CAP4-GV-CRC-CTEMMEI

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Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.1
CAPÍTULO 4 
 
CALDEIRAS DE VAPOR CONVENCIONAIS E DE RECUPERAÇÃO 
 
Electo Eduardo Silva Lora 
Felipe Raúl Ponce Arrieta 
Fernando Calife Bessa 
 
4.1 - INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 1 
4.2 - CRITÉRIOS PARA CLASSIFICAÇÃO DAS CALDEIRAS DE VAPOR ....................... 4 
4.3 - ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO ........................................................................ 16 
4.4 - BALANÇO TÉRMICO, EFICIÊNCIA E CÁLCULO TÉRMICO .................................. 22 
4.5 - SISTEMAS DE COMBUSTÃO: FORNALHAS E QUEIMADORES ............................ 32 
4.6 - CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DOS DISPOSITIVOS E SUPERFÍCIES 
DA CALDEIRA ................................................................................................................ 44 
4.7 - VENTILADORES E SOPRADORES DE FULIGEM ..................................................... 50 
4.8 - CORROSÃO NAS SUPERFÍCIES DE AQUECIMENTO E TRATAMENTO 
QUÍMICO INTERNO ....................................................................................................... 56 
4.9 - EXEMPLOS DE CALDEIRAS INDUSTRIAIS .............................................................. 60 
4.10 - CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO DE CALOR: CLASSIFICAÇÃO E 
CARACTERISTICAS CONSTRUTIVAS ....................................................................... 67 
4.11 - CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO: PROJETO, SELEÇÃO DO PINCH POINT E 
TEMPERATURAS DE APROXIMAÇÃO. ..................................................................... 71 
4.12 - EFICIÊNCIA DE CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO ................................................... 78 
4.13 - REFERÊNCIAS ................................................................................................................ 82 
4.1 - INTRODUÇÃO 
Neste capítulo são apresentadas as caldeiras de vapor convencionais e de recuperação de 
calor, que geram vapor para uso industrial ou para geração termelétrica, com atenção voltada 
para uma descrição dos componentes principais, funcionamento, eficiência térmica e problemas 
de manutenção. Na parte final, atenção especial é dedicada às caldeiras de recuperação utilizadas 
nas centrais termelétricas de ciclo combinado. 
Pode-se definir como caldeira de vapor todo equipamento que, utilizando a energia 
química liberada durante a combustão de um combustível, promove a mudança de fase da água 
do estado líquido para o de 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. Na Figura 4.1, a caldeira 
de vapor é mostrada na sua forma mais simples, ressaltando-se a presença dos dois componentes 
principais: a fornalha (onde ocorre a queima do combustível) e superfícies de aquecimento, onde 
ocorre troca de calor dos gases quentes com o fluído de trabalho (água, mistura de água vapor, 
vapor ou ar). 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.2
 
 
Figura 4.1 - Esquema simplificado de uma caldeira de vapor. 
4.1.1 - Histórico 
A Figura 4.2 apresenta, de maneira esquemática, as partes básicas e um histórico referente 
às etapas do desenvolvimento das caldeiras a vapor. 
 
 
 
 
 
Figura 4.2 - Histórico das caldeiras a vapor. 
1- Tambor; 2- Fornalha; 3- Feixe de tubos; 4- Cabeçote; 4- Coletores; 6- Tubos alimentadores; 7- 
Superaquecedor; 8- Economizador; 9- Pré-aquecedor de ar. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.3
Uma das caldeiras mais antigas de que se tem registro, data do século XVIII (1700), 
consistindo de um único tambor ou balão, com a fornalha localizada na sua parte inferior e a 
chama aquecendo diretamente o tambor (Figura 4.2a). Em 1740 surgem as caldeiras de tubos de 
fogo, onde se tem a combustão acontecendo no interior de tubos imersos no volume de água do 
tambor, o que permite aumentar a eficiência de utilização do combustível (Figura 4.2b). Na 
mesma época surgem as caldeiras de tubos de fogo e gás. Nestas caldeiras, visando aumentar a 
área de transferência de calor e a eficiência, os gases quentes saem da fornalha e passam pelo 
interior de um feixe de tubos também localizado no interior do volume de água do tambor 
(Figura 4.2c). A capacidade e pressão deste tipo de caldeira são limitadas pelo diâmetro e 
resistência do tambor. A solução deste problema veio com as caldeiras de tubos de água, mais 
tarde denominadas de caldeiras aquotubulares. Em 1788 James Ramsey constrói uma primeira 
caldeira com tubos de água inclinados (Figura 4.2d). Neste tipo de caldeira os gases de 
combustão circulam pelo lado externo dos tubos e a água e o vapor pelo interior dos mesmos. 
Em 1846 Stephen Wilcox requereu a patente de uma caldeira de tubos de água verticais com 
maiores superfícies de troca de calor e maior circulação de água (Figura 4.2e). Em 1866, Stephen 
Wilcox e George Herman Babcock unem-se, formando a empresa Babcock & Wilcox Company. 
As caldeiras, que até então possuíam tubos de água inclinados, passaram a ter tubos verticais, a 
semelhança das atuais caldeiras modernas, como é mostrado na Figura 4.2f. Novos projetos em 
caldeiras também são importantes de serem citados, tais como as caldeiras de leito fluidizado 
circulante (Figura 4.3), as caldeiras de circulação contínua de pequenas capacidades e as 
caldeiras JAFI (Jaggy Fireball) a gás natural (Figura 4.4). 
 
 
 
Figura 4.3 - Caldeira de leito fluidizado circulante. 
1- Tambor; 2- Fornalha; 3- Evaporador; 4- Ciclone separador; 4- Superaquecedor; 6- 
Economizador; 7- Aquecedor de ar. 
 
 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.4
 
(a) 
 
Queimador Tubos de água
Bolas de fogo Jaggy
 
 
(b) 
 
Figura 4.4 – Projetos atuais de caldeiras a vapor. 
a) Caldeira de circulação contínua de pequena capacidade; b) Caldeira tipo Jaggy Fireball para a 
queima de gás natural (Ishigai, 1999). 
 
4.2 - CRITÉRIOS PARA CLASSIFICAÇÃO DAS CALDEIRAS DE VAPOR 
As caldeiras de vapor são classificadas atendendo os seguintes critérios: 
• Aplicação principal; 
• Disposição relativa dos gases e do fluido de trabalho; 
• Força motriz para circulação do fluido de trabalho; 
• Nível de pressão de operação; 
• Tipo de combustível ou fonte de calor; 
• Tecnologia de combustão; 
• Tiragem de ar e gases de combustão; 
• Disposição da fornalha e superfície de aquecimento. 
 
4.2.1- Atendendo à aplicação principal 
As caldeiras de vapor podem ser preliminarmente classificadas de acordo com sua 
aplicação principal, atendendo basicamente os setores: 
• Termelétrico (centrais termelétricas); 
• Industrial e Terciário; 
• Naval. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.5
As caldeiras de vapor utilizadas nas centrais termelétricas são geralmente projetadas para 
operarem com vapor superaquecido na faixa de 400 a 560 °C. Pressões típicas variam na faixa de 
6 a 18 MPa, podendo chegar a pressões supercríticas de até 34 Mpa e caldeiras atuais operam 
com capacidades que variam entre 200 e 4000 t/h, ou mais, dependendo do porte da central de 
vapor. 
Na indústria as caldeiras de vapor operam com pressão do vapor geralmente inferiores a 2 
MPa, desde que utilizadas para fins térmicos. No caso de centrais de vapor, as caldeiras são 
projetadas para operar com pressões entre 2,0 e 8,0 MPa, e as temperaturas típicas estão na faixa 
de 340 a 440 °C. As capacidades de geração comumente encontradas variam na faixa de 40 a 
140 t/h de vapor, embora existam menores. 
4.2.2- Atendendo à disposição relativa dos gases e do fluido de trabalho 
Atendendo o critério de classificação relativo à circulação dos gases, as caldeiras podem 
ser de dois tipos: 
• Flamotubulares; 
• Aquotubulares. 
 
Nas caldeiras chamadas de flamotubulares, também conhecidas como pirotubulares, os 
gases fluem por dentrode tubos imersos em água. Este tipo de caldeira é frequentemente usado 
em aplicações de pequeno porte como: indústrias, lavanderias e aquecimento distritais. São 
caldeiras com capacidade de produção de vapor geralmente até 20 t/h. Em geral são usadas em 
operações que necessitem de vapor saturado. 
Nas caldeiras aquotubulares (Figura 4.5), ao contrário das flamotubulares, a água circula 
pelo interior dos tubos e os gases trocam calor com a água através da parede dos mesmos. As 
superfícies de troca de calor das caldeiras aquotubulares são arranjadas em forma de um 
conjunto de tubos verticais (chamados de paredes de água) revestindo a fornalha, bem como de 
superfícies radiantes e convectivas dispostas no canal de passagem dos gases de combustão. Nas 
paredes de água a transferência de calor é predominantemente por radiação. 
 
 
 
Figura 4.5 - Esquema de uma caldeira aquotubular. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.6
 
As caldeiras aquotubulares são empregadas nas centrais termelétricas e indústrias que 
consomem grandes quantidades de vapor ou que necessitem de vapor superaquecido. A taxa de 
produção de vapor por área de troca de calor é maior que nas caldeiras flamotubulares. 
4.2.3- Atendendo à força motriz de circulação do fluido de trabalho. 
Atendendo ao critério de classificação relativo à circulação do fluido de trabalho, as 
caldeiras podem ser de três tipos: 
• De circulação natural; 
• De circulação forçada; 
• De passe único. 
 
Nas caldeiras de circulação natural, a circulação do fluido de trabalho pelo interior dos 
tubos ocorre devido à diferença de densidade da água líquida e a mistura água-vapor, como se 
mostra ilustrado na Figura 4.6. 
A circulação natural pelas paredes de água e feixes tubulares, é garantida utilizando tubos 
de grande diâmetro e com inclinações recomendadas, a fim de evitar problemas de circulação. É 
comum, na prática, utilizar tubos de 40 mm de diâmetro com espessura de 4 mm para caldeiras 
de pequeno e médio porte. 
 
 
 
Figura 4.6 - Esquema ilustrativo do princípio da circulação natural. 
 
A absorção de calor faz com que à determinada altura, ‘hecon’, nos tubos ascendentes, 
comece o processo de evaporação (ponto ‘a’). Acima deste ponto a evaporação é intensa e tem-
se uma mistura de água e vapor com densidade ‘ρM ’. A coluna de água nos tubos descendentes, 
com densidade ‘ρa ’, tem um peso maior que a coluna de mistura água-vapor nos tubos 
evaporadores, o que provoca a circulação natural. 
A carga motriz de circulação calcula-se como: 
 
 )hh(gghS Mevapeconamotriz ρ⋅+ρ′⋅⋅−ρ⋅⋅= (4.1) 
 
sendo 
 
 ρ′′⋅ϕ+ρ′⋅ϕ−=ρ )1(M (4.2) 
 
onde: 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.7
 
Smotriz - Carga motriz de circulação 
ϕ - Valor médio do conteúdo real de vapor; 
ρ′ - Densidade da água à temperatura de saturação; 
ρ′′ - Densidade do vapor à temperatura de saturação. 
aρ - Densidade da água nos tubos descedentes. 
 
A carga motriz ‘S’ terá que superar a resistência hidrodinâmica imposta pelo circuito 
(tubos descendentes e evaporadores). Tem-se, então: 
 
 descevapmotriz ppS ∆+∆= (4.3) 
 
O ponto de operação do circuito de circulação natural, que corresponde à velocidade de 
circulação wo, pode ser determinado graficamente segundo a Figura 4.7. Em outras palavras a 
operação do circuito de circulação só é possível no ponto em que descutil pS ∆= 
 
 descevapmotrizutil ppSS ∆=∆−= (4.4) 
 
 
 
Figura 4.7 - Determinação do ponto de operação de um circuito de circulação natural. 
 
As caldeiras aquotubulares de circulação forçada são geralmente construídas com paredes 
de água e um único tambor separador (vapor-líquido), como é mostrado na Figura 4.8. A água é 
continuamente movimentada por bombas de recirculação. São projetadas para trabalhar até 
pressões próximas à pressão crítica da água. As bombas de recirculação eliminam a exigência em 
relação à seleção dos tubos, permitindo diâmetros menores do que o diâmetro dos tubos 
utilizados nas caldeiras com circulação natural. Não há exigências com relação à disposição 
vertical ou inclinada dos tubos. Tudo isto resulta em caldeiras mais compactas. Com tubos 
menores há economia de material e melhor eficiência na troca de calor com os gases de 
combustão. São comuns tubos de diâmetros na faixa de 24 a 34 mm. 
 
 
 
Figura 4.8 – Esquema simplificado do circuito do fluido de trabalho numa caldeira de circulação 
forçada com bomba de recirculação (Bazzo, 1994). 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.8
 
As caldeiras de passe único foram projetadas inicialmente para atender usinas termelétricas 
de alta potência. A água é forçada pela bomba de alimentação a passar uma única vez pela 
tubulação, como mostrado na Figura 4.9. Não há recirculação da água 
 
 
 
Figura 4.9 - Esquema simplificado do circuito do fluido de trabalho numa caldeira de passe único 
(Bazzo, 1995). 
 
A primeira aplicação comercial de uma caldeira de passe único foi realizada em 1923 por 
Mark Benson, inventor de nacionalidade tcheca. Porém, falhas nas tubulações obrigaram Benson 
a operar a caldeira com pressões inferiores à pressão crítica do vapor. Segundo Smith (1996), 
não havia tecnologia disponível na época em termos de resistência dos materiais e tratamento 
químico da água. A Siemens adquiriu os direitos de comercialização e desenvolveu a tecnologia 
Benson de caldeiras. 
A Siemens tem construído perto de 1000 caldeiras Benson, aproximadamente 300 com 
paredes de água em espiral (Figura 4.10a) e 600 com as paredes de água em arranjo vertical 
(Figura 4.10b). Tubos internamente aletados têm sido utilizados na montagem das paredes de 
água, com a finalidade de manter o resfriamento adequado dos tubos em diferentes condições 
operacionais. 
 
 
 
Figura 4.10 – Esquema simplificado ilustrando duas caldeiras com tecnologia Benson: 
a) Com paredes d’água dispostas em espiral; b) Com paredes d’água vertical. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.9
 
Franke e Wittchow (1997) sugerem a aplicação de tecnologia Benson de caldeiras como a 
mais adequada para centrais termelétricas a carvão mineral. Com a passagem para condições 
supercríticas do vapor (por exemplo de 16,7 MPa /438/438 °C para 24,0/466/466 °C) consegue-
se reduzir o consumo específico de carvão mineral de 294,9 g/kWh para 283,3 g/kWh, 
representando uma redução de 4 %. Para uma central de 1320 MW, que consome carvão com 
PCI de 24 MJ/kg, isso representa uma economia anual de 116000 toneladas de carvão. 
4.2.4- Atendendo ao nível de pressão de operação 
Atendendo ao critério relacionado com o nível de pressão, as caldeiras podem ser 
classificadas em: 
• Caldeiras de vapor de baixa e média pressão (< 10 MPa), geralmente do tipo industrial, 
com feixe de convecção e sem reaquecedor; 
• Caldeiras de vapor de alta pressão (10 - 16 MPa), utilizadas nas centrais termelétricas, 
com circulação natural e com reaquecedor; 
• Caldeiras de vapor de pressão super alta (> 17 MPa), utilizadas nas centrais termelétricas, 
com circulação forçada e reaquecedor; 
• Caldeiras de vapor de pressão supercrítica (> 22,1 MPa), utilizadas nas centrais 
termelétricas, projetadas para operar em passe único e com reaquecedor; 
• Caldeiras de vapor com pressão deslizante. 
 
A operação em pressão deslizante consiste em operar a cargas parciais em uma pressão de 
vapor menor que a nominal. A operação com pressão deslizante tem como objetivo principal 
reduzir perdas nas válvulas de admissão da turbina quando se opera a cargas parciais. De acordo 
com Barcikowgki (1992) a operação com pressão deslizante apresenta as seguintes vantagens: 
• Variação mínima da temperatura da carcaça do primeiro estágio da turbina durante a 
operação a cargas parciais; 
• Melhoria na eficiência do ciclo térmico, como resultado do menor consumo de energia na 
bomba de alimentação. 
 
O nível de pressão define a percentagem média de calor absorvido pelas diferentessuperfícies de aquecimento da caldeira. A Figura 4.11 ilustra tal afirmação. 
 
 
 
Figura 4.11 - Distribuição de calor absorvido na caldeira em função da pressão (K. Strauβ, 1998). 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.10
Nas caldeiras com pressões maiores que 10,0 MPa, mais da metade do calor transfere-se 
nas superfícies evaporativas. Estas caldeiras com superfícies evaporativas são caracterizadas por 
possuírem, além de paredes de água, um feixe tubular convectivo bem desenvolvido. A 
superfície superaquecedora é relativamente pequena. Na medida que a pressão aumenta, desde 
10,0MPa até aproximadamente 17,0MPa, a necessidade de superfície evaporativa é cada vez 
menor, e há um aumento da superfície destinada ao superaquecimento do vapor. Assim, estas 
caldeiras possuem como superfícies de evaporação somente paredes de água na fornalha, 
enquanto a superfície superaquecedora tem seções radiantes, semi-radiantes e convectivas. Para 
pressões maiores de 170 bar há necessidade de reaquecimento intermediário. Para a condição 
supercrítica (>22,0MPa) já não há necessidade de superfície evaporativa. Este comportamento 
pode ser facilmente observado pelas linhas isobáricas correspondentes às diferentes pressões de 
operação indicadas no diagrama ‘T-s’ (Figura 4.12). Observa-se que numa caldeira que opera a 
alta pressão (Processo 2), a quantidade de energia requerida para a evaporação é muito menor 
que numa caldeira de baixa pressão (Processo 1). Pode-se também observar que não existe uma 
mudança de fase definida em caldeiras que operam na região supercrítica (Processo 3). 
 
 
 
Figura 4.12 - Diagrama ‘T-s’ esquemático de isóbaras mostrando as linhas isobáricas para 
caldeiras operando em baixa pressão (Processo 1), alta pressão (Processo 2) e pressão supercrítica 
(Processo 3). 
4.2.5- Atendendo ao tipo de combustível ou fonte de calor 
Neste critério de classificação, as caldeiras podem ser agrupadas de acordo com o tipo de 
fornalha, para queima de combustíveis: 
• Sólidos como carvão mineral, biomassa e resíduos sólidos urbanos; 
• Líquidos como óleo combustível e óleo diesel; 
• Gasosos como gás natural, gás de processo e calor residual. 
 
O tipo de combustível determina as características construtivas e volume da fornalha. Uma 
caldeira projetada para a queima de óleo combustível ou gas, não pode ser utilizada para a 
queima de carvão sem ser modificada. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.11
4.2.6- Atendendo à tecnologia de combustão 
Atendendo ao critério relacionado com o processo de combustão, as caldeiras podem ser 
classificadas como (Figura 4.13): 
• De grelha fixa e ou grelha rotativa, para queima de biomassa ou resíduos agro-industriais 
em caldeiras de pequeno porte; 
• De queima em suspensão, para queima de combustível sólido pulverizado, óleo 
combustível e gás natural; 
• Leito fluidizado (borbulhante ou circulante), para queima de combustíveis sólidos em 
geral. No Brasil esta tecnologia é utilizada para a queima de resíduos de cortiça de árvores 
na indústria de papel e celulose. 
 
 
 
Figura 4.13 – Atendendo à tecnologia de combustão. 
4.2.7- Atendendo ao processo de tiragem do ar e gases de combustão. 
Levando em conta o critério de tiragem do ar e dos gases de combustão, as caldeiras 
podem ser classificadas como: 
• Tiragem natural, criada por efeito exclusivo da chaminé, suficiente para garantir 
suprimento de ar e remover os gases de exaustão. A tiragem natural é típica de caldeiras 
antigas de pequena capacidade e com pouca superfície convectiva; têm como desvantagem 
a influência das condições climáticas e da pressão atmosférica; 
• Tiragem forçada, exercida por sopradores na entrada da fornalha, fornecendo ar sob 
pressão para combustão e facilitando a remoção dos gases pela chaminé; a potência 
necessária para operar tais sopradores varia entre 4 a 6% da capacidade da caldeira; 
• Tiragem induzida, garantida por ventiladores de exaustão que geram uma pressão 
ligeiramente negativa no interior da fornalha.; 
• Tiragem balanceada, como resultado da combinação de tiragem forçada com tiragem 
induzida; o ventilador de tiragem induzida normalmente é de maior capacidade que o de 
tiragem forçada, devido ao volume de gases de exaustão ser maior do que o volume de ar. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.12
 
Na Figura 4.14 são apresentadas as diferentes alternativas de organização do fornecimento 
de ar e exaustão dos gases de combustão. Entenda-se que a tiragem tem como finalidade suprir a 
quantidade de ar necessária para queima do combustível e forçar a circulação dos gases por todas 
as superfícies de troca de calor até serem exauridos pela chaminé. A Figura 4.15 mostra a 
variação do valor da pressão nos dutos de ar e gases de uma caldeira para o caso de tiragem 
forçada e balanceada. Observa-se que no caso da tiragem balanceada a pressão no interior da 
caldeira é menor que a atmosférica, o que evita saída de chama e gases, mais ao mesmo tempo 
provoca infiltrações de ar. Um esquema da movimentação do ar e gases de combustão nos dutos 
de uma caldeira com tiragem balanceada é apresentado na Figura 4.16. Mostra-se no mesmo a 
recirculação de gases que tem como objetivo controlar a temperatura do vapor e reduzir as 
emissões de óxidos de nitrogênio. 
 
 
 
Figura 4.14 - Configurações típicas das caldeiras de vapor atendendo ao processo de tiragem. 
 
 
 
Figura 4.15 - 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. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.13
 
 
 
Figura 4.16 - Esquema da movimentação do ar e dos gases de combustão numa caldeira para a 
queima de gás natural e óleo combustível. 
1- Fornalha, 2- Duto horizontal de gases, 3- Queimadores, 4- Pre-aquecedor de ar regenerativo, 5- 
exaustor, 6- Tubulação de sução do soprador, 7- Soprador, 8- Duto de recirculação do ar quente, 9- 
Ventilador para a recirculação dos gases de combustão. 
4.2.8- Atendendo à disposição da fornalha e superfície de aquecimento 
Na Figura 4.17 são apresentadas configurações típicas para caldeiras classificadas 
seguindo critério da disposição da fornalha e superfícies de aquecimento. Nas caldeiras 
modernas a configuração mais comum é em forma de Π. A configuração da Figura 4.17b é típica 
dos casos em que se instala um aquecedor de ar regenerativo. 
 
 
 
Figura 4.17 – Configurações típicas para as caldeiras, atendendo a disposição da fornalha e 
superfícies de aquecimento. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.14
4.2.9- Componentes principais de uma caldeira aquotubular 
Na Figura 4.18 são apresentados os principais componentes de uma caldeira aquotubular 
utilizada em centrais termelétricas. 
 
 
 
Figura 4.18 - Componentes principais de uma caldeira aquotubular para queima de combustível 
sólido (Adaptado de Bazzo, 1995). 
 
Os principais componentes de uma caldeira de vapor são: 
• Tambor separador ou tubulão: corpo cilíndrico de aço que recebe a água de alimentação. O 
tambor tem como função a acumulação de um certo volume de água, garantir a pureza do 
vapor mediante extrações e tratamento químico interno e separar o vapor do líquido, 
permitindo que apenas vapor saturado saia para os superaquecedores.do tambor superior a 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.15
água é distribuída para as paredes de água e feixe tubular convectivo, durante o seu retorno 
para o tambor ocorre a mudança de fase de parte da água em vapor; As caldeiras 
aquotubulares de pequena e média capacidade podem possuir um ou dois tambores a mais, 
conectados por feixes tubulares; 
• Coletor inferior: corpo cilíndrico de aço, de menor diâmetro que o tambor separador, com a 
função de distribuir a água pelos tubos da caldeira; 
• Fornalha: local da caldeira onde acontece a queima do combustível.• Paredes de água: tubos que interligam o tambor superior aos coletores inferiores revestindo 
a parte interior das paredes da fornalha, onde ocorre a mudança de fase da água líquida 
para vapor, sendo denominada também de superfície evaporadora. A troca de calor ocorre 
por radiação e convecção com os gases de combustão; 
• Superaquecedor: trocador de calor localizado após a câmara de combustão, com a função 
de superaquecer o vapor proveniente do tambor; os tubos do superaquecedor trabalham em 
condições térmicas mais severas que os demais tubos da caldeira, uma vez que a 
capacidade de resfriamento do vapor é menor que a da água; é no superaquecedor que se 
tem a maior temperatura do fluído de trabalho. No caso da caldeira da Figura 4.16, há três 
etapas de superaquecimento: duas convectivas, localizadas no duto vertical de saída dos 
gases onde predomina a troca de calor por convecção, e uma etapa final na saída da 
fornalha, geralmente designada por superaquecedor radiante. O vapor saturado proveniente 
do tambor separador, passa sucessivamente pela primeira e segunda etapas de 
superaquecimento convectivo e finalmente pelo superaquecedor radiante; 
• Economizador ou aquecedor da água de alimentação. É um trocador de calor com a função 
de aquecer a água de alimentação antes de sua entrada no tambor; os economizadores 
utilizam a energia residual dos gases de combustão, resultando num aumento da eficiência 
da caldeira. São constituídos por um feixe de tubos com coletores nas extremidades, 
podendo ser construídos de tubos lisos ou aletados. Apresentam problemas operacionais de 
corrosão e acúmulo de cinzas; 
• Pré-aquecedor de ar: trocador de calor cujo objetivo é elevar a temperatura do ar utilizado 
na combustão, recuperando desta forma uma parte da energia residual dos gases de 
combustão; a injeção de ar quente na fornalha acelera os processos de secagem, 
desvolatilização e ignição do combustível. 
 
Os pré-aquecedores de ar são classificados em tubulares e regenerativos: Pré-aquecedores 
tubulares são constituídos por feixes de tubos fixados em espelhos. Os gases circulam pelo 
interior dos tubos e o ar externamente. Pré-aquecedores regenerativos são constituídos de 
elementos metálicos agrupados em blocos, que seguindo movimento de rotação transferem o 
calor dos gases de exaustão para o ar utilizado no processo de combustão. 
O maior problema operacional dos pré-aquecedores de ar é a corrosão, devido à presença de 
SOx e eventual formação de ácido sulfúrico nos gases de exaustão. Para minimizar este 
problema, deve-se garantir a operação do pré-aquecedor de ar a temperaturas superiores ao ponto 
de orvalho e utilizar materiais resistentes à corrosão. 
O gráfico que mostra a relação entre a variação da temperatura dos fluidos de trabalho (gases 
de combustão, água, vapor e ar) e a quantidade de calor cedida no processo de transferência (por 
unidade de combustível) denomina-se diagrama térmico (Figura 4.19). Na parte inferior da 
figura é apresentado o esquema térmico da caldeira, no qual indica-se as diferentes superfícies 
existentes, o sentido de movimentação dos diferentes fluídos de trabalho, e os pontos de controle 
da temperatura do vapor.. 
 
 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.16
 
Figura 4.19 - Diagrama e esquema térmico de uma caldeira de circulação natural de alta pressão. 
4.3 - ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO 
As reações químicas que se verificam no processo de combustão, escritas na base molar, 
são as seguintes: 
• Combustão do carbono: 
 
 kmolMJ6,406COOC 22 +→+ (4.5) 
 
Na base mássica, 12 kg de carbono reagem com 32 kg de oxigênio, formando 44 kg de 
dióxido de carbono e liberando 406,6 MJ/kmol; 
• Combustão do hidrogênio: 
 
 kmolMJ08,571OH2OH2 222 +→+ (4.6) 
 
Na base mássica, 4 kg de hidrogênio reagem com 32 kg de oxigênio, formando 36 kg de 
água e liberando 571,08 MJ/kmol; 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.17
• Combustão do enxofre: 
 
 kmolMJ47,29SOOS 22 +→+ (4.7) 
 
Na base mássica, 32 kg de enxofre reagem com 32 kg de oxigênio, formando dióxido de 
enxofre e liberando 29,47 MJ/kmol; 
• Combustão do metano: 
 
 kmolMJ0,978OH2COO2CH 2224 ++→+ (4.8) 
 
Na base mássica, 16 kg de metano necessitam de 64 kg de oxigênio, formando 44 kg de 
dióxido de carbono e liberando 978,0 MJ/kmol. 
4.3.1 - Reação de combustão completa 
A combustão é completa quando os elementos químicos presentes no combustível reagem 
totalmente com o oxigênio, com a máxima liberação de calor. Não há oxigênio nos produtos da 
combustão. As equações (4.5) até (4.8) são exemplos de reações químicas de combustão 
completa. 
4.3.2 - 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 ++→+ (4.9) 
4.3.3 - Reação de combustão com falta de oxigênio 
A combustão com falta de oxigênio é sempre uma reação incompleta. A quantidade de 
calor liberada neste caso é menor,refletindo em perda de energia e redução da eficiência das 
caldeiras. Um exemplo de reação incompleta é: 
 
 CalorCOO
2
1
C 2 +→+ (4.10) 
 
A combustão resultou incompleta pois se houvesse mais oxigênio a queima do ‘CO’ 
resultaria no produto final ‘CO2’. A quantidade de oxigênio (ou ar) requerida para a combustão 
completa, determinada a partir do balanço de massa das equações químicas de combustão, se 
denomina quantidade estequiométrica. 
4.3.4 - Reações de combustão com o ar atmosférico 
O ar atmosférico é a fonte mais barata que existe para obtenção do oxigênio necessário 
para a combustão. Do ponto de vista práticos, pode se considerar que o ar está composto, em 
base molar, por 79 % de N2 e 21 % de O2, sendo que a relação entre estes componentes é de 3,76 
de moles de N2 para 1 mol de O2. A reação de combustão completa do carbono com ar 
atmosférico escreve-se como: 
 
 CalorN76,3CON76,3OC 2222 ++→++ (4.11) 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.18
 
A temperaturas menores que 1300 °C, as moléculas de nitrogênio do ar não participam da 
reação de combustão, e sim dificultam o contato das moléculas de oxigênio com as moléculas de 
combustível. Com a sequência da reação se tem o aumento do número de moléculas de 
nitrogênio, aparecendo também como produtos CO2, H2O e SO2 o que dificulta ainda mais o 
contato entre os reagentes. Na prática, a combustão só será completa com ar em excesso, em 
relação com o ar estequiometricamente necessário. Combustíveis gasosos queimam com menor 
excesso de ar. Na queima de combustíveis líquidos ou sólidos, onde as diferentes etapas de 
combustão acontecem na superfície de gotas ou partículas, a quantidade de ar em excesso 
requerida é ainda maior. 
A combustão incompleta causada por insuficiência de ar implicará em desperdício de 
combustível, que pode ser identificada por diversos indicadores, tais como: 
• Presença de CO, H2 e CH4 nos gases de combustão; 
• Presença de partículas com fração considerável de carbono não queimado (fuligem ou 
“fumaça negra”); 
• Diminuição da temperatura na fornalha. 
A reação de combustão de um combustível ‘C’, sólido ou líquido, com ar, pode ser 
representada segundo o esquema: 
 
 ( ) ( ) ( ) ( )
4342144444 344444 2144 344 214444 34444 21
43
42
2
222
1
2222 CinzasFuligemCHHCOOHONNOHSOCOArC +++++++++++=+ (4.12) 
 
Cada um dos grupos numerados na equação (4.12) corresponde-se com: 
• Grupo 1: Produtos da oxidação completa; 
• Grupo 2: Ar em excesso e, a umidade do combustível e do ar; 
• Grupo 3: Produtos gasosos e sólidos (fuligem) de combustão incompleta; 
• Grupo 4: Fração mineral não combustível (cinzas). 
4.3.5 - Conceitos relacionados com a combustão 
A combustão estequiométrica ou teórica é aqui designada pelo superescrito ‘0’. Assim para 
a combustão estequiométrica tem-se: 
 
 ( ) 0g0a3 VVlcombustivedeNm1oukg1 →+ (4.13) 
 
Nocaso de combustão real, escreve-se: 
 
 ( ) aa3 VVlcombustivedeNm1oukg1 →+ (4.14) 
 
É evidente que: 
 
 0aa VV > (4.15) 
 
O coeficiente de excesso de ar será expresso por: 
 
 
0
a
a
V
V
 =α (4.16) 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.19
Nas equações acima, tem-se: 
0
aV - Volume de ar teórico, correspondente a quantidade de ar mínima necessária para a 
combustão completa de 1 kg de combustível; é calculado a partir das reações de combustão 
dos elementos que compõem o combustível; 
aV - Volume de ar real, correspondente a quantidade de ar necessária para a combustão 
completa de 1 kg de combustível; 
α- Coeficiente de excesso de ar, referido seu valor, geralmente, na saída da fornalha; 
0
gV - Volume de gases gerados durante a combustão de 1 kg de combustível para α = 1,0; 
gV - Volume de gases gerados durante a combustão de 1 kg de combustível para α > 1,0. 
 
O coeficiente de excesso de ar ‘α’ depende do tipo e características do combustível, assim 
como da tecnologia de combustão utilizada (tipo de fornalha). Por exemplo, durante a queima de 
combustíveis sólidos, o excesso de ar requerido (15-30 %) é maior que para a queima de 
combustíveis líquidos (2-10 %) e ou gasosos (5-10 %) /Kuznetsov et al, 1977/. Da mesma forma, 
o combustível sólido finamente pulverizado, queimado em suspensão, necessita de um excesso 
de ar menor que triturado, queimado sobre grelha. O coeficiente de excesso de ar é determinado 
a partir dos dados da composição dos produtos da combustão e da composição elementar do 
combustível. Na seqüência apresentam-se as equações para o cálculo de ‘ 0aV ’, ‘
0
gV ’, ‘ gV ’ e, 
ainda, da entalpia dos gases ‘hg’ durante a combustão de um kg de combustível. Nestas equações 
‘C t’, ‘H t’, ‘S t’, ‘O t’,‘W t’ e ‘Nt’ representam as frações mássicas dos diferentes elementos na 
composição elementar do combustível, em base úmida e expressas em porcentagem. Os valores 
de ‘Va’ e ‘V g’ constituem a base para a seleção dos ventiladores de tiragem forçada e induzida 
numa caldeira a vapor. 
Para combustíveis sólidos e líquidos tem-se: 
 
 tttt0a O0333,0H265,0)S375,0C(0889,0V ⋅−⋅+⋅+⋅= , Nm
3/kg (4.17) 
 
 0 OH
0
NOR
0
g 222
VVVV ++= , Nm3/kg (4.18) 
 
onde: 
 
 )S375,0C(01866,0VVV tt0OS
0
OCOR 222
⋅+⋅=+= , Nm3/kg (4.19) 
 
O volume teórico de nitrogênio é calculado como: 
 
 t0a
0
N N008,0V79,0V 2 ⋅+⋅= , Nm
3/kg (4.20) 
 
O volume teórico de vapor de água é calculado como: 
 
 0a
tt0
OH V0161,0W0124,0H111,0V 2 ⋅+⋅+⋅= , Nm
3/kg (4.21) 
 
Para combustíveis gasosos tem-se: 
 
 ( )[ ] 2nm2220a OHC4
n
mOSH5,1HCO5,00476,0V −⋅




 ++−⋅++⋅⋅= ∑ , Nm3/m3 (4.22) 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.20
 0 OH
0
NOR
0
g 222
VVVV ++= , Nm3/m3 (4.23) 
 
onde: 
 
 ( )∑ ⋅+++⋅=+= nm220OS0OCOR HCmSHCOCO01,0VVV 222 , Nm3/m3 (4.24) 
 
O volume teórico de nitrogênio é calculado como: 
 
 2
0
a
0
N N01,0V79,0V 2 ⋅+⋅= , Nm
3/m3 (4.25) 
O volume teórico de vapor de água é calculado como: 
 




 ⋅+⋅+++⋅= ∑ oa*gnm220 OH V27,3W124,0HC2
n
SHH01,0V
2
, Nm3/m3 (4.26) 
Onde para ‘ *gW ’ pode-se assumir o valor de 10 g/m
3. 
O volume de gases secos (Nm3/kg ou Nm3/m3) pode ser calculado como: 
 
 ( ) 0a0NROgs V1VVV 22 ⋅−α++= (4.27) 
 
O volume real de gases (Nm3/kg ou Nm3/m3) pode ser calculado como: 
 
 0a
0
gg V)1(0161,1VV ⋅−α⋅+= (4.28) 
 
A entalpia teórica do ar (kJ/kg ou kJ/m3) é calculada como: 
 
 )T(hV h ar
0
a
0
a ⋅= (4.29) 
 
onde T representa a temperatura do ar expressa em ‘K’. 
A entalpia teórica dos gases (kJ/kg ou kJ/m3) pode ser calculada como: 
 
 )]T(hV)T(hV)T(h[V h OH
0
OHN
0
NRORO
0
g 222222
⋅+⋅+⋅= (4.30) 
 
onde T representa a temperatura dos gases de combustão expressa em ‘K’. 
A entalpia real dos gases (kJ/kg ou kJ/m3) pode ser calculada como: 
 
 h1)-(h h 0a
0
gg ⋅α+= (4.31) 
 
Nas equações (4.27) até (4.31) são obtidos resultados por unidade de massa, se os cálculos 
foremfeitos para combustíveis sólidos ou líquidos.No caso de combustíveis gasosos, os 
resultados são obtidos por unidade de volume. 
Para cálculo das entalpias pode-se também utilizar as equações mostradas para gases ideais 
no Capítulo 3. 
Para determinar a composição dos produtos da combustão, e dispor de dados para o cálculo 
do coeficiente de excesso de ar, são utilizados analisadores de gases. Em geral, os analisadores 
de gases podem ser classificados em contínuos e volumétricos. Um exemplo de analisador 
contínuo é mostrado na Figura 4.20. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.21
 
 
Figura 4.20 - Analisador de gases (Cortesia da LAND Combustion). 
 
Os analisadores 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. 
Particularmente, o analisador mostrado na Figura 4.20 pode medir a concentração de NO, NO2 , 
SO2 , O2 , CO, CO2, H2S e CxHy (hidrocarbonetos) nos produtos da combustão. 
Os analisadores 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. Um exemplo deste tipo de analisador de gás é o aparelho de Orsat. 
Para determinar o valor do coeficiente de excesso de ar, a partir da análise dos produtos da 
combustão, existem dois métodos: 
• Fórmula pelo dióxido de carbono; 
• Fórmula pelo oxigênio. 
 
Na Figura 4.21 aparece um gráfico de barras indicando as tendências na composição dos 
gases de combustão para diferentes valores do coeficiente de excesso de ar. Mostra-se que os 
teores de CO2 e O2 constituem indicadores diretos do coeficiente de excesso de ar. Dai, a 
utilização das formulas baseadas nos teores de dióxido de carbono e oxigênio. 
Quando utilizado o método “Fórmula pelo dióxido de carbono” o coeficiente de excesso de 
ar é calculado como: 
 
 
2
max
2
CO
CO=α (4.32) 
 
sendo que a concentração máxima possível de CO2 nos gases de combustão é determinada 
como: 
 
 
β+
=
1
21
COmax2 (4.33) 
 
onde β representa o coeficiente de Bunte, calculado como: 
 
 
tt
ttt
S375,0C
N038,0O126,0H
35,2
⋅+
⋅+⋅−⋅=β (4.34) 
 
O coeficiente β permite relacionar a composição elementar do combustível com a 
composição dos gases. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.22
 
 
 
Figura 4.21 - Composição dos produtos da combustão para diferentes valores do coeficiente de 
excesso de ar. 
 
Quando utilizado o método “Fórmula pelo oxigênio” , para a combustão completa, o 
coeficiente de excesso de ar pode ser calculadocomo: 
 
 
2O21
21
−
=α (4.35) 
 
Para combustão incompleta, o coeficiente de excesso de ar pode ser calculado como: 
 
 ( )422 CH2H5,0CO5,0O21
21
⋅−⋅−⋅−−
=α (4.36) 
 
Estas formas de cálculo do excesso de ar têm uma grande importância para o diagnóstico 
de operação das caldeiras. Quando o valor do excesso de ar se encontre entre os valores 
recomendados para o tipo de caldeira em questão, não há necessidade de ajustes no equipamento, 
caso contrario, medidas operacionais terão que ser tomadas visando corrigir o processo de 
combustão. 
4.4 - BALANÇO TÉRMICO, EFICIÊNCIA E CÁLCULO TÉRMICO 
A Figura 4.22 apresenta um balanço dos fluxos de massa de uma caldeira de vapor. Além 
dos fluxos de água e vapor, numa caldeira de vapor entram combustível e ar necessário para a 
combustão. Quando o combustível é sólido, parte dele é constituído por cinzas. Uma fração das 
cinzas é removida para selos d’água localizados na parte inferior da fornalha. Outra fração é 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.23
removida para silos de armazenamento e a cinza restante é arrastada com os gases para a 
chaminé e meio ambiente. 
A tiragem balanceada é regulada para que o interior da fornalha tenha uma pressão 
ligeiramente menor que a atmosférica, favorecendo infiltrações de ar externo. 
 
 
 
Figura 4.22 - Fluxos de massaem uma caldeira de vapor. 
La- Fluxo de ar para a combustão, kg/s; Lg- Fluxo de gases de escape, kg/s; C- Consumo de 
combustível; ∆L1, ∆L2 e ∆L3- Infiltrações de ar na caldeira; Gcin1, Gcin2 e Gcin3- Fluxos de cinzas 
removidos para o selo d’água, silos localizados abaixo do canal de convecção e parcela arrastada 
com os gases de combustão, respectivamente, kg/s; VSm& - Vazão de vapor superaquecido, kg/s; 
aam& - Vazão de água de alimentação, kg/s; extm& - Vazão de água purgada do tambor, kg/s. 
 
Em termos gerais, o balanço de massa relativo ao combustível e gases de combustão é 
expresso como: 
 
 ∑∑
==
+=∆++
3
1i
cing
3
1i
ia i
GLLCL (4.37) 
 
Da mesma forma, o balanço de água e vapor é expresso como: 
 
 exts.va.a m mm &&& += (4.38) 
 
Para combustíveis sólidos, a quantidade total de cinzas que entra na caldeira ( CA t ⋅ ) é 
igual à soma das massas presentes no selo d’água (Gcin1), silos (Gcin2) e massa arrastada com os 
gases de combustão (Gcin3). Desta forma, o balanço de cinzas é expresso como: 
 
 3cin2cin1cin
t GGGCA ++=⋅ (4.39) 
 
onde ‘At’ é o teor de cinzas na composição elementar do combustível (%). 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.24
O balanço de energia permite analisar a relação que existe entre a energia disponível 
(baseada no poder calorífico do combustível), a energia absorvida pelo fluido de trabalho nas 
diferentes superfícies de aquecimento e “perdas de calor” com os gases de exaustão, combustão 
incompleta, alta temperatura e presença de carbono nos resíduos de cinza, etc. A Figura 4.23 
apresenta o balanço de energia de uma caldeira. 
 
 
 
Figura 4.23 - Balanço de energia de uma caldeira de vapor. 
 
A energia que entra no volume de controle configurado pela caldeira denomina-se calor 
disponível ‘ tdQ ’, que no caso da figura anterior é equivalente ao poder calorífico ‘PCI
t’. Uma 
vez queimado o combustível na fornalha, os produtos de combustão a alta temperatura cederão 
parte de sua energia nas diferentes superfícies de aquecimento, sendo: 
• Qe a energia absorvida pelas superfícies evaporativas; 
• Qaq.a a energia absorvida no aquecedor de ar; 
• Qec a energia absorvida no economizador; 
• Qsa a energia absorvida no superaquecedor. 
A soma Qe + Qec + Qsa representa “calor útil”. O termo Qaq.a constitui a transferência 
interna no volume de controle configurado pela caldeira e não é considerado como ponto de 
calor útil 
O balanço de energia pode ser expresso como: 
 
 +== útil
tt
d Q PCI Q (Perdas de calor) (4.40) 
 
onde: 
 
 int.rsaeceútil QQQQ Q +++= (4.41) 
 
sendo ‘Qr.int’ a energia transferida ao reaquecedor intermediário. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.25
4.4.1 - Eficiência de caldeiras de vapor 
A Figura 4.24 apresenta um diagrama de entrada e saída de fluxos de energia no volume de 
controle de uma caldeira de vapor. 
 
 
 
Figura 4.24 - Fluxos de energia no volume de controle de uma caldeira de vapor. 
1- Fornalha; 2- Superfícies evaporativas; 3- Superaquecedor; 4-Economizador; 5-Pre-aquecedor 
de ar; 6- Reaquecedor. 
 
Todos os fluxos estão referidos a 1 kg ou 1 m3 de combustível. As informações relativas 
aos fluxos de entrada são: 
• tPCI : Poder calorífico inferior do combustível, kJ/kg; 
• 0 f.ah h⋅α . Entalpia do volume de ar necessário para a queima de 1 kg de combustível, kJ/kg, 
sendo que nesta expressão ‘0 f.ah ’ representa a entalpia do volume de ar teóricamente 
necessário para a combustão de 1kg de combustível; 
• ( ) 0 f.ahe.g h⋅α−α Entalpia das infiltrações de ar que ocorrem durante o trajeto dos gases 
desde a fornalha ‘αh’ até a saída da caldeira ‘αg.e’, para 1 kg de combustível, kJ/kg; 
• a.as.v hC
m ⋅
&
Energia do fluxo de água de alimentação que entra na caldeira, referida a 1 kg de 
combustível, kJ/kg; 
• int.rs.v hC
m ′⋅
&
Energia do fluxo de vapor expandido no primeiro estágio da turbina e que entra 
no reaquecedor de vapor, referida a 1 kg de combustível, kJ/kg. 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.26
As informações relativas aos fluxos de saída são: 
 
• s.vs.v hC
m ⋅
&
.Energia do fluxo de vapor superaquecido que sai da caldeira, referida a 1 kg de 
combustível, kJ/kg; 
• int.rvs hC
m ′′⋅
&
Energia do fluxo de vapor superaquecido e reaquecido que deixa o reaquecedor 
em direção à turbina, referida a 1 kg de combustível, kJ/kg; 
• e.gh Entalpia dos gases de escape, referida a 1 kg de combustível, kJ/kg; 
• ∑
=
6
3i
Qi Perdas de calor por combustão química incompleta: ‘Q3’, por combustão física 
incompleta ‘Q4’, ao meio ambiente ‘Q5’ e devido a alta temperatura dos resíduos de cinzas 
e escória ‘Q6’. 
Aplicando agora o balanço de energia para a caldeira de vapor representada no volume de 
controle da Figura 4.24, em regime estacionário, tem-se: 
 
 saídasentradas EE = (4.42) 
 
: 
 
 ( ) int.rs.vaas.v0 f.ahe.g0 f.ahtentradas hC
m
h
C
m
hhPCIE ′⋅+⋅+⋅α−α+⋅α+=
&& (4.43) 
 
 ∑
=
++′′+⋅=
6
3i
ie.gint.r
s.v
s.v
s.v
saídas QhhC
m
h
C
m
E
&&
 (4.44) 
 
Desta forma, tem-se: 
 
 ∑
=
+⋅α−+′−′′⋅+−⋅=
6
3i
i
0
f.ae.ge.gint.rint.r
s.v
a.as.v
s.vt Q)hh()hh(
C
m
)hh(
C
m
PCI
&&
 (4.45) 
 
Ou, ainda, de uma forma simplificada: 
 
 ∑
=
++=
6
3i
i2útil
t QQQPCI (4.46) 
 
A eficiência pode ser calculada de duas maneiras: 
• Por balanço direto, calculando-se a eficiência a partir de: 
 
 
t
útil
c PCI
Q=η (4.47) 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.27
• Por balanço indireto, calculando-se a eficiência a partir de: 
 
 
t
6
2i
i
t
c PCI
QPCI ∑
=
−
=η (4.48) 
 
Ou ainda, como: 
 
 ( )65432c qqqqq1 ++++−=η (4.49) 
 
Onde o valor relativo das perdas de calor é calculado como: 
 
 
t
i
i PCI
Q
q = (4.50) 
 
Uma análise completa do problema deve considerar outros possíveis “aportes” de energia, 
tais como: 
• O calor associado ao combustível devido ao aquecimento ou secagem previamente à 
combustão; o óleo combustível, por exemplo, é preaquecido até cerca de 140 oC, com a 
finalidade de permitir o processo de nebulização nos queimadores; 
• Entalpia do vapor utilizado para a nebulização de combustíveis líquidos; 
• Pré-aquecimento do ar com vapor a fim de reduzir a intensidade dos processos de corrosão 
à baixa temperatura nos pré-aquecedores de ar (aumenta a temperatura de operação da 
parede dos tubos e/ou laminas metálicas, evitando a condensação dos vapores de ácido 
sulfúrico). 
 
Por estas razões, no lugar de PCIt é conveniente utilizar a terminologia “calor disponível” 
t
dQ , que inclui os outros aspectos citados. Com relação à questão de quando determinar a 
eficiência pelo balanço direto ou indireto, deve-se considerar os seguintes aspectos: 
• Para caldeiras que queimam um combustível líquido, ou gasoso, é comum a medição do 
fluxo do mesmo, pois facilita a realização do cálculo por balanço direto; 
• Quando se utiliza combustíveis sólidos e não se dispõe de valores do consumo de 
combustível, a eficiência é determinada por balanço indireto. É importante determinar o 
valor das diferentes perdas de calor, para identificar eventuais causas de um baixo valor da 
eficiência na caldeira. 
 
4.4.2 - Cálculo da eficiência pelo balanço indireto 
 
Para o cálculo da eficiência da caldeira de vapor pelo balanço indireto é necessário 
determinar as perdas de calor (Figura 4.25) desde ‘q2’ até ‘q6’, o que é feito a partir das seguintes 
equações: 
• Perda com os gases de escape ‘q2’: 
 
 )q100(
Q
hh
q 4t
d
0
f.agee.g
2 −⋅
⋅α−
= (4.51) 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.28
 
 
Figura 4.25 - Perdas de calor 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 for-
nalha 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 das 
 superfícies ex-ternas da 
caldeira é maior que a 
ambien-te. 
 Q6 = perdas devidas a alta 
tempera-tura dos resíduos de cinzas 
Causa: os resíduos extraídos durante a 
limpeza periódica da grelha possuem 
uma temperatura maior que a ambiente, 
extrações líquidas das cinzas. 
Perdas de 
calor em 
caldeiras 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.29
 
• Perda por combustão química incompleta ‘q3’: 
 
 
t
d
s.g
243 Q
V
)H0,108CH2,358CO4,126(q ⋅⋅+⋅+⋅= (4.52) 
 
• Perda por combustão física incompleta ‘q4’: 
 
 
t
d
t
arr
arr
arr
silos
silos
silos
p
p
p4 Q
A8,327
C100
C
a
C100
C
a
C100
C
aq
⋅⋅







−
⋅+
−
⋅+
−
⋅= (4.53) 
 
• Perda ao meio ambiente ‘q5’: 
 
s.v
nom.s.v
nom55 m
m
qq
&
&
⋅= (4.54) 
• Perda devida à alta temperatura dos resíduos de cinzas ‘q6’: 
 
 
t
d
p
pp
t
6 Q
t
caAq ⋅⋅⋅= (4.55) 
 
sendo: 
 
e.gh - Entalpia dos gases de escape, calculada a partir do coeficiente de excesso de ar e da 
temperatura dos gases, kJ/kg; 
0
f.ah - Entalpia do ar à temperatura ambiente, kJ/kg; 
CO- Conteúdo de CO nos gases de exaustão, %; 
CH4- Conteúdo de CH4 nos gases de exaustão, %; 
H2- Conteúdo de H2 nos gases de exaustão, %; 
s.gV - Volume de gases secos; 
Pa - Fração da quantidade total de cinzas nos resíduos extraídos pelo fundo da fornalha; 
silosa - Fração da quantidade total de cinzas nos silos; 
arra - Fração da quantidade total de cinzas nos gases da chaminé; 
PC - Teor de carbono nos resíduos retirados pelo fundo da fornalha; 
silosC - Teor de carbono nos resíduos retirados dos silos; 
arrC - Teor de carbono nos resíduos arrastados para a chaminé; 
s.vm - Produção nominal ‘nom’ de vapor, t/h; 
cP- Calor específico dos resíduos de cinzas, kJ/kgK; 
tP- Temperatura dos resíduos de cinza, °C; 
nom5q - Perdas de calor ao meio ambiente para uma produção nominal de vapor, %. Esta perda é 
geralmente calculada por nomogramas elaborados por diferentes fabricantes como 
ilustrado na Figura 4.26. 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.30
 
 
Figura 4.26- Nomograma para a determinação das perdas de calor para o meio ambiente (q5). 
1- Caldeiras com superfícies recuperadoras; 2- Caldeiras sem superfícies recuperadoras. 
 
A fração de cinzas nos gases de combustão ‘µ’, pode ser calculada pela equação: 
 
 
g
arr
t
V
aA10 ⋅⋅=µ ,g/m3 (4.56) 
 
A fração de cinzas nos resíduos extraídos pelo fundo da fornalha pode ser calculada como: 
 
 
t
pp
p AC
Am
a
⋅
⋅
=
&
 (4.57) 
 
Onde: 
pm& - Fluxo de resíduos extraídos pelo fundo da fornalha (refere-se ao total de resíduos sólidos, o 
que inclui a cinza, propriamente dita, e o carbono não queimado), kg/s; 
Ap- Teor de cinzas nos resíduos. 
 
O valor de ‘asilos’pode ser determinado por uma expressão semelhante a (4.56). aarr pode ser 
determinado a partir do balanço de cinzas, ou seja: 
 
 silosparr aa1a −−= (4.58) 
 
A Tabela 4.1 mostra os valores das perdas de calor obtidos durante testes em uma 
caldeira industrial para bagaço e em uma caldeira aquotubular queimando carvão betuminoso. 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.31
Tabela 4.1 - Valores aproximados das perdas de calor e eficiência para diferentes 
combustíveis e caldeiras de vapor 
 
Setor Combustível q2 q3 q4 
1 q5 q6 
1 η 
Industrial Bagaço 8 - 18 0,4 1 - 4 0,800 < 0,1 0,840 
Termelétrico2 Carvão betuminoso3 6,89 8,4E10-6 0,73 0,224 0,921 
1. No caso de combustível líquido e gasoso q6 = 0; q4 é muito pequeno para combustível líquido e nulo para 
combustível gasoso; 
2. Os parâmetros do vapor são (1038 t/h)/(19,8 MPa)/(440 °C) e a temperatura de saída dos gases é de 146,8 °C; 
3. Fonte: GERASUL (1997). 
 
Na Figura 4.27 são apresentados valores médios de eficiência e perdas para caldeiras de 
vapor que queimam carvão betuminoso, óleo combustível e gás natural (Strauβ, 1998). 
Observam-se valores típicos da eficiência para caldeiras que queimam carvão betuminoso na 
faixa de 84 - 90 %, para óleo combustível 93,4 – 93,7 % e para gás natural de 94,6 % 
aproximadamente. As maiores perdas ocorrem nas caldeiras que queimam carvão. A perda com 
os gases de escape pode atingir 12 % da energia total fornecida pelo combustível. Perdas por 
combustão incompleta ocorrem de forma significativa também com carvão mineral. 
 
 
 
 
Figura 4.27 – Valores médios das perdas e da eficiência em caldeiras de vapor que queimam 
carvão betuminoso, óleo combustível e gás natural, em função do poder calorífico do combustível 
(Strauβ, 1998). 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.32
4.5 - SISTEMAS DE COMBUSTÃO: FORNALHAS E QUEIMADORES 
A fornalha possui um sistema de distribuição de ar, no qual uma fração do mesmo é 
fornecido junto com o combustível (ar primário) e o ar restante é injetado através de conjuntos 
de bocais localizados em diferentes seções do forno (ar secundário). Esta distribuição objetiva 
garantir uma combustão completa. A interação dos jatos de ar cria as condições aerodinâmicas 
requeridas para garantir o tempo de residência das partículas ou gotículas de combustível na 
fornalha, e proporciona a mistura adequada .dos reagentes da reação de combustão. 
O tipo de fornalha depende principalmente do tipo de combustível e da capacidade da 
caldeira. Requisitos ambientais influem na seleção do sistema de combustão em determinados 
casos. A Figura 4.28 sugere o tipo de fornalha mais adequado em função do tipo de combustível 
que se pretende utilizar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4.28 – Tipos de fornalhas recomendados de acordo com o combustível a ser queimado. 
 
O tipo e a qualidade do combustível influenciam na construção da fornalha, do queimador 
e da caldeira. A fim de projetar adequadamente os diferentes sistemas de combustão, são 
considerados os seguintes parâmetros técnicos: 
• Carga térmica superficial da grelha; representa a liberação de calor na fornalha em kW/m2 
de superfície de grelha, é calculada como: 
 
 
g
t
AG A
PCIC
Q
⋅= , kW/m2 (4.59) 
 
Tipos de 
fornalhas 
Para combus- 
tíveis sólidos 
Para combustíveis 
líquidos e gasosos 
Caldeiras de pe-
quena capacidade 
Caldeiras de alta 
capacidade (CTE) 
•Grelha fixa e 
basculante; 
•Grelha rotativa; 
•Suspensão; 
•Leito fluidizado 
borbulhante. 
•Leito fluidizado 
circulante; 
•Suspensão; 
•Queima tangencial; 
•Pressurizada; 
•Ciclônica. 
•Disposição frontal dos 
queimadores; 
•Disposição lateral dos 
queimadores; 
•Disposição do quei-
mador no chão da 
fornalha. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.33
onde: 
gA - Superfície da grelha, m
2; 
 
 
• Carga térmica superficial das paredes de água da fornalha;. representa a capacidade de 
absorção de calor no interior da fornalha em kW/m2de superfície de parede de água, 
calculada por 
 
 
i
t
A A
PCIC
Q
⋅= , kW/m2 (4.60) 
 
onde: 
iA - Superfície ‘i’ da parede de água da fornalha, m
2; 
 
• Carga térmica volumétrica da fornalha; representa o valor da energia liberada por m3 de 
volume da fornalha, calculada por 
 
 
f
t
V V
PCIC
Q
⋅= (4.61) 
 
Onde: 
fV - Volume da fornalha, m
3. 
 
Recomenda-se manter os valores de ‘Qv’ dentro das faixas recomendadas, de maneira que 
o volume e a altura da fornalha sejam suficientes para a queima totaldo combustível. Valores 
acima do que é recomendado para ‘Qv’, pode implicar num aumento excessivo da temperatura 
com consequenteformação de escórias, ruptura dos tubos, etc. A Tabela 4.2 apresenta valores de 
‘QA’ e ‘QV’ recomendados na literatura. 
 
Tabela 4.2 – Valores recomendados da carga térmica superficial e volumétrica em fornalhas 
para diferentes tipos de combustíveis (BEI, 1991; Kovaliov et al., 1985; Lora, 1995; Bazzo, 
1995) 
 
Combustível Disposição dos queimadores QA, kW/m
2 QV, kW/m
3 Qag, kW/m3 
Carvão mineral 
Oposta 551,9 211,0 - 
Frontal 544,7 196,3 - 
Lateral 502,0 228,0 - 
Óleo combustível Oposta 753,0 342,0 - 
Bagaço de cana Frontal 120 – 135 198 – 254 250 – 350 
Turfa Frontal - 163,0 - 
Xisto betuminoso Frontal - 116,0 - 
Lenha 
Grelha inclinada - - 160 –380 
Grelha movil - - 160 – 480 
 
De acordo com a Tabela 4.2, a carga térmica superficial e a carga térmica volumétrica são 
maiores nas fornalhas a óleo do que nas fornalhas a carvão. Essas diferenças são atribuídas aos 
seguintes fatores: 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.34
• O tempo médio de queima do óleo pulverizado é, aproximadamente, metade do tempo 
médio de queima das partículas de carvão pulverizado; 
• Na queima do carvão, ao contrário da queima do óleo, existem partículas de maiores 
dimensões, as quais requerem maior tempo de residência na câmara de combustão; 
• A transferência de calor nas paredes da fornalha é influenciada pela presença de cinzas 
aderidas nas mesmas. Considerando que numa fornalha a carvão deposita-se muito mais 
cinza nas paredes do que nas fornalhas a óleo, a resistência térmica é muito maior nesta do 
que nas que utilizam óleo. 
 
Uma comparação dos tamanhos entre fornalhas típicas a carvão e a óleo pode ser vista na 
Figura 4.29. 
 
 
Figura 4.29 – Comparação de tamanhos entre fornalhas a carvão e a óleo (Modern Power Station 
Practice, 1991). 
 
 
 Proporções comparativas 
Altura 
(H) 
Largura 
(W) 
Profundidade 
(D) 
Carvão 2,00 1,20 1,14 
Óleo 1,00 1,00 1,00 
 
Carvão 
Óleo 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.35
Para a queima de combustíveis sólidos, os tipos mais usuais de fornalhas são: 
• Fornalhas para queima em grelha; 
• Fornalhas de queima em suspensão; 
• Queima em leito fluidizado. 
4.5.1 - Fornalhas de queima em grelha 
As fornalhas de queima em grelha são geralmente projetadas para atenderem caldeiras de 
pequeno e médio porte. 
Apesar das suas limitações, estas fornalhas são importantes, pois se adaptam a vários tipos 
de combustível. Atualmente a sua aplicação limita-se em caldeiras de pequena e média 
capacidade para a queima de lenha, bagaço de cana e diversos resíduos industriais. Uma 
aplicação de muita importância e que vem crescendo é a queima de lixo. 
4.5.2 - Fornalha de grelha plana 
As fornalhas de grelha plana são projetadas para atender caldeiras de pequeno porte. Na 
Figura 4.30, apresenta-se, um esquema com este tipo de grelha. 
 
 
 
Figura 4.30 – Esquema de uma fornalha de grelha plana com alimentação automática de 
combustível (Bazzo,1995). 
4.5.3 - Fornalha de grelha móvel ou rotativa 
Para caldeiras de porte maior, é recomendável o emprego de fornalhas equipadas com 
grelhas móveis, que consiste de uma esteira acionada por motor, para transporte lento e contínuo 
do combustível. São fornalhas que asseguram alimentação contínua do combustível e remoção 
automática das cinzas. A taxa de combustão é controlada pela espessura do leito de combustível 
sobre a grelha, velocidade de movimentação da grelha e vazão de ar. O ar secundário é soprado 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.36
para a câmara logo acima da grelha numa proporção em torno de 30 % de todo o ar utilizado na 
combustão. Na Figura 4.31, é apresentado um esquema deste tipo de grelha. 
 
 
 
Figura 4.31 - Fornalha de grelha rotatíva (Bazzo, 1995) 
4.5.4 - Fornalhas de queima em suspensão para combustíveis sólidos 
Nas fornalhas de queima em suspensão, o combustível sólido é previamente preparado em 
moinhos, onde são realizados ou os processos de moagem e de secagem, afim de se obter a 
granulometria desejada para queima. O combustível, agora em pó, é transportado 
pneumaticamente até os queimadores da fornalha, sendo injetado por pressão no interior da 
câmara de combustão. O ar que transporta o combustível pulverizado é chamado de ar primário. 
Carvão fóssil é geralmente utilizado nesse tipo de fornalha. 
4.5.5 - Fornalha de de turbilhão (vortex vertical) jatos tangenciais 
A instalação de queimadores em disposição tangencial, nos cantos da fornalha cria 
movimento rotacional turbulento (turbilhão vertical) sobre o núcleo da chama. Este sistema 
aplicado em fornalhas com seção transversal quadrada. Na Figura 4.32, apresenta-se um 
esquema com este tipo de fornalha. 
 
 
 
Figura 4.32 – Fornalha de vórtex vertical ou de jatos tangenciais. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.37
4.5.6 - Fornalha de queima em leito fluidizado 
Os diferentes tipos de leito fluidizado são apresentados na Figura 4.33. As principais 
vantagens apresentadas por fornalhas de leito fluidizado são: 
• Flexibilidade de operação com diferentes tipos de combustíveis, mesmo apresentando 
baixo teor de carbono, alto teor de enxofre e/ou cinzas; 
• Permite utilizar combustíveis com uma granulometria relativamente grossa reduzindo o 
custo de preparação do mesmo; 
• Possibilidade de se realizar a combustão conjunta do carvão mineral com biomassa e 
resíduos sólidos urbanos; 
• Alto coeficiente de troca térmica com as tubulações imersas no leito; 
• Alta eficiência de queima do combustível; 
• Possibilidade de remoção de compostos de enxofre, através da dessulfurização feita com a 
adição de calcário e dolomita, formando CaSO4 e MgSO4, os quais são extraídos do leito 
juntamente com as cinzas;o grau de dessulfurização depende da temperatura do leito, 
excesso de ar, pressão de combustão, tempo de retenção e relação molar Ca / S; 
• A temperatura de combustão do leito fluidizado (850 – 950 ºC) é muito menor que nos 
sistemas de queima em suspensão tradicionais (1200 – 1400 ºC) o que faz com que as 
emissões de NOx sejam muito menores. 
 
Os tipos de leito fluidizado mais utilizados em caldeiras a vapor são: 
• Leito fluidizado convencional ou borbulhante (figura 4.34a);. Neste a superfície de troca de 
calor é imersa no leito. A superfície de troca de calor mencionada, refere-se a tubos na 
parede do combustor, com troca de calor adicional em trocadores externos. Na Figura 4.33, 
apresenta-se a modo de exemplo, um esquema que permite comparar os diferentes tipos de 
leito fluidizado; 
• Leito fluidizado circulante. Na Figura 4.34b, apresenta-se, um esquema representativo 
deste tipo de fornalha. 
 
 
 
Figura 4.33 – Diferentes tipos de fornalhas para carvão (Cortesia da Foster Wheeler). 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.38
 
a) 
 
 
b) 
 
Figura 4.34 – Esquema de caldeiras de leito fluidizado 
a) Leito fluidizado borbulhante, b) Leito fluidizado circulante. 
 
Dados comparativos de caldeiras convencionais projetados para queima de combustível 
sólido em grelha, pulverizado e em leito fluidizado são apresentados na Tabela 4.3. 
 
Tabela 4.3 – Dados comparativos entre diferentes tipos de fornalhas (Cortesia Foster Wheeler). 
 
Tipo de queima 
Velocidade, 
m/s 
Diâmetro das partículas 
de combustível, mm 
Temperatura dos 
gases na fornalha, oC 
Em grelha 2,5 - 3,0 40 1100 - 1300 
Em suspensão ( carvão 
pulverizado) 
4,5 - 9,0 0,07 - 0,2 1200 - 1500 
Leito fluidizado borbulhante 1,0 - 3,0 12 800 - 900 
Leito fluidizado circulante 4,5 - 7,0 12 800 - 900 
 
Os sistemas de combustão em leito fluidizado têm limites de dimensionamento. A carga 
térmica superficial para a câmara de combustão varia de 1 a 8 [MW/m²]. Para leitos com áreas 
acima de 100 m² (150 MW), o ar de sustentação não se distribui uniformemente, influenciando 
negativamente a eficiência de combustão. 
Atualmente, a possibilidade do uso de combustíveisde baixa qualidade e o rigor imposto 
por normas ambientais estimulam a utilização do leito fluidizado. Muitas vezes, combustíveis de 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.39
baixa qualidade são inaproveitáveis para outros fins e, portanto, apresentam baixos preços de 
mercado. 
4.5.7 - Queimadores 
Queimadores são instalados para introduzir a mistura de combustível e ar na câmara de 
combustão. São geralmente projetados para queima de gás natural, combustíveis líquidos e 
carvão pulverizado. Queimadores destinados para a queima de combustíveis líquidos devem 
proporcionar uma nebulização adequada visando obter o diâmetro das gotas requerido para a 
combustão completa. Nos projetos modernos, os queimadores contribuem também para 
minimizar emissões de óxidos de nitrogênio, “organizando” a combustão em várias etapas, de 
modo que as temperaturas sejam menores que nos sistemas convencionais (ver capítulo 18). 
Os queimadores para carvão pulverizado podem ser de injeção rotativa ou de múltiplos 
bocais. Os queimadores de injeção rotativa são recomendados para carvão com alto teor de 
voláteis (mais de 40 % em base combustível) e os de múltiplos bocais são recomendados para 
carvão com baixo teor de voláteis (20 % base combustível). Carvão com teor médio de voláteis 
pode ser queimado nos dois tipos de queimadores. 
4.5.8 - Queimadores de injeção rotatíva para carvão pulverizado 
Neste tipo de queimador o ar é forçado a penetrar no interior da câmara de combustão em 
movimento rotacional. Alguns parâmetros típicos de projeto, associados a este tipo de queimador 
segundo Tomeczek, (1994) são: 
• Vazão mássica de combustível por unidade de queimador: entre 6 e 7 t/h; 
• Temperatura da mistura (ar primário + combustível): menor que 100 °C; 
• Temperatura do ar secundário: entre 300 e 315 °C; 
• Velocidade de saída do ar primário: entre 25 e 27 m/s; 
• Velocidade de saída do ar secundário: entre 30 e 35 m/s; 
• Concentração de combustível no ar primário: entre 300 e 320 g/m3. 
 
A Figura 4.35 mostra diferentes tipos de queimadores de injeção rotativa a carvão 
pulverizado. 
 
 
 
Figura 4.35 – Esquema de queimadores de injeção rotativa para carvão pulverizado (Tomeczek, 
1994). 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.40
No queimador mostrado na Figura 4.35a, as mudanças na movimentação do ar em forma 
rotativa podem ser obtidas deslocando o elemento formador de turbilhão ao longo do eixo do 
queimador. O queimador mostrado na Figura 4.35b, é uma modificação do ‘a’ com o turbilhão 
sendo criado por pás tangenciais ajustáveis. No queimador ‘c’ a movimentação em turbilhão do 
ar secundário é realizada por pás tangenciais ajustáveis. A mistura ar primário com combustível 
é direcionada ao encontro do ar secundário por meio de um dispositivo especial situado no centro 
do queimador. No queimador ‘d’ ambos jatos (ar secundário e a mistura ar primário mais 
combustível) movimentam-se em turbilhão. 
Na Figura 4.36 é mostrado o esquema de um queimador de injeção rotativa para carvão 
pulverizado , fabricado pela Foster Wheeler Intervane. 
 
Ar terciário para o
queimador
Ventilador do
queimador
Eixo excêntrico do
ventilador
Parede de água frontal
da fornalha
Atuador do
ventilador
Ar de combustão e
articulação do damper de ar
terciário
Damper do ar de
combustão do queimador
a óleo
Entrada de
óleo
Fotocélula
Ignitor
Alimentação do
carvão
pulverizado
Estrutura de aço
da caixa de ar da
fornalha
 
 
Figura 4.36 – Queimador de carvão pulverizado (Cortesia da Foster Wheeler Intervane). 
 
Neste tipo de queimador, o carvão pulverizado transportado pelo ar primário é lançado 
para o interior da fornalha pelo tubo central e o ar secundário é admitido no sistema de 
combustão com movimentação rotativa Aproximadamente 20% do ar corresponde ao ar primário 
requerido para o transporte do carvão pulverizado e 80% é fornecido como ar secundário para 
completar o processo de combustão. 
4.5.9 - Queimadores de múltiplos bocais 
Os queimadores de múltiplos bocais são instalados nos cantos da fornalha. Para assegurar 
uma boa mistura de carvão e ar, são utilizados queimadores com vários bicos injetores, que 
podem ter seção transversal circular ou retangular. O queimador tem o formato de uma coluna 
vertical com altura de 5 a 7 metros (Figura 4.37). 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.41
 
 
Figura 4.37 – Esquema de um queimador de múltiplos bocais. 
 
Os parâmetros de projeto, típicos para este tipo de queimador segundo Tomeczek (1994), 
são: 
• Vazão mássica de combustível em cada queimador: 6 a 10 t/h; 
• Temperatura da mistura (ar primário + combustível): menor que 100 °C; 
• Temperatura do ar secundário: 300 a 315 °C; 
• Velocidade de saída do ar primário: 25 a 30 m/s; 
• Velocidade de saída do ar secundário: 40 a 50 m/s; 
• Ângulo de passe descendente dos direcionadores do duto de ar primário entre 10° e 20°; 
• Ângulo de passe descendente dos direcionadores do duto de ar secundário acima de 50°. 
4.5.10 - Queimadores de combustíveis líquidos 
Nos queimadores de óleo combustível e óleo diesel a combustão ocorre em suspensão na 
fornalha, onde o combustível é nebulizado no maior número possível de pequenas gotas, de 
modo a garantir uma maior área de contato das gotas de óleo com o ar, melhorando a eficiência 
de combustão. O tamanho das gotas varia entre 10 a 200 µm de diâmetro. Bons queimadores 
garantem pelo menos 85 % das gotas com tamanho inferior a 50 µm. Geralmente, o óleo é 
injetado por meio de bombas de palhetas ou de engrenagens. O óleo deve ser aquecido para 
permitir o trabalho de bombeamento e garantir uma viscosidade apropriada para nebulização e 
queima no interior da câmara de combustão. A temperatura do óleo bombeado é geralmente 
fixada na faixa de 40 a 60 °C, dependendo do tipo de óleo. Antes da nebulização, o óleo é 
aquecido numa segunda etapa, até que se tenha temperaturas da ordem de 140 °C. 
A Figura 4.38 mostra os diferentes tipo de queimadores projetados para combustível 
líquido, onde são classificados atendendo à forma de nebulização do combustível. 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.42
 
 
Figura 4.38 – Tipos de queimadores para combustíveis líquidos. 
a- Queimador para combustível; b- Queimador de copo rotativo, c- Queimador com nebulização 
por ar comprimido ou vapor (Kakaç, 1991). 
 
Nas Figuras 4.39, 4.40 e 4.41 são mostrados os desenhos de bicos nebulizadores 
correspondentes aos queimadores já apresentados na Figura 4.38. A Figura 4.42 mostra um 
esquema completo de um queimador de nebulização mecânica. 
 
 
 
Figura 4.39 – Bocal de nebulização a ar ou vapor (Lauer, 1981). 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.43
 
 
Figura 4.40 – Bocal de nebulização por vapor com mistura na saída (Lauer, 1981). 
 
 
 
Figura 4.41 – Bocal de nebulização mecânica (Lauer, 1981). 
 
 
 
Tipo de atomizador Conexão A Conexão B 
Vapor / Ar Vapor ou Ar Suprimento de óleo 
Ampla faixa de 
capacidade 
Retorno de óleo Suprimento de óleo 
Mecânico Sem entrada Suprimento de óleo 
 
Figura 4.42 – Queimador de nebulização mecânica para óleo combustível (Lauer, 1981). 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.44
4.6 - CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DOS DISPOSITIVOS E SUPERFÍCIES 
DA CALDEIRA 
4.6.1 - Tambor separador 
O tambor separador é necessário para promover a separação do vapor saturado da água. 
Além disto, ele é utilizado para: 
• Permitir o controle local e tratamento químico da água; 
• Permitir purgas da água a fim de controlar o conteúdo de sais; 
• Armazenar água a fim de suportar variações bruscas de carga (produção de vapor); 
• Prevenir o arraste de líquido com sais dissolvidos para o superaquecedor e turbina de 
vapor. 
 
Na Figura 4.43 é apresentado em corte transversal um tambor típico utilizado em caldeiras 
modernas e de alta capacidade. No esquemado tambor são mostradas as chicanas, separadores 
ciclônicos e separadores secundários, as conexões para a entrada da água de alimentação, da 
água que desce para os tubos alimentadores e conexões com as paredes d’água ou feixes 
tubulares que formam o evaporador . A conexão de purga ou extração de água não está sendo 
mostrada. 
 
 
 
Figura 4.43 - Tambor com separadores ciclônicos. 
a) Disposição dos ciclones no interior do tambor, b)Ciclone. 
1- Tambor, 2- Caixa de entrada da mistura de água e vapor, 3- Ciclone, 4- Tampa superior do 
ciclone, 5- Tampa inferior do ciclone, 6- Tubulação de entrada da água de alimentação, 7- Caixa de 
distribuição da água de alimentação, 8- Bandeja de lavagem, 9- Tubo de descarga direta da água de 
alimentação, 10- Tubo de descarga da água de alimentação, 11- Bandeja perfurada superior, 12- 
Tubulação de injeção de fosfatos, 13- Tubulação de aquecimento com vapor do tambor durante a 
partida, 14- Tubulação de descarga emergencial da água, 15- Nível médio da água, 16- Saída do 
vapor saturado, 17-Tubos alimentadores das paredes de água. 
 
A concentração de sólidos no vapor que deixa o tambor depende da umidade arrastada, 
pressão de operação e tratamento químico da água. A relação esperada de sais no vapor e na 
água pode ser obtida da Figura 4.44 como função pressão de operação da caldeira (e 
naturalmente da relação entre a densidade da água de alimentação e do vapor). O coeficiente de 
distribuição Kd expressa quantitativamente esta relação: 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.45
 
 
n
,
´´,,
pk 







ρ
ρ= (4.62) 
 
Onde: 
n- Indicador exponencial, que depende das propriedades da substancia analisada. 
 
 
 
Figura 4.44 –Dependência do coeficiente de distribuição Kp (relação entre a concentração de sais 
no vapor e na água da caldeira) da pressão de operação da caldeira. 
4.6.2 - Superaquecedores 
Os superaquecedores são trocadores de calor que têm a função de superaquecer o vapor 
saturado proveniente do tambor superior da caldeira (Figura 4.45) e são classificados quanto ao 
mecanismo de transferência de calor em: 
• Radiantes: É instalado no teto ou na seção de saída da fornalha. Em decorrência disto, o 
mecanismo de transferência de calor predominantemente é a radiação. Neste caso, a 
temperatura do vapor na saída do superaquecedor diminui com o aumento da carga da 
caldeira (geração de vapor). Na hipótese de variação de carga, a variação do calor 
transferido por radiação é menos significativa que a variação na produção de vapor e, 
consequentemente, que o aumento da vazão de vapor no superaquecedor, o que implica na 
queda de temperatura do mesmo (ver curva 1 da Figura 4.46); 
• Convectivo São instalados após a fornalha nos canais horizontal ou vertical de gases. A 
troca de calor ocorre predominantemente por convecção. Neste tipo de superaquecedor 
observa-se o aumento da temperatura final do vapor com o aumento da carga da caldeira. 
Isto é conseqüência do acréscimo na vazão e velocidade dos produtos da combustão nos 
dutos da caldeira (aumenta a vazão de combustível fornecida na fornalha). Sendo que o 
coeficiente de transferência de calor, dos gases para a superfície dos tubos, é proporcional 
ao quadrado da velocidade dos gases, o acréscimo na quantidade de calor transferida no 
superaquecedor, predomina sobre o acréscimo na vazão de vapor, o que leva ao aumento 
da temperatura do vapor (ver curva 2 na Figura 4.46); 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.46
• Semi-radiantes: Os superaquecedores semi-radiantes possuim uma característica 
temperatura do vapor/carga da caldeira que resulta da combinação entre as características 
dos superaquecedores radiantes e convectivos. 
4.6.3 - Atemperadores 
A instalação dos atemperadores é fundamental para o controle da temperatura do vapor 
superaquecido e a operação eficiente da instalação nas condições estabelecidas em projeto. Os 
atemperadores podem ser de superfície ou de mistura, tal e como é mostrado na Figura 4.47. 
O atemperador de superfície consiste de um trocador de calor instalado na linha principal 
de vapor. Pelo interior dos tubos circula uma parte da água de alimentação da linha que vai para 
o economizador. Alterando a vazão de água de alimentação que circula pelo atemperador é 
possível controlar a temperatura do vapor superaquecido. No aquecedor de mistura o controle da 
temperatura do vapor é realizada injetando condensado no fluxo de vapor superaquecido. A fim 
de evitar a contaminação do vapor com sais, este condensado deve possuir alta pureza. Ele é 
obtido condensando vapor saturado puro da linha de saída do tambor num condensador que 
utiliza água de alimentação como agente de resfriamento. 
 
 
 
 
Figura 4.45 – Esquemas de superaquecedores de caldeiras . 
1- Superaquecedor convectivo; 2- Superaquecedor semi-radiante; 3- Superaquecedor localizado 
no teto da fornalha (radiante); 4, 5 e 6- Reaquecedores. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.47
 
 
 
Figura 4.46 - Variação na temperatura de superaquecimento com a carga da caldeira (sem 
atemperador). 
1- Superaquecedor radiante; 2- Superaquecedor convectivo. 
 
 
 
 
Figura 4.47 – Tipos de atemperadores. 
a- Atemperadores de superfície; b- Atemperadores de mistura. 
 
 
 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.48
4.6.4 - Economizadores 
Os economizadores tem a função de elevar a temperatura da água de alimentação antes de 
ser injetada no tambor. Conforme mostrado na Figura 4.48, os economizadores podem ser 
classificados como: 
• Simples; 
• Duplos. 
 
 
 (a) (b) 
 
Figura 4.48 – Esquemas simplificados de diferentes tipos de economizadores. 
a- Economizador simples; b- Economizador duplo. 
 
Os economizadores podem ser de tipo evaporativo, quando neles evapora uma fração da 
água de alimentação. Caso isto não aconteça, eles são chamados de não evaporativos. Podem ser 
construídos de tubos lisos ou aletados, sendo que o aletamento permite que eles sejam mais 
compactos. O diâmetro dos tubos utilizados está entre 20 e 38 mm. Aos economizadores 
corresponde entre 10 e 20 % da energia útil transferida num gerador de vapor. 
4.6.5 - Pré-aquecedores de ar 
Os pré-aquecedores de ar são trocadores de calor destinados ao pré-aquecimento do ar de 
combustão. Algumas características construtivas dos pré-aquecedores de ar podem ser 
observadas na Figura 4.49. 
Os tipos mais difundidos de pré-aquecedores de ar são: 
• Tubular (Figura 4.49a): É o mais comum, geralmente constituído de tubos de 50-75 mm 
montados em arranjo triangular; 
• Regenerativo (Figura 4.49b): São conhecidos também, como pré-aquecedores Ljungstrons. 
Podem ser horizontais ou verticais e operam em movimento de rotação, com velocidades 
entre 1 e 3 rpm Placas metálicas absorvem calor quando em contato com os gases e cedem 
para o ar quando entram em contato com este. O pré-aquecedor de ar regenerativo foi 
patenteado em 1920 por Frederic Ljungstrom Na Figura 4.50 são mostrados os elementos 
principais de um pré-aquecedor de ar regenerativo; 
• De tubos de calor (Figura 4.49c). 
 
 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.49
 
 
Figura 4.49 – Esquemas de diferentes tipos de pré-aquecedores de ar. 
a- Pré-aquecedor tubular; b- Pré-aquecedor regenerativo, c- Pré-aquecedor de tubos de calor. 
 
 
 
Figura 4.50 – Esquema de um pré-aquecedor de ar regenerativo. 
1- Dutos de ar; 2- Rolamentos; 3- Eixo; 4- Pratos; 5- Carcaça externa; 6- Rotor; 7- Motor 
elétrico; 8- Selagem; 9- Duto de gás. 
Capítulo 4 Caldeiras de vapor convencionais e de recuperação 4.50
4.7 - VENTILADORES E SOPRADORES DE FULIGEM 
Os ventiladores são responsáveis pelo suprimento do ar necessário para o processo de 
combustão. Os ventiladores também são usados para a movimentação dos produtos da 
combustão através das superfícies de transferência de calor até a sua saída pela chaminé. Os 
tipos de