Fornalhas: Componentes e Classificação

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MÁQUINAS TÉRMICAS II
FORNALHAS
Prof. Aloisio Ribeiro
e-mail: aloisio.ribeiro@newtonpaiva.br
FORNALHAS
1 - FORNALHAS
Fornalha é a denominação genérica que se dá para o local onde se queima o
combustível e de onde partem os produtos desta combustão. É formada por
duas partes distintas:
1- O aparelho de combustão
2- A câmara de combustão
O aparelho de combustão compreende um conjunto de componentes que
oferecem as condições necessárias para a queima de combustível. Exemplos
de aparelhos de combustão são as grelhas rotativas, as grelhas basculante, o
queimador a óleo, a gás, etc.
A câmara de combustão é representada por um volume adequadamente
dimensionado onde se desenvolve a chama e se completa a combustão, além
de propiciar a proteção e os suportes necessários para o aparelho de
combustão.
A fornalha deve evaporar toda a umidade do combustível e destilar suas
substâncias voláteis, elevar a temperatura do combustível até a combustão
espontânea proporcionando uma combustão completa, criar turbulência para
misturar o ar e o combustível e finalmente impedir a troca de calor entre os
gases quentes produzidos e o ambiente.
No interior da fornalha as paredes devem ser revestidas com uma camada
de tijolos refratários responsáveis por reter o calor no interior da fornalha, por
isso devem ter refratariedade e alto ponto de fusão, resistência ao choque
térmico e dilatação quase nula.
A fixação desses tijolos é feita com argamassa refratária. Os principais
componentes dos materiais refratários são o óxido de sílica, óxido de
magnésio, grafite e silício. Recomenda-se, quando da utilização de tijolos
refratários novos, que se aplique pouco calor nos primeiros momentos e se
vá aumentando gradativamente, até atingirem suas características de
operação.
1.1 CLASSIFICAÇÃO DAS FORNALHAS
Várias são as maneiras de se classificar este componente importante dos
geradores de vapor, sendo assim optou-se pela classificação que engloba
todas as fornalhas em apenas duas categorias:
1- Fornalhas que queimam sobre suporte
2- Fornalhas de queima em suspensão
A primeira categoria engloba todas as fornalhas que queimam combustíveis
sólidos à granel, grosseiramente divididos, picados e britados.
A segunda se preocupa com a queima de combustíveis líquidos, gasosos ou
sólidos finamente pulverizados que podem ser queimados em suspensão.
1.2 FORNALHAS SOB SUPORTE 
As fornalhas sob suporte congregam uma série de concepções construtivas
especificamente projetadas para a obtenção das melhores condições
necessárias aos variados combustíveis disponíveis para a queima.
Segundo a quantidade de combustível manipulado, seu grau de divisão e
mecanização da alimentação, as fornalhas sobre suporte são subdividas em
dois grupos:
• fornalhas de suporte estático
• fornalhas de suporte movimentado
1.2.1 FORNALHA DE SUPORTE ESTÁTICO 
Neste grupo incluímos todas as fornalhas onde o combustível introduzido,
permanece praticamente em repouso sob o suporte até sua completa extinção.
Se enquadram nesse grupo, as seguintes fornalhas:
• Fornalha de Grelhas Planas
São adequadas para a queima de lenha em toras de um metro. A figura 1.1
mostra a instalação de uma grelha plana em caldeira flamotubular.
O suporte todo costuma possuir ligeira inclinação para a parte posterior de 10 a
15 graus para facilitar o manuseio do combustível durante os períodos de
movimentação das toras a que são submetidos.
A aplicação deste tipo de grelha é limitado à caldeiras com capacidade de
gerar até 15 tv/h. A partir desta capacidade o suprimento manual do
combustível se complica o ponto de inviabilizá-lo. Projetos maiores, jamais
deveriam adotar este sistema de queima sob pena de contribuir para o
desperdício de reservas florestais comprometidas com outros programas mais
coerentes com a economia da Nação.
Grelha Plana : a- caixa de fogo; b- suporte da grelha; c- barras de grelha; d- ponte de 
fornalha 
Figura 1.1 
• Fornalha de Grelha em Escada
Como o nome sugere, esta grelha é construída por placas de FOFO, formando
degraus, apoiados em travessões inclinados. O combustível é arrastado ou
projetado no início do plano inclinado, desce até formar um monte equilibrado,
preenchendo todo o suporte. A figura 1.2 apresenta quatro exemplos de grelha
tipo escada. Em seguida na figura 1.3, apresenta-se algumas disposições
construtivas dos travessões inclinados que servem de apoio às placas que
compõem os degraus.
Estas grelhas, quando alimentadas mecanicamente se prestam para caldeiras
de até 20 tv/h. Acima deste valor, há outros processos mais adequados e de
mais fácil manutenção.
Quatro exemplos de grelhas em escada 
Fig. 1.2 
Componentes da grelha de escada 
Fig. 1.3 
Gerador de Vapor com Grelhas 
Inclinadas 
Fig. 1.4 
Grelha Resfriada Inclinada
É uma variante da grelha anterior e consta
de um plano inclinado constituído pelos
próprios tubos de circulação de água da
caldeira. Esses tubos, afastados um do
outro, cerca de 60 a 120 mm são soldados
em dois coletores, um alimenta o feixe
inclinado e o outro que recebe a água em
circulação conectado com o resto da
caldeira (figura 1.4).
Aplicam-se em unidades geradoras de até
100 tv/h para a queima de qualquer
biomassa, mesmo aquelas contendo teores
de umidade superiores a 50%. Se prestam
pois, para queimar cavacos de lenhas,
resíduos florestais, resíduos industriais,
cascas de cereais e outras bio-massas.
Fornalhas Celulares
Extremamente simples, versáteis e
satisfatória quanto a performance, são
verdadeiras câmaras de alvenaria
refratária, sobre cujo piso, o combustível é
despejado, formando um monte que recebe
ar insuflado em todos os planos,
proporcionando a secagem parcial e
queima. São utilizados para queima de
diferentes bio-combustíveis, como:
cavacos, casca de madeira, serragem, cascas de cereais e de lenha, porém a
aplicação mais generalizada tem sido na queima de bagaço de cana. A figura
1.5 mostra como opera uma fornalha deste tipo, identificando os tubeiros
sopradores de ar, geralmente introduzidos com uma velocidade entre 8 a 15
m/s.
Fornalha celular Fig. 1.5 
Fornalhas com Grelhas Basculantes
A figura 1.6 apresenta um projeto de caldeira com grelhas basculantes para
queima de casca de arroz. As fornalhas desta categoria se aplicam para
caldeiras de até 150 tv/h
Como se observa no desenho, a grelha é formada por piso plano constituído
por placas perfuradas, observe que o ar ingressa por baixo do piso basculante.
As placas se apoiam em travessões lisos que giram em torno de mancais
laterais mediante a ação de um pistão pneumático, que também pode ser visto
pela figura 1.7. A cada ação do pistão corresponde um basculante, durante o
qual as cinzas caem no cinzeiro. Esta concepção construtiva possui
alimentação de combustível sempre por projeção. Há dois tipos de
distribuidores, um denominado aspegidor pneumático e outro mecânico (figura
1.7).
Caldeira Aquotubular com Grelha Basculante 
Fig.1.6 
Aspegidor de Combustível Sólido 
Tipo Mecânico 
Fig. 1.7 
1.2.2 FORNALHA DE SUPORTE MOVIMENTADO 
Grande número de concepções construtivas se enquadram nesta segunda subdivisão
de fornalhas de suporte. As principais características que se distinguem das anteriores,
reside no seguinte:
- alimentação contínua e mecanizada do combustível
- suportes constituídos por componentes que percorrem toda extensão do plano inferior
da fornalha com movimento contínuo assegurado por acionamento mecânico.
De acordo com o mecanismo aplicado para provocar o deslocamento do combustível,
distingue-se os seguintes tipos:
- grelha caminhante por arraste;
- grelha comalimentação por baixo;
- grelha oscilante;
- grelha com esteira contínua.
Grelha Caminhante por Arraste 
Trata-se de uma grelha inclinada constituída de elementos articulados que
promovem um movimento alternativo das placas de suporte. Há placas móveis
e fixas, todas apoiadas por estruturas de ferro fundido. As placas móveis,
mediante ação de um mecanismo correm guiadas sobre as fibras, deslocando
o leito do combustível no sentido do plano inclinado no movimento de vai e
vem. O movimento é lento, de forma a provocar um deslocamento com
velocidade de queima necessária à caldeira, esta grelha também é conhecida
pelo nome de grelha vai e vem.
A figura 1.8 ilustra este tipo de grelha com inclinação aproximada de 20º em
que a rosca sem fim (a) força o carvão sobre as barras de suporte (b) apoiadas
nas vigas de acionamento (c) movimentadas por uma engrenagem regulável
(d) que lhe confere o movimento de vai e vem. O cilindro (e) é responsável por
projetar a escória mais leve ao reservatório de escória (i) que recebe também
detritos da grelha pela saída (k). O ventilador (f) introduz o ar de combustão
que penetra na grelha pelas câmaras de corrente de ar inferior (g); regulado
por “dampers” através do controle da corrente de ar inferior (h). Bocais de ar
(l), localizados acima da grelha, auxiliam na queima do pó de carvão em
suspensão e do coque volátil.
Fig. 1.8 
Grelha de Alimentação por Baixo
O combustível é admitido por meio de uma rosca (a), acionada por motor
elétrico (h) com transmissão por engrenagens (g), que continuamente projeta o
combustível na parte inferior da grelha. A grelha (c) propriamente dita é
inclinada e transversalmente apresenta dupla inclinação de ambos os lados do,
canal central (b), de forma que o combustível caminhe do centro para os lados,
onde é totalmente queimado sobre a grelha de combustão (d), conforme
representação na figura 1.9 (seção A-B).
O carvão, a medida que é forçado a subir para as partes superiores do leito,
vai se aquecendo eliminando os voláteis e incandescendo-se. Atingindo o topo
do leito, o carvão rola sobre si mesmo lateralmente até sua extinção total na
grelha de combustão. As laterais recebem as cinzas que são basculadas por
meio de alavancas (e), caindo em seguida nos cinzeiros. A escória é
direcionada para a saída f da figura 1.9.
Fig. 1.9 
Grelha Oscilante 
São grelhas que provocam o caminhamento do combustível sob o suporte, graças a 
impulsos produzidos por mecanismo oscilante (figura 1.10). 
Grelha com Movimento Oscilatório Fig. 1.10
O suporte é constituído por placas
perfuradas, uma ao lado da outra,
formando um piso ligeiramente
inclinado para o fundo. Estas placas
são fixadas em barras, as quais, por
sua vez, se reúnem a lâminas
flexíveis.
Estas lâminas flexíveis, no lado
oposto às barras, são rigidamente
fixadas a uma estrutura solidamente
chumbada no concreto da fundação. A
grelha é adaptável para a queima de
qualquer combustível de biomassa e do carvão com médio e baixo teor de cinzas.
Carvão com alto poder calorífico, fundem as placas e inutilizam a fornalha, fato este que
tem limitado sua aplicação.
Modelo mais avançado é a grelha oscilante resfriada que queima carvão com alto poder
calorífico pois contém, junto ao piso da grelha tubos resfriados pela própria água da
caldeira além de apresentar na sua parte inferior compartimentos por onde passa o ar
de combustão.
Grelha com Esteira Contínua
Também conhecidas como grelha rotativa, lembra um transportador, onde os 
óleos das correntes recebem as placas perfuradas que formam o piso do leito. 
Foram concebidos com a finalidade de desempenhar automaticamente boas 
condições de carregamento, distribuição do combustível e extração de cinzas 
(figura 1.11). 
Entre todas é a de montagem mais
complexa porque envolve uma
mecanização mais elaborada, são
utilizadas para aplicação em
caldeiras de produção superiores a
39 t/h até 150 t/h.
Fig. 1.11 
1.3 FORNALHA DE QUEIMA EM SUSPENSÃO
São as fornalhas usadas quando se queima óleos , gases ou combustíveis
sólidos pulverizados, utilizando para tal, equipamento especial chamado
maçarico ou combustor, responsável pela dispersão do combustível na
fornalha de forma homogênea. Cada classe de fornalha emprega queimadores
especiais para proporcionar as condições de queima adequada. Conforme o
tipo de combustível empregado, podemos ter:
- queimadores de combustíveis líquidos;
- queimadores de combustíveis gasosos;
- queimadores de combustíveis sólidos pulverizados.
Câmara de Combustão
A maior eficiência de uma câmara de combustão é conseguida
quando no seu projeto leva em consideração os aspectos:
• Volume adequado apropriado ao tipo e à quantidade de
combustível que se deseja queimar.
• Altura compatível com a circulação da água nos tubos e tempo
efetivamente gasto para queimar o combustível no interior da
câmara.
• Disposição adequada dos queimadores para evitar
principalmente contato direto da chama com os tubos d´água.
• Forma apropriada para a câmara, no sentido de favorecer a
queima e garantir fluxo regular dos gases de combustão.
• Temperaturas compatíveis com o equipamento e com o próprio
combustível que se deseja queimar.
Carga térmica
É importante definir a relação entre energia liberada e volume da câmara de
combustão conhecido como carga térmica. Pois se o volume for pequeno
pode implicar em combustão parcial com presença de material ainda
combustível nos gases que deixam a fornalha.
Por outro lado, volumes grandes, por representarem maior superfície de
irradiação, podem implicar em menores temperaturas na câmara, podendo
dificultar o processo de ignição das partículas de combustível.
A carga térmica volumétrica depende, principalmente, do tipo de combustível,
capacidade do gerador, processo de queima e características da câmara de
combustão. Com estes aspectos e outros citados resulta em cargas térmicas
bastante variáveis.
A tabela abaixo dá uma ideia dessa variação. Em caldeiras flamotubulares, a
exemplo apresenta cargas térmicas numa faixa bem maior, alcançando
valores da ordem de 2000 KW/m3 (430 a 1720 Mcal/m3h)
Tabela: Carga térmica volumétricas indicadas por algumas fornalha em
operação e adaptadas com paredes d´água (kW/m3)
Taxa de carregamento
TAXAS DE CARREGAMENTO INDICADAS POR ALGUMAS 
FORNALHAS EM OPERAÇÃO - Kg/m2h
0 200 400 600
Queima de carvão:
Em grelhas estacionárias xxxxxxxx
Em grelhas móveis xxxxxxxxxxxxx
Queima de lenha:
Em grelhas inclinadas xxxxxxxxxxxxxx
Em grelhas móveis xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx