CALDEIRAS

Prof. Paulo Cesar C. PinheiroDept. Engenharia Mecânica da UFMG

Maio 2012

O Que é Uma Caldeira

É um vaso de pressão que utiliza água para transferir a energia da combustão para um processo.

Sob pressão, a água quente ou vapor pode ser transferido a um processo.

Funções da Caldeira e Condições Necessárias

Caldeiras de Vapor: são os geradores de vapor mais simples. Queima algum tipo de combustível como fonte geradora de calor.

Caldeiras de Água Quente: são aquelas em que o fluido não vaporiza, sendo o mesmo aproveitado em fase líquida (calefação, processos químicos).

Geradores Reatores Nucleares: são aquelas que produzem vapor utilizando como fonte de calor a energia liberada por combustíveis nucleares (urânio enriquecido).

Caldeiras de Recuperação: são aquelas que não utilizam combustível como fonte geradora de calor, aproveitando o calor residual de processos industriais (gás de escape de motores, gás de alto forno, de turbinas, etc).

Classificação das Caldeiras

Tipos de Caldeiras

• Caldeira flamotubular• Caldeira aquatubular• Package Boiler• FBC Boiler• Spreader Stoker

Boiler• Caldeira de Grelha

Rotativa

• Combustão em Leito Fluidizado Atmosférico

• Combustão em Leito Fluidizado Pressurizado

• Combustão em Leito Fluidizado Atmosférico Recirculante

• Caldeira de Combustível Pulverizado

• Caldeira de Recuperação (Waste Heat Boiler)

Esquema de um Sistema de Caldeira

QueimadorFONTE DE

ÁGUA

BRINE

SOFTENERSCHEMICAL FEED

CombustívelBLOW DOWN BLOW DOWN SEPARATORSEPARATOR

AR

ARPRODUTOS DA COMBUSTÃO

VAPOR PROCESSO

CHAMINÉ DESAERADOR

BOMBAS

Caldeira

ECO-NOMI-

ZADOR

Classificação das CaldeirasSegundo a fonte energética utilizada:- À combustível (Óleo, Gás, carvão, biomassa)- Elétricas;- Nuclear

Quanto à posição dos gases quentes e da água:- Aquatubulares (aquotubulares);- Flamotubulares (fogotubulares, pirotubulares);

Quanto à posição dos tubos:- Verticais;- Horizontais;- Inclinados;

Quanto à forma dos tubos:- Retos;- Curvos;

Quanto à natureza da aplicação:- Fixas;- Portáteis;- Móveis;- Marítimas;

Classificação das Caldeiras (1)

Caldeira

Caldeira Especial

Caldeira Aquatubular

Caldeira Flamotubular(Caldeira Cilíndrica)

CaldeiraFerro Fundido

Caldeira Aço

Passe Único

Circulação forçada

- Tubos Curvos

- Tubos Retos

Circulação Natural

Combustão Externa

Combustão Interna

Tubo Longitudinal

Tubo Transversal

Aquecimento Indiret

Combust. Especial

Recuperação Calor

Classificação das Caldeiras (2)

Refinamento de metais / cimento / Produção de Ferro

Próximo pressão Crítica (22MPa)

Pressões médias e Altas (*)

Package Boiler (Locomotiva)

Tubo pequeno diâmetroBoa Eficiência

Fluidized Bed Boiler

Caldeira de grande tamanhoDentro do tubo: ÁguaFora do tubo: Gás CombustãoProdução de Vapor: >10t/h

Caldeira de pequeno tamanhoProdução de Vapor: 13 t/hPressão: < 1MPa

Recuperação de Calor

Carvão, Misturas COM, CWMCombustível Especial

Especial

Outras

Circulação Forçada

Passe Único

Tubos Curvos

Package Boiler (*)<1 MPa, 1-2 t/h

Tubos Retos CaldeiraCirculaçãoNaturalAqua

tubular

Fornalha Cilíndrica

Tubo Transversal

Estrutura SimplesBaixa Pressão

Tubo Longitudinal

Flamo tubular

AquatubularAquatubularAquatubular

Gás NaturalÓleo

Combust

Flamotubular

121 - 221

3,8 – 24,5

Alta Temp Água quente

Gás NaturalÓleo Combustível

CarvãoResíduos de Madeira

1,0 – 24.,5

Combustível*

FlamotubularDesign**

Temperatura (0C)

Faixa de Pressão (kg/cm2)

FlamotubularAquatubular

Gás NaturalÓleo

Combust

<121

< 3,8

Água quenteAlta PressãoBaixa PressãoClassificação

> 24,5

Água quente

Gás NaturalÓleo Combust

Flamotubular

0 – 1,0

Média Pressão

VaporTipo de Caldeira

* Algumas caldeiras podem utilizar mais de um tipo de combustível** As caldeiras aquatubulaes são mais amigáveis aos combustíveis sólidos tais como carvão e resíduos de madeira que as caldeiras flamotubulares.

Classificação das Caldeiras (3)

Caldeira Ferro Fundido Flamotubular e Aquatubular

Geração elétrica: Pressão >126 kgf/cm2

Grandes indústrias / termoelétricas

Vapor de baixa pressão ou água quentePequenas indústrias, residencial e comercial

Flamotubular

Aquatubular Sem limitação de capacidade ou pressão

Limitação de pressão (Max = 17 kgf/cm2)Acima 17 kgf/cm2 grande investimento

Limitação de Capacidade (Max = 13 t/h stm)

PontosTipo de Trasmissão de Calor

Produtos Combustão

Água

Caldeiras Flamotubulares

São aquelas em que os gases e os produtos da combustão passam por tubos que se encontram submergidos na água.- Pequenas capacidades de produção de vapor: > 13.000 kg/h- Baixa ou média pressão de vapor: > 17 kg/cm2

- Opera com óleo, gás ou combustível sólido.

Vantagens:⇒ Menores exigências de pureza da água de alimentação.⇒ Menor custo inicial devido a sua simplicidade de projeto.⇒ Maior flexibilidade de operação

Inconvenientes:⇒ Grande peso e tamanho (Obs. Relativo às dimensões).⇒ Maior tempo para subir a pressão e entrar em funcionamento.⇒ Não podem ser utilizadas para altas pressões

Caldeiras Flamotubulares

Caldeiras Flamotubulares Caldeiras Aquatubulares

São aquelas em que os gases e os produtos da combustão rodeiam tubos em cujo interior circula água.

Vantagens:Podem ser postas em marcha rapidamente.São pequenas e eficientes.Trabalham a 30 atm ou mais.

Inconvenientes:Maior custoDeve ser alimentadas com água de grande pureza.

Caldeiras Aquatubulares

Aquatubular

Aquatubular: Tubos Retos e Tubos Curvos

Tipo Tubos CurvosTipo Tubos Retos

Tambor de vapor

Superaquecedor

Exaustão gases

Entrada VaporTambor ÁguaQueimador

Queimadores

Vaporizador

Ventilador

Tambor de água

Queimador

Tubo de água

Tambor de água

Vantagens e Desvantagens Tubos Retos

Sem flexibilidade para expansão térmicaInstalação de um manifold complicadoNão adaptadas para alta pressão

Fácil limpeza / InspeçãoFácil substituição dos tubos

Tubos retos

Desvantagens

Vantagens

Tambor simples / tambor duploTamborParede de tubos de água

Pre-tratamento da água de alimentaçãoLimpeza químicaTubos

curvos Tubo

Tecnologia necessária

Tipos e Características da Fornalha

Aparência

Velocidade de combustão: baixa

Velocidade de combustão: alta

Grande tamanhoMadeira

Tamanho pequeno Queima simples

característica

○○×�Esgoto e lama

○○○○Resíduo bruto

○○○○Biomassa sólida

IncineradorForno RotativoLeito fluidizadoGrelha móvelGrelha fixaTipo

Esquema de Instalação de Grelha Móvel

Loading Conveyer

Automatic Discharging Silo

Feeding Conveyer

Softening Facilities

Water Tank

Chemical Pump Feed

Pump

Air Heater

Safety ValveSteam

Chimney

Induced Fan

Dust Collector

Forced Fan

Ignition Burner

Adjusting Silo

Oil Pressure Cylinder

LP Stoker

Ash Banker

Ash Pit

Ash Conveyer

Sand Injector

Biomass Feeder

Ash Treatment

Leito Fluidizado

Tambor de vapor

Produtos combustão

Banco de tubos

Tambor de água

Ar

SuperaquecedorManifold de saída

SuperaquecedorParede de tubos

da fornalha

Alimentação de Carvão

Descarga do material do leito

Caldeira Fornalha Rotativa

1st Stage Combustion Air

Flue Gas

Rotary Kiln

Driving Machinery

Solid Fuel

2nd Stage Combustion Air

Ignition Burner

2nd Stage Fire Box

Stoker

Ash Discharging

ConveyerAsh

Tiragem

É a diferença entre a pressão dos gases no interior da caldeira e a pressão atmosférica.

A tiragem é necessaria para o funcionamento da fornalha de uma caldeira, a fim de poder alimentar o ar necessario para a combustão do combustivel e arrastar os gases queimados até o exterior a travéz da chaminé.

Tiragem Natural: Se produz pelo efeito gerado por uma chaminé. Seu valor depende da altura da boca da chaminé acima do nível da abertura da fornalha.

Tiragem Mecânica: É a tiragem criada pela ação ventiladores, exaustores ou de injetores de ar, vapor. É necessário quando deve-se mantener uma determinada tiragem com independência das condições atmosféricas e do regime de funcionamento da caldeira

Normas de SegurançaA caldeira é um equipamento de elevado custo e responsabilidade, cujo projeto, operação e manutenção são padronizados e fiscalizados por normas, códigos e legislações.

A NR-13 (Norma Regulamentar 13) regulamenta os requisitos obrigatórios para a operação de caldeira e vasos de pressão, tanto no que diz respeito às condições de instalação, manutenções e inspeções de segurança, quanto às competências dos operadores. São definidas as condições de riscos graves e iminentes que deverão ser observadas e controladas, de acordo com cada categoria de risco. Determina também os documentos obrigatórios da caldeira. Os operadores devem ter treinamento reconhecido pelo Ministério do Trabalho e certificado comprobatório.

Normas da ABNT:NBR 12177-1: Caldeiras estacionárias a vapor – Inspeção de segurança, Parte 1: Caldeiras flamotubulares.NBR 12177-2: Caldeiras estacionárias a vapor – Inspeção de segurança, Parte 2: Caldeiras aquotubulares.

FIM