CONTROLE DE EFICIÊNCIA DA COMBUSTÃO

Autor: Reginaldo de Mattos Onofre Técnico de Instrumentação da Petrobrás/Transpetro/DT/Automação/São C. Sul

Instrutor da Escola SENAI de Santos Sócio-Diretor da Standher & Associados Cursos e Treinamentos

Introdução Este trabalho não traz nenhuma novidade tecnológica, tanto do ponto de vista de controle quanto de equipamento, apenas disserta acerca de uma experiência. Para cálculos mais complexos, devem ser consultadas as obras de profissionais como o Eng. Egídio Alberto Bega, lotado na Refinaria Presidente Bernardes (Cubatão); Eng. Hildo Pera, Doutor em Engenharia pela EPUSP; Confor, Testo do Brasil entre outros. Em suma, o presente trabalho objetiva tão somente demonstrar na prática as teorias contidas nas obras dos mestres supramencionados para racionalização de óleo para caldeiras. ECONOMIA NA GERAÇÃO DE VAPOR Costumo comparar o consumo de combustível de uma caldeira ao consumo de combustível de um carro (guardando as devidas proporções). Um carro com os pneus descalibrados desloca-se de uma cidade a outra, assim como uma caldeira com a atomização deficiente gera vapor. Em ambos os casos os objetivos serão alcançados, porém com elevado consumo de combustível. PORQUE CONTROLAR A COMBUSTÃO? Os custos da queima de combustíveis industriais sempre foram muito dispendiosos. Isto implica em elemento operacional, cuja variação de valor agrava a gestão econômica na indústria. Com o progresso tecnológico exigindo sempre mais dos sistemas e equipamentos térmicos, surge a necessidade de uma regulagem mais fina e adequada de um sistema de queima, para se evitar perdas excessivas de calor e combustível. OPERANDO UM SISTEMA DE QUEIMA Para que possa operar economicamente um sistema de queima, o operador deve ter alguns conhecimentos básicos sobre o processo de combustão, suas causas e efeitos. Na queima de óleos pesados ou leves a chama deve ser limpa, sem o aparecimento de fagulhas, de forma estável. E a fumaça na chaminé deve ser teoricamente invisível. A cor da chama deve ser bem definida, podendo variar de laranja claro para um amarelo reluzente brilhante. É fácil identificar o que acontece em uma caldeira quando os gases da combustão são cinzentos e fuliginosos. Certamente uma parte do combustível não queima e isso traduz perda de energia. Também é fácil obter considerável economia com a eliminação da fuligem, através de simples ajuste na atomização do óleo e no ar de combustão. Porém, uma vez transparentes, os gases não oferecem referência visual alguma para a regulagem de combustão e provavelmente ainda haja economia a se obter. Mesmo um operador experiente dificilmente conseguirá operar economicamente um sistema de queima com a simples observação da chama. Por mais acurada que seja sua visão, não conseguirá, por exemplo, distinguir excesso de ar entre 30% e 80 %.

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Assim sendo, não há maneira segura de se atuar sobre um processo de combustão, a não ser medindo e observando um conjunto de parâmetros que, direta ou indiretamente, estejam a ela relacionados. AR ESTEQUIOMÉTRICO (OXIGÊNIO TEÓRICO) Quando o oxigênio fornecido ao processo é apenas o suficiente para queimar completamente os elementos combustíveis diz-se então que a reação é estequiométrica. Quando a quantidade de oxigênio é maior, fala-se em excesso de oxigênio; em caso contrário, fala-se em falta de oxigênio, situação na qual não se pode realizar a combustão completa dos elementos constituintes do combustível. Como usualmente o oxigênio é retirado do ar atmosférico, fala-se em excesso de ar ou falta de ar.

Volume (%) Massa (%) Nitrogênio 79 77 Oxigênio 21 23

Composição aproximada do ar atmosférico.

QUAL O VALOR IDEAL DO CO2 NA QUEIMA? O CO2 ideal é aquele que assegura uma combustão completa com alguma margem de segurança. Para se ter poucas perdas de calor, o CO2 deve ser o mais alto possível. Mas nem sempre isto é possível, pois nem sempre o CO2 alto significa bom rendimento. Portanto, somente a medição de CO2 não estabelece parâmetros de excesso de ar ideais para uma boa queima. Em instalações de queima a óleo recomenda-se checar o CO2 com a medição de O2 e da fuligem. Ajuste o valor máximo de CO2 com o menor índice de fuligem e o menor valor do oxigênio.

INTERPRETAÇÃO DAS MEDIÇÕES DE CO2

Um baixo teor de CO2 nos gases pode ocorrer devido a: Tiragem excessiva Excesso de ar na queima Entrada de ar falso na fornalha Atomização / mistura imperfeita entre ar / combustível

TEMPERATURA DOS GASES NA BASE DA CHAMINÉ Quanto maior for a temperatura dos gases, maior será as perdas de calor sensível pela chaminé. Em caldeiras flamotubulares a temperatura deve situar-se em tomo de 200 à 250 °C, porém, isso nem sempre é possível. Neste caso, procura-se recuperar essa forma de energia aquecendo-se a água de alimentação de caldeiras; em média, para cada 6°C de aumento de temperatura na água de alimentação, há uma economia de 1 % no combustível queimado. Ou pré-aquecendo o ar de combustão (recuperadores), em média, para cada 22° C de aumento de temperatura do ar, obtém-se I % de economia de combustível.

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A temperatura de saída dos gases para queima de óleos deve ser superior ao ponto de orvalho do enxofre, para não haver condensação excessiva e corrosão nas partes mais frias da caldeira. Inúmeras causas estão ligadas à temperatura excessiva dos gases na base da chaminé. A principal delas é o excesso de ar na queima. FULIGEM NOS GASES Entende-se por fuligem as partículas de carbono incombusto do óleo combustível. O método mais empregado para se verificar a qualidade da mistura é utilizando uma bomba de amostragens Smoke Test. O teste de fumaça baseia-se em detectar uma amostra gasosa e fazer sua comparação com uma escala padrão. A escala de comparação do índice de fuligem possui 10 manchas de opacidade; indo do branco (excesso de ar) ao negro (falta de ar), as manchas correspondem ao nível de emissão desses particulados pela chaminé. Esse método desenvolvido pela Shel-Bacharach nos Estados Unidos é padronizado pelas normas ASTM e DIN para controle da combustão em queimadores a óleo leve, pesado ou carvões.

A fuligem não deve ultrapassar o número 4 da escala. Acima deste, haverá um depósito excessivo sobre as superfícies de troca, dificultando a transmissão de calor, além de aumentar a poluição do ar.

NOTA: Um depósito de 1/8 de espessura de fuligem sobre os tubos pode aumentar o consumo de combustível em até 9 %.

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FULIGEM EXCESSIVA NOS GASES PODE TER COMO CAUSAS:

Pulverização defeituosa: - Água no óleo - fagulhamento na chama - viscosidade inadequada do óleo - pressão inadequada do óleo/ar - obstrução de dutos e filtros de óleo - problemas no sistema de bombeamento de óleo - bico do queimador sujo, danificado ou carbonizado

CONTROLE É fácil verificar que, para se ter uma economia na geração de vapor, todo o processo de combustão tem que estar ajustado dentro dos parâmetros pré-estabelecidos. O que mantém as variáveis no setpoint desejável são instrumentos interligados formando as malhas de controle. As malhas de controle de combustão mantém a pressão do vapor, variando a vazão de combustível e de ar de combustão injetado no queimador. Quanto maior a vazão de combustível e de ar de combustão, maior a troca de calor, maior a produção de vapor. Essas malhas também procuram manter a relação ar/combustível faixa mais estreita possível, pois, conforme visto anteriormente, o excesso de ar influencia grandemente no rendimento da caldeira. O valor do excesso de ar a ser utilizado depende dentre outros fatores da malha de controle de combustão utilizado. PROGRAMA DE RACIONALIZAÇÃO DE COMBUSTÍVEL Caldeira: Fabricante: Dedine Modelo: Keystone Tipo: Aquotubular Produto: Vapor saturado Produção: 12 T/H Pressão de trabalho: 10 kg/cm2 Esse programa tem como objetivo diminuir os custos da produção de vapor. Inicia-se esse programa fazendo leituras diárias do C02, 02 e teor de fuligem. Os índices encontrados provaram que a caldeira estava com baixa eficiência, pois encontramos baixa porcentagem de C02, alta porcentagem de 02 e o teor de fuligem estava no número 6 da escala Barcará. Veja a tabela a seguir.

ENCONTRADO IDEAL CO2 4% 13% O2 13% 4% Teor de Fuligem 6 2

A caldeira nessas condições apresenta eficiência de aproximadamente de 64%, com perdas de gases pela chaminé de 34%. O ideal seria 87% de eficiência e perdas de gases pela chaminé de 12%.

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CONDIÇÕES OPERACIONAIS A caldeira estava operando em condições insatisfatórias. Os procedimentos até então utilizados não faziam parte do manual de operação da caldeira. Com essa regulagem, o fornecimento de vapor ficava comprometido. Veja a tabela a seguir.

OPERAÇÃO PROJETO PRESSÃO CORPO TUBULÃO 7,5 kg/cm2 10,0 kg/cm2 DIFERENCIAL DE ATOMIZ. 0,8 kg/cm2 1,5 kg/cm2 TEMPERATURA DO ÓLEO 90 ºC 105 ºC NÍVEL DO TUBULÃO 75% 50% EXCESSO DE AR 130% 20% ‘A 50% EFICIÊNCIA DA CALDEIRA 64% 81% ‘A 89% PERDA PELA CHAMINÉ 34% 12%

“A TEMPERATURA DO ÓLEO DEPENDE DO TIPO DE ÓLEO E DO MAÇARICO”

Pressão do vapor O volume específico do vapor a pressão de 7,5 kg/cm2 é de 0,2317

m3/kg. Na pressão de projeto 10kg/cm2, o volume específico é de O, 1808 m3/kg. Concluindo: quanto menor a pressão no tubulão, maior o volume específico do vapor. Ou seja, uma menor quantidade de vapor ocupando o mesmo espaço do tubulão. Quando há um consumo de vapor repentino, não existe vapor suficiente para manter a pressão no corpo da caldeira estável. Conseqüentemente, a pressão do corpo cai. Neste caso, os operadores eram obrigados a fechar as serpentinas dos tanques, amenizando o efeito da perda de pressão, direcionando todo o vapor para os trocadores de calor. A relação de 1,5 kg/cm2 no diferencial vapor/óleo é para se manter uma boa pulverização do óleo. O resultado de uma pulverização incompleta são partículas de óleo que não foram atomizadas e por isso tem dificuldades de participar da combustão. Temperatura do óleo Todo maçarico é projetado para trabalhar com uma determinada viscosidade. Sair fora dessa especificação compromete a pulverização. O fabricante fornece a viscosidade de trabalho. A temperatura ideal é conseguida com a análise do óleo. Com dois pontos de viscosidade a temperaturas diferentes, traça-se uma reta de referência no gráfico ASTM Viscosidade X Temperatura Charts for Liquid Petroleum Products. A temperatura ideal de queima obtém-se do encontro da viscosidade com a reta de referência.

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VARIÁVEIS SEGUNDA TERÇA QUINTA SEXTA PRESSÃO DO VAPOR 7,6 8,0 8,0 7,5 PRESSÃO DO ÓLEO 1,9 2,0 2,0 2,0 PRESSÃO DO VAPOR DE ATM.

2,6 2,7 2,7 2,8

ANÁLISE DE CO2 (%) 4 4 5 4 ANALISE DE O2 (%) 15 13,5 13 13 ÍDICE DE FULIGEM 0 à 9 6 4 5 5 TEMPERATURA GASES CHAMINÉ ºC

251 250 254 245

ALTURA NÍVEL TUBULÃO (%)

75 75 75 75

TEMPERATURA OLEO TROCADOR ºC

96 100 92 99

EFICIÊNCIA DA CALDEIRA (%)

64 64 64 64

PERDAS PELA CHAMINÉ (%) 34 34 34 34 Nível do tubulão O nível do tubulão não compromete diretamente a combustão. No entanto, se o nível estiver muito acima dos 50%, tem-se o problema de arraste de condensado junto com o vapor, diminuindo o título do vapor. Em outras palavras: diminui o calor total do vapor. Para suprir a energia calorífica perdida, será preciso mais ar e mais óleo para se produzir mais vapor. Excesso de ar O oxigênio usado na reação química é retirado do ar atmosférico, sendo que o nitrogênio não participa da combustão, ou seja, quanto maior o volume de ar atmosférico introduzido na fornalha, maior também será o volume de nitrogênio que será aquecido e este levará essa energia para fora através da chaminé. Fato facilmente comprovado no indicador de temperatura localizado na chaminé da caldeira. O resultado por se trabalhar em não conformidade com as especificações do projeto fica visível quando calcula-se a eficiência da caldeira 64%. Durante um determinado tempo, monitorou-se os valores de todas variáveis ligadas direta ou indiretamente com o processo de geração de vapor com atenção especial para o CO2 ‘ O2 e o teor de fuligem. Nas primeiras duas semanas de coletas, a regulagem da caldeira não foi alterada. O objetivo era conhecer o processo de combustão utilizado até então pelo sistema, mensurá-Io e, de posse desses dados, realizar uma análise das medidas necessárias para reverter o processo. A seguir, realizou-se apenas a adequação da instrumentação para enquadrar as variáveis do processo no projeto original. Manutenção . As palhetas do damper de ar estavam desreguladas, permitindo, mesmo quando totalmente fechadas, a passagem excessiva de ar. . A PCV de abertura do damper foi calibrada e os braços de acionamento foram reposicionados para a nova configuração. . A válvula de atomização foi calibrada, permitindo uma boa pulverização. . Reposicionada a lança do maçarico. . Alterado o setpoint do controlador para que a pressão de operação da caldeira atingisse 10 kg/cm2.

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. Recalibrado o controlador pneumático de razão ar/óleo. O resultado obtido comprova a melhoria do sistema, onde: A eficiência melhorou 14% As perdas pela chaminé em aproximadamente 15%

VARIÁVEIS SEGUNDA TERÇA QUINTA SEXTA PRESSÃO DO VAPOR 9,5 9,5 9,5 8,5 PRESSÃO DO ÓLEO 3,1 4,0 2,9 3,9 PRESSÃO DO VAPOR DE ATM.

4,3 5,2 4,2 5,1

ANÁLISE DE CO2 (%) 8 11 8 9,5 ANALISE DE O2 (%) 10 6 9 7 ÍDICE DE FULIGEM 0 à 9 2 2 2 2 TEMPERATURA GASES CHAMINÉ ºC

265 265 255 263

ALTURA NÍVEL TUBULÃO 75 75 75 75 TEMPERATURA OLEO TROCADOR ºC

104 110 100 84

EFICIÊNCIA DA CALDEIRA (%)

81 86 81 84

PERDAS PELA CHAMINÉ (%) 19 14 19 15 . o excesso de ar foi diminuído para algo em tomo de 75%, estando fora do ideal, mas com ótimas melhoras. A temperatura do óleo foi corrigida. Com isso, foi melhorada a atomização, o índice da escala Barcará caiu para níveis aceitáveis. . diferencial de atomização voltou a ser o do projeto, ajudando a atomizar o óleo corretamente. Esse conjunto de ações provaram sua veracidade quando foi alinhados os permutadores com delta de 20°C (antes só era possível delta de 10°C), mais dois tanques e os processos que utilizam a entalpia trazida pelo vapor. CONCLUSÃO A operação mediu o tanque de óleo combustível durante trinta dias e, assim, foi acompanhado de perto o consumo diário da caldeira. O resultado foi animador e o consumo, nesse período de 30 dias, foi de 20.000 litros de óleo combustível a menos. O custo do combustível sem frete e sem impostos é de, aproximadamente, R$ 124,00 a tonelada. Portanto, uma economia de cerca de R$ 2.500,00 ao mês e, ao longo de um ano, de R$ 30.000,00. O custo na aquisição de instrumentos foi da ordem de R$ 5.000,00. Outros instrumentos precisariam ser adquiridos para melhorar a malha de combustão e a malha de abastecimento de água na caldeira. Com a automatização supramencionada, a eficiência seria melhorada em torno de 4% do consumo (levando-se em conta a média de consumo de 200 toneladas de óleo mensal), mais 8.000 litros, ou seja, mais R$ 12.000,00 ao ano. Não estão computados os valores do condensado que não retoma, purgadores com defeito, perdas por efeito joule, perdas de pequenos furos, perdas pela descarga de fundo e outras perdas. NOTA: OS VALORES SUPRAMENCIONADOS CORRESPONDEM AO ANO DE 1999 FINALIZANDO Novos ajustes na instrumentação precisam ser efetuados, pois só assim é possível melhorar a combustão e, conseqüentemente, economizar mais combustível. É preciso investir nas malhas de controle, comprando novos instrumentos, possibilitando à malha

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de combustão trabalhar com menos excesso de ar e controlar a malha de nível um pouco acima de 50%. A busca por melhores resultados na relação custo/ benefício do gerador de vapor deve continuar até se eliminar todos os desperdícios. Não se pode esquecer também de treinar os operadores da caldeira, para que uma nova consciência de operação seja formada. Caso contrário todo esse trabalho poderá se tomar inócuo. . BIBLIOGRAFIA

1. Geradores de Vapor-Hildo Pera. 2. Caldeiras, Instrumentação e Controle - Egídio Alberto Bega. 3. Tecnologias para Controle da Eficiência da Combustão - Confor – 4. Tecnologias para Controle da Eficiência da Combustão - Testo 5. Combustão e Combustíveis Industriais - Esso Brasileira de Petróleo S/A