EDSON BAZZO

Ift/

GERA~AODE VAPOR

EDSON BAZZO

f'ItI

GERA~AODE VAPOR

Tania Regina de Oliveira RamosTamara Bc:nakouche

EDSONBAZZOAlcidcs Buss - Diretor-Bxecutivo cia Editora da UFSC

C1unda1Maria Meirelks NasserMarli .Auras

Cesar Luiz Pasold

JUlio Wtggcn - PresidenreAroo Blass

CONSELHO EDITORlAL

Antbnio Diomario de Queiroz - ReiterNilcea Lemos Pclandre - Vice- Reitora GERAGAO

DE VAPORI

UNlVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

sERlE DmAnCA

Impresso no Brasil

Maria Luiza,RafaellaPaula.Reservados todos os direitos de publlcacao total ou parcial

pela Editora da UFSC

621.18621.18

1 - Geradores de vapor2 - Caldeiras a vapor

[ndice para 0 cataloqo sistematico (CDU)

1. Geradores de vapor. 2. Caldeiras a vapor.I. Titulo.

8364 Edson BazzoGeracao de vapor I Edson Bazzo. 2. ed.

__Florianopolis: Ed. da UFSC. 1995.216 p.: il. (Serie Didatica). .

CDU 621.18

CDD 621.18

Ficha Catalografica(Cat~logar;ao na fonte pelo Departamento

de Biblioteconomia e Documentar;ao da UFSC)

Editora da UFSC, Campus Universitario - TrindadeC.P. 476 - 68040-900 - Florianopolis. SC0) (048) 231-9408 e 231-9605I!J (048) 231-9680

Edson 8azzo

recebeu atencao especial no capitulo 3, por se tratar de uaa alternatlva

energet ica impOrtante para a quelma do carvac naclonal. Nos capitulos

subsequentes de 4 a la, 0 texto se concentra nos aspectos conceltuais damateria. 0 capitulo 10 evidencia as caracterlstlcas funclonals de

A combustAo em lelto fluldlzado, por exemplo,publ1cado nesta area.Ilesmo co. 0 advento de .tecnologias novas, pouco material dldatlco se tea

A nlvel nacional,tecnlcos e engenheiros que atuam no meie industrial.

referencia tallbemao uso de gas natural, tendo ell vIsta a tendencia de usocrescente nos grandes centr~s industrIals do pais.

Embora, a publica

103

3

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18

2633

4048546973

7378

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828490929296

10- Dispositivos de controle e seguran

tenoeletrlcas cperando :COR pressOes da ordem de 250 bar (25000 kPal. 0crescente consumo de energla eletrlca, allado A Indisponlbliidade de

centralshoje,Exlstem,casos aIcancandc valores supercr1tlcos.

vapor saturado, com pressoes Inferlores lIesmo a 10 bar (1000 kPal. Por,outrc lado, servlc;os de actcnaaento lIecanlco envolvem 0 eOlprego de vaporsuperaquecldo e as pressoes de trabalho sao norllalmente malores, ea alguns

A malorla dos processos Industrials envolve 0 e..prego desuperaquecldo.

servic;os de aqueclmento, quanto para servlc;os de aclonamento mecanlco. Suaapllcac;ao e bastante abrangente, atendendo necessldades dlversas naindustrIa de alimentos, bebldas, papel, text1l, Metalurgica, quimlca, etc.Para muitas regioes, 0 usa de vapor e Impresclndivel na gerac;~o de energiaeletrtca. Dependendo de sua aplLcacao, 0 vapor pede ser saturado ou

178

182

Atualmente 0 vapor e utilizado em larga escala, tanto paraIndustrial.

tellperaturas de ebullc;ao (170 a 350 Cl ou, no caso de 61eos minerals,temperaturas em inicio de destllac;ao.

A p~eferencla pelo vapor COIIIO fluido de trabalho e Justlflcada peloseu alto calor especlflco, allado A ampla dlsponlbl1ldade da agua no mel0

al tasporsao fluldos identif1cadosprodutos crgantccs ' slntHlcos.un)dades, por exemplo, sao construidas para operarem COM 61eos minerals ou

Algumasoutros fluidos de trabalho poderlam ou podem ser empregados.Naturalmente que, com a meSlla finalidade,diversos setores industriais.

substituisse os lnconvenientes apresentados pela queima direta do carvsof6ssU, estlmulou 0 desenvolvimento das um.dades geradoras de vapor. Aquestao principal era captar a energia l1berada pelo combustivel numaunidade central e dlstribui-Ia aos pontos de consumo da empresa. A Ideiaevolulu aos dlas de hoJe, a ponto de tornar 0 vapor d'agua indispensavel em

A necessidade de se encontrar uma fonte de calor, quesecul,o 18.As primeiras m~quinas destlnadas a gerar vapor surgiram no inlcio do

INTROOUCAo

CAPiTULO109112113115117120120123127134136136137139142

145147151159161161164166170

176

BlbliograIia ...........................................Apendice ...............................................

10.2- Controle do nivel de agua , .10.3- Controle da pressao de trabalho , ,10.4- VUvulas de seguranca 10.5- Separadores de vapor .........................10.6- Sopradores de fulige....................... '.'

11- Tirage .11.1- Conceitos gerais. Classifica ..ao .11.2- Perdas de carga 11.3- Challlinese ventlla,dores.....................

Exercicios .12- Transfer~ncia de calor em caldeiras .

12.1- Consldera ..oes gerais .12.2- Temperatura dos gases na camara de combustao ..12.3- Calor irradiado na c~..ara de combustao .12.4- Felxes Tubulares. Dimenslonamento termlco .12.5- Convec..ao interna em felxes tubulares .12.6- Convec..ao externa erafelxes tubulares .12.7- Radiac;~o gasosa em feixes tubulares .

Exerciclos .13- Balanc;o energetico de caldeiras ..,.................

13.1- CAlculo da energia dlsponivel .13.2- CAlculo da energfa uti I. , .13.3- CAlculo da ecergia perdida .13.4- Taxa de evapora ..ao e rendi.ento termico .

Exercic10s .

"',. .~

pesadas caem por gravidade ao fundo da fornalha em um selo d'agua. Asclnzas leves slo arrasta~as pelos gases, para cima, ea dlre~ao aossuperaquecedores, ao topo da fornalha. As temperaluras no InterIor dac~mara de combustao variam na faIxa de 900 a 1400 C.

A caldeira compreende as partes onde ocorre mudan

-AquotubularesFig 2.1- Unidade geradora de vaporo(65 HW, 230 tlh, 160 bar, 540/540 C)

A nivel geral, as caldeiras pede", sertratadas por caldeiras.classificadas em:

.0-CINZAS

,,CARVAO Q ~ AR

varIar entre 120 e 300 "c. dependendo do tlpo de InstaIacao e do tlpo decombustivel quei.ado.

A maior parcela de energla e absorvida nas superficies expostasdlretamente na camara de combusUo, onde. e predomlnanle a troca de calorpor radiac;ao. E. unldades bea dimenslonadas, as paredes d'agua represenlamlIenos de 10 " da superficle total e sAo capazes de absorver ale 50 l( daenergia liberada na cOllbuslao,Nas partes posteriores da caldeira, os gasesf'ornecea calor por ccnveccao e por radia"i!.ogasosa. importante que oscospcnentes sejaa instalados em contra-corrente, Essa dlsposl"ao garantemaior eflclencia e 0 emprego de menores superficies de aquecimento .

No melo industrial, as unidades geradoras de vapor sao simplesmenle

l1vremente por diferenc;a de densIdades e 0 vapor formado e acwnulado naparte superior do_tambor separador. 0 vapor e saturado e dai e encaminhadoaos superaquecedores. A pressAo l: regulada por pressostatos l1gados aosistema de combustao.

o superaquecedor conslste de um ou DIalsfelxes tubulares, 'destinadosa aumentar a temperatura do vapor gerado na caldeira. Nas unldades de portemaior, os superaquecedores sAo projetados de modo a absorverem energia p~rradiac;ao e por convec"Ao.

A temperatura flnal do vapor pode ser controlada medlanle a injec;aode agua liquida atraves de WI atemperador. 0 reaquecedor lem func;Aoequivalente ados superaquecedores e lambe..aparece lndicado na figura 2.1.A .presenc;a do reaquecedor e necessaria quando se deseja elevar atemperatura do v~por proveniente de eslagios intermediarios da turbina.

o economizador prb-aquece a agua de alimenta"Ao e e normalmenteinstalado ap6s os superaquecedores. Alem de aumentar 0 rendimento daunidade, sua instala"ao minimiza 0 cheque termico entre a agua dealimenta"Ao e agua ja existente no tambor.

o aquecedor ~e ar aproveita 0 calor residual dos gases de combuslao,pre-aquecendo 0 ar ulilizado na queima de combustivel. A temperatura finaldos gases encaminhados para a chamine e fator determlnante do real

MPERADORVAPOR SAT.

A agua circulaao lade do outro, revest Indo as paredes da fornalha.

Seu valor pedeaproveitamento tbrmico das unidades geradoras de vapor.II

~ Q GASES+---- CINlAS LEVES

CAMARADE

CDMBUSTAO

5G.r"dore~ de Vapor. C018ponentes Prlnclpals4 Ceufj:60 de Vapor

.q z Energla absorvlda pela caldelra (kW)in Fluxo total de agua que deixa 0 taabor (kg/s)h. Entalpla da 'gua na entrada do tambor (kJ/kg)

onde

sendo(2.1)

oode, para 0 caso de vapor saturado,

(2.6)ho - (l-x}.hl. + x.hvo

(2.S)q s in (h.-h.)

Urnaavaliayao completa da energia envolvida no proeesso de combustiodeve consid.rar todo 0 calor gerado e dispontvel no interior da tornalba, 0calor abaorvido pela ~qua da caldeira, a calor residual aS8ociado ao fluxode gases ou de cinzas, 4 ocorrencia de combustao parcial a, anfim, todo 0calor perdido para 0 meio ambiente.

Para dete~inar 0 calor disponivel na cAmara de combu9tlo, isto 6, aenergia realmente entregue palos queimadores, deve-sa computar 0 calorliquido liberado na,queima do combustivel mais 0 calor associado 409 fluxesde massa do combustivel, do ar e da umidada do ar de com~ustle,

Os gases de co.bustlo perdem calor para a agua da caldelra atravesdas paredes d'agua, Celxes tubulares, superaquecedcr-es , reaquecedores eeconomlzador. No caso de paredes d'agua ou de Celxes tubulares, de acordoCOil a Prlmelra Lel da TeraodinAalca, a equacao que determina a energiaabsorvida pela agua da caldelra e

2.2- calor associado &0 vapor e gases d. combustio

disponibilidade de enerqia .letriea e qua os custos sej~ compensadores ..Sua aplicayio e bastante restrita e tamb6m slo projetadas para forneeeremapenas vapor saturado. As caldeira. e16tricas tem 0 principLe d.funcionamento fundameneada na conversAo direta da energia eletrica emenergia tfrmica, mediante 0 usa de resistfncias ou de eletrodos submersos.

gase. de combustio circulam per dentro'de tubos e sua aplicay30 e restritA.apenas 1s op.ra~oe9que admitem 0 usa de vapor saturado.

Nas caldeiras tlamotubulares 08inferiores a 15 t/h de vapor saturado.qd = Calor liquido disponivel na cAMara de combustlo (kW)mob Consumo de combustivel (kg/S)Pel = Poder caloriClco Inferlor do combustivel (kJ/kg)mar = Massa real de ar de co.bustlo (kg/kg comb)Va. = Umldade do ar (kg/kg ar seco)reb Te.peratura do combustivel (oC)ro. = Temperatura do ar de cOMbustlo (oC)r' = Temperatura de referencla (oC)Cpcb- Calor especlClco .edlo do combustivel (kJ/kg.oC)ep.r= Calor especifico medlo do ar de co.bustlo (kJ/kg.oC)Cpyp- Calor especiClco medio da ualdade do ar (kJ/kg.oC)

bouv~rquandoconvenientdoe16tricascaldeiras118

aquotubulares a aqua circula par dentro de tubos a, frequentemente, s30adapt ad as em unidades equipadas com economizador e superaquecedore8. sendo

As caldeiras flamotubulares t~m uso limitado is in9tala~Oes depequeno porte, com pres86ee inferiores a 15 bar (1500 kP~) ou capacidades

As caldeiras aquotubulares tem usa mais abrangente, atendendo, desde(2.4)cpvp.(T". - TO)Nas caldeiraspequenas f!bricas, atA grandes centrals termeletricas.

(2.3)c.,.. (r". - rO)t.h".-Eletricas

Cor_doro. do Vapor. Co.ponentea Pr1ncipal. 7GeraFio de Vapor6

,I~.

I(2.2)Cpeb. (Teb - TO)t.heb-Flamotubulares

IFig 2.2- Unidade geradora de vapor (Exercicio 2.1)

SUPERAQUECEOORA presen~a de cinzas leves e uma caracteristica de caldelrasadaptadas.com fornalhas para quelma de cOlRbustivels s61ldos. as valores deentalpla ou de calor especlfico medio podell ser tomados do apAndlce, ou.de

PAREDES O'AGUA

q. - Energla associ ada ao (luxo de gases (kW)Eg Massa real de gases de co.bustll.o(kg/s)me Massa de clnzas leves arra5tadas pelo. gases (kg/5)r. Te.per~tura dos gases (oC)x_j : fra~ao massica do co.ponente j nos gases de co.bustlocPj = Calor especlflco medio do componente 1 (kJ/kg.C)Cpe.= Calor especlfico medio das clnzas (kJ/kg.oC)

sendo

(2.8)

onde, tendo em vista a presen~a de gases CO2; S02, H2O, N2 e 02,

GASES+

CINZAS LEYES

TAMBOR(2.7)

b) A enerqia cedida pelos gases para as pared.. d'iqua,auperaquecedores e reaquecedorea.

a) 0 consumo de agua no atemperador.

Considere que agua na pressao de 140 bar abs. e temperatura d.180C seja alimentada nos atemperadores. Utilizando os dado8 da tabela 2.1,calcule.

2.1- Urna unidade geradora de vapor 6 projetada para quelmar carvaopulverizado e pcodu eLr 100 k9/~ de vapor superaquecido na pr ia d. 130

bar aba. e temperatura de 520C. A figura 2.2, mostra uma parte daa paredes

d'lgua, tambor a.parader, superaquecedor, reaquecedores e a po.i~iode umatemperador (ver tambem a figura 4.7). Outros dais at&mparadoree _10 tamb6minstalados ao longo do circuito para, controle da temperatura desuperaquecimento.

o titulo do vapor depende da forma construtiva do tambor separador epoder-a ser tanto menor, quanta ..alor for a carga da caldeira. A umidadearrastada pelo pr6prlo vapor taJllbelRabsorve energla (calor senslvel) e,portanto, deve ser conslderada nos calculos.

as valores de entalpla da agua liquida ou do vapor podelR ser tomadosdo apend i.ce ou de outras fontes blbllograficas, .as sempre lembrando deconslderar a p'ressll.oabsoluta, lsto ~, ao valor da pres7l1.oefetlva detrabalho deve-se scaar- a pressao at.osf~rlca. A pressao efetlva e tallbe.conheclda por pressllo instrUllental ou lIanollHrlca.

Para deterlRlnar a temperatura dos gases na cA.ara de combustll.oou emqualquer ponto da unidade geradora. de vapor, Interessa conhecer a energiaresldual associada ao fluxo de gases e cln~as leves,

Exercic:ios

fontes bibllograficas apropriadas, levaode Qm conta 0 valor m.dio na taixade temperaturas considerada.

hs = Entalpla da :\guaque delxa 0 tambor (kJ/kg)hI.= Entalpla do liquldo saturado (kJ/kg)hV1I= Entalpla do vapor saturado (kJ/kg)x THulo do vapor

9Ceredo,.., de Vapor. COOIpOflCntesPrlncipaisGeraf9:~o de Vapor8

Consumo de combustivel = 20 kg comb./sTemperatura do combustivel ~ 25 CPeder calorifico inferIor - 17.473 kJ/kg comb.Massa de ar de co.bust~o = 7,357 kg ar seco/kg comb.Umldade do ar - 0,013 kStkg ar secoMassa de ga~es de combustilo 8,080 kg gases/kg comb.Massa de clnzas leves E 0,295 kg clnzas/kg comb.Te.peratura do ar de combustilo 300 C

Dados:

residual dos gases de combustll.o.

superaquecedor e reaquecedores. Considerando os Desmoscalcule a tellperatura correspondente ao calordados do exerciclo 2.1,

2.2- No processo de transfer~ncla de calor, parte da energla dlsponivel napulve rlzado fai cedlda pelos gases de combustlo para asquelma do carvll.o

paredes d'agua,

A fornalha e 0 componente da unldade geradora de vapor destlnado aconverter a energla quimlca do combustivel em energla termlca. De acordoco. 0 tlpo e cos a qualldade do co.bustlvel dlsponlvel, os projetos tem sealternado entre (ornalhas para quelma es suspensilo, que Ililaem grelha, ouquelma em leito fluidlzado.

As fornalhas de quelaa e. suspensilo tem apllca

-Funclonamento sob carga constante, llgando ou desllgando em tornode ua nivel aedio de demanda termlea.

-Funclonament~flxo ea carga aaxll1a, em carga minima, ou sea carga.-Funcionallento sob carga varIaveI e continua entre dois nivels,maximo e .10101.1"0,de demanda ter.lca.

contato dlreto da chama com os tubas d'agua.-Dlmens~es aproprladas para a grelha, no caso de quel.a decoabustlvels s6l1dos.

-Forma apropriada para a c~mara, no sentldo de favorecer a queima egarantir fluxo regular dos gases de co.bustAo.

-Temperaturas compativels co. 0 equipaaento e COM 0 pr6priocombustivel que se deseJa quel.a .

noo combustivelpara quelmarefetivamentec~mara.

-Dlsposl,,!o adequada dos quelmadores de modo a evltar qualquer

Os dlsposltlvos de controle obJetlvam manter 0 quelmador sobcondi~~es ideals de opera~ao, regulando pressao e vazAo do combustivel oudo ar de combustao, Os disposiUvos de seguranca devem lapedir eventuaisdanos aos equlpamentos eoperadores envolvldos. Para controle da cOllbustlo,dlferentes sIstemas sao utllizados, tals como:

tempointerIor dagasto

-Altura compativel COllia circula~i!.oda agua nos tubos e

sequeFig 3.1- Esquema de uma c1mara de cOllbustloadaptada a wna caldeira do tlpo aquotubular-Volume aproprlado ao tlpo e a quanUdade de combustIveldeae ja quelmar.

Em ter.os geraIs, 0 projeto de uma cAmara de combustao deveconsiderar os segulntes aspectos:

0-CINZAS

-QueiGa de 6leo ou de gas natural-Quei.a de carvAo pulverizado-Queiaa em grelha-Quelma ea leito fluidlzado

caMARA DE~BUSTAo

GASES

Em fun~10 das condi~~es de instala~Ao e opera~Ao do queimador, 0 arnecessaria a coabustlo pede ser adaitido na foraa de ar primario,secundar-Io e terciario. sao ~is usados as quei.adores que ut LlIzaa arprilllArioe ar secundarIo. 0 ar pri_ario e utllizado para nebul1za~i!.odo61eo combustivel, transporte de combustiveis s611dos pulverlzados, ou nadestlla9lo preUainar de hidrocarbanetos. 0 ar secundar-Io e Lancado deencontro l nuvem farmada de combustivel. OU gases combustlvels, no sentldosempre de assegurar uma combustlo total e estavel.A nivel lndustrial, UJD nUmero cons Iderave l de equipamentos ja tem sideprojetado e construido, no intuito sempre de obter alta eficiencia e rapidoret~rno do Investimento. Dentro desse quadro se sobressaem aquelesequlpamentos, normalmente projetados para os combustlveis convencionals ede eficiencla plenamente comprovada, aals especificaaente aquelesdes tlnados a:

TAMBOR SEPARADOR

13Fornalbas

-0CO"BUSTivEL

+ AR

CON JUNTO DEQUEIMADORES

~

Fr

Cer.~ao do Vapor12

indivIdual e da carga terllica exlgida peladepender de sua capacldade

o dlmensionamento da c~mara de combustlo deve assegurar espa~amentoadequado entre queilladores e paredes d'agua. UII eventual contato da chamacom as paredes pede provocar uaa elevada taxa de troca termlca, a ponto deprovocar a fentlmeno conhecido por evaporacac de fUme, call consequentesuperaquecl ..ento do IRaterial dos tubos. Os espacaaentos varia., de acordocom 0 tlpo de combustivel e com a capacidade dos quei.adores. Quelmadores a61eo COm capacidades que varla. entre 1 e 10 HW (860 e 8600 Heal/h), porexemplo, exlgem afastamentos minlmos de 0,4 a 0,8 ..das paredes laterais edevea ser instalados em fornalhas COli profwidldades l1inlmas de1,5 a 3,5 m (01). Quelmadores a carvao pulverlzado J~ exigem afastallentosmalores, pelo aenos COil reIacao ~s paredes laterais. A disposl~ao dosquelmadores e varlavel de acordo com a tlpo de combustivel, da fornalha ouda pr6pria caldeIra. A flgura 3.2 exeDlpliflca algumas InstaIacees,usual.ente adotadas em caldelras aquotubulares de porte malar. A Instalao;aodos queimadores em posio;ao frontal e coaua na lllaloriadas fornalhas acarvao pulverizado e em, pratlcamente, todas as fornalhas a 61eo. A op~aopor quel.adores instalados em posl~10 vertical e convenlente, par exemplo,quando se deseJa operar fornalhas a carvsc pulverlzado de fundo (lmldo(itell3."'). A dlspos19ao tangencial se caracter lza pela instala~ao dosqueimadores nos cantos da fornalha, de .odo a crlarem um movlaentorotaclonal de alta turbulAncla sabre 0 nacleo da chama. Em qualquer caso,os que1aadores devem sempre garanllr uaa chama regular e transferencia decalor hOMOg!nea para as paredes d'agua. 0 nUllero de queilladores val

xxxxxx:xxxxxxxxxxx

Queima de lenha:-Em grelhas incllnadas-Em grelhas m6veis

xxxxxxxx>ocxxxx :XX:XXXXX:XXxxxxxxxx

QueiMa de 6leo ou gas:-Caidelras aquotubulares-Caldelras flamotubulares

xxxxxxxxxx

Quelma de carvao:-Pulverlzado (fundo seco)-Em greihas m6veis

800 1200400000

Tab 3.1- Cargas termlcas volumetrlcas lndicadas por algUAa~fornalhas ellopera9ao e adaptadas Com paredes d'agua (kW/m )

15Fornalhas

..~

I'

A. carga termlca volumelrlca depende, prlnclpalaente, do tlpo decombustive I, capacldade do gerador, processo de queima e caracterislicas dacamar.a de combustao. A. lnfluencia sign1ficatlva de lodos esses falores eoutros mais resulta em cargas termicas bastante variaveis. A. labela 3.1 dauma idela dessa varia~~o, mas nao identifica casos especlflcamenteindividuals e, portanto, nlo serve de subsidlo para proJeto de novosequlpamentos. Caldeiras flamotubulares, por exemplo, na realldade temapresentado cargas terlllcas numa faixa bell malor, aIcancando valores dacrdem de 2000 kW/m3 (430 a 1720 Hcall..3h).'

A altura deve ser de~inlda de modo a nao preJudlcar a efrculacaonatural da agua no interior dos tubes e, tambem, de modo a garantir temposuficiente para quei.a tolal do cosbust Ive1 no in:erior da cruaara. Nopri.eiro caso, se a clrcula~a.o for deflclente, 'se_pre haver a 0 risco desuperaquecl.enlo locarlzado, COM consequente enfraqueclmento dos tubos. Nosegundo caso, se a altura for insuflciente, podera ocorrer quelma de gasescombustl veis no topo da fornalha, ou temperaturas multo elevadas, naorecomendaveis aoS tubos dos superaquecedores.

q ~ Energia llberada (kW)Vee= Volume

A presenca das paredes d'~gua nas fornalhas tem sldo fatorpreponderante no estabeleclmento da temperatura de equilibrio no inter~orda camara de cOllbustao. As temPeratura's normalmente encontradas estao nafalxa de 1000 a 1200 c.. Entretanto, alguns casos particulares upHam essafaixa para valores entre 800 e 1800 c. A queima de carvao f6ss1l, porexemplo, edge 0 conheci!lento da temperatura de fusao das cinzas. Hessecaso, as f~rnalhas devem operar com temperaturas que contornem 0 problemade aglomerac~o dessa clnza nas paredes d'~gua ou superaquecedores(lte. 3.4). Deve-se sempre operar com temperaturas que assegurem combustaoplena, mas que n10 co.prometa. 0 Cunclonamento au a seguran~a daInstalacao. ~. termos gerais, pode-se anteclpar que 0 fluxo de calor, entregases de combust~o e paredes d'agua, no interior da fornalha, varia numafalxa bastante reduzida, na orde. de 180 a 220 kW/1I2para queima de 61eo ede 200 a 250 kW/.2 na queima de carv30 pulverlzado.

xxxxxxxxxxxxxxxxxXX>OCXXXXX

Queima de lenha:-Em grelhas incltnadas-Em grelhas .ovels

xxxxxxxxxxxxxx

Queima de carvao:-~ grelhas estacionarias-Em grelhas m6vels

600400200000

Tab 3.2- Taxas de carregame2to Indicadas por algumasfornalhas em operaCao (kg/. h)

carregamento tambem depende de uma serle de fatores, princlpalmente do tlpode grelha, tlpo de combustivel e tlragell dos gases de combustao. A nlvelgeral sao encontrados valores bastante varl~veis, conforme fica bemcaracterizado na tabela 3.2. Vale lembrar que as lnformacoes aqui reunldassao empiricas e nao excluem a possibilidade dos mesmos equipam~ntosoperarem com taxas de carregamento fora das falxas aqui Indicadas.

A forma da cAmara de combustao tambem tem Influencia sobre aeflcl~ncla do equlpamento. A forma das paredes deve assegurar queillaeflclente do combustivel e fluxo regular dos gases, inclusive no topo dafornalha, onde normalllente estao instalados os superaquecedores. Em geralas clmaras de combustao sao retaogulares, mas tallbe.podem Ser construidas,sem qualquer preJuIzo, nas formas circular, hexagonal ou simIlar.

Fornalha. 17

'\

A exemplo do que ocorre co. a carga ter.lca volumetrlca, a taxa de

Jllcb- Consumo de coa.bustivel (kg/h)Ag = Area da grelha (m2)

onde

(3.2)JDcblIZ.b

Algumas unldades sao proJetadas para quelmarem combustIve Is s611dossobre grelhas. Nesse caso, as dlmensoes da grelha pede. ser prellmlnarmentedeflnidas pela taxa de carregamento, m.., sendo

FIg 3.2- Alternatlvas usualmente adotadas naconce~ao de fornalhas de quelma em suspensao

DISPOSICAO TANGENCIAL

OISPOSI(:Ao VERTICALDISPOSICAO FRONTAL

-0-0

AR =;1COMB..AR -~ ~

.e: -'

Os cOl1bustlveis s6lidos .ais empregados na gera

20 X, 0 poder calorifico superIor da Ilnhlta pode assualr valores da ordemde 21000 kJlkg.

o carv!o e 0 combustive 1 fossIL lIals abundante da natureza.Diversas formas de class1flca~io slo sugeridas. Costuaa-se deslgnar porcarvid betumlnoso todo 0 carva.o com elevado teor de aalerlas volAtels[09].Segue-se 0 carvao selll-betumlnoso (materias v91ateis entre 10 e 18 X) e 0

~ algumas mInas 0 teor de enxofre e 0 teor de clnzas assumemvalores alnda malores. A presenca desses componentes nlo e desejaveI porImplicare. e. Ul\a serle de lnconvenlenles de ordem ecol6gIca ou lIaterlal. 0enxofre, quando combtnado.coll vapor d'agua, forma acldo sulfUrIco, atacandoas partes Mats frlas da unidade geradora de vapor. A clnza, dependendo datellperatura na clnlara de cOllbusU.o, pode fundlr e se agiollerar Junto assuperficies de aqueclJ1M!ntoda caldeIra. .Nas fornalhas para queima emgrelha, ainda, pode ocorrer obstru~lo parcIal da passagem do ar decombustlo. Em termos geraIs, a cOllbustllodo carvio lmpllca na emlss110 defullgem. 6xidos sulfurosos, metals t6xlcos e compostos orgAnlcos ~carclnogAnicos. Preciplladores berndimensionados pode. remover ate 98 Yo de

Para um conteUdo maxImo de ctnzas ell torno devalores entre 10 e 20 ".

para valores em torno de 35 %. 0 pader caloriflco superior da turfa assumevalores da ordem de 12500 kJ/kg.

A IlnhIta, fase lntermediarla entre e turfa e carvi!.obetuainoso, eformada pela decomposl~!o u-Ida, submetlda a press!o de crostas ter~e~tres.A IlnhIta, ao ser retirada das minas, aloda apresenta alto teor de umldade(30 a 50 xl. Secada aoar, entre tanto, 0 teor de umldade pede balxar para

Secada ao ar-, consegue+se reduzir 0 teor de UIlldadeelevado de umldade.

Carbono 47 Y.HldrogAnlo 3 Y.Enxofre 4 Y.Oxigenio 5 XNltrogenl0 1 Y.Clnzas 40 X

Ela apresenta ua conteUdo muitofase de forll\a~llodo carvao mIneral.

Nalurall1l8nte que os cUculos deve.. considerar tamM.. 0 teor dewuIdade, que em termos reals osclla entre 10 e 30 Y.. A temperatura de19n1

trabalhar com temperaturas balxas, a paraflna ccaeca a cristal1zar, sesolldificando ao Longo da tubula~ao e preJudicando 0 escoamento normal do6leo.

caract.rlstieas para 0 61.0 diesel para 0 61eo residual utiliz.ada em

caldeiraa. Toda instalal_iao, para armazenamento e usa de 61e09 residuais,.

d.ve po uir sistemas de aquecimento. HI. a neceseidade de urn aquecimentopreliminar. para permitir 0 trabalho de bombeamenta e de um aquecLmento

tinal, au complementar, para redu~ao da viscosidade a nLveis adequados decombustl.o. Sob temperatura de 120C, a viscosLdade do 6leo residual cai

para os valores recomendados pelos fabricantes de queimadores, na ordem de

40E (ver apAndice, pagina 183).

Aode petr61eo deverlio fluir se. apresentar prcbreeas de esceaaente.

A tabe1a 3.4 mostra os valoree m6dios de algumasCotIl 61808 naftAnicos.

Aqua e sedimentos pede levar ao bloqueio ":e liltros e queimadores ou at'ormac;lo de amulsc3es dificeis de serem quebradas. Davida a inconvenientes

de.sa natureza, inclusive, n~o e recomedAvel a mistura de 61eoB parafinicos

regul aeentan teor de enxofre, viscosidade, ponto de fluidez, ponto defulgor e densldade.

A viscosidade esta diretamente relacionada ao processo de combustlioe deve ser suficienteMente re~uzida, para que 0 quelmador possa garantir umbOil trabalho de nebuliza,,~o. A viscosidade do 6leo tea side co.ercialllenteindicada de acordo COli a escala Engler ou de acordo co. a escala SSU(Segundos Sayboit Universal). No Sistema lnternaclonal de Unidades (51), aviscosidade cinematica e indicada e. m2/s (1 .2/s - 106 cSt).

ponto de fluidez indica a temperatura mlni.a e. que os derlvados

A contamina~3.o perde sedimentos por extragao, nao deve exceder a 2 ,.Sua co"erciallza"ao atende a normas queutllizado na industria Iloderna.Para todoa e8 61e09, a quantidade de Aqua por destilagio, somadas aamplaaenteresIdual, e parte rellanescente' na des tLlacao do petr61eo.

6ieo combustivel, ta_belllchaaado de 6leo co.bust1vel pesado ou OUtroa

Carbone 83 \10 ,

6 ,Hidrog~nioEnxotre

compo.i~loqulmlca pede oscilar em torno dos sequintes valoree:aPara 61eo destinado ao usc em caldeiras,bidroglnio e enxofre.

A temperatura de fus~op~ra a clnza aclma especlflcada e da orde. de1540 "C. Entretanto, ocorrem deforma"Oes J! a partir de 1300 "C.

Os combustivels liquldos, noraal.ente e.pregados na gera"lo devapor, s~o derlvados do petr6ieo. Gasollna, nafta, querosene, 6leo diesele 6leo combustivel sao fra~Oes obtldas da destila~~o do petr6leo. Apenas 06leo combustivel e usado em caldelras. 6leo diesel, ainda que queiaadoe. algwoas caldeiras, telllsua producao destlnada a IIOtores de combustaoInterna.

maSUA 8.pacifica da Aqua a 4C.08 61eos combustiveis residuais, dispontveis no mercado brasileiro,

apr.eentam caracteristicas berndiversificadas. 0 61eo tipo BTE .(BaixoTearde Enxofre), per exempl0, terncomO caracteristica principal a limitayao de1, na quantidade de enxofre. NOBdemais tipo. de 6180, esse percentual

.abe para 6 \. Em geral, OB 61eos residuals Be comp6em de carbona,

10 "3 x

55 "32 "

6xido de silicio (Si02)dxido de aluminio (A1203)dxldo ferrlco (Fe203)dutros (CaO, MgO, Na20 ...)

oC eA den.idade 6 a rela~aoda maS8a especifica do combustivel a 20

pequana chama no interior do mesmo. OCorrera inflama"ao simultanea quandoa temperatura corresponder ao ponto de fulgor do combustivel. 0 ponto detulgor para 61805 combustiveis residuais e da ordem de 130 e.

Periodicamenta introduz-se umaprogressivo, com aqita~ao constanta.niquel, vanad to, zLnco, cobalto, Ilanganes, sulfatos e' certos compostosorganicos aderell-se a essas partlculas.

A composi"lio qui_lea das cLnzas tambell e bastante var Iave I, UIIIaanalLse aproximada, no caso do carvao identlficado anteriormente, podeindicar a seguinte composl"lio:

o ponto de tulgor indica a temperatura de intlama~io do combustivel.A d.t.rmi,na~l.odo ponto de fulgor Ii feita pele apuelho Pensky Martens.

O'mami.tura do combustivel e introdu%ida no aparelho e 80fre aquaciraentoChuabo, c!dmio, antimonio, selenio,c1nzas ~als noclvas a saude humana.

toda a fullgem, mas s6 pede. captar uma parte das mlnusculas partlculas de

23FornalhasCcra~io do VApor22

Conslderar UJIa fornalha proJetada para quelD1ar 1 kg/s de carvaof6ss11 (47% C, 3X H, 4X S, 5% 0, IX N e 40X de clnzas). Admltlndo-se

Gases de pantanos, ou gases provenlentes da fermenta9ao de detritos,la.bem slo classlflc~dos como naturals, mas ainda te_ usa restrito no campo

Exemplo 3.1

radloatlvas, ao ccnt rar-Ie dos coabustive t s convencionals, llberam energiaate_ica por fissao ou por fusao nuclear. A flsslo nuclear se process a emreatores, aediante bo_bardelo controlado de neutrons. Os perlgos deradioatlvidade tea diflcultado uma utiliza9lio _als ampla de reatoresnucleares na geralo de vapor e, portanto, na gera910 de energia eletrica.Metano (CH4) 90 x

Etano (C2H6J 6 %Nitrogenio (N2) +- 3 xDi6xido de carbona (CO2) - . ,1 x

~

As subs tanc1as(U-235), slio classiflca1as como cembus tIve t s nucleares.As substa.ncias radloatlvas exlstentes, como 0 Is6topo de urant o

A presen9a de enxofre e J~uena. No ca~o de gas natural tratado pararemoao de hidrocarbonetos aalores, para usa comerclal, 0 tear de enxofre ~

3 .normalmente Inferior a 22 mg/m n e, por exempla, pode apresentar a seguintecoaposi910 qulmlca (% ea volume):

D16xldo de carbono (CO2)- 1 %

12 X26 X

X

54 %7 Yo

Hldrogenl0Mon6xldo de arbonoMetanoNltrogenloD16xldo de enxofre

73 X14 %3 X

2 x7 %

Melano (CH4)Etano (C2H6)Propan~ (C3H8)Butano (C4H10)Nltrogenlo (N2)

Oleo de xlslo, iUcool e alcalrlo slo tambell disponlveis a nivelindustrial, mas ainda de usa pouco COllum na geralio de vapor.' AlgumasIndust rIas tem 0 alcatrao como sub-produto de processos de destlla9lio damadeira ou da hulha.

Os cOllbustiveis gasosos lambem sliodlsponlvels na sua forma naturalou de forma artifIcIal.

o gas naturai e obtido de campos petroliferos e, de acordo COm SUaorIgem, apresenta caracteristicas bastante varlavels. A compos19lio quimlcado gas natural varIa em torno dos segulntes valores (X elavolume):

gasogenl0, gas de igua, gas de coquerla ou gis de alto-forno slo todoscombustivels obtldos a partir de processos industrIals. 0 GLP (gasllquefeito de pelr6leol e const.ltuido por hldrocarbonetos resultantes deprocessa.entos convencionals de reflno de petr6leo ou do gas natural. Oshldrocarbonelos predomlnanles no GLP (propano, propene, butano e buteno)slo gasosos, mas se 11quefazem sob pressOes relalivamenle balxas. Emboraapresenlem uma serle de vantagens sobre os demals coabus t IveLs , nao evlavel 0 usa de gases na geraao de vapor, a nlio ser nos casos em que haJarealmente disponlbllldade do produto a custos compensadores. Naturalmenteque os custos COm a produao de gases cOllbustivels sao relatlvamente altose dependem tanto da materia prIma como do equipamento envolvido. Um mesllotlpo de gas, InclusIve, pede ter compos19ao quhica bastante var taveI. 08aS de gasog~neo, por exemplo, tambem chamado de gas pobre, e produzido apartir da coabust.ao Incoapleta do carvao ou da madeira. Ulla anUisevolUlletrica, tip1ca para 0 gas de gasog~nio (base seca l, pode Lndlcar asegulnte composllo quimlca (X em volume):

Enxofre Densldade VlscosldadeCombustivel( X I (20/4 Cl (oEiSO "c) (SSU/38 GCI

Oleo diesel 0,7 0,83 1,3 39clleo resIdual 6,0 0,98 135,4 22000

GLP, hidrogenio, g's de lluminaao, gas de 61eo, gas deindustrial.Tabela 3.4- Caraclerislicas m~dlas de 61eos combuslivels

25Fornalho.24

Fig 3.3- Esquema simplificado do processo deaqueclmento e combustao do 6leo combustivel.

~UECEDOR

caldeira. flamotubu1ares, par exemplo, s10 normalmente equip_d.. compequena. clmaras de combustao. ~s._ carqas t6rmicas d. caldeira.flamotubul~re. sio aLt ae , em alguns casos, suparando me.mo a ca._ do.1000 kw/ml (1720 Kca1/mlh)! Hao e 0 que ocorr. com ae cald"ira.

CONDENSAOOBOMBA

o usc d. 6leo combustivel envolve c emprego d. quaimadora.apropriadament. projetados e distribuidos em lornalhas d. queima em,suspenBl.o. 0 6180 dave sar nebulizado til lDisturado coca 0 ar, d. loraa iI.ass8gurar utDA chama e.tivel e suficientemente di.tante dae pared.. da

3.3- ~u.ima a. oleo

OLEO (120C)pi OUEIMAOOR

o _spayo r.servado para a combustlo , baatant. var~'v.1.fornalha.

CONDENSAOO

TANOUEPRIN C1PAL

au 19,01 MW, correspondente 1 energia liquida resultante apenaa do processode combuat!o, neste caso em particular, desconsiderando-s. 0 calor naivelja associado aoe fluxos de combustivel .de ar de combuatao.

II, consideraodo 0 consume de combustivel, mCb 1 kg/., tam-a.

transformar no malor nu-ero de gotas possivel e, consequentemente, garantirmaior area de contato com 0 ar de combustao. 0 tamanho das gotas varia de10 a 200 I'JI. Bons quef aadcr es garantem WI minima de 85)1, de gotas comdia.metro inferior a SO pm.

Pc! 19.009,9 kJ/kg

o liquldo deve ser nebul1 zado de mane ira a sereslst~nclas eletricas.Pc! 19668,7 - 2440.(9.0,03 + 0)

0,05Pcs 33900.0,47 + 141800. [0,03

Pcs. 19.668,7 kJ/kg

permltlr 0 trabalho de bombeamento e corre

Os quelaadores de pressao com retorno de 61eo sao conslruidos

Fig 3.4- Nebullza~ao mecAnica (presslo direta).

-0

Uma unidade gerad~ra de vapor, com capacidade para 200 kg/s de vapor

Exellplo 3.2

FIg 3.8- Nebuliza9io coa auxillo de copo rotativo.

equlvalenles entre 10 e 25 ~,do ar total de combuslao.A quantldade de ar pri.arl0 alcan~ propcrcsessua capacldade nominal.

jato e bastante Ilmltado, mas e posslvel trabalhar Ja a partir de 20 Yo dao controle da forma dod1retamenle na casara de co.bustAo (figura 3.8).

nebulLzacao, Iancando a nebllna formada de encontro ao ar secundar rc,Hesse caso, 0 ar priaarlo tem uaa a~o co.ple.entar departiculas.

prlDiario e for"ado contra UlII cojuntc de palhetas f'Ixas , adqulrlndo wamovlmento turbllhonarl0, de modo a carregar e foraar co. 0 oleo uma ..Isturaperfella. A nevoa formada, anlmada de Dlovl.ento rotativo e sob altavelocldade, se proJeta ao encontro de ar secund~rI0, no interIor da camarade combusU.o.

Nos queiaadores de copo rotativo, 0 oleo ~ baabeado ate 0 interIorde um copo cOnlco ea regIme de alta rota~l!.o(3000 rpa), for.ando UIR fllme,que ao a.lcanear 0 extremo do copo tende a desagregar-se eDi pequenas

o aresque..a de "'" quebador, que funclona com ar sob halxa pressio.

quantidade de ar de nebullza"io e malor, podendo alcan"ar propor"oesequivalentes de 15 a 30 Yo do ar total de combustAo. A flgura 3.7 .ostra 0

31Fornalha.

I

Hesses que1madores, aque varlam de 5 a 10 lcPa (500 a 1000 lIIIIIlzO).Hultos queimadores a ar oper-as COli ar de nebul1za".,o sob pressoes

Fig 3.7- Nebullza"l!.oa ar

OLEO

-. :r==n=~r.:====i :===:~~J Is Ll ARIZ)ARlO

press~es mals altas. multoquel.adores sl!.oconstruidos para operare. com .comUIII,inclusive, 0 uso de quelmadores projetados para operare. tanto comar primario (1,5 a 6 bar) como com vapor (3a 10 bar). 0 suprimento de arsecundarI0 e normalmente obtido co. 0 auxilio de ventiladores cetrifugos.

em press~es que varlam de O,~a 1,5 bar.ar de nebullza"l!.o varia de 25 a 50 Yo

Nos quelll\3dores a ar, a pressa.o do 61eo 4: norraalmente inferlor a'1,5 bar. 0 ar de nebullza"ao (ar prlmario) e fornecldo por compressores,

Nessas condi,,~es,a quantldade dedo consumo de 61eo. Alguns

regulados garantem u. conswao de vapor inferior a 10 Yo do ~onsumo de 6leo(0,10 I

.0 ar utlUzado na quel..a de carvio pulverizado ~ normal..entepr()-aquecldo pelos gases de combustao. U.a parte desse ar Car prll1arlol edesviado para transportar 0 p6 de car\(llodo IIOlnbo para quelmadores

FIg 3.9- Esque.a sll1pllficado do processo delIoage.e de transporte do carvllopulverlzado.'

SILO

OUEIMADORES

~ ,'"

CARVAo

envolvendo 0 emprego desistemas complementares de

com a

a uso decarvl!.opulverizado exlge. entre tanto. alguns culdados especlalsestabilidade de chama e com sua preparac;lIo.estelras transportadoras. silos. molnhos eoperac;lio(flgura 3.9).

sempre garantlndo Ulna mlstura rlgorosa com 0 ar- de combustlio.

co. os IIeS.OS crlterlos adotados e.quel.adores a 61eo. evitando contatos da chama com as paredes da fornalha e

a carvlo pulverlza~o sempre ternse apresentado Como uma alternatlvavantaJosa para uso no campo da termeletricldade. as quelmadores de carvliopulverlzado tea sido proJetados

3.4- Quei....de Carvao Pulverizado

33}'ornalhaa

sugerlndo valores superiores a 1250 .3.

qVee>

;'cb.Pcl

entretanto. podell indicar a ordem de grandeza do volume necessario.conhecendo-se apenas 0 consumo de 61eo combustive!. A tabela 3.1 indicacargas t()rmicas varIavets entre 200 e 800 kll/m3. No case de caIdeIr-asaquotubulares de porle lIalor. entrelanto. informac;oes complementaresIndlcam cargas termlcas Inferlores a 400 kll/m3. Nessas condlc;oes.0 volumeda camara de combustllopode ser estlmado. conforme equac;lIo3.1.

CUcul09 prel1l1inares.diversos fatores envolvldos no processo.A cAmara de combustllo deve ser dimenslonada de forma a considerar

me. = 12.1 kg/s

Pcl."hb=-----

m. (h.-h.)

Adm1tindo. agora. que 0 poder calorif1co inferior do 61eo seJa daordem de 41600 kJ/kg. pode-se estlmar 0 consumo de combustivel apllcando-sea equac;lIo

hv 3401 kJ/kg (12000 kPa; 520 GC)h. 1133 kJ/kg (12000 kPa; 260 GC)

Co~ 0 auxl1io de tabelas termodinamicas tem-se;

Resoluc;lio:

a) 0 consumo de 61eo combustivel.bl 0 volume mlnimo para a camara de combustllo.

para quelmar 61eo. AAdmltlndo-se rendlmento

superaquecldo (12000 kPa; 520 Cl. ~ proJetadotemperatura da agua de al1mentaC;lIo~ 260 C.t~rmlco da ordem de 90 ~. estimar:

Co,.a.~5.o de Va.por32

aproxilladamente 20" de todo 0 ar utllizado na combust:l.o [03]. Osqueimadores s!o proJelados de forma a Impor DOvlaenlos de rota~ao tanto aIllslura do p6 de carvao COlI0 ar pri.arlo, como 80 ar secund;irio.

o ar prlmArl0 deve ser lanc;adoCOlivelocldades entre 15 e 25 mis, 0suficlenle para arrastar 0 combustivel e evitar eventual retorno da chama.o ar secundar Io, por sua ""2, eo Iancado com velocldades var IaveLs entre20 e (()als. Entretanto, no sentldo da chama penetrar suflcientemente 0interior da camara, algumas Cornalhas sAo projeladas co. Jatos de ar maisfortes, aapliando a falxa de velocldades para valores da ordellde 80 als, 0campo de regula,,!o e geralaentf! superIor a 40" da carga uxiaa do

o ar compreende POl' exellplo, a utlliza9ao apenas dosquel.adores sltuados em nlvei superior .inlmlza 0 efeito das superfIcies detransfer~ncia de calor aals balxas da fornalha. POl' outro lado, COm cargasaaxillas sao ta.bell'acionados os queiaadores sltuados ell nivel Inf'erIonenvolvendo tada a ;irea dlsponlveI para troca de calor, "Dessa forma,controlando a troca de calor POl' radlac;llono Interior da fornalha,conlrola-se lambem a te..peraturados gases que deixam a fornalha.

A 'temperatura de fusa.o das clnzas e fator deterllinante para aescolha do llpo de fornalha. Nas fornalbas de carvao pulverlzado, as clnzasrema~escentes da combustao podemser retiradas no estado s611do (f'undoseeD) ou no estado 1lquido (fundo Umido).

primarlodlretamente na camara de combustllo,

Qualquer flutua"ao nademanda de vapor, por exeaplo, tende a alterar a temperatura de salda dosgases no topo da c!mara de combustao. l.portante que tadas as condl,90es detrabalho seja.. continuaaente restabelecldas. A utlqzac;ao de queimadoresInclln~vels, ou a instala~ao de quelaadores em d'versos~ nivels da camara,vlabillzam 0 restabeleclaento das condi90es de trabalho, de forma raplda esegura. Durante cargas ..lnlllas,

Dlversos tlpos de queiaadores s!o disponivels a nlvel de' mercado. Aflgura 3.10 DOstra 0 esqueoaa de um queillador a carvao pulverlzado, quepermite ainda 0 usc de 6leo COIllO combustivel auxiliar. 0 p6 de carvao,juntamente co. 0 ar prillLirlo,eo projetado de encontro ao ar secundar Io,

problella de ajuste ou de equilibrio da unldade.rapldaaente as varlac;Oesde carga.um constantecomde opera,,:l.o, responderdepossibiUdades A manutenc;:l.odas condl"iles de operacae desejadas or;

gis.

-FlexibUidade

FI~ J.IO-Queimador de carvao pulverizado

-0 atendlmento de caldelras de grande porte. com cap~cldadessuperlores a 1000 Vb de vapor.

-Sua alta eflci~ncla ~ralca, como resposta a UM processo de queima'mais regular COill ua ainblo excesso de ar ,-A possibilldade de operar e..co.blna..a~ coa queiaadores a 6leo ou

COLEO

". c.. ,.. -'~'" 1-o-

quelmador. Dependendo do porte da caldeIra, alguns tlpos de queimadores saoconstruldos para operarem com capacidades aclma de 40 MW [02J.

apropriadamente distribuidos nas paredes da fornalha. A granulometrla docarvao or; var IaveL Uma boa pulveriza"lIo e obtlda quando de 10 a 90 " docarvao tem granulometrla inferior a 200 mesh (15 pal. Porcentagens maioressllo desejaveis, mas implicarlam em maiores despesas de opera"ao e.anuten"ao dos equipamentos de prepara"lIo do combustivel [031.

Naturalmente que a ~o por fornalhas de carvao pulverizado envolveinvestlmentos adlcionais coa os equlpamentos de aoagem do carvao e coa aremo"lIo de cinzas arrastadas co. os gases de co.bustao. Alem dlsso SliDslgniflcatlvos os custos adlcion~ls coa a opera,,:l.oe .,anuten"ao dessesequlpamentos. A quel.,ae. grelba seria uoaaalternatlva imedlata para 0 uscde car'iiiof6s5i1. Entretanto, a quelma de carv:l.opulverlzado compensa,prlncipalmente tendo eravIsta:

3Sf'ornalha.Ger.~ao de Vapor34

.!las fornalhas de fWldo (uUdo (figura 3.12), os queimadores saoprojetados para lam;ar. a chaJaa para baixo, prevendo percurso e temponecessaria para que a combustao se co.plete no fundo da camara. Nesse localos tubos sao protegldos par material refratario e as cinzas sao retiradasno estado liquido, garantindo-se IDl minimo de arraste com os gases decombusUio. 0 volume da camara e seapre menor, no sentido de garantirtemperaturas superlores a temperatura de fusao das cinzas, mas semcomprometer a eficiencia ou a seguran9a da instala.,ao.

o carvao pulverizado tambea pede ser queimado e. fornalhas do tipociclone (flgura 3.13). EDlbora tenham side originalmente projetadas paraconsumir carvao triturado, de granuloDetria inferior a 12 mm, as 'fornalhasclc16nlcas talRbeJll operam co. carvao pu'Iver fzado e. eeaao, nao oferece.restri

o tamanho e 0 numero de fornalhas ciclOnlc3s dependem da~1ezibilidade de carga-requerida e da capacidade da caldeira. f convenienteque todo carvao constltuido de cinza.s com baixo ponto de fusao sejapr~oritariamente destinado aa fornalhas de fundo umido ou fornalhaa do tipocl-clone.

Carvio CarvaoPulverizado Granulado(Fundo seco) (Cicione)

Fornalha 20 70Precipitadorea 76 29chaminti 4 1

Tab 3.5- Porcentagem de cinz.!leratidas em unidadesde 600 HW,equipadas com tornalhas diterentes (03).

8imples.

capacidadeB que variam de 45 a 125 MW (03), a quaima ?o combustivel eeproceaea em c1maras de pequenos volumea, atingindo temperaturas superioresa 1600 c. Ae altas temperatura8 atingidas promovem a fusi.o das cinzas,fOrlllando uma fina pelicula sobre as paredes do ciclone, at~ sua extra~aopela parte inferior da fornalha. Apenaa uma pequena parcela termina sendo.arr ... tad. pelos gases de cambustllo para a chaminli. A tabela 3.5 d.\ urna

Ld6ia desse arraste e compara du.s Instal.g6ee de masma capacidade,adaptadas com fornalhas diferentel. As cinzas leves podem ser reinjetadasna camara de combustao e retiradas no eat.do liquido. As cinzas llquidaB.ao quimicamente inertes e os di9poaitlvos de coleta sao relativamente

au

pul'Yerizado.Projetadas com cargas t4rmicas superiores a 5.000 kw/ml,

ar 6 nor~almente inferior ao uti11zado nos queimadores de carv~o

Fornalhas 39

)-,

As fornalhas clcHlnlcas foraJll Iniclalllente Instaladas ea centrals

lerl1eletricas. Mals tarde, seu uso fol estendldo para apl1cao;ao no callpo

IndustrIal. A utlllza,.ao dessa fornalha, partlcularl1ente para carvao

trl turado, envolve lienor custo de preparacao do combustivel e garante UJl

conteudo bastante reduzldo de clnzas nos gases de cOllbustao.. 0 excesso de

Fig 3.13- Fornalha ciclOnlca

FORNAI..IIA

PAREOE 0 AGUA

AR(Z)~

CARVAO - l .-h._AR(II-~

rGASES

aadelra OU oulros combustlveis slmilares. As fornalhas clcl6nlcas seconstltuem de umcllindro horizontal, Intelramente refrlgerado por agua econvenlentemente revestldo por material refratarlo. 0 ar secundirlo eIntroduzldo tangencialmente a altas velocldades (90 a 100 m/s) e obrlga achaMa, em .ovlmenlo de a~~o centrifuga, a percorrer toda a parede Internada fornalha, propor-cfonando quelma total do combustive!. 0 ar secundar Iorepresenta cerca de 70 Y. de todo 0 ar utllizado na combustao. Ao centro e

Introduzldo ar t erc tar ro, provocando 0 efelto de contra-corrente,

facll1tando a combustao.

38 Cer.~o de Vapor

1e-Do Upo de grelha, grau de auto_c;ao, forma de allllenta~ao

A !rea da grelha e nor_laente determ1nada pela taxa decarregamento (itell3.1). ou por outros par~metros j! estabelecidosexper1mentalaente. A taxa de carregamento, em teraos gerais, depende:

Fig 3.111 Dispositivo de all.anta

l-~I.'..~

doladas de paredes d'.~gua.As grelhas rotatlvas sao conslruidas em ferro fundido na fonaa de

uma estelra e sao lenla.ente movidas por engrenagens. A energla consumidapara movl.enlar a grelha, em termos relativos, ~ negllgencl~vel. 0cOMbustivel pede ser allmentado com 0 auxilio de rolores, na forma mostrada

-Fornalhas de grelha flxa ou eslacionaria.-Fornalhas de grelha .6vel.

As fornalhas equlpadas COlA grelhas m6veis sao normal_enlekll/.2 [02).As fornalhas sllo construidas sob for.as baslante dlversificadas,pedendo se classiflcar COMO:

FIg 3.15- Fornalha adaplada com grelha fixa,Inclinada e com refrigera~ao d'agua [OS).

rolallvas leM essas caraclerisllcas e alendem a consumos maiores, pedendoarcancar laxas de carregamento superiores a 200 kg/.2h de carvaof6ss11 [03). 0 tipo e a qualldade do combustivel tambem interfere. na taxade carregamento. A queilla de carvao de boa qualldade, por exemplo, pederepresentar taxas de carreganento ate valores da onflemde,;3())(g/n?h,algoe. torno de 2300 kW/m2 (1980 Mcal/m2h). Por outr~ lado, 0 uso de carvllocom20 r. de WII1dade e 20 r. de clnzas, por exemplo, pode slgnificar consumosmenores, na ordem de 1400 kW/m2. A presenca de flnos tambem interfere epede reduzlr a laxa de carregamento para valores Inferiores a 1000

CINZAS

As fornalhas de grelhascombustivel e remo~ao auto~tlca das cinzas.

recoaendavef 0 uso de carvlo com alto leor de clnzas, princlpalmenle porrequerer lIlalorfluxo de ar e por Impl1car em maior arrasle de malerlalainda combustivel para 0 cinzeiro.

Para caldelras de porle maior, e recomendavel 0 emprego de fornalhasequlpadas com grelhas ..6veis, que assegurem WlIa al1menlac;ao continua do

Nao ecom baixo leor de cinzas, de preferencla inferior a 15 r..

circula~lo, ambos promovea 0 necess~rio resfrlamento da grelha. Jatos devapor, estrateglcamenle dlstrlbuldos pela grelha, auxlliam no processo deremo~ao das clnzas. A uliliza~ao de carvao f6ssil deve se 11mitar aos lipos

Hesse caso, tanto 0 ar pr Imar10 como a agua deda pr6prla caldeIra.

fornalha adaptada COm grelha inclinada, de tubos paralelos, destlnada aquelmar lenha ou residuos industriais. Por dentro dos tubos circula a agua

A flgura 3.15 mostra umasenslvelmente a eflclencia do equlpamento.LENHA

A nivel geral, pequenas unldades tem sldo normalmenle equipadas comgrelhas flxas, fabrlcadas em aco ou ferro fundldo e dlsposlas em planohorizontal ou Incllnado. De acordo COllia tabela 3.2, caldelras adaptadascom grelhas flxas tem sldo proj~tadas com taxas de carregamento superloresa 100 kg/m2h para quelma de carvao f6ss11, ou superlores alSO kg/m2h paraquelma de lenha. Helhores resultados sAo alcan~ados com grelhas Inclinadas,carregamento autom~tlco e tlragem for~ada. 0 carregamento manual favoreceInflltra~aes locallzadas de ar, tornando a combustao irregular e reduzlndo

10GASES

GRELHA

42 43Fornolhas

mat~rlasextra~Ao das clnzas.

-Tlpo de combustivel, quantldade de clnzas e teor devoU.tels.-Fluxo de ar e tlragem dos gases de combustao.

Fig 3.17- Fornalha de grelha incllnada deplacas oscllantes e ali.enta~ao inferior.

CINZAS

Algumas fornalhas, entre tanto, sao construldas COlli paredes na forma dearcos, no sentido de favorecer 0 processo de .lslura.e ignl~ao do malerialcombustivel.

As cinzas caem e. c3J0araS pr6prias (clnzeiros), conlroladas parcompartas, de onde sao removldas par slslemas convenclonals de lranspartede materIals s61idos. A presen~a de carbono nao quel.ado no clnzeiro ,pede

As paredes d'agua sao usual.enle verticais.utllizado na combustao.

o ar secundarto e soprado atraves de duas ou mals fllelras detubeiras, direcionadas para a camara, logo aclma da grelha, sob pressoes de600 a 800 1llIlIH20e nuaa propar~ao varlave1 ellltorno de 30 " de todo 0 ar

FIg 3.16- Fornalha de grelha rotatlva.

AR 121

presen~a de carbona nao quei.ado no cinzelro.Tallbe. nesse caso, ~ InevltAvel asistemas convencionals de transporte.

AR

sao formados por dlversas paredes duplas llgadas i\ camara de ar. Asparedes s~o Inteiramente coberlas pelo leito de combustivel, de modo aevitar caainhos preferencials de ar. Pequenos orificlos, dlslrlbuidos notapa dessas paredes, lnjelaa 0 ar pri.ario no sentido ascendenle de .odo aassegurar uma combustao regular e' bem dislrlbuida sabre a superficie doleito. As cinzas sao automatlcamente re.ovldas do fundo da fornalha por

Os canalsresidenc1a e quanUdade de combustivel que se deseJa quel.ar.

ser Dllnimizadamediante um controle adequado das variaveis que delerminam ataxa de combuslao.

A flgura 3.17 .oslra UIIlafornalha de grelha construida com placasparalelas e oscllantes. As placas oscllana lentamente na parte inferIor dolello, de .odo a aovl.enlar 0 combuslivel ao longo de Dlultiploscanals (relorlas). A frequencia de osclla~ao e fixada e. fun~ao do tempo deI GASES

PAR EOE O'AGUA

I/ESTEIRA

CARVAO

pela figura 3. 14, ou dlretamente pela base da grelha, como Dlostrado nafigura 3.16. Nesse caso, a taxa de combusl~o e conlrolada pela espessurado leito, velocidade da esteira e fluxo de ar.

45Forn.lha..44 Cora'f.i.o de Vapor

:e

sendo TO a teaperatura de refer~ncla correspondente a 0 C. Subslltuindo osvalores na equao;;ioaclma, obtem-se mob = 1 kg/s.

335 kJ/kg4,186.(SO - 0)cp.(Ta - TO)haA queima de combustiveis s61idos, Jlultas vezes, exige a lnstalao;;aode quei.adores a 61eo ou a gol.spara, quando necessarlo, garantirsustentao;;lloda chama ou auxillar no processo de acendimento da fornalha. Afigura 3.18 ..ostra uaa fornalha equlpada co.. grelha rotativa, destlnada a

Embora 0 valor da pressae absoluta nao tenha side informado, mastendo elR vista a pequena var Iacao do calor especlfico da agua l1quida, aentalpia da Agua de alimeDta~llopode ser calculada atraves da equao;;ao

Fig 3.1S- Fornalha de grelha rotativa para quelmade lenha e adaptada COm quelaadores a 61eo.

PC',1)9

my. (hy-ha)

Neste caso e conhecido 0 rendlmento global da unidade geradora devapor pelo poder caloriflco superior do coabus tIveI (lJ9= 0,70). Seguindomesma procedlmento adotado no exemplo 3.2,

Resolu~llo:

U.. gerador de vapor co. capacidade para 5 kgls de vapor deve serproJetado para quel.ar carvAo f65s11. 0 poder calorifico superIor do carvao6 17535 kJlkg. Conslderando a entalpia final do vapor igual a 2790 kJlkg 'etemperatura da 'gua de allmenta~Ao de 80C, calcular 0 consumo de carvAo.(Ad.iUr renciillentoglobal pelo Pea na ordem de 70 Xl

Exemplo 3.3

FEIXETUBULAR

VAPOR SUPERAOUECIOOTAMBOR... --.........,.

quelma de lenha e adaptada COli que taador-es auxiliares junto a paredefrontal da cAmara de cOlllbustAo.0 uso de lenha em fornalhas assimproJetadas, tem permitldo taxas de carregamento malores, superiores Mesmo a600 kg/.2h.

No sentldo de se aJustar ~s necessldades de cada empresa, emparticular, ou concIliar a quelma de combustlveis disponlvels na regiAo,diversos proJetos alternativos sAo permanentemente desenvolvidos. COlllum,por exemplo, a queima conjunta de 61eo ou de carvao pulverlzado, comres1duos de madeira, serragem au baga90 de cana. Em qualquer casa, a formae 0 volume da ct.ara de cOllbustAo sempre dependerao do tlpo ou dasproprledades quillicasde cada co~&ustlvel.

PAREOE O'AGUA

47rornalha.Cer.~o do "apor46

- .. '*

qual1f1cados. a p~ de carbono no ctnzerrc e mini_. inferIor a de

temperatura de,equilibrio e baixa, e possivel transferir essa energia paraa agua da caldeira pOI' serpenlinas instaladas diretamenle no leito. ComIsso, e possivel operaI' com taxas de evapora~ao mais elevadas. EM algumasInstala~Bes, a quei.a de carvao de boa qualldade tem significado umaabsor,.ao de _als de SO r. do calor liberado, diretamente pelos tubos imer50se paredes da camara de cOllbustao. 1S50 representa uma importante vantagempara as fornalhas de lello fluidizado.

Entretanto, mesmo para os cOmbustlveis menosperde para 0 cinzR.lro.

COIIO acalor aul to aclaa dos valores encontrados e. outras fornalhas.

Nas fornalhas de LeLt,o circulante, 0 ccabust Ivel e alhlentado COlligranulollletriamenor, ou as velocldades de fluldiza~ao silo maiores. Nessecaso, 0 lIaterial do leito e contlnuamente recirculado atraves das zonas deccnveccae e coletado POI' clclones, para reinJe,.ao na zona de combusUio(c~ara principal). A figura 3.20 mostra 0 esquema de ullaunidade geradorade vap'or, adaptada com fornalha de lelto circulante.

A _ovl.enta~ao conlinua do lelto garante taxas de transferencia de

Fig 3.19- Fornalha de leito estacionario

As fornalbas de grelba ou de queima em suspens~o sempre implicara..em investimentos adlclonais para compensar a ma qualidade de alguns tiposde combustlvels dlspoaiveis no mercado. 0 caso tlplco do ca~o f6ss1l comalto teor de clnzas au co. quantldades signlficallvas de erueofre. Asclnzas tende. a pcejullicar 0 processo de combusta.o. Ha a necessldade deullamaior r"la~ ar/coabustlvel, a queima e normalmente parcial e alnda hao inconvenlente das clnzas se aglomerarem Junto a grelha e superficies deaquecimento. Ale. disso, a presen~a excess iva de cinzas ou de erueofre poderesultar e. consequfoclas desastrosas, tanto para 0 .el0 amblente, quantopara a pr6prla lnstalao;;l(o. A ap.lLcacao de. siste.as aproprlados para 0controle e re~ desse _terial envolve altos custos co. capital eaanuten~10. Mesao ass~, &penas aini.iza 0 prohleaa.

As fornalhas de leito fluldizado tea se apresentado coao umaalternallva via._l para contornar todos esses probteaas, Cam a vantagemadicional de operan!ll co. cOlllbustiveismenos nobres, co. eficil!ncla e afustos coepensadores, a principio de funcionamento e slaples. a!,ombustivel pe.-.anece ... suspensao no lelto, sob a~~o de uaa correnteascendente de ar-, 0 teapo que for suficiente para que a co.busUo secomplete. a leito pode ser do tlpo estacionario (borbulhante) ou do tipoclrculan}e.

As fornalbas de leIto estacionario, lIais comuns. t~a a corrente dear inJetada unifonaeaente e com velocidades coapatlvels para que 0 leito semantenha fluldlzadD e ea agita~ao continua. 1sso permit" operaI' asfornalhas coa teaperaturas relativaaente balxas, na ordea de 800 a 950C.Naturalcente que ~ parcela de carbono, ainda que reduzida, seapre se

PAREDE'-0' AGUA

~ GASES

3.6- Queima e. Leite Fluldlzado

sistemas convenclonals. A flgura 3.19 mostra 0 esquema sl..plificado de umafornalha de leito estaclonario.

No Interesse de calcular a area da grelha, i.porla conhecer tambem 0tipo de fornalba. a Coraa de ali.entacao e quaildade do coabustivel. Paragrelhas m6vels, a labela 3.2 indica taxas de carrega.ento que varia.. nafaixa de 140 a 300 tgla2h. Ja, para grelhas estacionarias, os valores cae..para a faixa.de SO ..ISO kg/m2 h.

49Tornalh Cera.~.ao de Yapor48

ponto de fusio, ou de aaolecimento, a temperatura deve ser balxa 0suficlente para evltar sua aglomera

que corresponde a 228,4 tEP/ano se 0 regime de opera~~o for de 24 horas/dia 6 diaa/semana.

372,90 kwqp. 33900.cnq.mcb

Placas construldas com pequenos tubas verticals e uniformementedistribuldbs par sobre a base do lelto t~.. coaprovado bOil deseapenha.Nesse caso, 0 ar penetra no leito at raves de dlversos furos. locallzados no

lopa desses lubas, garantinda maior dlstancla.ento entre a base do leito ezona de malor calor, minillizando problemas ocasionados pela dilalac;lotermica e permitindo, Inclusive, 0 usa de materiais .enos qualiflcados.

o suprIaento de ar deve garantir cOlllbustll.ototal, lemperaturas evelocldades de fluldIzac;ao adequadas. 0 excesso de ar varIa na falxa de.

Embora 0 valor aqui identificado saja pequeno, vale lembrar que apreBen~ade carbona nas c~nzase comum e'pede Ber realrnante signitlcatlva,principalmente.se 0 carvio for de ~a qualidade ease caldeira for equipadacom tornalha de queirnaem grelha. No presente caso, para fornalha de leitafluidizado, tomanda-se ~; 0,011 kg/kg, ~- 1 kg/s e conaiderando 0 Podwrc:alorifico do carbo no igual a 33900 k.J/kg, a energia perdida pode ser

calculada atraves da equa~aa

Fig 3.21- Esquema do sistema de remoc;:lodecinzas em fornalhas de leito fluidizado.

Ra.olu~ilo:

Na quaim. de carvio f6ssll, foi constatada a presen~ade carbone na~quei..mado na amoatra proveniente de uma caldeira 'adaptada com fornalha deleito fluidizado. Partindo-se do valor indlcado na an~liQGde laborat6rio,ficou caracterizada a ocorrencia de combu.tlo parcial n. propor~lode 0,011kg de carbono para cada kg de carvao queLmado. Qual 0 prejuizo a~ual para aemprasa, ae a caldeira consumir na Q6dia de 1 kg/a?

.A. CARV;;'O +Y CALCAREO

A combuatlo do leite,util1zadolil para promover a aqueclmento inlelal.

proprlamente, se desenvolve a partir de 500C.PAREOEO'AGUA

unldade. tim optado pelo usc de vAlvulae rotativaa eu parafuao8 sem tim,

para tamb4mcontrolar 0 consumo de co~u8tlvel queimado no leito.o acendltaento do leito ~ norm_1menta lento e requer 0 uso de

ai_tema. auxiliarea de aquecimento. Queimadoree a 61eo au gis podem eerrGASES

Maie recentemente, muitaspneum1ticoa tOm aida baatante utilizadoa.concent racao de material combustivel no leito e, normal mente, inferior a5 Yo. importante que se mantenham as proporc;l5esadequadas en'tre combustive 1e materIal inerte, previamente estabelecidas para funcionamento do leito.

51.tarnal meCanico9 eu

clmara de combustao.A alimentac;10 de combustivel 6 simples.

Ae necessAria sempre que houver excesso de Material Inerte no JeLto ,

principalmenta a neceasidade de se manter temperatura. interiares a 950C.om maier exce9ao de ar e sempre recomend&vel nas lnstala~Oesprojetadas com.anorea superficies de aquecimento imersas no leito, au instaladas na

Valoree maiores t~m sio esperados, tendo em vista20 a 30 \.fabricadas de material paroso. Entretanto, e conveniente que essas placasseJam apropriadamente proJetadas de forma a garantir uniformidade defluidizac;:loe para que as cinzas possam ser removidas por dispoSitlvoslocalizados abaixo do leito (flgura 3.21), A remoc;:loperi6dica das cinzas

Fornalhas 53Cer.~ao de Vapor52

,,'

temperaturas sao possiveis de se obter a partIr do pre-aqueclmento do ar decombustll.o,recircula93.0 de gases quentes, ou utiliza~o direta de oxlgenio.

a tempo de perllanencia de uaa particula de combustivel no interiorde uma fornalha deve ser suflciente para garantlr que ilia compfe ta e vaidepender do suprllOenlode ar e da teMperatura de co.bustll.o.

A presenea de mon6xido de carbono ou de fullgem na chamine ec,onsequAncia direta de temperaturas baixas, insi.Lflclenciade ar ou opera9aolnadequada do equipallento. Particularmente para 0 .on6xldo de carbono, hao Inconvenlente adiclonal referente a efeitos fisiol6glcos. Concentra90es

Maioresaquecldos os nucleos de carbona ate sua quel.a completa.

A temperatura de combustao depende do tipo de combustivel e proJetoda camara de combustao. Embora limitada pelo tlpo de .aterial empregado noequipamento, ou pela pr6pria temperatura'd~ fusao das clnzas, a manuten9aode temperaturas. elevadas favorece a ign19ao, permitlndo manter bem

9 = Massa estequlometrlca de gases de co.bustll.o(kglkg comb)mv = Massa real de gases de co.bustio (kglkg comb)Vv Volume estequl0.etrlco de gases combustao (.3n/kg comb)Vg - Volu.e real de gases de combusta.o (.3n1kg comb)

Em geral, as valores correspondentes ao volume de ar ou ao volume degases de co.bustao sao calculados em m3n1kg comb, onde "n" indica a base decalculo para as cond190es noraais de temperatura e pressao (0 C; 760 mmHg)(09). Naturalmente, os valores calculados n~o sao definitivos e deve. sercorrlgldos para m3/kg comb, de acordo co. cada caso. levando-se em conta atemperatura real do ar ou dos gases de combustao.

as valores estequlometricos sao calculados partlndo-se das rea90esquimlcas, de acordo Com cada tipo de combustivel. Para efeito de analise oude projeto do equlpamento, ale. do ar de combusl~o, e ne~ess~r1o que tambemsejaa definidos os valores correspondentes aos gases de combustao:

'1

.mo. = Hassa,estequlometrica de ar (kg/kg comb)mo. z Massa real de ar (kg/kg comb)Vo." Volume estequloaetrlco de ar (m3n1kg co.b)Vo. = Volume real de ar C.3n1kg comb)

e = Coeficienle de excesso de aronde

5SrornaJba.

J

"

(3.6)Va.

e = ---aVa.

ma.(3.5)e =

ma.

equipamentos, auxilia no trabalho de mlstura, permltlndo uma sensivelredu9ll.0do coef1clente de excesso de ar. Por defln19ao, 0 coeflclente deexcesso de ar e dado por

a efe1to adicional de turbilhonamento, comum na maloria doscombusU!o.

a suprlmento de ar esta intimamente relacionado ao tipo decombustivel e ao equlpamento de combustao. Em cond190es ideais de queima 0suprimento de ar depende apenas da composl9ao qul.lca do combustivel. E.condi9~es reals, entretanto, quantldades comple.entares slionecess~rlas nosentldo de mlnlmizar a presen9a de material combustivel no c1nzeiro ou nachamine. lias, se por Wl lado, 0 excesso de ar m1nlmlza as perdas porcombustao parcial, par outro lado, .aiores fluxos de ar Implicam e alores.perdas por calor sensivel com os gases de combustll.o. Deve-se observar,portanto, um ponto de equilibrio que realmente signifIque uma menor perdade energla. 0 ponto de equilibrio da mislura entre ar e coabustIveIdependera, fundamentalmente, do t1po de combustivel e do agente de

-Suprimento adequado de ar-Mistura ar/combustivel-Temperaturas co.pativeis-Tempo suflcienle de combustao

Todo processo de combusU.o deve atender a principios fundamentalsque assegure.. economia ou eficHincia na quelma do combustivel. Mes..o emcondl90es normais de cper-acao, os processos de combust:!o nlio garantemaproveitamenlo tolal da energla disponivel no combustivel. Uma parcelasignIflcatlva de energia e dlretamente perdida para 0 meI0 ambiente, sejacom os gases pela chamIne, com as cinzas, pelas paredes do equlpamenlo, oumesmo, pela ocorrencia de combustao incompleta. E no sentido de minImlzaressas perdas que um trabalho de otimiza9ao procura sempre observar:

3.7- Combustlio

Car.yao de VApor54

Em ter_os de volume, 0 ar tem 21 X de oxlgenlo. De Maneira similar,agora relaclonando-se Massa 1I01ecularde cada .elelllentocombustIvel co.,0voluae Molecular do oxlgenlo (22,4 .,3n/kIllOl)envolvldo nas reac;Oes

C +

A .assa estequlornetricade oxlgenlo para quelmar apenas 0 carbono docOMbustivel e calculada com base na rea9aO,

c = Teor de carbono do combustlvel (kglkg comb)h - Teor de hldrogenlo do combustlvel (kg/kg comb)5 = Teor de enxofre do combustivel (kg/kg comb)o - Teor de oxlgenlo do combustivel (kglkg co.b)

(3.7)100

=--mO23,15 2

./Ilar

onde

(3.11)o-]32

c h s138,2 [- + +

12 4 32lIlarlevando-se ellconta que, em ter.os de lIassa,.0 ar tem 23,15X de

oxigenlo e adlllltindo-seque seJa utillzado oxlgenlo do ar arnblente,deve-seentao calcular

Na equa9lio3.9,levou-se em consldera9lioa parcela de hldrogenio Jacomblnada com 0 preprIc oxlglmlo do combustiveI e que, natural.ente, naoreagira com 0 oxigenio do ar.

Finalmente, fazendo-se as substltui90es devldas, tem-se

.= Massa minIma de oxlgenlo para queimar 0 combustivel1iI02m02(e) "'.Hassa minima de oxigenlo para quell1lar0 carbonom02(Hz)= Hassa minIma de oxigenI0 para queilllar0 hidrogenI0mOz(S) = Massa minima de oxigenI0 para quelmar 0 enxofre

onde

(3.10)

(3.9)16 0

m02(H2) [h - -]2 8

32m02~S) --5

32

ondehidrogenio e enxofre sao os elementos que reagem com 0 oxigenio, llberandoenergla. Ea condi96es Ideals, a queiJ.a completa desses elementos deveenvolver uma quantldade minIma de oxigenio, calculada a partir das rea95esqui.lcas de cOlllbust~o. Nessas condl95es, a massa estequlometrlca de.oxlgenl0 para queimar cada kg de combustivel sera:

Carbono,hldrogenlo, enxofre, oxigenlo, nltrogenlo, umldade e clnzas.s +

Da mesma forma, para hldrogenlo e enxofre, tem-se

(3.8)32

1iI02(C) = -- c12

onde 12 kg/kmol de carbona reagem com 32 kg/kmol de oxlgenlo para formargas C02, na propor9ao de

superlores a sao ppm (0.05 X) passa a ter UIII efeito apr-ecLaveI sobre aspessoas. Em alguns equipamentos, a presenca de carbona nlloquelmado noclnzelro e inevltavel em fun9ao do proprIo processo de queiaa. Em todo 0caso, e quase sempre possivel mlnl1111za-la,medIante uaa allmenta9~0adequada do combustivel, melhor mlstura com 0 ar de combustlioou, meSIllO,medIante pequenas altera95es no proJeto do equlpamento.

Para car-act.er-Lzacao e controle do processo de combustil.oefundamental que se conhe9a a composl9lioqui.lca do combustivel.

Os combustivels s6lldos e liquldos, de uso mals comum na gera9~0 devapor, tem sua compos19~0 quimlca deflnlda em termos de carbono,

57Fo rna 1ba..Cerac;ao de Vapor56

volume real dos gases de combustao.

menores na nosque requeiram maior precisaoconta global. Para casostais parcelas devem serresultados,

Muitas vezes, a coapostcac quimica do combustivel nao e conhecida,exigindo 0 e.prego de outros metodos no c~lculo do volume est~qulometrlcode ar ou de gases de combustao. Valores aproximados podem ser determinados

aoadlclonadasecomputadas

o nitrogenio presente na composi~ao de alguns tlpos de combustiveis,vapor de nebuliza~ao, ou a umidade do ar de combustAo, representam parcelas

ale. de Cm1"nl' que representa os hldrocarbonetos presentes no g~scoabustivel (metano, etano, etc.J.

Teor de umidade do combustivel (kg/kg comb)

H2 Teor de nltrogeni'o(m3n1m3n comb)CO2 = Teor de dioxido de carbona (m3n1m3n comb)H20 = Teor de umldade (m3n1m3n comb)onde

(3.14)2

hc22,4 [- +

12

Teor de mon6xido de carbona (m3n1m3n comb)Teor de hldrogenio (m3n1m3n comb).

+ ... + 0,79 Va.... s+-]

18 32+

(3.13)

Yare Volume estequlometrlco de ar (m3n/m3n comb)V9 = Volume estequiometrico de gases (m3n1m3n comb)

muW' S+ 9 [h + -] + 64 [ -] + .. , + 0,76859 32

c44 [-]

12lIlg

onde(3.16)obtem-se

... + H2 + 02 + 0,79 VarVg

nl.l"[ml+-JC H +CO +HO+L 1. ml nl 2 2 ...lIlg

(3.15)Naturalmente, 0 mesmo proce.dlmentopode ser adotado para calcular aMassa ou 0 volume de gases formados na combustao. Nesse sentido, paracombustlveis solldos e llquldos, partindo-se de

2,38 { CO + H2 + 2 L [ ml + ~"] C" - 2 02 }I 4 ml nt

.Var32

(3.12)

A queima de g~s natural, ou de outros gases combustivels, pode seranallsada da mesma forma, conslderando-se as rea~oe~ quimlcas com CO, "2 eco. os hldrocarbonetos CmHn' Assim, para calcular 0 volume de ar e 0 volumede gases (ormadQs na combustao de gases combustiveis, tem-se:

oc h s106,7 [- + +

12 4 32.Var

quimicas, para combustiveis solldos e liquidos, 0 volume estequiometrico dear pode ser obtldo de

59rornalhasCcrll(f:AO de Vapor58

'CO2 - Porcentagemmhitna de CO2em condl~~e. de queima ideal'CO2 - Porcentag'aaamedlda de CO2na base da chamin4

onde

(3.28)

_ \C02.---it, lembrando que. para rDUit03 combustlveis, Vu. 6 aproximada.menteigual .ilV.r , tern-se

(3.21).

VIIS - Vgs + (a-I) Viii,.

Vapor de nebulizas:l0 e it prellllens-ade umidade no ar de Combuetlo,

quando tor 0 eeec, de~ea. ser aqui c::onoideradaae adlcionada., nag parcel carre.pondente., ~. equa~aes 3.25 3.26.

o exeeaee de ar pede ser aju.tado mediante um controle adegua.do do

equlpamento. 0 cileulo do coetlclente de exceeec de ar impllca na medl~lo

do tluxo real de ar de combu.ti.o cu na an~li.e qu1m.lCiiIdo. qaae, d.

combusti.o. A me(U~iodo fluxo de ar, quando po ivel, tem 0 inconven.iant.

de a~r ntac margan. de erro, .uitaa 'vezes nlo tolerivelll, tornando. o.

resultadoe J.mprecisos. A d8termina~10 dee porcentagana de CO2ou de O2 no.gases de comburt1.o4: u~a altern ...tlva vl.tvel para a ..aiori~ ctp. combustive!.Dorma..l..menteaplLcado. 1. caldeira.. o. medidore. aau.am o. percentu&l. de

CO2e 02 err:. volume e na base eeca , A.aim, con.1der.ando-ae apen .il p.rcel.de gases aBeos,

(3.26)Vg ". Vg + (e-I}.Va,. ."

(3.25)mg - IDS! + (e-1) .m.r + .'.

(3.24).V..,. . V.,.

(3.23)

A tab4l1a 3.6 I'I'IOstra0 coeficiente de exes.so de ar nonnalmsnta eaperadopara alguns tipos d. coMusti.veia 80b condl~O.a normais de qu.ima.

M.saas condiqOGIi.tem-eB:'-ijt,~

I,rIIII

J

IIo poder calorlflco lnierlor e toeade erakJ/kg e todos os resul lados

sao obtldos ell m'n/kg, inclusive para combustivels gasosos. Naturahoente

que a aplica~o das equa~es 3.17 e 3.18 hlpllca em aargens de er ro

eaj.cr-ea, exataeerrte por represent area COllbustlveis s611dos bell dlstlntosentre s1. Embora eut algurrs casos 0 erro possa ser de.aslada.ente grande,ell tenaos gerais a. aargemde erro e lolerivel. inferior eesec a 3 X.

Na pritlca ~ 1.portante conhecer as col:ld1..aes rea1s de co..bustllo. 0

tlpo de co.bustlvel e 0 equlpamento envolvldo ~o fatores deter.lnantes docoelclente de excesso de ar e. portanto. das condlQ5es r4!ais de combustlo.

(3-.22)

(3.21). 1,09

Var - [-]Pcl - 0,254186. I, U.

V. [-]Pcl + 0.254186

(3.20)I,ll

- [-] Pcl4186

No caso de gas natural ou gig de coquerla C.3n/kg):

(3.19)0,85

[ --] Pel + 2,004186

Vo.

Para cOllbust1v~ls l1quldos (..'n/kg):

(3.18)0,89

[ --] Pel + 1,654186

(3.17)1,01

- [--] Pcl + 0, SO4186

.V.r

Para cOIDbustlvels s611dos (..'n/kg):

a partir do poder calorl.flco Inrer-tor- do coebust.Ivej , conforme equac;~es

deflnldas a segulr:

60 S:er.~ao de '.por

(3.35)

onde. para combustlvels isentos de enxofre, nli h d fo aven 0 a oraac;liode S02'

(3.34)

(3.33)

VNZ0,21. (..-1).[ -- ]

O,79.e

pode-se deduzlr que

0,21. (",-1).Va:

COIIO segunda alternativa, pode-se relaclonar a proporC;ao existenteentre 0 conteUdo volumetrico de 02 e 0 conteUdo volumetrlco de nitrogenio.Enquanto ~ p~rcentage", de 0z Ilberada com os gases de cOllbustlio eproporcional apenas ao excesso de ar, a porcentag~m de HZ e proporclonal atodo 0 ar comburente. Nesse sentldo, partindo- se de

,.1

(3.32)

(3.31)

secas na

Porcentagell de 02 medlda na base da chamlne

onde

e = --.--21 - %Oz

21

resultando em

Vg.21 (e-l)

oV..

base da chaaine.Como primeira alternativa, pode--se desconsiderar a diferenc;a

existe~te entre Var0 e Vq., analisando-se a relac;lioexistente entre 0cont eudo volumHrico de 0z e 0 cont.endo volumetrico de gaseschamf ne ,

Fornalha.. 63

'01'

Duas alternativas se apresentam como vU.veis na determinac;liodocoeClclente de eXcesso de ar, levando-se em conta apcnas valores .edldos na

Combustive 1 Tipo de Excessoquelma de ar 00

GAs coabuat.dve I suspensao 5 a 20Carvao pulverlzado suspensao 10 B 25Oleo coabustI.ve 1 suspensiio 10 a 25Carvli.ogranulado grelha 30 a 60Lenha grelha 30a 60

Tabela 3.6- Valores normalmente indicadospara 0 coeClclente de eXcesso de ar

disponilveis aparelhos para quant1fica~ao dos outros gases, tais como 2,eo ou SOZ'

Embora envolva erros tolerAvels, a equa~ao 3.28 exige 0 conhecimentode %CO;. 0 excesso de -ar- pode tatllb~gj ser quantlf1cado envolvendo apenasvalores lIedidos na chaalne.

sao tambemse baseiam na varia

0,01. ilcb = 10 kg/h

A parcela nilo identlflcada de 1 X do 6leo combustivel represent a 0conteudo de clnzas, agua, nitrog~nlo, etc. e vale

17316 kg/h

17,316 kg/kg

16326 kg/h (ar seco)

.ar 16,326 kg/kg

Considerando 0 coeficlente de excesso de ar, as equa~15es 3.23 e3.25, obtem-se:

o que revela UID erro de apenas 1 Y..

e - 1,218 (21,8 X)

resultando eM

Vg.e - 1 + -.

Vor

o erro cometldo nesse calculo pode ser avaliado a partIr daequa~lIo3.27, reordenando-a para

e = 1,23 (23 lI,)

Considerando-se agora a equa~lo 3.28, tem-se

.II; 14,264 kg/kgVq.

1l3n1kg10,807V9..

.3n/kg9,687xCO ::: 16Z

65Fornalha.Ii

.V.r

.mar 13,273 kg/kg

pode-se calculaJ.

Outros

83 X10 X6 X

1 lI,

CarbonoHldrog'mioEnxofre

Partlndo-se da composl~ao qui.lca do 6leo combustivel,

Reso l ucao:

a) 0 coeficiente de excesso de arbl 0 erro cometido aD apllcar a equa~lIo 3.28c) 0 balan~o de aassa da fornalha, se 0 consume de 6leo for da orde.

de 1000 kg/h.

UlIlacaldeira a 6leo apresenta 13 Y. de CO2 na base da chaaIn"'.Pede-se:

Examplo 3.5

A equa~lo 3.34 nlo considera a presen~a de enxolre ou de nltrog~nlono combustive!. ~ Importante lembrar, portanto, que a determlna~lIo docoef lclente de excesso de ar pela equac;10 3.36 se restrlnge aos

combustivels que esteJaa lsentos, ou que contenham pouco enxofre entt.rogenfc. Novalllente,a presenca de umldade nos gases de combusUo nllo ~consIderada , tendo em vIsta a medl~10 dos gases CO2 e 02 na base seca.

(3.361100 - :U;02 - :CO2

e = ----___::._--=--100 -:U;02 - 4,76.Y.02

vern. flnalmente,

Ceratr"G de Vapor64

slgn1flcando que a pr'esenca de apenas 1 X de gas CO na chareine podeni.corresponder a erros da ordellde 2,5 X.

e = 1,254 (25,4 Xl

A utl11za9ii.oda equa9ao 3.36, portanlo, nio ser1a recomendada, pols19norarla a presen9a de CO e resultaria no valor de

1,223 (22,3 X)e

onde YCO representa a porcentagem de mon6xido de carbona medida na base dachamlne. De acordo Com ~s valores lIedldosde CO2, O2 e CO, tem-se

(3.38)100 - xeoZ- %Oz -XCO

e = ------------~~--=-----__100 - XCOZ- 4,76 %OZ+ O,BB.XCO

resultando em

(3.37)0,21. (e-1).Va. + o,s.veo

na condlc:;oes aNessas0,5 .3n para cada .3n de eo medidoequa9ii.o3.33 deve ser corriglda para

o oxlgenl0 llberado co. os gases de co.bustio e aumenlado na propor9io de

+2CO

Imporlante lellbrar que em cond190es de combuslio parcIal asrela90es eslequlo..etrlcas se aHeram, devendo-se compular a parcela decarbona desllnada, exclusivamente, a forma~io de CO. A presen9a de gas cona cham1ne e consequencia da d1ssocia9io de parle do gas e02. ou dacomb1na9ii.oapenas parcl~l do carbona coa 0 oxlgenlo. De acordo com a rea~aoquiMlca,

Resolu9110:

e que considere a ocorrencIa de CO na chamine.b) 0 calculo do coeficienle de excesso de arc) A marge..de erro se 0 calculo 19norasse a presen~a de CO

67f"ornlllh",.

Pede-se:a) Ullaequa9io que permila determinar 0 coeficienle de excesso de ar

DI6xIdo de carbona - 12,0 XOxlgenio 4,5 XHon6xIdo de carbono- 1,0 X

Considerar agora uma caldeira a 61eo operando.coa c9mbustao parcIale que apresente a segUlnle composi9ii.onos gases da chamlne:

Exemplo 3.6

proJeladas pa~a 9uei.a em grelha, por exemplo, e bastante comum a presen9ade carbono nas clnzas. Em qualquer caso, e sempre necessario quantificaras perdas, fazendo-se as devidas corre~oes nos calculos eslequiomelrlcos.

Em fornalhaslIaterial ainda combustiveI no clnzelro, ou na charai ne.

Todas as equa~es aqui apresenladas foram deduzldas admllindo-secombustio total. Embora seja uma condi9io essencial garantir combustiototal, em principio nao se pode excluir a possibilidade de ocor-rencta de

FIg 3.22 - Fluxos de I14ssa (Exemplo 3.5).

CO,,",BL. c:) 00 GASESAR~

C)NZAS

17326 kg/h

finalmenle, de acordo com os fluxos de enlrada e saida moslradospela figura 3.22, fazendo-se 0 balan90 de massa vea,

66

tEP/ano.Hatura1meote, que em cendigoea de combuBtao tot.l a porcentagem deCO2 nos gases e .aior, podendo envol~er diferenyas corisideraveiano calculado coefi.ciente de exceaec de ar..

a) A perda real de calor para cada kg de carvao queimada.b) Para regLme de o~a~ao de 24 hs/dia e consumo medio de 10 kg/s,

a diferencra entre ambos 09 casos, expressando 0 valor final em,e - 1,507 (50,7 'J

equa~ao 3.28. vea

onde, Va'" e Vgs correspondem aoa volumes e9t:equiometr1.co8modificado& dear e de gases de combustao, respectivamente. Finalmente, aplicando-s8 a

3.5- Uma das caracteristicas principais das fornalhas de leita fluidizadoe queimar 0 combustivel com maior eficiencia que as fornalhas de grelha. Aperda de calor par combQstao parcial, em ambos os casos, e possivel decalcular medlndo-seo teor de carbona nas cinzas. Le'Vandoem conta apenas 0valor med~do nas amostras A e 5, encaminhadas a laborat6rio para analise,calcule:

V... 4,76 .,3n/kq. .,3n/kQVgs 4,63.'CO2 18,1

Descoataodo-se, aqora, a parcela n10 queimada do carbone eaplicando-se as equa

=-""'- ..:~ .

3.10- Considere a queillla de cazvao pulverizado numa unidade geradora devapor de uma central termoel~trica.Admitindo 0 coeficiente de excesso dear , e ~ 1,25 ('~C02- i4,4 base S8~a), a presenc;a de 1,01 ~ de carbono nAoqueimado nas cinzas Ccnq::l 0,004 kq/kq comb) e umidade no ar de eornbustao(w.r - 0,013 kg/kg ar seeo), mostr. que:

comentar resultados.Mostre que:

13,273 kg/kg,.or = 10,248 m3n/kgVarI1IIJ l4,264 kg/kgVg lO,e07 m3n/kg 9,687 m3n/kgViS . l6%CO2

Outro9

Hidrogl!nio _carbono

calda 'r& a vapor foi projetada para queimar 61eo combustivel.~.6- Um... Partin?o da eomposiyio qutmioa do Oleo, 3.9- Considerando a meamo gls natural, especificado no exereicio 3.8,

determine:a) A compo9i~ao do 968 em massa (kg/kg comb.)b) 0 Pader calorifico superior (kJ/kg comb.)c) 0 Poder calor1lico inferior (kJ/kg comb.)d) Var e V, aplicando-se as equ&g6ea 3.21 e 3.22 (m3n/kg comb.)e) V:r e v; apllcando-se as equa~Oes 3.12 e 3.14 (m3n/kg comb.)

83 "io "6 ",Enxafre

.Vg

V:r - 9,568 m3n/mJn eomb.10,6')8m3n/m3n comb

pO .0,780 kg/m3n comb.

Mostre que:

CH4 90 "C2H6 6 "

HZ 3 "

CO2 1 "

Carbona 43,0 "Ridrogenio _ 2,9 "Enxofre 2,9 "oxigAnio 3,4 "Nitrogenio _ 0,8 "Umidade 10,0 ,Cinzas 37,0 "

,eompoaiyao quimica:3.8- Uma caldeira a vapor queima g,ls natural com a !u!guinte composi~aovolumetrica (m3n/m3n comb.):

o carvao utilizado apreaenta a ~e9uintePara ambos 08 casas,

6180 combustivel: Carbono 86 ..HidrogAnio _ 10"Enxofra 4 ~

Amoetra B:03 , de carbone nl0 qu8ima~ona ame.tra pro~eniente da caldeira

leito fluidizado. Oe8considere a pre8en~aadaptada com forna1ha dede Bulfate de cAlcio nas cinzas, decorrente da adiy~Ode calcAreo.

.(0 c, 760 mmHg)

(200 c, 760 mmHg)

Vg _ 138 rt,3n/9

Vg. 239 .]/5

3.7- considerando queima total de 10 kg/s de 61eo combustivel e 12,8 ~ degls CO2 medido na base da chamin6, mostre queAmoetra A:

20 " de carbon~ "aO queimado na amostra proveniente da caldeiraadaptada co~ forna1ba de grelba.

10 GeraFio de Vapor

Fornalhas 71

-Ini.

Fig 4.1- Esquema de uaa caldeira aquotubular de doistambores, adaptada Com fornalha para queima de 6leo.

FEIXE TUBULAR

caMARADE

COMBUSrAo

.z:__.- :J~"_' I

AGUA DEALiMENTACAo

PAREOE O'AGUA

VAPORTAMBOR SEPARAOOR

Carvao: carbono 43,0 XHidrogenio 2,9 XEnxofre 2,9 XOxlgenio 3,4 XNltrogenio 0,8 XUaidade 10,0 XClnzas 37,0 X

As caldeiras aquotubulares sao construidas de forma que a aguacircule por dentro de dlversos tubos de pequeno dUimetro e dispostos naforfta de paredes d'agua ou de feixes tubulares.

4.1- Conceitos Gerais

CALOEIRAS AQUOTUBULARES

ClIJ'flllJl.o 472 Cera~l.o do Vapor

EJa aassa: EJa voIuae:. ..'nlkg.= 5,886 kg/kg V.. = 4,545mar.?nlkg

JlIq = 8,080 kg/kg Vg = 6,117r.coZ = 19,3 r.coZ = 13,0XSOZ 0,7 ),,sZ 0,3;;!NZ 70,1 7.NZ 73,57.oZ 4,2 7.oZ 3,9;;!HZO = 5,7 7.11Z0 9,3. - 4,862 lII'nlkgVg .= 4,412 I,?n/kgVg.

XCO = IB,OZ

IIJ

IIII!

II

II

Os tambores s~o Instalados em zonas prolegldas da radla~~o e, atemeSIIlO, fora das zonas de ct r-cufacac raplda dos gases de combustJ.o. 0

nu..ero de tallbores Ii varraveL As prl.elras unldades er....conhec1das por

Fig 4.3- CaldeIra aquotubular proJetadaCOliparedes d'agua e WI tubor separador.

0-CINZAS

PAREDES O'AGUA

CAMARA DE

/BUSTAO

Q GASES

TA~_BOR SEPARAOOR

-0co ...eusTivEL

+ AR

CONJUNTO DEQUEIMADORES

~ -,

~

depender do tipo de fornalha e do tipo de combuslivel empregado. Caldeirasde porte maior, ellmedia, apresentam valores na ordem de 200 kg/m2h.

Sempre valunfdade de superflcle de aquecimenlo e baslante varUvel.A pr'oducao de vapor porclnzas arrastadas pelos gases de cornbustao.

velocidade dos gases e variavel, entre 5 e 30 mis, de acordo com 0 tlpo decombustivel quelmado. Velocldades menares s~o recomendadas em caldelras acarvao pulverlzado. em prcpor cao tanto Inenor quanta ",alar for 0 tear de

75C..ldelra. Aquolubul~re.

No esquema da flgura 4.1, os gases de cOllbustao se dlrlgellao fundoda fornalha, de onde retorna.. cruzando 0 felxe tubular, ell segunda eterceira passagens, a c....lnho da chamlne e ao aelo ambiente. 0 nUIOerodepassagens dos gases de coebustao depende do proJelo da caldeIra. A

FIg 4.2- Forma construtiva da parede d'aguautllizada em caldeiras aquotubulares.

espa~a..ento igual ao diametro externo dos tubos.A fLgur'a4.2 Ilostra 0 esquema de uma parede d'agua coeu.., de'var Lave l .

locallzados na parte posterior da caldeira, onde a troca de calor sedesenvolve por convec.;aoe por radia.;~ogasosa. Observa-se que os tubos saosuportados pelos proprlos taMbores da caldeIra. Ha, portanto, plena11berdade de expansao e de contra.;aodos tubos.

As paredes d'agua tem cfrcuracao independente, podendo os tubosserem apoiados na pr6pria parede da fornalha. 0 espa~amento entre tubos e

Os feixes tubulares sao suportados por tambores epor radia.;ao.

A figura 4.1 mostra uma caldeira aquotubular de dois tambores,costruida com paredes d'agua e feixe tubular. As paredes d'agua s~olocallzadas na camara de combust~o. onde e predoainante a troca de calor

Gor ..~'o de Va.por74

...........----------~--~----------

problema e ainda aalor, ao expor a tubulac;ao sob teaperaturas aclaa dosllaites normais de resistencia e, e. vista de sua porosidade, criarcondi~6es propicias ;i corrosao, auaentando os rlscos de explosa.o. 0controle per.anente da teaperatura dos gases de co.bustao serve como ua bo.

especificaJIente, determinadas faixas de producao ou de pressao de vapor.Entretanto, sob pressoes maiores. deve-se tamar 0 cuI dado com a circulaGaonatural da agua. A circulac;aoda agua e consequencia da diferenc;ade pesoespec1flco entre 0 Uquldo e 0 vapor, que .tende a ser tanto lienor,quantomaior for a presslio de operac;a.o(flgura 4.4). Na preasao cr1tlca nao ha

No caso de incrustac;6es genera 1izadas, 0trlncas no lIaterlal dos tuhos.

provocara 0 superaquecimento localizado dos tubos, seguido de explosao. AsU..a eventual falta de agua~'agua no interior do lambor separador.Incrustacees nas superCicies de aqueclmento auoaenta a resistencla teraica

imposta ao luxo de calor. Alelllde isolante termico, as incrustac;lIesteacoeflcientes de dilatac;ao diferenclados. que provocaa defonMac;6es ou atender,paraconstruidasserpodemaquotubularescaldeiras

A agua de alInentacao e forc;ada por bombas centrifugas de altapressao e, necessariamente, com vazlio sempre superior ~ capacidade deproduc;aode vapor da caldeira. a volume de agua no seu interior deve sercontrolado de modo que a bomba seja atlvada sempre que baixar 0 nivelA ocorrencia decarbonatos, sillcatos, lodo e s611dos em suspenslio.

Fig 4.4- Relac;aoentre pesos especifico da agua11quida e vapor, como func;aoda pressao de trabalho.

PRESSAO I bod

250200ISO100soo1111ltadas e. sua capacldade de gerac;ao de vapor e de apresentarea ,""",orrendlmento ter.lco, as caldelras aquotubulares de tubos retos tea a'vantagem de apresentarea menores gastos com manutenC;lioe de exlglrea aenorrigor'no lrata.ento qutaico da agua. No caso, 0 feixe de tubos retos deveser instalado se.pre coa a InclInacao minima recomendada,. em geral entre4 e 15, dependendo da pressao de trabalho, exatamente para Cavoracer acirculac;lioda oigua.

o tratallento qui.lco da agua e lndlspensavel, para garantirdurabllidade e seguranc;a do equlpamento. Toda a caldeira dispOe dedlsposltlvos de drenaliea para eUminac;lio sistematica de sulfatos,

Apesar deuaa caracterlstica de projeto das caldelras mais antlgas.

>0()

40

60 \ II I

6,' PESO ESPEeiFleO DO L10UlOO0.= PESO ESPECiFleo DO VAPOR -

\\ -.

~ I-----r--t---:-_20

80

preferencialmente. externo.seguranc;a, a ldela evolulu para caldelras de tn's, doLs ou apenas UIIIta.bor. A opC;liopor'um nnico tambor e comUIIIem unidades de grande presslio.A flgura 4.3 mostra \ilia caldeira aquotubular adaptada para operar comapenas um tambor separador.

Caldelras aquolubulares de porte malor sliose.pre .ontadas em campoe normalmente suspensas, a partir de uma estrutura principal, de lIOdo apermltir livre dllatac;liotermlca, durante 0 processo de aquecl.ento.Caldelras de porte ..,nor slio entregues pre-.onladas pelo propriofabrlcante.

as tubos sao geralaente