VINICIUS_DIAS_DOS_SANTOS_TCC

Prévia do material em texto

VINICIUS DIAS DOS SANTOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ESTUDO DA GERAÇÃO DE VAPOR EM CALDEIRAS DE 
INDÚSTRIAS SUCRALCOOLEIRAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TEIXEIRA DE FREITAS 
2019 
VINICIUS DIAS DOS SANTOS 
 
 
 
 
 
ESTUDO DA GERAÇÃO DE VAPOR EM CALDEIRAS DE 
INDÚSTRIAS SUCRALCOOLEIRAS 
 
 
 
 
 
 
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado 
no Curso de Engenharia Mecânica na 
Faculdade Pitágoras de Teixeira de Freitas. 
 
Orientador: Eduardo Moreira 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TEIXEIRA DE FREITAS 
2019 
VINICIUS DIAS DOS SANTOS 
 
 
 
ESTUDO DA GERAÇÃO DE VAPOR EM CALDEIRAS DE 
INDÚSTRIAS SUCRALCOOLEIRAS 
 
 
 
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à 
Faculdade Pitágoras de Teixeira de Freitas, 
como requisito parcial para a obtenção do título 
de graduado em Engenharia Mecânica. 
 
 
BANCA EXAMINADORA 
 
 
Prof(a). Titulação Nome do Professor(a) 
 
 
Prof(a). Titulação Nome do Professor(a) 
 
 
Prof(a). Titulação Nome do Professor(a) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedico este trabalho aos meus filhos, Brian 
e Beatriz, que são o motivo pelo qual 
batalho a fim de dar-lhes uma vida melhor, 
à minha esposa e meus pais, que me dão 
apoio sempre que preciso, e ao deus 
Judaico Cristão, Jeová, por ser a fonte de 
fé e esperança por dias melhores no 
mundo. 
 
SANTOS, Vinicius Dias dos. Estudo da Geração de Vapor em Caldeiras de 
Indústrias Socroalcooleiras. 2019. 32 f. Trabalho de Conclusão de Engenharia 
Mecânica – Faculdade Pitágoras de Teixeira de Freitas, Teixeira de Freitas, 2019. 
 
RESUMO 
 
Devido ao avanço industrial e a busca por eficiência energética, as usinas 
sucroalcooleiras utilizam o vapor para suprir as demandas mecânica e química e a 
cogeração para suprir a demanda elétrica da planta de produção. Este trabalho busca 
compreender como se dá o processo de geração de vapor em usinas sucroalcooleiras, 
que utilizam biomassa, no caso a cana-de-açúcar, para alimentar as caldeiras, que 
por sua vez transformam a água, que fora previamente tratada em vapor e despejando 
de forma segura os resíduos na atmosfera. A observância aos quesitos de segurança 
se estendem do planejamento à implantação de uma caldeira até a sua operação e 
manutenção, o que leva a necessidade de um rígido sistema de controle e 
monitoramento. Para o presente trabalho foi necessária uma abordagem de três 
pontos: conhecer o princípio de transformação térmica, que utiliza a biomassa em 
função da cogeração, a abordagem do funcionamento das caldeiras, e o sistema de 
controle e segurança. Este trabalho se caracteriza como uma revisão de literatura, 
onde foi crucial a utilização de informações e estudos produzidos por pesquisadores 
da área, através de artigos, teses e livros nos últimos 30 anos. Ele conclui com uma 
reflexão sobre o processo industrial, a importância do estudo e da capacitação do 
profissional, uma vez que casadas tem o potencial para melhorar o processo, e sugere 
um aprofundamento profissional nessa área, uma vez que a bioenergia é o futuro. 
 
Palavras-chave: Vapor, Sucroalcooleira, industrial, caldeiras, tratamento de água, 
manutenção de caldeiras, aquatubulares, flamotubulares, biomassa, cana-de-açúcar, 
cogeração, NR 13, controle produção de vapor, segurança na produção de vapor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SANTOS, Vinicius Dias dos. Estudo da Geração de Vapor em Caldeiras de 
Indústrias Socroalcooleiras. 2019. 32 f. Trabalho de Conclusão de Engenharia 
Mecânica – Faculdade Pitágoras de Teixeira de Freitas, Teixeira de Freitas, 2019. 
 
ABSTRACT 
 
Due to the industrial advance and the search for energy efficiency, the ethanol and 
sugar mills use the steam to meet the mechanical and chemical demands and the 
cogeneration to supply the electrical demand of the production plant. This work seeks 
to understand how the process of steam generation occurs in these industries, which 
use biomass, in the case of sugarcane, to feed the boilers, which in turn transform the 
previously treated water into steam and the waste in the atmosphere. Compliance with 
safety requirements extends from the planning to the installation of a boiler until its 
operation and maintenance, which leads to the need for a rigid system of control and 
monitoring. For the present work, a three-pronged approach was required: to know the 
principle of thermal transformation, which uses biomass as a function of cogeneration, 
the approach to boiler operation, and the control and safety system. This work is 
characterized as a literature review, where it was crucial to use information and studies 
produced by researchers in the area through articles, theses and books in the last 30 
years. He concludes with a reflection on the industrial process, the importance of the 
study and the qualification of the professional, since married has the potential to 
improve the process, and suggests a professional deepening in this area, since 
bioenergy is the future. 
 
Key-words: Steam, Sugar and alcohol, industrial, boilers, water treatment, boiler 
maintenance, aquatubulars, flametubular, biomass, sugarcane, cogeneration, NR 13, 
steam control, safety in steam production. 
 
LISTA DE ILUSTRAÇÕES 
 
Figura 01 – Ciclo rankine ideal ............................................................................... 02 
Figura 02 – Central de cogeração a vapor operando em demanda térmica. ........... 13 
Figura 03 – Caldeira de geração de vapor industrial. .............................................. 18 
Figura 04 – Caldeira aquatubular ............................................................................ 20 
Figura 05 – Caldeira flamotubular ........................................................................... 21 
Figura 06 – Sistema supervisório ............................................................................ 30 
 
LISTA DE TABELAS 
 
Tabela 01 – Classificação quanto a pressão ........................................................... 22 
 
LISTA DE SIMBOLOS 
 
Eficiência pelo método direto 
Vazão mássica de vapor, [kg/s] 
Entalpia do vapor produzido, [kJ/kg] 
Entalpia da água de entrada, [kJ/kg] 
Vazão mássica de combustível, [kg/s]; 
Poder calorífico do combustível, [kJ/kg] 
Teor de carbono (kg/kg de cb) 
Teor de enxofre (kg/kg de cb) 
Teor de nitrogênio (kg/kg de cb) 
Coeficiente de excesso de ar 
Massa estequiométrica de ar (kg/kg de cb) 
Entalpia do (kJ/kg) 
Entalpia do (kJ/kg) 
Entalpia do (kJ/kg) 
Entalpia do ar (kJ/kg) 
Calor perdido por combustão parcial (kW) 
Calor perdido por combustão parcial (kg/kg de cb) 
Relação carbono não queimado/combustível (kg/kg de cb) 
Entalpia do carbono (kj/kg) 
Porcentagem de monóxido de carbono em volume 
Volume de gases na base seca (m³n/kg de cb) 
 
SUMÁRIO 
 
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 10 
2. COGERAÇÃO NO SETOR SUCROALCOOLEIRO ............................................ 12 
2.1 BIOMASSA E O SETOR SUCROALCOOLEIRO ............................................... 14 
2.2 BENEFÍCIOS LEGAIS E AMBIENTAIS DA COGERAÇÃO ................................ 15 
3. CALDEIRAS DE GERAÇÃO DE VAPOR ............................................................ 18 
3.1 CALDEIRAS AQUOTUBULARES ...................................................................... 19 
3.2 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES .................................................................... 20 
3.3 CLASSIFICAÇÃO CALDEIRAS .........................................................................21 
3.4 EFICIÊNICA DE CALDEIRAS ............................................................................ 23 
3.5 CALDEIRAS NO SETOR SUCROALCOOLEIRO .............................................. 25 
3.5.1 Poder calorífico da Biomassa ........................................................................... 25 
3.5.2 Tratamento da água ........................................................................................ 26 
3.5.3 Manutenção das Caldeiras ............................................................................... 27 
4. EQUIPAMENTOS DE CONTROLE E SEGURANÇA .......................................... 28 
4.1 CONTROLE E SEGURANÇA: ASPECTOS QUE SE COMPLEMENTAM ......... 28 
4.1.1 Indicador de nível d’água ................................................................................ 29 
4.1.2 Controle do nível da água ................................................................................ 29 
4.1.3 Sistema de pressão máxima ............................................................................ 29 
4.1.4 Sistema de modulação de chama ................................................................... 30 
4.1.5 Sistema manual ............................................................................................... 30 
4.2 SEGURANÇA NA OPERAÇÃO DE CALDEIRAS .............................................. 30 
4.3 SISTEMAS SCADA/HMI .................................................................................... 31 
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................. 33 
REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 34 
 
 
10 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
O vapor vem sendo utilizado pelos humanos em tarefas industriais a décadas, 
desde que o homem passou a usar as máquinas a seu favor, para fazer trabalho ou 
obter energia, foi preciso o desenvolvimento de técnicas que permitissem alcançar tal 
objetivo. O vapor é utilizado principalmente para movimentar geradores que fornecem 
eletricidade, seja ele para a planta produtiva em uma indústria, ou para o setor elétrico, 
entretanto o uso dessa tecnologia em usinas sucroalcooleiras é um tema relevante, 
uma vez que vem sendo cada vez mais desenvolvido. 
No Brasil o principal motor de interesse para usinas sucroalcooleiras é o uso 
do etanol para veículos automotores, historicamente, a produção de etanol a partir da 
cana-de-açúcar foi impulsionado pelo programa PROÁLCOOL, criado em 1975 com 
o intuito de enfrentar a crise mundial de petróleo naquela década (TÁVORA, 2012). A 
partir desse aspecto político-econômico, a adoção e aperfeiçoamento de tecnologias 
de extração de vapor para cogeração de energia dentro das usinas foi crucial para o 
sucesso e crescimento do etanol como combustível, uma vez que o processo de 
fabricação demanda quantidades expressivas de energia térmica e elétrica para o 
correto processamento da matéria-prima (CHIEPPE JÚNIOR, 2012). Em relação ao 
vapor ele é utilizado nesse segmento pois sua força pode ser convertida em 
eletricidade, bem como em força mecânica e no preparo químico da matéria prima. 
Nessas usinas se utilizam trocadores de calor, que exigem alto grau de complexidade 
para serem implantadas, pois da água ao vapor industrial o processo mostra-se 
desafiador. 
Tendo em vista o aspecto conceitual, o conhecimento e domínio na área de 
calor e fluídos mostra-se crucial para a aplicabilidade das técnicas e pesquisa de 
novas formas de desenvolvimento no que tange a geração de vapor. Nesse sentido o 
engenheiro mecânico está apto a incumbir-se. Este trabalho de conclusão de curso 
se justificou pela importância da pesquisa sobre a geração de vapor, em específico 
no processo industrial sucroalcooleiro uma vez que o papel dos profissionais técnicos 
em uma indústria, seja ela de qualquer setor, é essencial para o crescimento das 
mesmas, e através de análises e estudos nas áreas de atuação, o profissional tende 
a ser uma peça fundamental no desenvolvimento tecnológico e também no 
desenvolvimento humano. A aposta energética para o futuro são os biocombustíveis; 
o etanol, produzido no Brasil, majoritariamente, a partir da cana-de-açúcar, tem um 
11 
 
papel estratégico de competir com a gasolina. Neste cenário a geração de vapor é 
essencial na obtenção de energia no processo produtivo do etanol. No passado a 
locomotiva a vapor, que utiliza o mesmo princípio de extração de energia a partir da 
geração de vapor, revolucionou o escoamento de produção de minérios e o transporte 
humano em terra, unindo o mundo, e hoje, no setor de energia renovável, essa técnica 
permite a autossuficiência energética no processo de produção do etanol. A relevância 
do estudo nesta área é crucial para o profissional que deseja atuar nesse segmento, 
uma vez que demanda por profissionais qualificados é crescente no mundo. O 
trabalho sobre geração de vapor agrega valor ao estudo científico, essencial para 
acadêmicos e profissionais que dele venham buscar apoio, bem como contribuir para 
futuras pesquisas de aperfeiçoamento na extração de energia por meio do calor e 
fluidos. 
Sabendo que o Engenheiro Mecânico é o profissional qualificado, dentro das 
áreas de calor e fluido, para projetar, dimensionar e gerir a manutenção de trocadores 
de calor em industrias destiladoras de etanol, como se dá a geração de vapor nesses 
segmentos industriais? 
Para responder a esse questionamento, foi necessário analisar, por meio da 
literatura, o processo de geração de vapor em indústrias sucroalcooleiras, focando em 
três pontos para que pudéssemos compreender: 
 Conhecer o mecanismo de geração de energia térmica, essencial na 
transformação de agua em vapor. 
 Abordar a operação de geração de vapor que ocorre nas caldeiras. 
 Compreender os equipamentos de controle e segurança necessários à 
produção de vapor em plantas industriais. 
O Presente trabalho teve por objetivo realizar uma revisão de literatura obre o 
tema abordado: Geração de Vapor em Indústrias Sucroalcooleiras, onde foi abrangido 
uma pesquisa qualitativa e descritiva. A pesquisa se deu de forma qualitativa, 
abordando o conhecimento adquirido por meio de diversos autores o que levou à 
necessidade de uma abordagem descritiva do tema, de forma que foi estudado 
através de livros em bibliotecas, ou adquirido em formato digital na internet e consulta 
em artigos publicados por pesquisadores do setor de energia renovável nos últimos 
30 anos. 
 
 
12 
 
2. COGERAÇÃO NO SETOR SUCROALCOOLEIRO 
 
A cogeração é um processo que obtém, a partir de uma fonte de calor, energia 
mecânica, elétrica ou de calor útil (NOGUEIRA et al., 2005). A partir dessa concepção, 
no que tange as industrias sucroalcooleiras, fica claro que o objetivo da cogeração é 
o de garantir autossuficiência enérgica dentro dessas unidades de produção. 
A cogeração é utilizada em industrias sucroalcooleiras por meio do ciclo 
termodinâmico Rankine, apesar de existirem outros ciclos como o Brayton, 
Combinado, Diesel e Otto que são utilizados em outros setores como aeroportos, 
shoppings centers, hospitais e veículos (FIOMARI, 2004). O ciclo Rankine é o ciclo 
termodinâmico que descreve a transformação de energia através do uso de vapor, 
segundo Fiomari (2004) O Ciclo Rankine, é utilizado para representar uma unidade 
motora simples a vapor que consiste, basicamente, de quatro processos: dois 
isobáricos e dois isentrópicos. Na caldeira, onde ocorre queima de combustível, é 
fornecido calor ao líquido, transformando-o em vapor à saída, conforme explicitado na 
figura 01: 
 
Figura 01 – Ciclo Rankine ideal.Fonte: Wylen, Sontag, Borgnakke (2003). 
 
13 
 
No ponto 1, da figura 02 a bomba aspira água no estado de líquido comprimido, 
que vai direto para a caldeira, no ponto 2. Nesse ponto é produzido o vapor saturado, 
a caldeira utiliza tubos para conduzir e trocar calor com a água, bem como para 
receber esse calor oriundo da queima do bagaço de cana-de-açúcar. Ainda no ponto 
2 ocorre a transformação de vapor saturado para vapor super aquecido, que é utilizado 
para o acionamento da turbina geradora de energia elétrica. Na turbina, no ponto 3, 
esse vapor expande e é direcionado ao condensador, que troca calor a fim de reduzir 
a temperatura do vapor até sua condição inicial para voltar à bomba, no ponto 1, e 
fechar o ciclo térmico (CÔRREA NETO; TOLMASQUIM, 2001). 
As usinas sucroalcooleiras queimam o bagaço da cana-de-açúcar, biomassa, 
para gerar calor nas caldeiras, sendo que a combustão é externa ao fluido de trabalho, 
ou seja, não há contato entre o combustível e o fluido de trabalho (BALESTIERE, 
2002). Essas usinas processam o vapor de forma que seja empregada para 
acionamentos mecânicos, geração de energia elétrica (Cogeração) e processamento 
do caldo da cana de açúcar, nesse sentido é necessário serem projetadas de modo a 
suprir a demanda térmica. 
Na figura 02 nota-se um esquema de uma planta de cogeração que opera de 
acordo com a curva de demanda térmica (BALESTIERE, 2002): 
 
Figura 02 – Central de cogeração a vapor operando em demanda térmica. 
 
Fonte: Balestiere (2002). 
 
14 
 
Nota-se na Figura 02 uma paridade térmica, na primeira e segunda hora têm-
se explanado uma demanda elétrica de 3.000 kW, nos mesmos momentos nota-se 
uma variação na demanda de vapor, 10 Kg/s e 15 Kg/s respectivamente. Na segunda 
hora observada conclui-se que o fornecimento de energia foi de 4.500 kW, pois a 
geração elétrica é diretamente proporcional à geração de vapor, portanto nesse 
estágio houve um excedente de energia. Por fim observa-se a terceira hora, e aqui a 
demanda de vapor é de 10 Kg/s, por outro lado a demanda de energia elétrica subiu 
para 6.000 kW. O principal objetivo da geração de vapor em uma usina sucroalcooleira 
é a geração de eletricidade nas turbinas e o seu uso no processo industrial, conclui-
se que a paridade térmica é necessária à operação, uma vez que a demanda elétrica 
e mecânica da usina dita a geração do vapor (BALESTIERE, 2002). 
Dessa forma, a cogeração está inserida em um sistema intrínseco de 
componentes da engenharia energética: caldeiras, turbinas, trocadores de calor entre 
outros, que funcionam de forma interligada dentro da planta de produção, sempre 
extraindo o máximo proveito da fonte primária de energia, que no setor sucroalcooleiro 
é o bagaço da cana-de-açúcar, sendo este uma energia renovável. O processo é 
renovável, pois a cana pode ser sempre plantada para fornecer consumo de energia, 
ao contrário de outras fontes como o carvão, petróleo ou gás, que uma vez utilizados 
se perde de maneira definitiva (FIOMARI, 2004). 
Sendo um processo que é utilizado a décadas na indústria nacional e 
internacional, a cogeração é bem aceita no setor sucroalcooleiro, uma vez que os 
produtos do sistema como potência mecânica ou elétrica e vapor, são utilizados no 
próprio processo (SÁNCHEZ; PRIETO; NEBRA, 2001). A matéria prima do produto 
final também fornece o combustível necessário à geração do vapor na caldeira na 
forma de rejeitos sendo que seu impacto na atmosfera não é agressiva, uma vez que 
o bagaço é viável como fonte de energia através de sua combustão, pois os poluentes 
emitidos podem ter sua emissão controlada, (OLIVEIRA, 2016). 
 
1.1 BIOMASSA E O SETOR SUCROALCOOLEIRO 
 
Toda matéria orgânica capaz de gerar, direta ou indiretamente, alguma forma 
de energia é denominada biomassa, ou seja, a biomassa pode ser retirada de 
vegetais, como por exemplo, a madeira e seus respectivos resíduos, e também pode-
se obtê-la dos resíduos urbanos, industriais e agrícolas, pois de um ponto de vista 
15 
 
com base na energia pautada não setor elétrico, a biomassa é qualquer recurso 
renovável da natureza, que pode ser tanto de origem vegetal quanto animal, utilizada 
na obtenção de energia, pois esses retiram a energia do sol e armazenam ao longo 
da vida, sendo reaproveitada nos rejeito, (PARO, 2011). 
 A biomassa tem substituído o uso de combustíveis fósseis, como o petróleo e 
o gás natural, na cogeração. No seguimento industrial de produção socroalcooleira a 
biomassa é retirada de resíduos agrícolas, a própria matéria prima, a cana-de-açúcar, 
fornece o bagaço que é utilizado como fonte de calor necessária à cogeração durante 
o processo produtivo (CORTEZ; LORA; GOMÉZ, 2008). 
 A fonte de calor nas caldeiras é obtida a partir da queima do bagaço da cana-
de-açúcar, segundo Chieppe Junior (2012, p. 39) “A moagem produz um caldo 
(garapa) e bagaço (parte sólida), rica em celulose. A mistura garapa-resíduo é filtrada. 
Feita a separação, o bagaço é utilizado para cogeração de energia.” 
Segundo Arnao (2007) as usinas de sucroalcooleiras da década de 70, no início 
do programa PROALCOOL, eram pouco eficientes, energeticamente falando, pois as 
caldeiras produziam vapor saturado em pressões variando de 10 a 14 bar, 
consumindo mais que 500 kg. de vapor/tonelada de cana moída, que é a média atual, 
e uma vez ineficiente se fazia necessário o fornecimento de energia elétrico a partir 
de uma concessionária para a indústria. 
 
1.2 BENEFÍCIOS LEGAIS E AMBIENTAIS DA COGERAÇÃO 
 
A Resolução da ANEEL n° 21/2000 menciona a atividade de cogeração como 
uma forma de racionalidade energética, uma vez que permite um melhor rendimento 
dos combustíveis ante a geração individual de calor e energia elétrica, resultando num 
baixo consumo total. Essa concepção resulta em consequentes benefícios para a 
sociedade. Vários países criaram e implantaram subsídios às indústrias que utilizam 
e desenvolvem a tecnologia de cogeração. 
Na Dinamarca, o governo oferece estimulo para consumo de vapor através de 
financiamentos na instalação de sistemas residenciais de aquecimento, estímulo para 
centrais de aquecimento distrital, estímulo financeiro ao desenvolvimento dos 
processos de cogeração, remuneração para as produtoras que injetem eletricidade na 
rede pública, gerada de excedentes da cogeração (BARJA, 2006). 
16 
 
Nos Estados Unidos da América a regulação sobre cogeração tem destaque 
após a publicação do ato regulatório denominado PURPA (Public Utilities Regulatory 
Policy Act), em 1978, definindo as normas regulatórias do setor. Em 2005, foi 
publicado e denominado o EPA 2005 (Energy Policy Act), que visava definir incentivos 
à micro cogeração e determinar regras para compra e venda mandatória a partir de 
centrais de cogeração. O EISA (Energy Independence and Security Act), criado em 
2007, considerou a cogeração oficialmente como prática de eficiência energética. Em 
2011 foram publicadas no código regulatório federal americano as diretrizes para 
qualificação de centrais de cogeração (PARO, 2011). 
De acordo com Arnao (2007) O Brasil também adotou medidas para fomentar 
a cogeração, citando algumas delas ao longo dos anos, pode-se observar o Decreto 
2003/19961, Art. 23, prevê a possibilidade de comercialização de energia elétrica 
gerada por vapor através de processo de cogeração. A Resolução Normativa da 
ANEEL nº 77/2004 prevê a redução não inferior de 50% nas tarifas de uso dos 
sistemas elétricos de transmissão e distribuição de energia, para fins de 
comercialização da energia geradas pelos empreendimentos de geração, destinados 
à produção independente ou autoprodução, com fonte eólica, biomassa ou cogeraçãoqualificada com potência menor ou igual a 30.000 kW, bem como para os 
empreendimentos hidroelétricos com potência igual ou inferior a 1.000 kW, a 
incidência de percentual de redução nas tarifas de uso dos sistemas elétricos de 
transmissão e distribuição. 
A preocupação com o impacto ambiental se estende a qualquer atividade que 
mude a natureza, Arnao (2007) explica que como a produção de vapor na indústria 
sucroalcooleira depende da queima de resíduos agrícolas, algumas normas foram 
adotadas com o intuito de preservar o ecossistema. A Lei 6.938/19812 estabelece o 
licenciamento e a revisão de atividades potencialmente poluidoras, ou seja, a 
construção, instalação, ampliação ou funcionamento de industrias que utilizam de 
recursos ambientais e que podem prejudicar a natureza, dependem de uma licença a 
ser emitida pelo órgão responsável estadual junto ao SISNAMA (Sistema Nacional do 
Meio Ambiente) e federal junto ao IBAMA (Instituto Brasileiro do Meia Ambiente e dos 
Recursos Naturais Renováveis). A Resolução nº 279 do CONAMA (Conselho 
 
1 Disponível em: http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/decreto/D2003.htm, acesso em 
05/04/2019 às 17 horas e 22 minutos 
 
17 
 
Nacional do Meio Ambiente) simplificou o licenciamento para pequenos 
empreendimentos a julgar por sua capacidade de oferta de energia elétrica. A 
Resolução nº 006 do CONAMA exige a implantação e operação de empreendimentos, 
de grande porte, de exploração de eletricidade sejam amparadas por três fases de 
licenciamento: a Licença Prévia (LP), Licença de Instalação (LI) e Licença de 
Operação (LO). (BARJA, 2006). Como as usinas sucroalcooleiras geram vapor para 
a atividade produtiva, elas se enquadram nas Resoluções do CONAMA (Conselho 
Nacional do Meio Ambiente) nº 003/1990 e 357/2005, que tratam da emissão de gases 
de exaustão e consumo de recursos hídricos, respectivamente. 
Sendo um processo utilizado para geração de energia útil por meio da 
transformação industrial, a cogeração é um tema de significativa importância para a 
economia local e mundial, o estudo incisivo sobre seus mecanismos permitem a 
cogeração evoluir. Segundo Nogueira (2005) a cogeração depende dos conceitos 
industriais de uso do vapor, começando pela geração de vapor, queima da biomassa, 
caldeiras, a alimentação d’água no sistema, equipamentos de controle e segurança, 
bem como as questões legislativas a respeito do meio ambiente e economia, deixando 
claro o potencial de reconhecimento dos ganhos industriais nessa área. 
 
 
18 
 
3. CALDEIRAS DE GERAÇÃO DE VAPOR 
 
As caldeiras são instrumentos de extrema importância em qualquer setor que 
necessite reduzir os gastos com energia nos processos produtivos, Bazzo (1995) 
explica que, no meio industrial, os geradores de vapor como um todo são chamados 
apenas de caldeiras, sendo que demais componentes entram nessa definição. Na 
figura 03 pode-se observar em detalhes uma caldeira de uma usina sucroalcooleira: 
 
Figura 03 – Caldeira de geração de vapor industrial. 
 
Fonte: Adaptado de Stultz & Kitto (2005) 
 
Podemos observar os seguintes itens na figura 03: 
 Silo de biomassa; 
 Alimentador/Pulverizador; 
 Queimadores; 
 Forno; 
 Superaquecedores; 
 Tambor de Vapor; 
 Economizador; 
 Aquecedor de Ar/ Pré Aquecedor; 
 SCR (Redutor Catalítico Seletivo); 
 Precipitador; 
19 
 
 Ventiladores; 
 Absorvedor de Calor; 
 Chaminé. 
 
O processo começa com o pulverizador jogando para dentro do forno a 
biomassa recebida no silo, os queimadores produzem o fogo a partir do bagaço da 
cana-de-açúcar, no caso das usinas sucroalcooleiras, a uma temperatura que pode 
variar de 900º C a 1400º C. A caldeira é alimentada com a água tratada a qual passa 
do estado líquido ao gasoso nessa etapa. 
Conforme Bazzo (1995) os superaquecedores aumentam a temperatura do 
vapor saturado expelido pela caldeira, enquanto que o economizador tem a função de 
evitar o choque térmico entra a água de alimentação, a qual ele pré-aquece, e a água 
armazenada no tambor (caldeira). O SCR (Redutor Catalítico Seletivo) separa os 
gases quimicamente para expilar na chaminé ou para pré aquecer o ar. 
O precipitador reduz os poluentes provenientes dos gases residuais a fim de 
amenizar o impacto ambiental no despejo dos gases pela chaminé. O absorvedor tem 
a finalidade de reduzir a temperatura dos gases exauridos de 120º C a 300º C, que 
dependem da disposição do equipamento e do poder calorífico da biomassa 
(BALESTIERE, 2002). 
Segundo Camargo et al. (1990) a evolução tecnológica na fabricação de 
caldeiras possibilitou níveis de autossuficiência elétrica nas indústrias 
sucroalcooleiras a partir dos anos 90, com a biomassa, que antes era descartada, 
cumprindo o papel de fonte de energia. 
As caldeiras geradoras de vapor, no que tange as aplicações industriais, podem 
ser classificadas como: “Aquotubulares e Flamotubulares”, ainda que existam outros 
tipos como Mista e Elétrica por exemplo, que são aplicáveis a outras situações 
(BAZZO, 1995; PARO, 2011). 
 
3.1 CALDEIRAS AQUOTUBULARES 
 
São caldeiras que conseguem atender a demanda de vapor em escala 
industrial de pequeno porte até de grandes centrais de cogeração, Bazzo (1995, p. 
73) afirma que “As caldeiras Aquotubulares são construídas de forma que a água 
circule por dentro de diversos tubos de pequeno diâmetro e dispostos na forma de 
20 
 
paredes d’água ou de feixes tubulares.”, entende-se que a troca de calor acontece 
quando os gases de combustão passam ao redor desse tubos que contém agua em 
seu interior, por meio da convecção, gerando o vapor no processo. 
 
Figura 04 – Caldeira Aquatubular 
 
Fonte: Bazzo (1995) 
 
Os gases da combustão ficam no fundo da fornalha, ondem retornam e se se 
cruzam ao feixe tubular, a água circula dentro desses tubos e o fogo ao redor dos 
tubos, nesse processo a produção de vapor varia de acordo o tipo de fornalha e o 
combustível utilizado (BAZZO, 1995). 
 
3.2 CALDEIRAS FLAMOTUBULARES 
 
Bazzo (1995, p. 84) explica que nas caldeiras flamotubulares a água circula ao 
redor de tubos, dentro desses tubos circulam gases de combustão, provenientes da 
queima da biomassa, logo a troca de calor acontece permitindo a formação de vapor. 
 
Figura 05 – Caldeira Flamotubular 
21 
 
 
Fonte: Bizzo (2003) 
 
Esse tipo específico de caldeira não é utilizado nas usinas sucroalcooleiras por 
trabalharem com pressão inferior a 1,7 MPa e por consumirem combustíveis dos tipos: 
óleo, gás e carvão (BALESTIERE, 2002). Bizzo (2003) explica que a estrutura de uma 
caldeira flamotubular segundo é formada por um tambor de vapor cilíndrico com dois 
“espelhos”, onde são fixados os tubos e a fornalha, conforme apresentado na figura 
05. Nesse tipo de caldeira a operação só pode se dar até aproximadamente 15 bar de 
pressão e 15. 000 kg/h de vazão mássica de vapor, sendo utilizada em processos que 
exigem baixa pressão. 
De acordo Leite e Militão (2008), a dimensão da caldeira está ligada com a 
disponibilidade de produção de vapor que, o projeto pode produzir, bem como a 
pressão de trabalho, determinadas pela demanda térmica da atividade industrial. As 
caldeiras são fabricadas geralmente com chapas de ferro carbono calandradas e 
soldadas, a caldeira é envolta em chapas metálicas planas, com aberturas para as 
tubulações e demais equipamentos e instrumentos (LEITE; MILITÃO, 2008). 
 
3.3 CLASSIFICAÇÃO CALDEIRAS 
 
As caldeiras devem ser projetadas e construídas de acordo a atender à 
demanda térmica da planta, para tal empreendimento é necessário um conhecimento22 
 
sobre qual caldeira utilizar para fornecer o vapor ideal ao trabalho (BALESTIERI, 
2002), As caldeira podem são classificadas inicialmente de acordo a pressão 
produzida, se seguidas as devidas normas de operação para cada uma delas, 
conforme é retratado na tabela 01: 
 
Tabela 01 – Classificação quanto a pressão 
Caldeira Psi Bar 
Baixa Pressão 100 a 400 7 a 28 
Média Pressão 400 a 800 28 a 57 
Alta Pressão 800 a 3200 57 a 225,6 
Supercrítica > 3200 > 225,6 
Fonte: Adaptado de Stultz & Kitto (2005) 
 
O tipo de caldeira é essencial para o correto planejamento e implantação de 
acordo a necessidade térmica, uma vez que cada uma das pressões é recomendada 
para determinadas atividades, sendo que no setor sucroalcooleiro as caldeiras de 
média pressão e alta pressão (400 a 3200 psi), conforme tabela 01, são mais comuns 
(BALESTIERI, 2002). 
De acordo a NR-13 (BRASIL, 2013) apud Campos (2011), as caldeiras podem 
ser classificadas em: 
 Categoria A: Pressão de operação é superior a 1960 KPa (19,98 
kgf/cm²); 
 Categoria C: Pressão de operação igual ou inferior a 588 KPa (5,99 
kgf/cm²) e volume interno igual ou inferior a 100 litros; e 
 Categoria B: caldeiras que não se enquadram nas categorias anteriores. 
 
De acordo o grau de automação as caldeiras podem se classificar em: 
 Manuais; 
 Semiautomática; 
 Automática. 
 
E em relação ao tipo de combustível empregado: 
 Sólido; 
23 
 
 Líquido; 
 Gasoso; 
 Caldeiras elétricas; 
 Caldeiras de Recuperação. 
 
A legislação brasileira também classifica as caldeiras de vapor conforme sua 
capacidade de geração de vapor em A, B e C, como mostra a lista acima, e além disso 
a NR-13 (BRASIL, 2013) traz uma característica peculiar que é a classificação quanto 
ao tipo de operação automatizada da caldeira bem como os combustíveis utilizados. 
 
3.4 EFICIÊNICA DE CALDEIRAS 
 
De acordo com Higa (2003) a razão entre a energia que é transferida para a 
água e o consumo de energia que está presente no combustível, pode ser obtida com 
dos métodos o direto e o indireto. 
O método direto é representado pela fórmula a seguir: 
η 
𝑀𝐷
= �̇�𝑣(ℎ𝑣 − ℎ𝑎)/�̇�𝑐𝑃𝐶 (1) 
 
Onde, 
η 
𝑀𝐷
= Eficiência pelo método direto 
�̇�𝑣 = Vazão mássica de vapor, dada em kg/s 
ℎ𝑣 = Entalpia do vapor produzido, dada em kJ/kg 
ℎ𝑎 = Entalpia da água de entrada, dada em kJ/kg 
�̇�𝑐 = Vazão mássica do combustível, dada em kg/s 
𝑃𝐶 = Poder calorífico do combustível (biomassa), dado em kJ/kg 
 
O método indireto é dado pelas percas térmicas que acontecem no processo 
de geração de vapor, pelos gases de combustão, radiação ou convecção para o 
ambiente, ou pela combustão parcial o combustível (BIZZO, 2003). 
A perca térmica pela chaminé pode ser calculada da seguinte maneira: 
 
�̇�𝑔𝑠 = �̇�𝑐𝑏 ∗ (𝑞𝐶𝑂2 + 𝑞𝑆𝑂2 + 𝑞𝑁𝑂2 + 𝑞𝑂2) (2) 
 
24 
 
Ou 
 
 (3) 
 
Onde, 
 
c = Teor decarbono, dado em kg/kg cb 
s = Teor de enxofre, dado em kg/kg cb 
n = Teor de nitrogênio, dado em kg/kg cb 
 = Coeficiente de excesso de ar 
 = Massa estequiométrica de ar, dada em kg/kg cb 
 = Entalpia do , dada em kJ/kg 
 = Entalpia do , dada em kJ/kg 
 = Entalpia do , dada em kJ/kg 
 = Entalpia do ar, dada em kJ/kg 
 
As perdas térmicas por radiação ou convecção para o ambiente, representam 
pequena parcela no cálculo de rendimento de uma caldeira, por isso se utiliza um valor 
padrão para ser considerado entre 0,5 a 1% do calor disponível do combustível 
(BAZZO, 1995) 
De acordo com Bazzo (1995) a combustão parcial é um problema que atinge a 
produção de vapor quando há falha ou mal dimensionamento dos queimadores, 
geralmente o ar de combustão não é suprido em quantidade favorável ao trabalho. 
Essas perdas podem ser definidas pelo teor de monóxido de carbono presente nos 
gases de combustão e na quantidade de carbono não queimado no processo. 
 (4) 
Ou 
 ] (5) 
Onde, 
25 
 
 = Calor perdido por combustão parcial, dado em kW 
 = Calor perdido por combustão parcial, dado em kg/kg cb 
 = Relação carbono não queimado/combustível, dado em kg/kg cb 
 = Entalpia do carbono, dada em kj/kg 
 = Porcentagem de monóxido de carbono em volume 
 = Volume de gases na base seca, dada em m³n/kg cb 
 
Obtidas os valores para percas térmicas, é possível saber a eficiência térmica 
de uma caldeira, o método indireto é o mais indicado, pois leva em consideração 
várias etapas do processo de geração de vapor industrial, sendo a mais utilizada pelos 
fabricantes de caldeiras e usinas sucroalcooleiras no mundo (BIZZO, 2003) 
3.5 CALDEIRAS NO SETOR SUCROALCOOLEIRO 
 
Segundo Leme (2005), a caldeira aquatubular é o tipo empregado quando a 
fonte de combustível é a cana-de-açúcar. Existem três modelos desse equipamento, 
dois utilizam queima em leito físico (em pilhas): caldeiras com fornalha do tipo 
ferradura e caldeiras com grelha plana ou inclinada. E o outro modelo é a caldeira que 
realiza queima em suspensão. As caldeiras com queima em leito físicos são mais 
antigas e ineficientes, mas são muito utilizadas no setor, pois foram empregadas nas 
primeiras unidades de produção. As caldeiras com queima em suspensão são mais 
modernas e eficientes (LEME, 2005). 
 
3.5.1 Poder calorífico da Biomassa 
 
A quantidade de energia calorífica liberada na queima de um combustível é 
denominada Poder Calorífico (PC) sendo padronizada pelo SI como kJ/kg e há 
também a menção ao PCS (Poder Calorífico Superior) e PCI (Poder Calorífico 
Inferior), onde o poder calorífico superior é a energia calorífica liberada na queima do 
combustível admitindo que todo o vapor d’água dos produtos da combustão se 
condensou e o poder calorífico inferior não considera a energia dissipada na 
condensação do vapor d’água (WYLEN; SONTAG; BORGNAKKE, 2003). 
26 
 
As caldeiras de usinas sucroalcooleiras utilizam o bagaço da cana-de-açúcar, 
a eficiência térmica dessa biomassa é de 70% a 80%, embora essa eficiência possa 
aumentar desde que seja queimada uma quantidade adicional do resíduo. Há também 
o fator da manutenção que pode impactar na eficiência, uma caldeira suja ou mal 
otimizada poderá implicar no decaimento da eficiência. Isso implica em uma 
necessidade conceitual de paradas periódicas de manutenção (SCHIRMER, 2006). 
 
3.5.2 Tratamento da água 
 
O processo de produção de vapor obviamente depende da água para 
acontecer, isso não pode ser feito sob quaisquer circunstância, é necessário um 
preparo para o líquido utilizado possa entregar eficiência do vapor gerado bem como 
evitar problemas como incrustações, corrosões e arrastes no interior da caldeira, bem 
como nas tubulações (MARTINELLI JR, 2002). Os tratamentos preliminares da água, 
fundamentais para o processo de geração de vapor, segundo Bazzo (1995), são: 
 Filtração – realizada em uma estação própria para o tratamento de água, 
onde se remove o material solido suspenso a partir da floculação de tais impurezas. 
Esse processo é possível graças a adição de sulfato de alumínio, polímeros e cloretos 
ao líquido; 
 Troca Iônica – tratamento que visa remover íons da água como cálcio e 
magnésio, sendo utilizado para isso resinas de troca iônica espalhadas pela superfície 
de material plástico esférico. A água passa por 2 tanques com resinas que cooptam 
os íons causadores de problemas. Um exemplo desse processo é a desmineralização 
que é capaz de remover sílica, carbonatos, sulfatos e cloretos da água, além de 
diminuir a dureza da água; 
 Osmose Reversa – a água filtrada anteriormente passa por um cilindro 
chamado permeador, enquantoé separada de sais ainda permanentes em sua 
composição. A água tratada é expelida pelo permeador para a geração de vapor, 
enquanto que a não permeada é descartada. O problema desse processo se encontra 
no seu alto custo e mão de obra em quantidade para que se possa ter vazão aceitável. 
 Destilação – neste processo a água é vaporizada e depois condensada, 
o que demanda muita energia, sendo empregada por este motivo em instalações 
marítimas. 
27 
 
Há ainda o tratamento da água que consiste na remoção de gases da água, o 
desaerador funciona aquecendo a agua com vapor retirando oxigênio e CO2, uma vez 
insolúveis a água diminui a probabilidade de causar incrustações e oxidações nos 
equipamentos (MARTINELLI, 2002). 
 
3.5.3 Manutenção das Caldeiras 
 
 Kardec e Nascif (2012) explicam que a manutenção existe para não haver 
manutenção, ou seja os profissionais precisam estar preparados tecnicamente para 
evitar que não haja necessidade de reparos nos equipamentos. 
A NR 13 impõe regras para uma gestão segura e eficiente em relação à 
manutenção de caldeiras de vapor, vasos de pressão no tocante à instalação, 
inspeção, operação e manutenção; visando à saúde e segurança dos colaboradores. 
De acordo com NR-13 (BRASIL, 2013) apud Campos (2011) as prescrições do projeto 
fornecidas pelo fabricante, no que tange o tipo de material e procedimentos utilizados 
na execução da caldeira, bem como o código do projeto de construção fornecem 
segurança e confiabilidade no que diz respeito a manutenção e alterações nas 
caldeiras, onde estas atividades uma vez feitas com respaldo na PMTA (pressão 
máxima de trabalho admissível) garantem o sucesso da atividade. Informações como: 
ano de fabricação, PMTA, capacidade de produção de vapor, pressão de teste 
hidrostático, área de superfície de aquecimento, fabricante, código do projeto e 
fabricante devem sempre estar disponíveis de forma visível no corpo da caldeira, para 
que o pessoal da manutenção possa proceder corretamente a atividades de inspeção 
e reparos, que devem ser feitas de forma periódica ou extraordinárias, visando sempre 
a disponibilidade, confiabilidade e segurança do equipamento. Tais atividades devem 
ser procedidas interna e externamente na caldeira, seguidas de um teste de 
acumulação e teste hidrostático (NR-13 BRASIL, 2013 apud CAMPOS, 2011, p. 11). 
 Cabe ao profissional estabelecer as diretrizes adquiridas no estudo das 
caldeiras respeitando a legislação e a eficiência entendendo os tópicos que 
constituem a geração de vapor, a fim de traduzir todo o esforço e a pesquisa em uma 
correta aplicação dos conceitos. 
 
 
28 
 
4. EQUIPAMENTOS DE CONTROLE E SEGURANÇA 
 
O processo de produção de etanol e açúcar em uma usina depende da energia 
eletromecânica que as caldeiras podem ajudar a oferecer, essas por sua vez 
necessitam de controle e segurança, os sistemas de gestão das caldeiras incluem 
variados processos desde a operação manual até um sistema de controle sofisticado 
(BEGA, 2003). Porém A caldeira não é capaz de se regular ou oferecer segurança 
sozinha, é preciso se obter os dados de pressão e temperatura para que os sistemas 
possam orientar os operadores, sendo necessário o acoplamento de sensores 
inteligentes aos mecanismos capazes de monitorar e fornecer os dados para o 
sistema. Esse sistema é denominado Sistema Supervisório que analisa e armazena 
as informações criando um banco de dados, em seguida ele processa esses dados 
mostrando-os nas telas de computador do profissional monitor (ROMAGNOLI, 2010). 
Na queima da biomassa há vazão de ar de combustão, medidores ficam 
acoplados em pontos estratégicos da fornalha ajudam os operadores a controlar o 
processo de transferência de calor na caldeira (BEGA, 2003). Obviamente a energia 
utilizada no processo é a térmica, as dificuldades surgem à medida que o bagaço da 
cana-de-açúcar é queimado, pois ela pode apresentar humidade de acordo a 
armazenagem e colheita, mesmo que ainda seja proveitosa para o processo (BEGA, 
2003). 
 
4.1 CONTROLE E SEGURANÇA: ASPECTOS QUE SE COMPLEMENTAM 
 
De acordo com Beux (2014), em uma operação de rotina em equipamentos de 
geração de vapor podem ocorrer acidentes, onde na maioria dos casos acontecem 
por falha do operador, que pode não tem qualificação para tal atividade, a NR-13 
(BRASIL, 2013) determinou que os dispositivos de segurança em caldeiras térmicas 
existem para que possam proteger os colaboradores bem como os equipamentos em 
funcionamento, a citar os principais deles: 
 
 Indicador de nível d’água; 
 Controlador de água de alimentação; 
 Injetores d’água; 
 Válvulas de segurança; 
29 
 
 Pressostato; 
 Manômetros; 
 Sensores de chamas; 
 
Tais dispositivos não apenas garantem a segurança dos colaboradores, como 
também promovem a boa produtividade, gerando excelência no trabalho oferecido, 
bem como os itens produzidos. 
 
4.1.1 Indicador de nível d’água 
 
Os níveis de água na caldeira podem ser monitorados por meio de visores de 
vidro lateral, o sistema ainda conta com transmissores de pressão diferencial, logo o 
controle dos nível d’água pode ser assim operado através de válvulas de bloqueio e 
injetores (BEGA, 2003). 
 
4.1.2 Controle do nível da água 
 
Conforme Affini (1998) o controle do nível d’água no tambor de vapor é formado 
por um visor transparente em um compartimento de metal, onde o operador deve estar 
atento às mudanças relacionadas ao nível d’água que podem prescrever problemas 
como vazamentos e necessidades de drenagem. 
 
4.1.3 Sistema de pressão máxima 
 
Os controles de pressão de vapor e temperatura, são feitos por manômetros e 
sensores de pressão instalados nas tubulações de distribuição de vapor (BAZZO, 
1995). Vale ressalvar o uso de válvulas de segurança, que atuam como dispositivos a 
serem acionados em caso de falhas nos sistemas de combustão, e os sopradores de 
fuligem, que evitam o acumulo de cinzas nas superfícies de aquecimento, o que 
aumenta a vida útil das caldeiras (BAZZO, 1995). De acordo com Altafini (2002) esse 
é um dos principais sistemas de segurança na caldeiraria, pois permite que o vapor 
escape quando a pressão ultrapassa a PMTA, fazendo diminuir a pressão interna. 
 
 
30 
 
4.1.4 Sistema de modulação de chama 
 
Este sistema consiste em um conjunto de três equipamentos de controle: um 
servo-motor, um pressostato modulador de chama e um conjunto de registros. O 
pressostato tem a função de estender seu diafragma interior quando a pressão 
aumentar, o que permite o acionamento do servo-motor que por sua vez acionam os 
registros diminuindo ou aumentando a vazão de combustível e vazão de ar. A partir 
desse processo a chama pode ser modulada de acordo a pressão trabalhada, onde 
ela pode ser reduzida em ocasiões onde a pressão está alta e aumentada quando a 
pressão está baixa (AFFINI, 1998). 
 
4.1.5 Sistema manual 
 
Segundo Altafini (2002), os manômetros permitem ao operador acionar 
dispositivos como queimadores, bombas de alimentação e válvulas de segurança, a 
fim de manter a pressão na caldeira, manualmente. As válvulas de segurança podem 
ser acionadas manualmente para liberar vapor à atmosfera. 
 
4.2 SEGURANÇA NA OPERAÇÃO DE CALDEIRAS 
 
A todo instante milhares de pessoas morrem vítimas de acidentes ou doenças 
relacionadas ao trabalho, o que impacta toda uma sociedade (CAMPOS, 2011). 
Devido ao alto risco, as caldeiras exigem alta capacitação, pois qualquer acidente 
pode acarretar em lesões permanentes e até mesmo a morte. Segundo Bazzo (1995), 
o risco de uma explosão em caldeira é alto e este é o principal agente causador deacidentes em indústrias que dependem do vapor para cogeração. Pressões que 
ultrapassam o PMTP (pressão máxima de trabalho permitida), superaquecimento e as 
alienações na estrutura, corrosão, incrustação entre outros são fatores que 
contribuem para esse risco. 
Segundo Campos (2011), mesmo existindo vários riscos em uma operação de 
rotina de caldeiras, os de explosões são mais importantes devido aos seguintes 
motivos: 
 Pelo risco estar presente em todo o tempo da operação, um bom controle 
de forma contínua é irrevogável nessa situação. 
31 
 
 Pelo fato de que quando uma explosão ocorre em alguma parte da 
caldeira, a violência do impacto é de forma rude, acarretando destruição material as 
vezes irreparáveis, pois é um processo que envolve demasiada energia. 
 Pelo fato de que não apenas os operadores da indústria estarem em 
risco, mas também demais pessoas nas redondezas, por este motivo quase são 
montadas preferencialmente em locais afastados dos centros urbanos movimentados. 
 Pelo fato de que o risco de acidente ser um item a ser considerado em 
todas as etapas, ou seja, no projeto, na construção, na operação, na manutenção e 
inspeções. 
Estes pontos relatam claramente a importância da observação aos controles e 
indicadores a todo o instante para evitar uma explosão em uma caldeira, uma vez que 
a integridade física bem como os resultados industriais dependem do não ocorrimento 
de incidentes e surpresas. 
 
4.3 SISTEMAS SCADA/HMI 
 
Sistemas supervisórios são a denominação usual para os sistemas HMI 
(Interface Homem Máquina) e SCADA (Controle Supervisório e Aquisição de Dados), 
estes por sua vez consistem de controles distribuídos, esses sistemas oferecem ao 
operador a possibilidade de operar válvulas, alarmes, e monitorar os dados fornecidos 
pela instrumentação em uma grande planta industrial sem a necessidade da presença 
física (BOYER, 2004). 
De acordo com Boyer (2004) esses sistemas oferecem à produção vantagens 
consideráveis ao serem utilizados de forma correta, a citar os principais: 
 Analisar tendências de operações se apoiando no histórico de dados 
obtidos e armazenados no banco de memória, facilitando a tomada de decisões, o 
que potencializa a maximização da produção; 
 Oferecer alarmes de quando ocorre uma falha em qualquer parte do 
processo, facilitando assim as manutenções preditivas. 
 Oferecer aos operadores agilidade e segurança no que tange a operação 
dos instrumentos, que pode ser feita a longa distância em tempo real; 
 Criar a possibilidade de geração de relatórios através de gráficos sobre 
as tendências de operação da caldeira. 
32 
 
 Maximizar a disponibilidade e a confiabilidade da planta, uma vez que 
com todos os dados obtidos, processados e armazenados, o processo de tomada de 
decisões terem a possibilidade de otimização. 
Estes pontos revelam que uma produção sem instrumentação de supervisão é 
impossível, uma vez que a produção é feita de forma a maximizar os ganhos e 
minimizar perdas e atrasos, os pontos positivos mostram-se satisfatórios, e devem ser 
almejados por todo tipo de produção ou transformação de energia. 
Na figura 06 pode-se observar o exemplo de um sistema supervisório 
monitorando em tempo real uma caldeira em uma usina sucroalcooleira: 
 
Figura 06 – Sistema Supervisório 
 
Fonte: Adaptado de Berge & Jonas (2001) 
 
 Na figura 06 está explicitado o monitoramento das pressões, temperaturas, 
bem como o funcionamento de exaustores em tempo real, esse tipo de sistema é 
imprescindível à confiabilidade dos equipamentos, bem como para a segurança dos 
operadores. 
O conceito de geração de vapor atrela-se à necessidade continua de prevenção 
de resultados e consequências, boas ou ruins, o acompanhamento pautado na 
segurança e controle é uma ferramenta chave no bom funcionamento e produtividade 
de quaisquer que sejam as aplicações industriais. 
 
33 
 
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS 
O setor sucroalcooleiro está em ascensão no Brasil e no mundo, uma vez que 
o etanol é um biocombustível de grande expressividade no mercado, esse setor ainda 
produz o açúcar, o que acarreta na economia do país. No decorrer da história as 
pesquisas avançaram para melhorar a geração de vapor nesse segmento industrial, 
o que levou o bagaço da cana-de-açúcar, que antes era rejeito, a ser utilizado nas 
caldeiras, fazendo tanto a planta ganhar em eficiência energética através da 
cogeração, mecânica e química, que são o destino do vapor nas usinas 
sucroalcooleiras, quanto ao meio ambiente ganharem pontos positivos. 
O trabalho levou em consideração os modelos de caldeiras mais utilizadas em 
processos industriais, em especial ao modelo aquatubular, que é o utilizado na 
indústria de etanol e açúcar no Brasil. Nesse aspecto há realmente muito trabalho de 
pesquisa produzido ao longo das décadas, e a implantação e desenvolvimento de 
uma caldeira leva em conta a realidade de cada indústria, fazendo-as serem 
classificadas de acordo a pressão produzida. Se levássemos em consideração um 
estudo de campo em uma determina indústria sucroalcooleira para verificarmos a 
eficiências quanto ao modelo empregado, seria de grande valia para o trabalho 
acadêmico no que tange a demonstração de funcionamento dessa tecnologia. 
As medidas de segurança, bem como todo monitoramento da produção de 
vapor foram itens chaves na pesquisa, uma vez que os riscos à integridade física dos 
colaboradores, bem como o sucesso operacional são itens indispensáveis no 
desenvolvimento, implantação e manutenção de caldeiras de vapor. 
Quase tudo que se vê ao decorrer do curso de Engenharia Mecânica é aplicado 
ao processo de geração de vapor, entre eles, o sistema supervisório que monitora 
toda a produção através de sensores instaladas ao longo da caldeira, os métodos de 
fabricação quanto a escolha do material e aplicação de metais na construção, as 
medidas em relação a manutenção das caldeiras; as normas de segurança, a 
termodinâmica, o tratamento da água também são itens que abrem inúmeras 
possibilidades de aprofundamento sobre cada tema atrelado às indústrias 
sucroalcooleiras. 
 
 
34 
 
REFRÊNCIAS 
ARNAO, Juan Harold Sosa. Caldeiras Aquatubulares de Bagaço – Estudo do 
Sistema de Recuperação de Energia. 2007, 233 p. Tese (Doutorado em Engenharia 
Mecânica) - Universidade Estadual de Campinas, São Paulo, 2007. 
AFFINI, Paulo. Segurança e Inspeção de Caldeiras a vapor. SENAI Rio Verde, 
1998. 14p. Apostila. 
ALTAFINI, Carlos Roberto. Apostila sobre caldeiras. Disponível em: < 
http://www.segurancaetrabalho.com.br/download/caldeiras-apostila.pdf>. Acesso em: 
21/05/2014. 
BALESTIERI, José Antônio Perrella. Cogeração: Geração Combinada de Eletricidade 
e Calor. Florianópolis: Editora da UFSC, 2002. 
BARJA, Gabriel de Jesus Azevedo. A cogeração e sua inserção ao sistema 
elétrico. 2006. 157p. Monografia (Mestrado em Ciências Mecânicas) - Universidade 
de Brasília – UnB, Brasília, 2006. 
BAZZO, Edson. Geração de Vapor, 2. ed. rev. e ampl. Florianópolis: Editora da 
UFSC, 1995. 
BEGA, Egídio Alberto. Instrumentação aplicada ao controle de caldeiras, 3. ed. 
Rio de Janeiro: Editora Interciência, 2003. 
BEUX, Giovana. Avaliação das condições de segurança na operação de caldeiras 
a vapor. 2014. 59 f. Monografia (Especialização em Engenharia de Segurança do 
Trabalho). Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2014. 
BIZZO, Waldir A.; EM 722 - geração, distribuição e utilização de vapor. Ca 4. 
UNICAMP, 2001. Disponível em < 
http://www.fem.unicamp.br/~em672/GERVAP4.pdf>. Acesso em 06 mai. 2019. 
BOYER, Stuart A. SCADA Supervisory Control and Data Acquisition. 3ª ed. 
Durham, USA. ISA – The Instrumentation,Systems and Automation Society. 2004. 
35 
 
BRASIL. ANEEL, Atlas de energia elétrica. 2. ed. Brasília, DF: 2005. Disponível em: 
<http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/Atlas/download.htm>. Acesso em: 16 abr. 2019. 
CAMARGO, Carlos Augusto de; USHIMA, Ademar Hakuo. Conservação de Energia 
na Indústria do Açúcar e Álcool: manual de recomendações. São Paulo: IPT, 1990. 
CAMPOS, Márcia A de. Estudo das instalações e operação de caldeira e vasos 
de pressão de uma instituição hospitalar, sob análise da nr 13. Monografia 
(Especialização em Engenharia de Segurança do Trabalho). Curso de Pós-Graduação 
Especialização em Engenharia de Segurança do Trabalho Universidade do Extremo 
Sul Catarinense, Criciúma, 2011. Disponível em 
<http://repositorio.unesc.net/handle/1/825> Acesso em 06 mai. 2019. 
CHIEPPE JÚNIOR, João Baptista. Tecnologia e fabricação do álcool. Universidade 
Federal de Santa Maria, Inhumas, 74 p., 2012. Disponível em: 
<http://redeetec.mec.gov.br/images/stories/pdf/eixo_prd_industr/tec_acucar_alcool/1
61012_tec_fabric_alc.pdf>. Acesso em 16 abr. 2019. 
CORTEZ, Luiz Augusto Barbosa; LORA, Eduardo Silva; GOMEZ, Edgardo Olivares. 
Biomassa para energia. Ed. Un. Campinas: Editora UNICAMP, 2008. 
FIOMARI, Marcelo Caldato. Análise Energética E Exergética de Uma Usina 
Sucroalcooleira Do Oeste Paulista Com Sistema de Cogeração de Energia em 
Expansão. 2004, 130 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). 
Universidade Estadual Paulista - Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, São 
Paulo, 2004. 
GIL, Antônio Carlos. Métodos e Técnicas de Pesquisa Social, 6. ed., São Paulo: 
Editora Atlas S.A., 2008. 
HIGA, Márcio. Cogeração e Integração Térmica em Usinas de Açúcar e Álcool. 
2003, 137 p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Estadual de 
Campinas, Santa Catarina, 2003. 
REIS, J. P. dos; KLUCK, W., GERAÇÃO DE ENERGIA (VAPOR) A PARTIR DA 
QUEIMA DE BIOMASSA (BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR): XI Congresso 
Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica – Unicamp, Campinas, 
7 p., 2015. Disponível em <http://www.proceedings.blucher.com.br/article-
details/gerao-de-energia-vapor-a-partir-da-queima-de-biomassa-bagao-de-cana-de-
acar-19621>. Acesso em 16 abr. 2019. 
36 
 
KARDEC, Alan; NASCIF, Júlio. Manutenção – Função Estratégica. Rio de Janeiro: 
Qualitymark Editora, 2012. 
Kitto, J.B.; Stultz, S.C., Steam: Its Generation and Use, 41st Edition. Barberton, Ohio 
- USA, Babcock & Wilcox Company, 2005, 1106 p. 
LEITE, Nilson R.; MILITÃO, Renato de A.; Tipos e aplicações de caldeiras. 
Fabricação e Montagem de Caldeiras e Trocadores de Calor. Escola Politécnica – 
Deptº de Engenharia Mecânica EPUSP-PROMIMP, 2008. Disponível em < 
https://lcsimei.files.wordpress.com/2012/09/caldeiras_prominp.pdf>. Acesso em 06 
mai. 2019. 
LEME, R. Aplicação prática de gestão de pessoas por competências, 
mapeamento, treinamento, seleção, avaliação e mensuração de resultados de 
treinamento. Rio de Janeiro: Qualitymark, 2005. 
MANCINI, Marisa Cotta; SAMPAIO, Rosana Ferreira, Quando o objeto de estudo é a 
literatura: estudos de revisão Rev. bras. Fisioter., São Carlos, v. 10, n. 4, p. 361-472, 
out./dez. 2006. Disponível em 
<http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1413-
35552006000400001>. Acesso em 16 abr. 2019. 
MARTINELLI JR, Luiz C. Geradores de vapor. UNIJU: Campus Panambi, 2002. 
Disponível em <http://www.saudeetrabalho.com.br/download/gera-vapor.pdf>. 
Acesso em 06 mai. 2019. 
MINISTÉRIO DO TRABALHO. NR-13: Manual Técnico de Caldeiras e Vasos de 
Pressão. Brasília, 2006. 
NOGUEIRA, Luiz Augusto Horta; ROCHA, Carlos R.; NOGUEIRA, Fábio José H., 
Eficiência Energética no Uso de Vapor, Eletrobrás, Rio de Janeiro, 196 p. ilust., 2005. 
Disponível em: < https://bucket-gw-cni-static-cms-
si.s3.amazonaws.com/media/uploads/arquivos/LivroVapor.pdf >. Acesso em 16 abr. 
2019. 
OLIVEIRA, Tatiane Morita. Controle ambiental dos gases gerados na queima do 
bagaço de cana-de-açúcar. 2016, 43p. Trabalho de conclusão de curso (bacharelado 
– Engenharia Industrial Madeireira) - Universidade Estadual Paulista “Júlio de 
Mesquita Filho”, Itapeva. 
37 
 
PARO, André de Carvalho. Uma metodologia para gestão de eficiência energética 
em centrais de cogeração a biomassa: aplicação ao bagaço de cana. 2011. 146 p. 
Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Escola Politécnica da Universidade de São 
Paulo, São Paulo, 2011. 
ROMAGNOLI, Marcelo. Instrumentação e Elementos de Controle de Caldeira 
Aquatubular: FUNEC – Santa fé do sul, 2010. 
SOUZA, E. L.; MACEDO, I. C. (Org.). Etanol e Bioeletricidade: a cana-de-açúcar no 
future da matriz energética. São Paulo: ÚNICA, 2010, 314 p. 
SÁNCHEZ PRIETO, M.G.S.; CARRIL, T.P.; NEBRA, S.A.; Análise do Custo 
Exergético do Sistema de Geração de Vapor da Usina Cruz Alta; Anais do XVI 
Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Vol. 4; pp. 196-205; Uberlândia, 2001. 
SCHIRMER, Florian. Comparação de indicadores de eficiência enérgita e 
exergética em duas indústrias do setor sucroalcooleiro. 2006. 88 p. Dissertação 
(Mestrado em Engenharia Agrícola) – Universidade Estadual do Oeste do Paraná – 
UNIOESTE, Paraná, 2006. 
SILVA, Larissa Cristina. Estudo Energético da Cogeração e Otimização da Produção 
de Etanol e Energia em uma Planta de Segunda Geração. Revista Científica 
Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Uberlândia, Ano 03, Ed. 07, Vol. 06, p. 
63-81, jul. 2018. 
TÁVORA, Fernando Lagares. BIODIESEL E PROPOSTA DE UM NOVO MARCO 
REGULATÓRIO: Obstáculos e Desafios. Núcleo de Estudos e Pesquisas do 
Senado, Distrito Federal, (Texto para discussão 116) p. 46, ago. 2012. Disponível em: 
<https://www12.senado.leg.br/publicacoes/estudos-legislativos/tipos-de-
estudos/textos-para-discussao/td-116-biodiesel-e-proposta-de-um-novo-marco-
regulatorio-obstaculos-e-desafios/at_download/file>. Acesso em 16 abr. 2019. 
WYLEN, V.; BORGNAKKE, G. J.; SONNTAG, C. R. E., Fundamentos da 
termodinâmica. 6. ed. Tradução de Euryale de Jesus Zerbini. São Paulo: Edgard 
Blucher, 2003.