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LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Caldeira de Haycock, 1720.......................................................................................10Figura 2: Caldeira Vagão de James Watt................................................................................10Figura 3: Caldeira de tubos retos,Babcock e Wilcox, 1877......................................................11Figura 4: Caldeira de tubos curvados, Stirling........................................................................11Figura 5: Maquina de Hero.......................................................................................................15Figura 6: Caldeira Flamotubular...............................................................................................16Figura 7: Caldeira aquotubular.................................................................................................17Figura 8: Esquema de um caldeira aquotubular........................................................................18Figura 9: Bicos injetores...........................................................................................................20Figura 10: Indicador de Nível...................................................................................................21Figura 11: Câmara de combustão.............................................................................................22Figura 12:Tubulão.....................................................................................................................23Figura 13: Superaquecedores ...................................................................................................24Figura 14 Superaquecedores por..............................................................................................25Figura 15: Superaquecedores por Radiação..............................................................................26Figura 16: Localização super aquecedores..............................................................................27Figura 17: Pré-aquecedor de Ar................................................................................................28Figura 18: Economizadores......................................................................................................30Figura 19: Queimadoras............................................................................................................31Figura 20: Soprador de Fulige .................................................................................................33Figura 21: Precipitador Eletoestático........................................................................................35Figura 22: Esquema com os ventiladores em uma caldeira......................................................36Figura 23: Fluxograma básico do processo de picagem de madeira........................................46
RESUMO
As caldeiras ou geradores de vapor são equipamentos que se destinam a gerar
vapor através de uma troca térmica entre o combustível e a água, o vapor de água é usado
como meio de geração, transporte e utilização de energia Existem diversos tipos de caldeiras,
as quais podem ser classificadas segundo diversos critérios. Segundo uma classificação mais
genérica, as caldeiras se classificam em fumotubulaes, que se caracterizam pela circulação
interna a dos gases de combustão, ou seja, os tubos conduzem os gases por todo o interior da
caldeira; e aquotubulares que se caracterizam pela circulação externa dos gases de combustão
e os tubos conduzem massa de água e vapor. Geralmente possuem os seguintes componentes,
sistema de controle da água de alimentação, injetores, indicador de nível, câmara de
combustão, tubos, coletores, tubulão, superaquecedor, pré-aquecedor de ar, economizador,
queimadoras, refratário, sopradores de fuligem, ventiladores, chaminé e válvulas de
segurança. Caldeiras de Biomassa tem como seu principal objetivo complementar a geração
de vapor para a produção da fábrica, para isto, utiliza como seu principal combustível a
biomassa em que a principio seria um resíduo da produção.
Palavras-chave: Caldeira, vapor, biomassa
ABSTRACT
The boilers and steam generators are devices that are designed to generate steam
through a heat exchange between the fuel and water, water vapor is used as a means of
generation, transmission and use of energy There are various types of boilers, which can be
classified according to various criteria. According to a more general classification, the boilers
are classified in fumotubulaes, characterized by the internal circulation of combustion gases,
ie, the tubes leading the gas throughout the interior of the boiler, and aquotubulares
characterized by external circulation of the gases combustion and the tubes leading body of
water and steam. They generally have the following components, control system of water
supply, injectors, gauge, combustion chamber, pipes, sinks, pipes, superheater, air preheater,
economizer, burners, refractory, soot blowers, fans, chimney and safety valves. Biomass
Boilers has as its main objective to generate additional steam to the plant's production, for it
uses as its main fuel biomass in the beginning would be a waste of production.
Keywords: boiler, steam, biomass
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.......................................................................................................................82 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA...........................................................................................92.1 Aspectos Gerais Relacionados a Caldeiras...........................................................................92.1.1 Desenvolvimento das Caldeiras.......................................................................................102.1.2 Conceitos da Termodinâmica Relacionados à Operação de Caldeiras..........................132.2 Tipos e classificação das caldeiras......................................................................................152.2.1 Componentes das Caldeiras Aquatubulares....................................................................202.2.1.1 Sistema de controle da água de alimentação.................................................................212.2.1.2 Injetor............................................................................................................................212.2.1.3 Indicador de nível.........................................................................................................222.2.1.4 Câmara de combustão...................................................................................................222.2.1.5 Tubulão.........................................................................................................................232.2.1.6 Superaquecedores.........................................................................................................242.2.1.6.1 Superaquecedores por Convecção.............................................................................252.2.1.6.2 Superaquecedores por Radiação................................................................................262.2.1.6.3 Localização de Superaquecedores.............................................................................272.2.1.7 Pré-aquecedor de Ar.....................................................................................................282.2.1.8 Economizadores............................................................................................................302.2.1.9 Queimadoras.................................................................................................................312.2.1.10 Refratário....................................................................................................................332.2.1.11 Sopradores de fuligem................................................................................................332.2.1.12 Precipitador eletroestático...........................................................................................342.2.1.13 Ventiladores................................................................................................................352.2.1.14 Chaminé......................................................................................................................362.2.1.15 Válvulas de segurança.................................................................................................362.2.2 Classificação das Caldeiras Aquatubulares....................................................................362.2.2.1 Caldeiras de Tubos Retos..............................................................................................372.2.2.2 Caldeiras de Tubos Curvos...........................................................................................372.2.2.3 Caldeiras com Circulação Forçada...............................................................................382.3 Eficiência da Caldeira.........................................................................................................402.3.1 Método entrada-saída......................................................................................................402.3.2 Método perdas de calor...................................................................................................402.3.3 Perdas na chaminé...........................................................................................................402.3.4 Perdas de Convecção e Radiação....................................................................................412.3.5 Componentes da Eficiência..............................................................................................412.3.5.1 Temperatura dos gases..................................................................................................412.3.5.2 Excesso de ar.................................................................................................................422.3.5.3 Temperatura ambiente..................................................................................................432.4 Aplicação e Utilização das Caldeiras Aquatubulares.........................................................43
2.5 Caldeira de Biomassa..........................................................................................................442.5.1 Biomassa..........................................................................................................................442.6 Tratamento de água de caldeiras.........................................................................................462.6.1 Métodos de tratamento de água.......................................................................................462.6.1.1 Métodos externos..........................................................................................................472.6.1.2 Métodos internos...........................................................................................................473 CONSIDERAÇÕES FINAIS.................................................................................................494 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................................50
7
1 INTRODUÇÃO
Desde que o homem dominou os procedimentos de transformação de energia, o
aproveitamento das fontes geradoras de energia nos meios científicos e tecnológicos vem
sendo constante. Com isso este trabalho tem como objetivo, estudar caldeiras de biomassa
utilizadas em um fábrica de celulose para gerar vapor, enfatizando suas principais
características e os seus princípios de funcionamento.
Deste modo ao longo deste pretende-se conceituar a função de uma caldeira, os
seus tipos e classificações, e assim caracterizar o principio de funcionamento de uma caldeira
que utiliza a biomassa como combustível. Também enfatizar a utilização da biomassa, que
inicialmente seria um rejeito do beneficiamento da celulose, e ao final serve para fornecer
energia em forma de vapor para a fabrica.
8
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Aspectos Gerais Relacionados a Caldeiras
As caldeiras ou geradores de vapor são equipamentos que se destinam a gerar
vapor através de uma troca térmica entre o combustível e a água, sendo que isto é feito por
este equipamento construído com chapas e tubos cuja finalidade é fazer com que água se
aquece e passe do estado líquido para o gasoso, aproveitando o calor liberado pelo
combustível que faz com as partes metálicas da mesma se aqueçam e transfiram calor à água
produzindo o vapor.
A finalidade de se gerar o vapor veio da revolução industrial e os meios da época
que se tinha era de pouca utilização, mas o vapor no inicio serviu para a finalidade de mover
máquinas e turbinas para geração de energia e locomotivas, com advento da necessidade
industrial se fez necessário à necessidade de cozimentos e higienização e fabricação de
alimentos, se fez necessário à evolução das caldeiras. Com isto se utiliza o vapor em
lacticínios, fabricas de alimentos (extrato de tomate, doces), gelatinas, curtumes, frigoríficos,
indústrias de vulcanização, usinas de açúcar e álcool, tecelagem, fabricas de papel e celulose
entre outras.
O vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização de energia
desde os primórdios do desenvolvimento industrial. Inúmeras razões colaboraram para a
geração de energia através do vapor. A água é o composto mais abundante da Terra e,
portanto de fácil obtenção e baixo custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo de energia por
unidade de massa e volume. As relações temperatura e pressão de saturação permitem
utilização como fonte de calor a temperaturas médias e de larga utilização industrial com
pressões de trabalho perfeitamente toleráveis pela tecnologia disponível, já há muito tempo.
Grande parte da geração de energia elétrica do hemisfério norte utiliza vapor de
água como fluído de trabalho em ciclos termodinâmicos, transformando a energia química de
combustíveis fósseis ou nucleares em energia mecânica, e em seguida, energia elétrica. Toda
indústria de processo químico tem vapor como principal fonte de aquecimento: reatores
químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores e inúmeros processos e equipamentos
9
térmicos. Mesmo outros setores industriais, como metalúrgico, metal-mecânico, eletrônica,
etc., pode-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos.
Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura constante durante a
condensação à pressão constante. A pressão de condensação do vapor saturado controla
indiretamente a temperatura dos processos. O controle de pressão, por ser um controle
mecânico de ação direta é conseguido muito mais fàcilmente que o controle direto de
temperatura.
A faixa de temperaturas até 170 ºC utiliza vapor saturado até 10 kgf./cm², cuja
temperatura de saturação é 183 ºC. Nesta faixa está a grande maioria de pequenos e médios
consumidores de vapor. Maiores temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de
saturação, o que implica num maior custo de investimento devido à necessidade de aumento
da resistência mecânica e requisitos de fabricação e inspeção do gerador de vapor. O limite da
temperatura de vapor saturado é o ponto crítico, a 374 ºC e 218 atmosferas. Não é vantajoso
utilizar-se vapor superaquecido para processos de aquecimento a temperaturas mais altas, já
que perderíamos a facilidade de controle de temperatura e diminuiríamos drasticamente a
disponibilidade de energia por unidade de massa ou volume de vapor.
Vapor superaquecido é utilizado e produzido para geração de energia elétrica ou
mecânica em ciclos termodinâmicos, e neste caso a limitação de temperaturas de trabalho fica
por conta dos materiais de construção empregados. Grandes caldeiras, as quais são utilizadas
tanto para geração própria de energia elétrica quanto para processos de aquecimento, estão
limitadas a pressões da ordem de 100 kgf./cm².
Existem caldeiras de maiores pressões, mas somente em grandes centrais
termoelétricas ou grandes complexos industriais, representando um número muito reduzido de
unidades, em comparação com os milhares de pequenas caldeiras em operação.
2.1.1 Desenvolvimento das Caldeiras
As primeiras aplicações práticas ou de caráter industrial de vapor surgiram por
volta do século XVII. O inglês Thomas Savery patenteou em 1698 um sistema de
bombeamento de água utilizando vapor como força motriz. Em 1711, Newcomen
desenvolveu outro equipamento com a mesma finalidade, aproveitando idéias de Denis Papin,
10
um inventor francês. A caldeira de Newcomen era apenas um reservatório esférico, com
aquecimento direto no fundo, também conhecido como caldeira de Haycock.
Figura 1: Caldeira de Haycock, 1720 Fonte: BIZZO, Valdir A.
James Watt modificou um pouco o formato em 1769, desenhando a caldeira.
Vagão, a precursora das caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor. Apesar do grande
desenvolvimento que Watt trouxe a utilização do vapor como força motriz, não acrescentou
muito ao projeto de caldeiras. Todos estes modelos provocaram desastrosas explosões, devido
à utilização de fogo direto e ao grande acúmulo de vapor no recipiente. A ruptura do vaso
causava grande liberação de energia na forma de expansão do vapor contido.
Figura 2: Caldeira Vagão de James Watt Fonte: BIZZO, Valdir A.
Nos finais do século 18 e início do século 19 houve os primeiros desenvolvimentos da
caldeira com tubos de água. O modelo de John Stevens movimentou um barco a vapor no Rio
Hudson. Stephen Wilcox, em 1856, projetou um gerador de vapor com tubos inclinados, e da
associação com George Babcock tais caldeiras passaram a ser produzidas, com grande
sucesso comercial.
11
Figura 3: Caldeira de tubos retos,Babcock e Wilcox, 1877. Fonte: BIZZO, Valdir A.
Em 1880, Alan Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos curvados, cuja
concepção básica é ainda hoje utilizada nas grandes caldeiras de tubos de água.
Figura 4: Caldeira de tubos curvados, Stirling Fonte: BIZZO, Valdir A.
Nesta época, tais caldeiras já estavam sendo utilizadas para geração de energia
elétrica. A partir do início deste século o desenvolvimento técnico dos geradores de vapor se
deu principalmente no aumento das pressões e temperaturas de trabalho, e no rendimento
térmico, com utilização dos mais diversos combustíveis. A aplicação a propulsão marítima
alavancou o desenvolvimento de equipamentos mais compactos e eficientes.
12
2.1.2 Conceitos da Termodinâmica Relacionados à Operação de Caldeiras
De modo geral, as substancias podem existir em diferentes fases, que são a fase
s6lida, Fase liquida e a fase gasosa. Assim e definido fase uma porsção homogenea de
matéria. Relacionado à fase gasosa da substancia, utiliza-se com freqüência o nome vapor
para essa fase quando a substancia esta pr6xima de um estado em que parte da mesma pode
condensar-se. O comportamento pressão, volume e temperatura, que para as chamados Gases
Perfeitos e expressos pela equação PV = RT, para o vapor, que e considerado um gás real,
essa equação não representa muito bem comportamento mencionado. As equações de estado
utilizado para expressar o comportamento dos gases reais é em geral muito complexas,
inviabilizando de forma rápida os seus usos.
Para tanto, utiliza-se na maioria das aplicações em engenharia, os diagramas e as
tabelas termodinâmicas para as diferentes fases das substâncias. Nesses recursos,
especialmente para as fases liquida e gasosa (vapor), são apresentadas os diversos valores das
propriedades termodinâmicas: alem das três identificadas acima, título, entalpia e entropia.
E importante destacar aqui que o vapor d'água e utilizado como agente
transportador de energia em diversos processos industriais e nas centrais termelétricas. lsso se
deve as vantagens a seguir:
• A água e a substância mais abundante sobre a Terra.
• Possui grande contelldo energetico (entálpico).
• Pouco corrosivo.
• Não e tóxico.
• Não e inflamável nem explosivo.
A pressão identificada nos diagramas e a pressão absoluta, a qual e medida em
Relação a um referencial fixo, dito absoluto. Desse modo, uma pressão medida Acima da
pressão atmosférica local, que e variável (altura em rela Yao nível do mar, clima, etc.), possui
um valor positivo em relação a essa e chamada de pressão manométrica. Em relação ao
referencial absoluto, essa pressão e também Positiva e dita de pressão absoluta e igual à soma
da pressão atmosférica com a pressão manométrica (Pabs=Patm+Pman).
O diagrama p x T relaciona a pressão de saturação (pressão em que se inicia a
vaporização a uma dada temperatura) com a temperatura de saturação (temperatura em que se
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inicia a vaporização a uma dada pressão). Ex.: a Psat (Pabs) =lObar (Pman=9bar) a
temperatura em que a água começa a vaporizar e = 180°C (Tsat). As coordenadas (Psat,Tsat)
definem a curva de pressão de vapor, que adquire a forma apresentada nos diagramas T x he h
x s.
• Nos diagramas são identificados os estados de liquido comprimido, de liquido
saturado, de saturação liquida-vapor, de vapor saturado e de vapor superaquecido. Identifica-
se ainda nos diagramas T x h e h x s, o ponto critico da água definido por p=22,09MPa e
T=374,I4°C, a partir da qual não se identifica mais a presença da fase liquida e vapor
existindo em equilíbrio.
• Para o estado de mistura liquida-vapor e comum definir-se o titulo (x) do vapor,
que e a fração em massa (ou percentual em massa) do vapor em relação a massa total da
mistura. lsso significa dizer, por exemplo, se o vapor que sai de uma caldeira tem uma
qualidade (titulo) de 97%, significa que 3% e umidade (água liquida).
• Ao iniciar-se a produção de vapor em uma caldeira, primeiramente todo o calor
fornecido a água (pela queima do combustível e pelos gases de combustão) serve para
aumentar sua temperatura. Ao calor associado à mudança de temperatura da água da-se o
nome de calor sensível. Em uma caldeira, como em uma panela de pressão de cozinha, por ser
um recipiente rígido, à medida que o calor é fornecido a água, a pressão aumenta junto com a
temperatura ate que aconteça a abertura da válvula de segurança. Na temperatura de saturação
relativa à pressão de abertura da válvula de segurança (pressão de trabalho da caldeira) inicia-
se a geração de vapor com alta intensidade e todo calor fornecido a água e para sua mudança
de fase, que acontece a pressão e temperatura constantes. Ao calor associado à mudança de
fase da água da-se o nome de calor latente. Se o vapor obtido na vaporização apresenta
qualidade de 100%, seu titulo é igual a 1 e a esse vapor da-se o nome de vapor saturado seco.
Ainda, se a esse vapor for transferido calor, isso fará aumentar sua temperatura (calor
sensível) e provocará o seu superaquecimento (vapor superaquecido) em um determinado
grau de superaquecimento. Por exemplo, se ao vapor saturado seco a pressão absoluta de l0
bar (T= 180°C) for transferido calor de modo a aumentar sua temperatura para 220°C, o grau
de superaquecimento resultante e de 40°C.
Para o completo entendimento de operação das caldeiras, aos conceitos
introduzidos anteriormente somam-se aqueles relacionados aos dois principio básicos da
Termodinâmica (1ª e 2ª Leis da Termodinâmica), acrescidos dos princípios que regem o
processo de combustão, os mecanismos de transferência de calor e escoamento dos fluidos.
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Em geral, o vapor é empregado para aquecimento e para a produção de trabalho
mecânico. Para aquecimento, o vapor pode ser usado direta ou indiretamente.
No processo de aquecimento direto, o vapor entra em contato direto com o
material a ser aquecido. Exemplo disso é o aquecimento de água ou outros líquido com
injeção direta de vapor. Outros exemplos: lavagem de garrafas, curtimento de couro,
esterilização, engomarem de tecidos, etc... No uso indireto, o vapor não entra em contato com
o material a ser aquecido e fica, portanto, separado por uma superfície. Esse método é
empregado quando for necessária uma grande quantidade de calor e/ou em processos que
devem ser livres de contaminação. Exemplos de equipamentos que operam com vapor de uso
indireto: calandras, boylers, radiadores, autoclaves, etc ..
Para a produção de potencia, o vapor e utilizado em maquinas alternativas e em
turbinas, sendo que nessas o vapor e em geral superaquecido. Exemplos de máquinas
alternativas: prensas, martelo para forjaria, locomóveis, locomotivas, etc ..
O vapor pode ser empregado também para extraçao de gases não condensáveis,
tais como o ar, dos espaços; os evacuados, nas chamadas bombas de jato. Outra aplicação
muito comum do vapor e no bombeio da água de alimentação de caldeiras nos chamados
injetores.
2.2 Tipos e classificação das caldeiras
A primeira tentativa do homem em produzir vapor na evolução da historia da
humanidade foi no século II A.C. quando Heron de Alexandria concebeu um aparelho que
vaporizava água e movimentava uma esfera em torno de seu eixo. Esse foi o aparelho
precursor das caldeiras e das turbinas a vapor.
Entretanto, foi na época da Revolução Industrial que teve impulso o usa do vapor
sob pressão para movimentar as maquinas. Muitos, entre cientistas, artífices e operários,
ocuparam-se por longos anos na evolução dos geradores de vapor. Os mais notáveis trabalhos
neste campo se devem a Denis Papin na França, a James Watt na Escócia e a Wilcox nos
Estados Unidos.
15
Figura 5: Maquina de Hero FONTE: BIZZO, Valdir A.
Por volta de 1835, haviam aproximadamente 6 mil teares operantes a vapor.
Entretanto, foi apos a 1ª Guerra Mundial que o emprego do vapor se acentuou. Mesmo com a
tecnologia, normas, procedimentos e ensaios que hoje existem, as caldeiras ainda explodem,
imagina-se quantos acidentes ocorreram e quantas vitimas houveram desde a época em que o
vapor passou a ser o principal agente de movimentação das maquinas.
Atualmente as caldeira de uso industrial produzem ate 10 toneladas ou mais de
vapor por hora e o fator limitante da capacidade de produção de vapor e as dimensões da
unidade e as propriedades metalúrgicas dos materiais utilizados.
Aliado aos avanços da tecnologia na produção de vapor, houve a necessidade de
avanços nas técnicas de proteção tanto dos operadores dos equipamentos geradores de vapor,
quanta da comunidade ao redor da fabrica. Foi a partir de um dos acidentes mais catastróficos
ocorridos durante a evolução industrial, o qual aconteceu em 1905 na cidade de
Massachusetts/EUA, onde morreram 58 pessoas, que a sociedade alertou-se para a
necessidade de normas e procedimentos para a construção, manutenção e operação das
caldeiras.
Assim, foram criados os c6digos da American Society of Mechanical
Engineers(ASME),o qual se constituem na principal fonte de referencia normativa sobre
caldeiras e vasos de pressão do mundo.
Nos geradores de vapor, a energia térmica e liberada através das seguintes formas:
• Pela queima de um combustível s6lido (carvão, lenha), liquido (6leos derivados
do petr6leo) ou gasoso (gás natural).
• Por resistências elétricas (eletrotermia).
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• Por fontes não convencionais, como a fissão nuclear, energia solar, energia
geotérmica, etc..
A energia térmica liberada na queima de qualquer uma das fontes acima, deve ser
adequadamente transferida para as superfícies de absorção de calor.
Existem diversos tipos de caldeiras, as quais podem ser classificadas segundo
diversos critérios. Segundo uma classificação mais genérica, as caldeiras se classificam em
FUMOTUBULARES e AQUOTUBULARES.
As caldeiras fumotubulares ou flamotubulares se caracterizam pela circulação
interna a dos gases de combustão, ou seja, os tubos conduzem os gases por todo o interior da
caldeira.
São construídas para operar com pressões limitadas, pois as parte internas
submetidas a pressão são relativamente grandes, inviabilizando o emprego de chapas de
maiores espessuras. Existem caldeiras fumo tubulares verticais, porem, atualmente, as
caldeiras horizontais são muito mais comuns, podendo ser fabricadas com fornalhas lisas e
currugadas, com 1, 2 ou 3 passes, com traseira seca ou molhada.
Nas caldeiras fumotubulares que operam com combustíveis líquidos ou gasosos, o
queimador é instalado na parte frontal da fornalha. Nessa, predomina a troca de calor por
radiação luminosa e nas partes posteriores da caldeira (caixas de reversão e tubos) a troca de
calor se processa essencialmente por radiação gasosa e convecção. A fornalha e os tubos
ficam circundados de água e são ancorados nos espelhos (discos externos) por solda ou par
mandrilagem.
Figura 6: Caldeira Flamotubular
Fonte: Apostila Tipos de Caldeiras
17
Os espelhos são ancorados por solda ao tubulão externo. Esses estão submetidos a
pressão interna do vapor e os tubas e fornalha estão submetidos à pressão externa. As
caldeiras fumo tubulares, em razão de seu aspecto construtivo, são limitadas em produção e
pressão, que em geral não ultrapassam valores de 15 ton./h de produção de vapor e 18 bar de
pressão de trabalho.
As caldeiras Aquatubulares se caracterizam pela circulação externa dos gases de
combustão e os tubos conduzem massa de água e vapor.
As caldeiras Aquatubulares são de utilização mais ampla, pois possuem vasos
pressurizados internamente e de menores dimensões relativas. Isso viabiliza econômica e
tecnicamente o emprego de maiores espessuras e, portanto, a operação em pressões mais
elevadas. Outra característica importante desse tipo de caldeira e a possibilidade de adaptação
de aeess6rios, como o superaquecedor, que permite 0 fornecimento de vapor superaquecido,
necessário ao funcionamento das turbinas.
Nas caldeiras Aquatubulares o volume de água e distribuído por um grande
número de tubos submetidos, exteriormente, ao contato dos gases de combustão. Os tubos
podem ser retos ou curvados, dispostos de forma a garantir uma eficiente circulação da água
em ebulição. A circulação natural da água esta condicionada as unidades que operam a baixas
pressões de trabalho, pois valores pr6ximos a pressão critica tornam a circulação natural
deficiente.
Figura 7: Caldeira aquotubular Fonte: Apostila Tipos de Caldeiras
Existem, embora sejam raras, caldeiras que possuem partes fumotubulares e partes
aquatubulares, constituindo, dessa forma, o que se pode denominar de caldeiras mistas.
18
As caldeiras fumotubulares são em geral, compactas, isto e, saem prontas da
fabrica, restando apenas sua instalação no local em que serão operadas. As caldeiras
aquatubulares, possuem, alem do tipo compacto, podem ser do tipo montadas em campo,
quando seu porte justificar sua construção no local de operação.
Essas se caracterizam de acordo com a estrutura que a suporta: caldeira auto-
sustentada, quando os pr6prios tubos e tubulões constituem sua estrutura; caldeira suspensa,
quando a necessidade de uma estrutura a parte; e caldeira mista, que emprega estas duas
formas básicas de sustentação.
Após a queima do combustível na fornalha, os gases quentes percorrem o circuito
dos gases, desenvolvendo deverá as passagens para melhor aproveitamento do calor, sendo,
finalmente, lançados na atmosfera através da chaminé. E evidente que, para essa
movimentação, ha necessidade de diferenças de pressões para promover a retirada dos gases
queimados e possibilitar a entrada de nova quantidade de ar e combustível.
Da-se o nome de tiragem ao processo que retira os gases mediante a criação de
pressões diferenciais na fornalha. Portanto, as caldeiras podem ser de tiragem natural, quando
esta se estabelece por meio da chaminé, e de tiragem forçada quando, para produzir a
depressão, são utilizados ventiladores.
Figura 8: Esquema de um caldeira aquotubular FONTE: Celulose Nipo-Brasileira - CENIBRA
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Finalmente, para os propósitos da NR 13, as caldeiras são c1assificadas em três
categorias, conforme segue:
• Caldeiras da categoria A São aquelas cuja pressão de operação e igual ou
superior a 1960 kPa (19,6 bar = 19,98 kgf/cm²).
• Caldeiras da categoria C são aquelas cuja pressão de operação e igual ou inferior
a 588 kPa (5,88 bar = 5,99 kgf/cm²) e o volume interno e igual ou inferior a 100 litros.
• Caldeiras da categoria B São todas aquelas que não se enquadram nas categorias
anteriores.
2.2.1 Componentes das Caldeiras Aquatubulares
Encontramos nestas outro tipo, que é o mais empregado, como o próprio nome
indica, tem circulação de água por dentro dos tubos e os gases quentes envolvendo caldeiras,
geralmente, os seguintes componentes:
• Sistema de controle da água de alimentação.
• Injetores.
• Indicador de nível.
• Câmara de combustão
• Tubos
• Coletores
• Tubulão
• Superaquecedor
• Pré-aquecedor de ar
• Economizador
• Queimadoras
• Refratário
• Sopradores de fuligem
• Ventiladores
• Chaminé
• Válvulas de segurança.
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2.2.1.1 Sistema de controle da água de alimentação
Os sistemas de controle da água de alimentação devem regular o abastacimento de
água ao tubulão de evaporação para manter o nível entre limites desejáveis. Esses limites
devem ser observados no indicador de nível.
A quase totalidade das caldeiras são equipadas com sistemas automatizados, que
proporcionam maior segurança, maiores rendimentos e menores gastos de manutenção. Este
regulador age diretamente na bomba de alimentação da caldeira.
2.2.1.2 Injetor
O injetor é um dispositivo empregado como alimentador auxiliar de caldeiras para
situações de falta de energia elétrica. O vapor proveniente da caldeira expande-se num bocal,
saindo deste a alta velocidade e baixa pressão. Devido à baixa pressão reinante, a água
alimentada é succionada, misturando-se com o vapor que vem do bocal. A mistura passa por
um segundo bocal e em seguida passa por um difusor. Nesse, parte da energia cinética do
fluxo transforma-se em energia de pressão, o que permite seu ingresso na caldeira.
Figura 9: Bicos injetores Fonte: Caldeiras e dispositivos
21
2.2.1.3 Indicador de nível
Os indicadores de nível tem por objetivo indicar o nível de água dentro do tubulão
de evaporação. Em geral, são constituídos por um vidro tubular. As válvulas de segurança são
necessárias para prevenir eventual ascensão na pressão normal de trabalho da caldeira. Toda
caldeira deve possuir pelo menos uma válvula de segurança.
Figura 10: Indicador de Nível Fonte: Caldeiras e dispositivos
2.2.1.4 Câmara de combustão
A câmara de combustão é a região onde se dá a queima do combustível, com
produção dos gases de combustão que fornecem calor à água. Os tubos servem para a
circulação de vapor e água dentro da caldeira, a fim de permitir a troca de calor entre os gases
quentes de combustão e a água ou vapor.
Os coletores são peças cilíndricas, às quais chegam e saem conjuntos de tubos,
cuja finalidade, como o próprio nome indica, é coletar água ou vapor.
22
Figura 11: Câmara de combustão Fonte: Fabricação e montagem de caldeira
2.2.1.5 Tubulão
O tubulão é um tambor horizontal, situado no ponto mais alto do corpo principal
da caldeira, ao qual se acham conectados, através de tubos, os coletores, que se encontra em
níveis diferentes dentro da caldeira. A água circula várias vezes através do conjunto tubulão-
coletores descendo pelos tubos externos e retornando pelos internos. Essa circulação natural é
provocada pela diferença de pressão exercida pelas colunas líquidas e pelas correntes de
convecção formadas. A coluna externa contendo somente água é mais pesada do que a coluna
interna contendo água + vapor, promovendo então a circulação. A parte vaporizada vai se
armazenando no tubulão, enquanto o líquido volta a circular.
Além de acumular o vapor, o tubulão recebe também à água de alimentação, que
vem do economizador. O espaço acima do nível d’água no tubulão chama-se espaço de vapor.
Para evitar o arraste de gotículas de líquido junto ao vapor no espaço de vapor existem
chicanas com a finalidade de separar o líquido arrastado. O vapor saturado separado no
tubulão passa a outro conjunto de serpentinas, o superaquecedor, onde é obtido o seu
superaquecimento. As serpentinas do superaquecedor têm suas extremidades ligadas a dois
coletores de vapor.
23
Figura 12:Tubulão Fonte: Fabricação e montagem de caldeira
2.2.1.6 Superaquecedores
O superaquecedor pode situar-se na zona de radiação ou convecção, conforme o
grau de superaquecimento para o qual as caldeiras são projetadas. São superfícies de troca de
calor usualmente constituídas de circuitos de tubos paralelos, recebem vapor do coletor
elevando a sua temperatura.Como outra definição temos feixes tubulares determinados a
elevar a temperatura do vapor proveniente do tambor da caldeira e são localizados de modo a
melhor aproveitar o calor disponível nos gases de combustão (temperaturas mais altas =>
mais próximas da câmara de combustão).
O calor absorvido da fornalha por radiação ou proveniente da combustão dos
gases, evapora primeiro a umidade transportada pelo vapor e posteriormente o superaquece
até um nível determinado.
Os superaquecedores possuem vários circuitos de tubos dispostos em paralelo,
com um ou mais curvas duplas, conectadas entre coletores.
24
Os tubos curvados podem ser de raio pequeno ou grande, executados a partir de
tubos retos, ou forjados e soldados às extremidades dos tubos. As extremidades dos tubos são
laminadas ou soldadas aos coletores ou terminando em uma junta removível.Os tubos deverão
possuir elevada resistência às altas temperaturas, à deformação e à oxidação. Aços-liga
especiais adaptam-se a estas exigências. O aço-carbono encontra-se limitados de operar até
510ºC devido à oxidação causada pela elevada temperatura do vapor. Podem ser usadas até
650ºC algumas ligas de cromomolibdeno. Os superaquecedores são classificados nos tipos:
por convecção, radiação ou combinado.
2.2.1.6.1 Superaquecedores por Convecção
Os superaquecedores, bem como os reaquecedores podem ser do tipo horizontal
ou suspenso. Nestes a temperatura do vapor elevam-se quando a carga aumenta devido a que
o fluxo de gases no lado da superfície que fica em contato com o fogo aumenta mais
rapidamente que o fluxo de vapor no interior dos tubos. Superaquecedores e reaquecedores
drenavam são necessários na secção de convecção devido à probabilidade de condensação.
Válvulas operadas por piloto são usadas nos superaquecedores suspensos para
liberar umidade e partículas depois de parada da unidade.
Figura 13: Superaquecedores Fonte: Celulose Nipo-Brasileira - CENIBRA
25
Figura 14 Superaquecedores por Convecção Fonte: Fabricação e montagem
2.2.1.6.2 Superaquecedores por Radiação
Localizado na fornalha e recebendocalor por radiação direta, sua temperatura de
vapor diminuirá quando a carga aumenta devido à elevada taxa de absorção de calor das
paredes da fornalha. O calor disponível para o superaquecedor não aumenta na mesma
proporção que o fluxo da massa de vapor no interior dos tubos, diminuindo consequentemente
a temperatura do vapor.
Para manter temperaturas razoavelmente uniformes à medida que a carga
modifica os superaquecedores ou reaquecedores são divididos em secções denominadas:
primária, secundária e às vezes terminal, no caso de grandes geradores, algumas secções estão
dispostas na fornalha e outras mais afastadas na zona de convecção.
A montagem de superaquecedores externamente à caldeira realiza-se quando não
é praticamente possível incorporá-los ao gerador, como no caso de um vapor gerado em um
trocador de calor ou evaporador, em um processo de recuperação química de calor ou em um
reator nuclear. Os superaquecedores externos poderão incluir uma secção de reaquecimento.
26
Figura 15: Superaquecedores por Radiação FONTE: Fabricação e montagem
2.2.1.6.3 Localização de Superaquecedores
Os superaquecedores podem também ser classificados conforme seu
posicionamento, podendo ser localizados como já dito, na zona de convecção da caldeira,
expostos a elevada temperatura da área de radiação ou dividido entre ambas. A seguir
algumas disposições adotadas nos projetos de caldeiras a vapor.
A disposição dos tubos do superaquecedor, ocupando toda a área de secção de
passagem dos gases, assegura uma absorção uniforme e combinada do calor trocado por
convecção e por radiação, produzindo vapor com mínimas variações de temperatura, através
de uma larga faixa de operação da caldeira. Os coletores de vapor de diâmetro relativamente
grande, localizados em uma região sem contato com os gases quentes, asseguram uma
distribuição perfeita e uniforme do vapor nos tubos do superaquecedor, mantendo assim um
fluxo constante. Os pontos de superaquecimento são eliminados, mantendo-se, portanto, a
temperatura do metal abaixo do limite máximo permissível do material, e resultando no
aumento da durabilidade dos tubos. Além disso, a troca de calor combinado por radiação e
convecção, produz vapor com mínimas variações de temperatura, através de uma larga faixa
de operação de caldeira.
27
2.2.1.7 Pré-aquecedor de Ar
A recuperação final de calor dos gases da combustão é realizada por um
aquecedor de ar. A temperatura dos gases é diminuída próxima da temperatura do ponto de
orvalho, temperatura à qual a umidade começa a condensar. Este ponto constitui a
temperatura limite máximo de operação. Temperaturas menores propiciarão corrosão,
agravada esta pelo ácido sulfúrico formado a partir do enxofre contido nos gases de
combustão.
Os aquecedores de ar podem ser classificados em: tubulares, regenerativos ou
rotativos e de placa. O projeto tubular é fabricado em ferro fundido ou aço. Consiste de um
feixe tubular encerrado em um invólucro de aço reforçado. Entre a superfície externa dos
tubos e a interna do invólucro circula o ar destinado à combustão, circulando os gases quentes
pelo interior dos tubos. É formado por: saída de gás, entrada de ar frio, gincanas, tubos,
entrada de gás, depósitos de cinzas, saída de ar quente.
Neste tipo de aquecedor é necessário um depósito de cinzas situado na parte
inferior do aparelho, cuja limpeza deverá ser periodicamente realizada para evitar
entupimento dos condutos de gás. O aquecedor de ar regenerativo consiste de um rotor,
girando a 2 ou 3 RPM, com uma série de elementos corrugados de metal, que permitem uma
Figura 16: Localização super aquecedoresFonte: Celulose Nipo-Brasileira - CENIBRA
28
grande superfície de contato para a transmissão de calor e pequena resistência ao fluxo de ar
ou gás. Pelo fato de existir uma enorme superfície formada pelos elementos do rotor, este
projeto pode ser considerado como um trocador de calor compacto.
Diafragmas e vedações dividem diametralmente a unidade, fluindo o gás em uma
parte ou zona e na outra o ar. A superfície corrugada de aquecimento é feita em secções que
podem ser facilmente retiradas para manutenção.
Os aquecedores de placas possuem passagens estreitas e alternadas para gás e ar,
como também diafragmas cuja função é de dirigir o ar para obter um melhor aproveitamento
da superfície de transmissão de calor. A corrosão consisti um grave problema para os
aquecedores de ar, sobretudo na zona de baixa temperatura dos gases, e maior ainda quando
queimados óleos residuais devido ao conteúdo de enxofre, sódio e vanádio nas cinzas.
Figura 17: Pré-aquecedor de Ar Fonte: Fabricação e montagem
Como proteção contra a corrosão pode ser pulverizada uma mistura de dolomita
ou óxido de magnésio com ou sem aditivo. Esta mistura pode ser aspergida pelos sopradores
mecânicos de fuligem. Os resultados são significantes, especialmente em caldeiras que
queimam óleos com conteúdo dos elementos acima mencionados.
Quando a proteção é desejada também na secção quente do gerador, pode ser
realizada a pulverização incluindo a aspersão de pó metálico de magnésio, diretamente na
fornalha sobre ou perto dos queimadores. Deve ser considerado de grande importância a
manutenção dos economizadores e aquecedores de ar limpos e isentos de incrustações.
29
2.2.1.8 Economizadores
Economizadores são aparelhos destinados a elevar a temperatura da água de
alimentação, antes de introduzi-las no interior da caldeira, aproveitando o calor sensível ainda
disponível nos gases de combustão, após sua passagem pelas ultimas partes da própria
caldeira. O aumento da temperatura da água de alimentação é benéfico ao processo e oferece
algumas vantagens. A introdução de água fria, em torno de 25ºC, tende a provocar uma queda
da pressão interna da caldeira principalmente quando o processo de recuperação do nível se
faz internamente. Devem estar localizados após a última superfície de convecção do gerador
de vapor.
Os gases da combustão que deixam a superfície de convecção da caldeira
possuem uma considerável energia calorífica, com uma temperatura maior que a do vapor
saturado. Parte desta energia pode ser recuperada por um economizador. Os gases passando
sobre a superfície dos tubos de um economizador aquecem a água de alimentação da caldeira
que flui pelo interior dos tubos, antes desta entrar no coletor da caldeira. A justificativa de uso
de um economizador depende do ganho total na eficiência. Isto necessariamente depende das
temperaturas dos gases na saída da caldeira e da temperatura da água de alimentação. A água
de alimentação deve entrar no economizador a alta o suficiente para não provocar
condensação e corrosão ácida na face do tubo em contato com o gás.
O método mais antigo usado para recuperar calor dos gases da combustão,
consistia na passagem de gases através de um trocador de ferro fundido para preaquecer a
água de alimentação. Os economizadores de ferro fundido são usados ainda atualmente
quando a temperatura dos gases da combustão é baixa podendo eventualmente existir
condensação ácida. Nos projetos atuais são normalmente usados tubos de aço que tem menor
espessura, menor espaçamento, maior superfície de aquecimento por metro cúbico, menor
peso e maior economia. Devido à relativamente baixas temperaturas de operação são
necessárias uma grande superfície de exposição, motivo pelo qual é ás vezes usado superfícies
aletadas para aumentar o contato gás-metal (Elementos de troca de calor; coletores;
sopradores mecânicos de fuligem).
Para evitar problemas de corrosão interna a água para os economizadores é
geralmente Submetida à desaceleração. Considerá-se uma boa medida manter o pH entre 8,0 e
10,0. A temperatura da água de alimentação na entrada do economizador deverá ser mantida
numa temperatura de aproximadamente 80ºC para evitar o resfriamento dos gases da caldeira
até a temperatura de ponto de orvalho, evitando assim sérios problemas de corrosão. O
30
tratamento correto da água de alimentação evita corrosão interna. Quando desejada uma
elevada resistência à corrosão alguns projetistas usam externa e internamente uma
combinação de aço-ferro fundido.
A localização dos economizadores pode ser efetuada mediante um projeto
“integral”, semelhante a um feixe de tubos de caldeira possuindo seu coletor próprio. Pode ser
montado na caldeira como parte da superfície de convecção. Às vezes é usado somente um
coletor estando o economizador ligado diretamente ao coletor da caldeira.
O arranjo ou projeto de localização denominado “independente” constitui-se de
uma série de tubos situados no fluxo dos gases da combustão, geralmente antes do aquecedor
de ar. O método atualmente utilizado para a limpeza interna dos elementos de caldeiras tem
minimizado a necessidade de fácil acesso aos tubos do economizador. Os economizadores
“externos” são usados quando há limitações de espaço interno da caldeira que não permitem
sua montagem ou quando adicionados a uma instalação existente.
Figura 18: Economizadores Fonte: Celulose Nipo-Brasileira - CENIBRA
2.2.1.9 Queimadoras
Os queimadores consistem de uma carcaça de ar (registro de ar), para controle de
vazão de ar de combustão; einjetores de combustível, para controle da vazão de combustíveis
31
gasosos ou líquidos. O queimador deve permitir o conhecimento da vazão (obtém-se pelo
conhecimento da pressão), ao mesmo tempo que produz as características aerodinâmicas
necessárias para o perfil e a estabilidade de chama, em conjunto com a distribuição espacial.
O óleo combustível é finamente atomizado, para alcançar a eficiência de queima especificada.
O ar combustão é dividido em duas correntes básicas de vazão, a primária e a
secundária. A vazão de ar primária passa pelo tubo central, sendo introduzidas através de um
estabilizador de ar axial. O ar secundário passa através de uma seção anular, formada pela
parede externa da seção primária e a parede interna do corpo do registro, e então através de
aletas fixadas com ângulo pré-determinado, para ser introduzido em uma garganta
convergente / divergente.
O conceito do projeto é de que a seção primária se mantenha em uma condição
fixa, enquanto que a garganta secundária e o turbulador possam variar, para produzir o perfil
de chama e a performance requeridos. A perda de carga no registro (Register Draught Loss –
R.D.L) é a mínima possível, de forma a proporcionar a performance de combustão
especificada.
O combustível é introduzido normalmente à corrente de ar por :
• Lança central com atomizador para Óleo combustível ou outros combustíveis
líquidos.
• Lança de gás – Central ou periféricas situadas ao redor do turbulador de ar
primário, ou uma combinação dos dois.
O queimador pode funcionar queimando unicamente um destes combustíveis ou,
como alternativa, pode ser projetado como uma unidade dual, capaz de queimar ambos os
combustíveis independentemente ou em combinação.
Figura 19: Queimadoras Fonte: BIZZO, Valdir A.
32
2.2.1.10 Refratário
As paredes da caldeira são revestidas internamente de tijolos refratários,
resistentes a altas temperaturas, que protegem as partes metálicas estruturais da caldeira
contra deterioração por alta temperatura e produzem homogeneização da temperatura por
reflexão do calor das chamas. Os maçaricos das caldeiras são semelhantes aos dos fornos.
2.2.1.11 Sopradores de fuligem
Os sopradores de fuligem são elementos instalados nas caldeiras, seja
aquatubulares como flamotubulares, em caráter permanente, para efetuar a remoção, durante o
funcionamento, dos resíduos da combustão depositados sobre os tubos vaporizadores,
superaquecedores e economizadores. A presença de depósitos de fuligem, cinzas, etc. sobre o
metal, diminui a transmissão do calor do combustível para a água da caldeira e
conseqüentemente sua eficiência térmica.
Os modernos sopradores podem seguir quanto ao seu funcionamento uma
seqüência pré-determinada ou programada conforme as necessidades específicas dos vários
elementos do gerador de vapor. A sopragem automática dos elementos da caldeira na maior
parte das instalações reduz a temperatura média dos gases de combustão.
A sopragem automática deverá, portanto começar quando a temperatura do gás
exceder um determinado valor. Constantes melhoras efetuadas permitem estabelecer que uma
operação programada atenda eficientemente as necessidades de cada unidade em particular. O
controle automático permite uma grande economia do combustível, vapor e tempo.
A freqüência da limpeza depende do tipo de operação e do combustível utilizado.
É importante manter o gerador produzindo vapor a uma taxa razoável durante a operação dos
sopradores. Isto evitará a possibilidade de ignição espontânea ou explosão em alguma parte
onde uma circulação não eficiente permita a acumulação de combustível não queimado ou gás
rico. Também dever ser aumentada levemente a tiragem durante a operação de sopragem.
A sopragem pode ser efetuada com vapor ou ar, sendo o vapor o sistema mais
popular, com cerca de 60% contra 40% das efetuadas por ar. Em grandes instalações é usado
o ar para evitar o custo devido à perda da água tratada.
Zona de separação
Saída de arEntrada de gases e cinza
33
São usados vários tipos de sopradores entre os quais os do tipo estacionário, que
emprega difusores retos para efetuar a injeção a vapor; outro tipo é o retrátil que opera
automaticamente e mediante controle remoto, usado para extração do acúmulo de
incrustações nos tubos da caldeira, parede da fornalha ou do superaquecedor e economizador,
ou seja na parte de alta temperatura dos gases.
Pode ás vezes ser obtida uma economia de 25% em tempo e meio de sopragem
usando motores elétricos como elemento de acionamento a sopradores deste tipo. Pode ser do
tipo combinado, isto é, retrátil e rotativo acionado por dois motores, atravessando a caldeira a
uma determinada velocidade e retraindo-se ao dobro da mesma, ou simplesmente do tipo
rotativo, usando normalmente para as superfícies de convecção nas zonas de baixa
temperatura do gás, abaixo de 800ºC.
Nas caldeiras de biomassa, a retirada de cinzas pode ser realizada por coletores
gravitacionais que por meio de expanção da área de pessagem do ar, ou por ciclones, ocasiona
a perda de pressão e a retirada das partículas de cinza.
2.2.1.12 Precipitador eletroestático
A precipitação eletrostática de partículas ocorre através de um eletrodo de
descarga carregado negativamente, situado perto de outro positivo ligado a terra, chamado
eletrodo coletor, de forma esférica ou de placa plana.
Entre os dois eletrodos, por onde passam os gases arrastando partículas, aspirados
por ventilador, está aplicada uma diferença de potencial de 50000 a 100000 volts.
Figura 20: Soprador de Fulige FONTE: Celulose Nipo-Brasileira - CENIBRA
34
Os gases de combustão arrastam as cinzas dos diferentes compostos químicos,
formados no processo de queima da biomassa, que aderem nas superfícies de aquecimento da
caldeira.
2.2.1.13 Ventiladores
Os ventiladores têm a finalidade de movimentar o ar de combustão até os
queimadores na câmara de combustão e os gases da câmara de combustão até a
chaminé.Existem dois tipos funcionais de ventiladores: de tiragem forçada, que apanha o ar
atmosférico e o envia através dos dutos da caldeira para os queimadores e o de tiragem
induzida, instalado na saída da caldeira, que succiona os gases de combustão de dentro da
câmara e os conduz à chaminé.
Figura 21 : Precipitador EletoestáticoFONTE: Celulose Nipo-Brasileira - CENIBRA
35
Figura 22: Esquema com os ventiladores em uma caldeira FONTE: Celulose Nipo-Brasileira - CENIBRA
2.2.1.14 Chaminé
A chaminé é a parte que conduz os gases de combustão à atmosfera (em altura
suficientemente grande para que não venham a ser danosos ao meio ambiente).
2.2.1.15 Válvulas de segurança
As válvulas de segurança são válvulas especiais, instaladas no tubulão, cuja
finalidade é dar saída ao vapor no caso deste atingir uma pressão superior a um máximo
admitido pelas condições de segurança operacional.
2.2.2 Classificação das Caldeiras Aquatubulares
Como vimos às caldeiras Aquatubulares poderiam ser classificadas de diversas
maneiras, mas iremos dividi-las em: Caldeira de tubos retos, Caldeiras de tubos curvos e
Caldeiras de circulação forçada.
36
2.2.2.1 Caldeiras de Tubos Retos
Podendo possuir tambor transversal ou longitudinal, estas caldeiras são ainda
bastante utilizadas devidas, entre outras coisas, a possuírem fácil acesso aos tubos para fins de
limpeza ou troca, causarem pequena perda de carga, exigir chaminés pequenas, e porque
também todos os tubos principais são iguais necessitando de poucas formas especiais.
Os tubos de água, normalmente de 4, são inclinados de aproximadamente 22º,
sendo ligado nas extremidades às coletoras também chamadas câmaras onduladas, formando
com a tubulação, um circuito fechado por onde circula a água que entra pela parte inferior do
tambor, desce pelo interior do coletor posterior e sobe pelos tubos inclinados onde se forma o
vapor. A mistura de vapor e água ascende rapidamente pelo coletor frontal retornando ao
tambor onde tem lugar a separação entre o vapor e a água.
Estas caldeiras podem ser adaptadas à produção de energia e possui um apreciável
volume de água, fator importante para várias aplicações. Sua superfície de aquecimento varia
de 67 a 1.350 m², com pressões de até 45 kg/² para capacidades variando de 3 a 30 TV/H. Seu
inconveniente se restringe no fato de que os tubos terminam em coletores cujas paredes
devem estar em esquadro com a linha central dos tubos para que as juntas de vapor possam se
encaixar aos extremos dos tubos contra as paredes dos coletores, e por possuírem baixa
vaporização específica, da ordem. De 20 a 25 kg.v/m2.
2.2.2.2 Caldeiras de Tubos Curvos
A utilização de vapor em centrais térmicas exigia geradores de grande capacidade
de produção e com isto as caldeiras de tubos curvos, devido à sua ilimitada capacidade de
produzir vapor, tomaram uma posição de grande importância para casos desta natureza. São
compostas por tubos curvos ligados a tambores e suas concepções iniciais possuíam quatro e
até cinco tambores, sendo revestidos completamente por alvenaria.
Atualmente, por motivos de segurança, economia e para eliminar o uso de peças
de grande diâmetro, o número de tambores foi reduzido a dois (2) e com um único tambor,
sendo este último aplicado a unidade de altas pressões e capacidades. As paredes de refratário
representavam um custo enorme das instalações por isto desenvolveu-se estudos quanto a um
melhor aproveitamento do calor irradiado, e a aplicação de paredes de água veio eliminar o
uso destes custosos refratários. Com o maior proveito do calor gerado, alem de reduzir o
37
tamanho da caldeira, promove-se uma vaporização mais rápida e aumenta-se a vida do
revestimento das câmaras de combustão.
Este tipo de caldeira encontra uma barreira para sua aceitação comercial no que se
refere ao fato de exigirem um controle especial da água de alimentação (tratamento da água),
embora apresente inúmeras vantagens, tais como, manutenção fácil para limpeza ou reparos,
rápida vaporização, sendo o tipo que atinge maior vaporização especifica com valores de 28 a
30 kg.v/m² nas instalações normais, podendo atingir até 50 kg.v/m² nas caldeiras de tiragem
forçada.
2.2.2.3 Caldeiras com Circulação Forçada
A diferença de pesos específicos da água de alimentação fria, com a água
aquecida e misturada com bolhas de vapor promove uma circulação natural da água no
interior dos tubos. Fatores como incrustações, variações de carga, etc., acabam por tornarem-
se obstáculos a esta circulação, portanto, apesar de vários cuidados tomados, não se consegue
uma circulação orientada, ou como é chamada, uma circulação positiva.
Baseado nisto substituiu-se a circulação por gravidade pela circulação forçada por
uma bomba de alimentação e com isto reduz-se o diâmetro dos tubos, aumenta-se o circuito
de tubos e estes podem dispor-se em forma de uma serpentina contínua formando o
revestimento da fornalha, melhorando-se a transmissão de calor e reduzindo-se o tamanho dos
tambores, coletores e tornando mínimo o espaço requerido.
Foi Mark Benson da Siemens alemã o autor deste tipo de caldeira, que se
caracterizava pelo fato de não utilizarem bomba de recirculação ou tambor, trabalhando com
pressões supercríticas, exigindo assim um controle rigoroso.
Aproveitando calor do superaquecedor (~4%) para a água de alimentação, a
Sulzer apresentou seu modelo trabalhando com uma pressão a 140 kg/² e com sensíveis
aparelhos para controlar o superaquecimento desejado através do controle da combustão e da
circulação de água. Baseados no modelo da Sulzer, a La Mont e a Velox desenvolveram seus
modelos chamados de “circulação favorecida” por possuírem uma bomba de recirculação que
trabalha no primeiro caso com pressões superiores à da caldeira de 40lb/pol² em média, tendo
aplicação satisfatória em caldeiras de recuperação consumindo menos de 1% da energia
produzida.
38
Na caldeira Velox, que alcança rendimento térmico de até 90% e por isto vem
adquirindo grande aceitação na Europa, os gases da câmara de combustão são comprimidos
de 1 a 2 kg/cm por meio de um ventilador acionado por uma turbina a gás que utiliza os gases
de escape da caldeira. Devido a compressão, ha um aumento da densidade dos gases e de sua
velocidade até valores próximos a 200 m/s, melhorando-se assim a transmissão de calor em
alguns casos com coeficientes 15 vezes maiores que nos casos comuns.
Por este motivo a caldeira requer aproximadamente l/4 do espaço e pesa um
sétimo (1/7) do- valor de geradores convencionais de mesma capacidade de produção de
vapor. Outras vantagens atribuídas a este tipo são uma resposta rápida aos controles e rápida
entrada em funcionamento (5 a 7 ate 500 kg.v/m².h.
O vapor produzido e a água sem vaporizar entram em um cilindro vertical no qual
canais centrífugos dirigem a água para o fundo e o vapor saturado sobe pelo centro. A água
volta a entrar na bomba de circulação de onde é injetada no gerador de novo.
Um gerador deste tipo produz aproximadamente 2.750 kg.v/h ocupando um
espaço de 2,1 x 2,1m. As caldeiras de circulação forçada devido, entre outras coisas, a serem
mais leves, formarem vapor praticamente seco ou superaquecido e instantaneamente,
ocuparem menor espaço e possuírem grandes coeficientes de transmissão de calor, pareciam
tomar conta completamente do mercado, porém o seu uso apresentou certos inconvenientes
como super sensibilidade, paradas constantes por mínimos problemas, etc., o que levou La
Mont a elaborar juntamente com W. Vorkauf um outro tipo sem bomba de alimentação
(circulação natural), porém com tubulão ligado à tubos de grande diâmetro que por sua vez se
ligam ao feixe de troca de calor de tubos com diâmetros menores (Figura 11). Este tipo teve
grande aceitação dos usuários pois aproveitou as vantagens das caldeiras de circulação
forçada e eliminou os defeitos das mesmas.
2.3 Eficiência da Caldeira
Eficiência da caldeira é a eficiência pura da transferência de calor do combustível
para o vapor, a qual leva em conta a radiação e perdas de convecções. É uma indicação
verdadeira da eficiência total da caldeira. Como descrito no ASME POWER TEST CODE,
PTC 4.1, a eficiência combustível-vapor de uma caldeira pode ser determinada por 02
métodos; o método entrada-saída e o método perdas de calor.
39
2.3.1 Método entrada-saída
A eficiência por este método é baseada na proporção da saída e entradas de calor
na caldeira. Ela é calculada em se dividindo a saída da caldeira (Kcal) pela entrada da caldeira
(Kcal) e multiplicando por 100. A entrada atual e saída da caldeira são determinadas pela
instrumentação e os dados são usados nos cálculos que resultam na eficiência combustível
para vapor sendo ainda hoje o método mais difícil de realizar devido à necessidade de se
conhecer com precisão, no mínimo os seguintes parâmetros: vazão de vapor, água,
combustível e a temperatura destes.
2.3.2 Método perdas de calor
O método de medida de eficiência Equilíbrio de Calor é baseado na consideração
de todas as perdas de calor da caldeira. O método para cálculo atual consiste da subtração de
100% do total das perdas, sendo que o valor resultante é a eficiência combustível vapor da
caldeira.
2.3.3 Perdas na chaminé
São a maior porção das perdas do calor onde muito dinheiro é jogado fora todos
os dias. Este é um bom indicador da eficiência da caldeira. A temperatura na chaminé é a
temperatura dos gases de combustão (seco ou úmido) deixando a caldeira e refletindo
diretamente na energia que não se transferiu do combustível para o vapor ou água quente.
Quanto menor a temperatura na chaminé, maior será a eficiência da caldeira, e
hoje nenhuma caldeira no Brasil consegue temperaturas de chaminé menores que a
Steammaster.
2.3.4 Perdas de Convecção e Radiação
Todas as caldeiras têm perdas de convecção e radiação. As perdas representam a
radiação do calor da caldeira para o ambiente. Radiações e perdas de convecções expressas
40
em Kcal/h são essencialmente constantes na área de caldeira, mas variam entre diferentes
tipos de caldeiras, tamanhos, pressões de operação e carga de trabalho. Todas as caldeiras
Steammaster FOUR, são isoladas com 100 mm de lã de rocha de alta densidade, com proteção
em aço inoxidável (toda a caldeira é isenta de amianto).
2.3.5 Componentes da Eficiência
A eficiência da caldeira, quando calculada pelo método de equilíbrio de calor
ASME, inclui perdas na chaminé e radiação e convecções. Mas que fatores têm efeito maior
na eficiência de uma caldeira? Em uma primeira discussão, o projeto da caldeira é o maior
fator. São fatores-chaves para entendermos os cálculos de eficiência da caldeira: Temperatura
dos gases (Temperatura da chaminé); Especificações do combustível; Ar excesso;
Temperatura do ar ambiente; Perdas por radiação e convecção.
2.3.5.1 Temperatura dos gases
É a temperatura dos gases combustão assim que saem da caldeira. Um modo em
potencial de manipular um valor de eficiência é utilizar uma temperatura dos gases menor do
que a real nos cálculos. Quando estiver analisando um cálculo de eficiência, verifique a
temperatura dos gases. Ela é real? Ela é próxima ou menor do que a temperatura dos fluidos
(água) no interior da caldeira? Para caldeiras FOUR Steammaster, garantimos temperaturas de
gases de chaminé tão baixas quanto 45ºC acima da água da caldeira, para 100% da carga. E
isto só a Steammaster faz. Não seja tolo em estimar temperaturas de chaminé. Tenha certeza
da prova dela.
2.3.5.2 Excesso de ar
Excesso de ar é o ar extra provido para o queimador, além do ar requerido para a
completa combustão. Ele é fornecido para o queimador porque uma queima sem ar suficiente
ou o estritamente necessário (queima estequiométrica) não e possível em queimadores
industriais. Mudanças sazonais na temperatura e pressão barométrica podem causar excesso
41
de ar em uma caldeira numa média de 5% a 10%, ou provocar a queima num nível de baixo
excesso de ar podendo resultar em alto CO e fuligem na caldeira.
O ar é então provido em excesso para o queimador permitindo um fator de
segurança, jogando fora, porém energia em potencial que poderia ser transferida para água na
caldeira. Neste caso, ar em excesso acima do tecnicamente correto, reduz a eficiência da
caldeira, aumentando drasticamente as perdas nos gases da chaminé, lembre-se que o ar entra
no queimador, a temperatura ambiente sai na chaminé a centenas de graus acima. Um projeto
de queimador de qualidade permitirá queima a um nível máximo de excesso de ar em torno de
15% (3% como 02). O O2 representa a porcentagem de oxigênio no gás.
Excesso de ar é medido por coleta (amostra) no gás. Para por exemplo 15% de
excesso de ar, O2 3%. O fato é que, mesmo com a capacidade teórica do queimador de rodar
com nível de excesso de ar menor que 15%, raramente estão disponíveis para isto na prática.
O nível de excesso de ar real para uma caldeira em operação é 15%, se um fator de segurança
apropriado estiver sendo mantido.
Se menos que 15% de excesso de ar estivermos sendo usado para calcular a
eficiência, isto é pouco provável de se obter, pelo menos não por muito tempo e você estará
provavelmente baseando seu uso de combustível numa eficiência maior do que o real no dia-
a-dia. Solicite ao vendedor do equipamento para recalcular a eficiência a um valor de excesso
real.
2.3.5.3 Temperatura ambiente
A temperatura ambiente pode ter um efeito dramático na eficiência da caldeira.
Uma variação de 5ºC na temperatura ambiente pode ter uma conseqüência na eficiência de
1% ou mais. As maiorias das casas de caldeira são relativamente quentes. Logo, a maioria dos
cálculos de eficiência é baseada em temperaturas ambientes de 26º C. Quando analisar os
cálculos da eficiência garantida, verifique as condições do ar ambiente utilizado. Se um valor
maior que 26º C for utilizado, ele não está consistente com a boa prática. E, se a caldeira ficar
do lado de fora (da casa), a eficiência será ainda menor, independentemente do projeto da
caldeira. Para determinar seu uso atual de combustível, peça para que a eficiência seja
calculada nas condições de ambiente reais.
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2.4 Aplicação e Utilização das Caldeiras Aquatubulares
As caldeiras tubos de água perseguem os mesmos objetivos de uma caldeira
qualquer, isto é, custo reduzido, compacta cidade, ser acessível, tubos com formas simples,
boas circulação, coeficiente de transmissão de calor elevado e alta capacidade de produção de
vapor.
Poderia se disser que este tipo atinge todos ou quase todos dos objetivos
pretendidos como, por exemplo, a sua limpeza é facilmente realizada, pois as incrustações são
retira das sem dificuldade utilizando um dispositivo limpo-tubo movido com água ou ar.
Elas possuem as mais variadas aplicações industriais sendo também usado para
caldeiras de recuperação e aplicações marítimas, tipo este estudadas com maiores detalhes por
Engenheiros Navais, porém destacamos sua utilização em centrais térmicas onde trabalham
com elevadas pressões de ate 200 kg/2 e capacidades atingindo valores de aproximadamente
800 t.v/h. Com respeito às grandes centrais térmicas, não e raro um alto consumo de
combustíve1 e por isto qualquer aumento de rendimento, por menor que seja, torna-se
econômico mesmo se os investimentos aplicados forem grandes. Em caldeiras de pressões
bores resultam um custo muito elevado por isto conclui-se que seu número e tamanho deva
ser o menor possível, e isto é função dos seguintes fatores:
· Rendimento
· Tipo de combustível
· Natureza da carga
· Pressão de trabalho
· Ampliações futuras
· Espaço disponível e
· Condições do clima
Em resumo, as caldeiras Aquatubulares são empregadas quase exclusivamente
quando interessa obter elevadas pressões grandes capacidades e altos rendimentos.
2.5 Caldeira de Biomassa
Caldeiras de Biomassa são chamadas também de Caldeira de Força, e tem como
seu principal objetivo complementar a geração de vapor para a produção de celulose e energia
43
elétrica da fábrica. Para isto, utiliza como seu principal combustível a biomassa em caldeiras
do tipo aquotubular.
2.5.1 Biomassa
Considera-se como sendo biomassa energética toda a matéria orgânica capaz de,
ao ser queimado, decomposto ou reciclado, gerar alguma forma de energia, direta ou
indiretamente. Desse modo, lenha, rejeitos animais e dejetos humanos, resíduos agrícolas e
resíduos urbanos de origem orgânica podem ser utilizados como combustível através da
biodigestão ou outros processos tais como, pirólise, hidrólise, gaseificação ou queima direta.
Em escala global, a biomassa, hoje, é capaz de suprir uma expressiva proporção
das necessidades energéticas do homem. Na maioria dos países desenvolvidos, a biomassa é
responsável por mais de 40% do combustível consumido. Subprodutos do cultivo de lavouras
são empregados como combustível em caldeiras compactas em fazendas e fábricas,
produzindo energia e alimentando processos industriais.
Na produção de celulose branqueada de Eucalipto a matéria prima é o principal
gerador de biomassa, cerca de 13% da produção total de madeira. Isto se deve basicamente às
características do Eucalipto e a forma de colheita nas florestas, onde máquinas automatizadas
fazem o corte e o desgalhamento da árvore. Durante o manuseio, outros resíduos tais como
areia terra e cascalhos podem aderir às toras, sendo carreados para a fábrica.
Na seqüência do processo, a preparação de cavacos, etapa de fundamental
importância, deve garantir um cavaco dentro das especificações de espessura, comprimento e
baixo percentual de resíduos, visando o sucesso da etapa de cozimento nos digestores e sua
transformação em polpa.Para que isso seja possível, todos os resíduos gerados na colheita,
manuseio e picagem do Eucalipto devem ser rigorosamente controlados. Assim, antes do
processo de picagem, a madeira é submetida à retirada dos resíduos, caracterizada pela
remoção da casca (biomassa) por atrito nos tambores descascadores e da lavagem
propriamente dita.
44
Figura 23: Fluxograma básico do processo de picagem de madeira. FONTE: ALMEIDA, Rui Simões, et al
No descascamento, a casca da madeira é separada em casca limpa, enviada
diretamente para picagem e “cascas sujas” contaminada com terra, areia e cascalhos. Após a
etapa de lavagem são adicionadas à casca limpa para picagem e reaproveitamento, gerando
energia para o processo fabril.
2.6 Tratamento de água de caldeiras
As principais grandezas de qualidade da água são a dureza total e o PH. A dureza
Total: representa a soma das concentrações de cálcio e magnésio na água. Esses sais possuem
a tendência de formar incrustações sobre as superfícies de aquecimento. A água em relação á
dureza pode ser classificada como:
• Até 50ppm de CaC03 .........................................mole
• 50 a 100 ppm de CaC03.........................................................meio dura
• acima de 100 ppm de CaC03.............................................dura
Já o PH é um meio de se medir a concentração de ácido ou soda em uma água. Em
outras palavras e a maneira de se medir a acidez ou a a1calinidade de uma amostra. Para a
determinação do pH usa-se uma escala que varia de 1 a 14, sendo que de 1 a 6 a água e acida
e de 8 a 14, a água e alcalina. Com pH igual a 7 a água e neutra. Quanto mais acida e uma
água, mais corrosiva ela é.
45
2.6.1 Métodos de tratamento de água
Os métodos de tratamento podem ser divididos em dois grandes grupos:
• Externos, que são:
• Clarificação
• Abrandamento
• Desmineralizalção
• Desgaseificalção
• Remoção de sílica
• Internos, que são:
• A base de fosfato
• A base de quelatos
• Sulfito de s6dio
• Hidrazina
• Soda
2.6.1.1 Métodos externos
Clarificação: o processo consiste na previa floculação, decantação e filtração da
água com vistas a reduzir a presença de sólidos em suspensão.
Abrandamento: consiste na remoção total ou parcial dos sais de cálcio e magnésio
presentes na água, ou seja, consiste na redução de sua dureza.
Desmineralização ou troca iônica: nesse processo são utilizadas certas substâncias
sólidas e insultáveis, das mais variadas origens e natureza química, que possuem a
propriedade de, quando em contato com soluções de íons, trocar esses íons por outros de sua
própria estrutura sem que haja alterações de suas características estruturais. Existem dois tipos
de trocadores: de cátions e de ânions.
Desgaseificação: são empregados equipamento especiais que aquecem a água e
desta forma, são eliminados os gases dissolvidos. Pode ser utilizado vapor direto para o
aquecimento da água a ser desgaseificada.
Remoção de sílica: como já foi abordado, a sílica produz uma incrustação muito
dura e muito perigosa. Os tratamentos normalmente empregados no interior da caldeira não
46
eliminam a sílica. Os métodos mais usados para a remoção da sílica são a troca iônica e o
tratamento com óxidos de magnésio calcinado.
2.6.1.2 Métodos internos
Os tratamentos internos se baseiam na eliminação da dureza, ao controle do pH e
da sua alcalinidade, na eliminação do oxigênio dissolvido e no controle dos cloretos e do teor
total de sólidos.
Eliminação da dureza: os sais de cálcio e de magnésio precipitam como
carbonatos e sulfatos, formando os depósitos duros e isolantes do calor que são as
incrustações. Existem dois métodos diferentes de eliminar a dureza:
Precipitação com fosfatos: esses reagem com os sais de cálcio e de magnésio
formando um produto insolúvel que não adere as partes metálicas da caldeira. O precipitado
forma um lodo que se acumula no fundo da caldeira, sendo eliminado regularmente por meio
de purgas.
Tratamento com quelatos: nesse tratamento não há precipitação do cálcio, nem do
magnésio. Forma, porem, produtos solúveis não em forma de lama. Os quelantes mais
utilizados são o EDT A e 0 NTA.
Controle do pH e da alcalinidade: os produtos empregados no controle do pH e da
alcalinidade são a soda a 50% e a soda (hidróxido de sódio) em lentilhas. Via de regra não e
necessário a adição de ácidos para o controle do pH e da alcalinidade por que as águas de
alimentação são geralmente bastante acidas.
Eliminação do oxigênio dissolvido: isso e de vital importância para o controle da
corrosão. A eliminação e feita pela reação entre certos agentes redutores e o O2. Os dois
produtos mais usados são o sulfito de sódio e a hidrazina.
Controle do teor de cloretos e sólidos totais: quando a concentração de cloretos se
toma muito alta, podem aparecer problemas de corrosão. Quando o teor de sólidos e alto,
podem aparecer problemas de arraste. A forma de controlar esses teores e através de purgas
sempre que se fizer necessário.
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3 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Todos os investimentos em relação às áreas de conservação de energia passaram a
oferecer respostas positivas quanto às vantagens na diminuição dos custos. Isto acontece com
o melhor aproveitamento de rejeitos em uma fabrica de celulose, que pode-se conseguido
com a utilização das caldeiras de biomassa, onde se reaproveita este resíduo e transforma-o
em energia. A utilização de caldeiras deste tipo pode ser uma opção importante para a
contribuição de energia ( vapor ) para a fabrica
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4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALMEIDA, Rui Simões, et al, Sistema de Lavagem e recuperação de biomassa. In CONGRESSO ANUAL DE CELULOSE E PAPEL, 34, 2001, São Paulo – SP.
ALTAFINI, Carlos Roberto, Apostila sobre caldeiras, Caxias do Sul, 2002.
CHIARANTANO, C., SANTANA, F. F., Economizadores e Superaquecedores de Caldeiras, 10 p, São Paulo, 2008, Artigo - Especialização Engenheiro de Suprimentos – Escola Politécnica da USP, PROMINP, São Paulo – SP.
LEITE, N. R., MILITÂO, R. de A.,Tipos e Aplicações de Caldeias,13 p, São Paulo, 2008, Artigo - Especialização Engenheiro de Suprimentos – Escola Politécnica da USP, PROMINP, 2008,São Paulo – SP.
OLIVEIRA, T. S., SOARES, W. P. R.,Caldeiras de Recuperação,08 p, São Paulo, 2008, Artigo - Especialização Engenheiro de Suprimentos – Escola Politécnica da USP, PROMINP,2008, São Paulo – SP.
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BIZZO, W. A. Geração, Distribuição e Utilização de Vapor – Cap.4 Geradores de Vapor – Depto de Engenharia Mecânica da UNICAMP, s.d., São Paulo – SP.
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