são os combustíveis sólidos que podem ser aplicados para queima em caldeiras. Eles tanto podem ser combustíveis naturais como derivados, como Madeira, Turfa, Bagaço de cana, Carvão mineral, Carvão vegetal, Coque de carvão, etc. Para uso nas caldeiras destinadas a geração de vapor para a termoeletricidade, o carvão mineral é o mais utilizado, por ser aquele encontrado com mais facilidade na natureza.
Caldeiras a Combustíveis Líquidos
Os principais combustíveis líquidos utilizados nas caldeiras são: Óleo combustível, Óleo diesel, Resíduo de vácuo.
As caldeiras são construídas de acordo com o tipo de combustível que irá utilizar.
Caldeiras a Gás
As caldeiras projetadas para a queima de gás são em geral muito mais simples que as utilizadas para os demais combustíveis. Isto se explica pelo fato do gás não requerer nenhum aquecimento prévio para ser queimado nas fornalhas, não necessitar de grandes reservatórios para sua estocagem, e por ser um combustível de alto rendimento contendo poucas impurezas.
Figura 6 - Caldeira que utiliza gás natural como combustível. (Foto: Jornal Zero Hora; Artigo: Lurdete Ertel, 2010).
Biomassa como fonte de energia
Embora grande parte da biomassa seja de difícil contabilização, devido ao uso não comercial, estima-se que, atualmente, ela represente cerca de 14% de todo o consumo mundial de energia primária (óleo, carvão, gás, combustíveis renováveis e eletricidade) (ANEEL, 2005). Esse índice é superior ao do carvão mineral e similar ao do gás natural e ao da eletricidade. Nos países em desenvolvimento, essa parcela aumenta para 34%, chegando a 60% na África.
No Brasil, o cultivo e o beneficiamento da cana são realizados em grandes e contínuas extensões. Com relação à matriz energética, segundo dados do MME (2005), em 2004 apenas o bagaço de cana-de-açúcar representou 17,7% do uso energético industrial brasileiro, sendo superado apenas pela eletricidade com 20,5%. Quase o dobro do coque de carvão vegetal (9,4%), gás natural (9,2%), carvão vegetal (8,0%), entre outros.
http://www.youtube.com/watch?v=YX3b0xrHIC8
Segurança
A construção de Caldeira em geral é regida por normas internacionais. Os sistemas de segurança são iguais em qualquer caso independente do combustível a ser utilizado.
Adicionalmente, cada combustível possui sua linha de proteção de abastecimento contra retorno de fogo, explosões ou danos aos equipamentos independentes dos sistemas das Caldeiras.
Atualmente as Caldeiras a lenha são tão seguras quanto uma Caldeira a combustível líquido ou gasoso. No passado, há mais de 15 anos, não havia controles nas Caldeiras a lenha, principalmente controle de alimentação de água e alarme de baixo nível.
Com a nova redação da NR 13, foram definidas as obrigatoriedades destes dispositivos que deram maior segurança às Caldeiras a lenha.
Empresas fornecedoras de Caldeiras
Forma de geração
Nome
Tipo
Capacidade
Pressão de Vapor
Temperatura do Vapor
Queima de óleo e/ou gás
MD-FH
MD-FH
De 40 a 60 t/h
105 kg/cm²
530ºC
TD-D
FT-FM-X
De 15 a 80 t/h
70 kg/cm²
510ºC
Thermopac
Fogotubular
De 3 a 40 t/h
12 a18 bar/g
Saturado
Queima de biomassa
MD-FV
MD-FV
De 30 a 140 t/h
105 kg/cm²
530ºC
MD-FV-C
MD-FV-C
De 5 a 30 t/h
70 kg/cm²
510ºC
Plantas de ácido sulfúrico
 
MD-FT-X
 
Aquatubular
 
De 30 a 150 t/h
 
70 kg/cm²
 
Saturado
 
Co-geração
FT-1P / FT-2P /FT-4P
Fogotubular
De 2 a 40 t/h
25 kg/cm²
Saturado
FT-FM-X
Mista
De 10 a 50 t/h
25 kg/cm²
Saturado
MD-FH-X
Aquatubular
De 15 a 160 t/h
105 kg/cm²
530ºC
Caldeiras em Centrais Termoelétricas
Figura 7 - Central Termoelétrica CTE II, de 230 MW de potência, em parceria com a Sade/Perez Companc, da Argentina, e com a Siemens, empresa alemã. (Foto: Site Schahin Engenharia, 2008).
Figura 8 - Maior Termoelétrica do mundo em construção, no municipio de Suape - Pernambuco. União com a empresa Star Energy Participações, do Grupo Bertin. Com capacidade de gerar 1.452 Megawattshora (Foto: Arnaldo Carvalho/JC Imagem, 2011)
Funcionamento - Termoelétrica
A potência mecânica obtida pela passagem do vapor através da turbina - fazendo com que esta gire - e no gerador - que também gira acoplada mecanicamente à turbina - é que transforma a potência mecânica em potência elétrica.
A energia assim gerada é levada através de cabos ou barras condutoras, dos terminais do gerador até o transformador elevador, onde tem sua tensão elevada para adequada condução, através de linhas de transmissão, até os centros de consumo. 
Daí, através de transformadores abaixadores, a energia tem sua tensão levada a níveis adequados para utilização pelos consumidores.
Termoelétrica movida a carvão
Geração de Energia
Potencia Instalada (kW)
Tecnologia Recomendada
Consumo anualde lenha (ton)
Custos de referência
($EE.UU./kW)
($EE.UU./kW)
48
Gás ogênio
1.104
1.442
56,4
120
Gás ogênio
2.760
743
39,0
240
Gás ogênio
3.679
502
29,7
700
turbina a vapor
13.735
1.456
58,4
1 000
turbina a vapor
16.863
2.588
78,2
1 600
turbina a vapor
25.019
2.004
63,3
3 000
turbina a vapor
45.622
1.568
52,0
5 000
turbina a vapor
71.483
1.383
46,4
Tabela 1 - Indicadores básicos das pequenas centrais termoelétricas a biomassa, Eletrobrás. (1985)
Sistemas completos de Geração de Energia com produção de energia elétrica a partir de 300kW até 10.000kW. Esses sistemas são voltados a pequenas e médias empresas para abastecimento de unidades industriais, escritórios e/ou vendo ao mercado.
Esta tecnologia de geração de energia produz, muitas vezes, energia através da queima de biomassa como: resíduos de madeira, cavacos, serragem, lenha em torras, bagaço de cana, resíduos agropecuários, maravalha, etc.
Centrais termelétricas a lenha instaladas ou projetadas nos anos 80
Central
Localidade
Capacidade
Consumo
Situação
Frigorífico Sinop
Sinop/MT
7.500 kVA
2,7 Kg lenha/kWh
implantado
Frigorífico Atlas
Campo Alegre/PA
6.500 kVA
2,8 Kg lenha/kWh
implantado
Canteiro de obras da UHE Samuel
Porto Velho/RO
10.320 kVA
2,8 Kg lenha/kWh
implantado
Canteiro de obras da UHE Balbina
Pres. Figueiredo/AM
50 MW
1,8 Kg lenha/kWh
parcial/
implantado
Celulose Jari
Carajás/PA
55 MW
1,8 Kg lenha/kWh
implantado
Mineração Rio do Norte
Trombetas/PA
25 MW
-
implantado
UTE Campo Grande/Eletrosul
Campo Grande/MS
25 MW
1,5 Kg lenha/kWh
projeto
UTE Manacapurú
Manacapurú/AM
12 MW
2,1 Kg lenha/kWh
projeto
Figura 8 - Mapa de localização de atuais Termelétricas e a serem incluídas no Brasil.
Figura 9 - Porcentagem de produção energética no Brasil, 2007 a 2011. (Foto: Artigo do Prof. Alvaro Augusto W. de Almeida, 2011)
Referências
REDAÇÃO AMBIENTE BRASIL (Ed.). Ambiente Energia: Usina Termelétrica. Disponível em: <http://ambientes.ambientebrasil.com.br/energia/termeletrica/usina_termeletrica.html>. Acesso em: 09 set. 2011.
 
MOORE, Dean. Termelétrica Web: Portal de conhecimento sobre Termelétricas (Geração) e Oportunidades. Disponível em: <http://termeletricas.blogspot.com/2010/12/caldeiras-hrsgs.html>. Acesso em: 15 set. 2011.
 
 
ELETROPAULO. Caldeiras flamotubulares. Disponível em: <www.aeseletropaulo.com.br>. Acesso em: 27 nov. 2011.