Metodologia e Análise Da Viabilidade Técnica Da Conversão de Caldeiras a Óleo Combustível Para Gás Natural

1

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA

ESCOLA POLITCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICA

CURSO DE ESPECIALIZAO EM ENGENHARIA DE GS NATURAL

Metodologia e Anlise da Viabilidade Tcnica e Econmica da Converso de

Caldeiras a leo Combustvel para Gs Natural

Autores: Goulart, Flvio de vila e Barberino, Nilton Passos Orientador: Torres, Ednildo Andrade

Salvador, maro de 2003

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ESCOLA POLITCNICA


CURSO DE ESPECIALIZAO EM ENGENHARIA DE GS

NATURAL



Autores: Goulart, Flvio de vila e Barberino, Nilton Passos Orientador: Torres, Ednildo Andrade Curso: Especializao em Engenharia de Gs Natural rea de Concentrao: Gs Natural

Monografia apresentada ao Curso: Especializao em Engenharia de Gs Natural, como requisito para a obteno do ttulo de Especialista.

Salvador, maro de 2003. Ba - Brasil

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ESCOLA POLITCNICA


CURSO DE ESPECIALIZAO EM ENGENHARIA DE GS

NATURAL

MONOGRAFIA



Monografia aprovada em ____ / ____ / 2003. ____________________________________________________ Prof. Dr. Ednildo Andrade Torres, Orientador Instituio Universidade Federal da Bahia

Salvador, maro de 2003. Ba - Brasil

4

DEDICATRIAS Nilton dedica este trabalho sua companheira Brbara, pelo incentivo desde o incio,

pelo apoio e compreenso durante o desenvolvimento dos trabalhos, e aos seus filhos Cazuza

e Beatriz, que tanto esperam para que ele esteja mais disponvel para eles.

Flvio dedica este trabalho sua famlia, mulher (Rita) e filhos (Artur e Viviane), pelo

sempre presente esprito de amor e colaborao, condies estas indispensveis para o xito

desta monografia.

5

AGRADECIMENTOS Registramos o nosso agradecimento s seguintes pessoas que colaboraram na

elaborao deste trabalho, com informaes preciosas:

Engo Luis Dantas / Norsa Coca-Cola Prof. Dr. Paulo Csar Pinheiro da Costa / UFMG Engo Hugo Arajo Borges / Montercal Engenharia Ltda.

6

No basta saber, preciso aplicar; no basta querer, preciso fazer Goethe, escritor alemo (1749-1832)

7

SUMRIO

1 INTRODUO 23

2 REVISO DA LITERATURA 25

2.1 Informaes sobre o Gs Natural 25

2.1.1 Histrico 25

2.1.2 Desenvolvimento do Gs Natural 26

2.1.3 Gasoduto Bolvia-Brasil (GASBOL) 27

2.1.4 Propriedades e Classificao 29

2.1.5 Utilizao do Gs Natural em equipamentos trmicos 32

2.1.6 Desenvolvimento Tecnolgico do Gs Natural 35

2.2 Equipamentos envolvidos na converso 36

2.2.1 Caldeiras em Geral 36

2.2.2 Caldeiras Flamotubulares 49

2.2.3 Queimadores 57

2.2.4 Sistemas de Controle 67

2.3 Trabalhos similares relacionados com o tema da Monografia

69

2.3.1 Relatrio Tcnico da Anlise Energtica do Sistema de Combusto a Gs

Natural e Distribuio de vapor da NORSA 70

2.3.2 Converso de Fornos Cermicos para Gs Natural A Experincia do

CTGS no Rio Grande do Norte 70

2.3.3 Mtodo de Clculo do Balano Trmico de Caldeiras 70

8

2.3.4 Controle de Combusto: Otimizao do Excesso de Ar 71

2.3.5 Utilizao de Combustveis Alternativos em Caldeiras 71

2.4 Influncia do Gs Natural na Reduo do Impacto Ambiental

71

2.4.1 leos Combustveis 73

2.4.2 Gases Combustveis 74

2.4.3 Conservao de Energia 75

2.5 Questes Normativas de Segurana Sobre Operao e Manuteno de Caldeiras

78

2.6 Organismos e Programas de Financiamento

79

2.6.1 BNDES Banco Nacional de Desenvolvimento Econmico e Social 79

2.6.2 BNB Banco do Nordeste do Brasil 80

2.6.3 FINEP Financiadora de Estudos e Projetos 81

3 METODOLOGIA 83

3.1 Metodologia Analtica para caldeiras a leo Combustvel (OC) e a Gs Natural

(GN) 83

3.1.1 Volume do ar estequiomtrico seco (Varo) 83

3.1.2 Volume total do ar seco (Var) 85

3.1.3 Coeficiente de excesso de ar () 82

3.1.4 Volume total do ar mido (Var) 87

3.1.5 Quantidade dos gases secos da combusto estequiomtrica 88

9

3.1.6 Quantidade dos gases secos da combusto real 89

3.1.7 Volume dos gases midos da combusto real (Vg) 89

3.1.8 Balano Trmico 90

3.1.9 Rendimento da Caldeira 93

3.1.10 Roteiro para Levantamento de Informaes Operacionais no Campo

95

3.2 Estudo de Casos Tericos de Caldeiras a leo Combustvel e a Gs Natural 96

3.2.1 Caldeira a leo Combustvel 96

3.2.2 Caldeira a Gs Natural 104

3.3 Estudo de Casos de Caldeiras em Funcionamento 112



4 VIABILIDADE ECONMICA 126

4.1 Clculo dos Custos com Combustveis 126

4.1.1 Casos Tericos de Caldeiras 126

4.1.2 Casos de Caldeiras em Funcionamento 127

4.2 Clculo da Viabilidade Econmica 128

4.2.1 Casos Tericos de Caldeiras, com Produo mdia de 1,0 t/h 128



4.2.4 Casos de Caldeiras em Operao, com Produo mdia de 1,0 t/h 131

10



4.3 Instalaes Tpicas de Caldeiras a leo Combustvel e a Gs Natural 134



5 RESULTADOS E DISCUSSES 138

5.1 Consideraes sobre o Clculo do Rendimento 138

5.2 Anlise dos Resultados 139

6 CONCLUSES 140

6.1 Consideraes Finais 140

6.2 Concluses 141

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 143

ANEXOS 145

ANEXO A NR 13 146

ANEXO B N-2309 172

11

RESUMO

GOULART, F. A. e BARBERINO, N. P., Estudo de Viabilidade Tcnico-Econmica da Converso de Caldeiras Flamotubulares de leo Combustvel para Gs Natural, Universidade Federal da Bahia Ba, Escola Politcnica, Departamento de Engenharia Qumica, 2003, 186 p., Monografia (Especializao).

A viabilidade da converso de caldeiras flamotubulares, de leo BPF, para gs natural,

apresenta-se atravs da demonstrao de uma metodologia de clculo, a partir de dados

operacionais de entrada tpicos de uma caldeira de capacidade nominal de 3,3 toneladas de

vapor por hora, seja alimentada por GN, ou leo BPF.

A metodologia empregada para determinao do rendimento trmico da caldeira faz-se

atravs do clculo do balano trmico, utilizando o mtodo indireto, onde as diversas perdas

de energias (entalpia do gases efluentes, combusto incompleta, dissipao trmica pelo

costado, combustvel no queimado), so computadas e subtradas da energia disponibilizada

pela queima dos respectivos combustveis.

Os resultados obtidos atravs de uma anlise comparativa entre os arranjos das duas

instalaes (GN e OC) representa uma economia anual de cerca de 20 vezes do valor

investido, caso a caldeira opere a uma capacidade mdia de 2/3 da sua capacidade nominal,

considerando os preos unitrios dos combustveis vigentes em maro/03.

Conclui-se que os benefcios econmicos e financeiros so extremamente favorveis,

visto que o investimento necessrio para a converso est abaixo da metade do valor de uma

caldeira nova e com um retorno assegurado aps o 2 ms da converso.

12

Mostra-se que os benefcios tcnicos e ambientais so justificados, principalmente,

pelo acrscimo do rendimento trmico, associados com a melhoria da qualidade do ar, isento

de compostos de enxofre.

Palavras Chave: Converso, Caldeiras, Gs Natural, Viabilidade, Flamotubular.

13

ABSTRACT

GOULART, F.A. and BARBERINO, N.P., Study of Viability Technical-Economic related with Conversion of Fire Tube Steam Boilers Feeding System, from BPF Oil, to Natural Gas, Universidade Federal da Bahia Ba, Escola Politcnica, Departamento de Engenharia Qumica, 2003, 186 p., Monografia (Especializao).

The viability of the conversion of fire tube steam boilers feeding system, from BPF oil,

to natural gas, comes through the demonstration of a calculation methodology, starting from

operational data of entrance typical from a boilers nominal capacity of 3,3 tonnes of steam per

hour, be fed by GN or BPF oil.

The methodology used for determination of the thermal efficiency is done through the

calculation of the thermic balance using the indirect method, where the several losses of

energies (enthalpy of the effluent gases, incomplete combustion, thermal dissipation for the

boiler shell, fuel not burned), are computed and substracted from the energy available by the

burning of the respective fuels.

The results obtained through a comparative analysis among the arrangements of the

two facilities (GN and OC) represents an annual economy about twenty times of the invested

value, in case the boilers operates at capacity of 2/3 of your nominal capacity, considering the

unitary prices of the effective fuels in march,2003.

It is ended that the economical and financial benefits are extremely favorable, because

the necessary investment for the conversion is below the half of the value of a new boiler and

with an assured return after the 2nd month after the conversion.

14

It is shown that the technical and environmental benefits are justified, mainly, for the

increment of the thermal efficiency, associated with the improvement of the quality of the air,

free of sulfur composed.

Key Words: Conversion, Boiler, Natural Gas, Viability, Fire Tube.

15

LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Caldeira do tipo flamotubular fabricante Tenge Industrial Ltda.

36

Figura 2.2 Representao esquemtica de uma caldeira flamotubular 42

Figura 2.3 Representao esquemtica de uma caldeira aquotubular 44

Figura 2.4 Caldeira flamotubular de 3 passes fabricante Kewanee 50

Figura 2.5 Caldeira flamotubular de chama direta 53

Figura 4.1 Fluxograma esquemtico de uma caldeira alimentada a leo combustvel 136

Figura 4.2 Fluxograma esquemtico de uma caldeira alimentada a gs natural 137

16

LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Composio tpica (% vol.) do GN da UPGN de Candeias-Ba 30

Tabela 2.2 Caractersticas fsico-qumicas mdias do gs natural (20 oC e 1 atm) 31

Tabela 2.3 Especificaes do gs natural dadas pelo Regulamento tcnico da ANP no

003/2002 portaria no 104, de 18/07/2002 31

Tabela 2.4 Causas dos principais problemas em queimadores 65

Tabela 2.5 Poder calorfico, densidade, ar necessrio e coeficiente F de diversos gases

67

Tabela 2.6 Oferta interna de energia no Brasil 72

Tabela 2.7 Emisses de NO2 oriundos de gases combustveis 75

Tabela 2.8 Emisses de CO2 e SO2 75

Tabela 3.1 Valores tpicos de perdas trmicas em caldeiras

93

Tabela 3.2 Amostragens de campo de PV, TV, TG e dos teores dos gases da combusto

(%CO2, %SO2, %CO, %O2, etc.) 95

Tabela 3.3 Amostragens na sada da chamin / caso Norsa e resumos do clculo 125

Tabela 4.1 Resumo dos principais resultados e clculo dos custos unitrios com leo BPF e

gs natural, nos casos tericos de caldeiras 126

Tabela 4.2 Custos e economia mensal, comparando-se o uso de leo BPF e gs natural, por

produo mdia de vapor, nos casos tericos de caldeiras 127

Tabela 4.3 Resumo dos principais resultados e clculo dos custos unitrios com leo BPF e

gs natural, nos casos de caldeiras em operao 127

Tabela 4.4 Custos e economia mensal, comparando-se o uso de leo BPF e gs natural, por

produo mdia de vapor, casos de caldeiras em operao 127

17

Tabela 4.5 Consumo mensal de combustvel, casos tericos de caldeiras, produo 1,0 t/h

128

Tabela 4.6 Fluxo de caixa, casos tericos de caldeiras, produo 1,0 t/h 128


129



130


Tabela 4.11 Consumo mensal de combustvel, casos de caldeiras em operao, produo 1,0

t/h 131

Tabela 4.12 Fluxo de caixa, casos de caldeiras em operao, produo 1,0 t/h 131


t/h 132

Tabela 4.14 Fluxo de caixa, casos de caldeiras em operao, produo 2,0 t/h 132


t/h 133

Tabela 4.16 - Fluxo de caixa, casos de caldeiras em operao, produo 3,0 t/h 133

18

NOMENCLATURA Constantes

V Volume molar nas condies normais 22,415 [l / mol]

MH2O Peso molecular do vapor dgua 18,016 [g]

ar Peso especfico do ar 1,293 [kg/Nm3] gn Peso especfico do gs natural 0,8012 [kg/Nm3]

Letras Latinas

A Coeficiente estequiomtrico do ar [ ]

B Consumo de combustvel [kg/h ou m3/h]

C teor de Carbono, em peso, ou em volume [%]

CpCOMB Calor especfico do combustvel [kJ/kg.oC]

CpAR Calor especfico mdio do ar [kJ/m3.oC]

CpG Calor especfico mdio dos gases da combusto [kJ/m3.oC]

DV Consumo de vapor p/ atomizao e ramonagem [kg/kgOC]

Drh Vazo do vapor reaquecido (produzido) [kg/h]

Dbw Vazo da gua de purga (blow-off) [kg/h]

Gar Massa total do ar utilizado na combusto [kg/kgOC ou kg/Nm3GN]

19

Garo Massa do ar estequiomtrico seco [kg/kgOC ou kg/Nm3GN]

GO2o Massa de oxignio no ar de combusto [kg/kgOC ou kg/Nm3GN]

Ggo Massa dos gases secos estequiomtrico [kg/kgOC ou kg/Nm3GN]

Gg Massa dos gases secos da combusto real [kg/kgOC ou kg/Nm3GN]

GO2 Massa de CO2 nos gases da combusto [kg/kgOC ou kg/Nm3GN]

GSO2 Massa de SO2 nos gases da combusto [kg/kgOC ou kg/Nm3GN]

GN2o Massa de N2 nos gases estequiomtrico [kg/kgOC ou kg/Nm3GN]

GN2 Massa de N2 nos gases da combusto real [kg/kgOC ou kg/Nm3GN]

GO2 Massa de O2 nos gases da combusto [kg/kgOC ou kg/Nm3GN] H teor de Hidrognio, em peso, ou em volume [%]

H' Entalpia da gua temperatura de saturao na presso

do tambor [kJ/kg]

HF Entalpia do vapor levado nos gases da combusto [kJ/kg]

HFW Entalpia da gua de alimentao [kJ/kg]

Hrh" Entalpia do vapor aps ao preaquecedor [kJ/kg]

Hrh' Entalpia do vapor antes do preaquecedor [kJ/kg]

Hsp Entalpia do vapor superaquecido [kJ/kg]

Hst Entalpia do vapor saturado [kJ/kg]

HV Entalpia do vapor p/ atomizao e ramonagem [kJ/kg]

M Peso molecular [kg]

N teor de Nitrognio, em peso, ou em volume [%]

O teor de Oxignio, em peso, ou em volume [%]

PCI Poder Calorfico Inferior [kJ/kgOC ou kg/Nm3GN]

PCS Poder Calorfico Superior [kJ/kgOC ou kg/Nm3GN]

Pu Preo unitrio de combustvel [R$/kgOC ou R$/Nm3GN]

PV Presso do vapor produzido [bar]

Qd Energia disponvel [kJ/kgOC ou kJ/Nm3GN]

Qh Energia do ar / da gua, aquecidos na caldeira [kJ/kg ou kJ/Nm3]

Qp Energia til do vapor purgado [kW]

Qrh Energia til do vapor produzido [kW]

Qu Energia til total [kW]

Q1 Calor utilizado na caldeira [kJ/kgOC ou kJ/Nm3GN]

Q2 Energia perdida ref. entalpia gases da chamin [kJ/kgOC ou kJ/Nm3GN]

20

q2 Relao entre Q2 e Energia disponvel (Qd) [%]

Q3 Energia perdida ref. combusto incompleta [kJ/kg]

q3 Relao entre Q3 e Energia disponvel (Qd) [%]

q4 Relao entre perdas com o combustvel no queimado e

Energia disponvel (Qd) [%]

q5 Relao entre perdas pelo costado e Energia disp. (Qd) [%]

q6 Relao entre perdas com a entalpia das escrias e Ener-

gia disponvel (Qd) [%]

Qcomb Calor sensvel do combustvel [kJ/kg]

Qaex Energia introduzida com o ar de combusto [kJ/kg]

QP Perda de calor nas purgas de vapor [kJ/kg]

S teor de Enxofre, em peso, ou em volume [%]

Tcomb Temperatura do combustvel [oC]

TPCI Temperatura de referncia do PCI do combustvel [oC]

TG Temperatura de sada dos gases da caldeira [oC]

TAR Temperatura do ar preaquecido externamente [oC]

TATM Temperatura atmosfrica [oC]

TV Temperatura do vapor produzido [oC]

Varo Volume do ar estequiomtrico seco [Nm3/kgOC ou Nm3/Nm3GN]

Var Volume total do ar utilizado na combusto [Nm3/kgOC ou Nm3/Nm3GN]

Var Volume total do ar mido [Nm3/kgOC ou Nm3/Nm3GN]

Vgo Volume dos gases secos estequiomtrico [Nm3/kgOC ou Nm3/Nm3GN]

Vg Volume dos gases secos da combusto real [Nm3/kgOC ou Nm3/Nm3GN]

VCO2 Volume de CO2 nos gases da combusto [Nm3/kgOC ou Nm3/Nm3GN]

VSO2 Volume de SO2 nos gases da combusto [Nm3/kgOC ou Nm3/Nm3GN]

VN2o Volume de N2 nos gases estequiomtrico [Nm3/kgOC ou Nm3/Nm3GN]

VN2 Volume de N2 nos gases da combusto real [Nm3/kgOC ou Nm3/Nm3GN]

VO2 Volume de O2 nos gases da combusto [Nm3/kgOC ou Nm3/Nm3GN] VH2O Volume de umidade presente no ar [Nm3/kgOC ou

Nm3/Nm3GN]

Vat Volume de umidade do vapor de atomizao [Nm3/kgOC ou Nm3/Nm3GN]

W teor de gua, em peso, ou em volume [%]

Letras Gregas

21

Coeficiente de excesso de ar [ ] Umidade absoluta do ar atmosfrico [kg/kg ar seco] b Rendimento trmico bruto da caldeira [%] g Peso especfico dos gases da combusto [kg/Nm3]

Siglas ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

ANP Agncia Nacional do petrleo

BNB Banco do Nordeste do Brasil

BNDES Banco Nacional de Desenvolvimento Econmico e Social

BPF Baixo Ponto de Fulgor

CEG Companhia Estadual de Gs

CNP Conselho Nacional do Petrleo

CTGS Centro de Tecnologia do Gs

CTPETRO Plano Nacional de Cincia e Tecnologia de Petrleo e Gs Natural

DEQ Departamento de Engenharia Qumica

FNDCT Fundo nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico

PMPE Programa de Apoio s Micro e Pequenas Empresas

FAFEN Fbrica de Fertilizantes do Nordeste

FINAME Financiamento de Mquinas e Equipamentos

FTV Fundao Teotnio Vilela

GASBOL Gasoduto Bolvia-Brasil

GC Gs Combustvel

GLP Gs Liquefeito de Petrleo

GN Gs Natural

MMA Ministrio do Meio Ambiente

MME Ministrio das Minas e Energia

NR Norma Regulamentadora do Ministrio do Trabalho

OC leo Combustvel

OCA1 leo Combustvel tipo A1

PCI Poder Calorfico Inferior

PCS Poder Calorfico Superior

PMTA Presso Mxima de Trabalho Admissvel

22

PNC Programa Nordeste Competitivo

PROGAP Programa de Apoio a Investimento em Petrleo e Gs

RLAM Refinaria Landulpho Alves de Mataripe

SISBACEN Sistema de Informaes do Banco Central

UFBA Universidade Federal da Bahia

UFMG Universidade Federal de Minas Gerais

UPGN Unidade de Processamento de Gs Natural

23

CAPTULO 1 INTRODUO

O estudo de viabilidade tcnico-econmico e ambiental, da converso de caldeiras

flamo-tubulares alimentadas a leo BPF, para gs natural, nas empresas de pequeno e mdio

porte, que utilizam vapor de baixa e mdia presso, como apoio e/ou parte integrante do seu

processo produtivo, em setores da indstria (alimentcia, txtil, bebida, olaria, couro, etc.), ou

em servios (hospital, lavanderias, etc.), torna-se importante e estratgico nos dias atuais,

visto a crescente oferta de gs natural, disponibilizado pelas concessionrias estaduais a

preos competitivos em relao aos demais energticos (principalmente nos grandes centros

urbanos e regies metropolitanas), como tambm, observando a crescente presso dos rgos

ambientais (estadual e federal) quanto ao cumprimento dos parmetros de controle de emisso

de gases para a atmosfera, fixando prazos para a adequao s normas ambientais vigentes,

para todos os estabelecimentos industriais ou de servios que atualmente utilizam o leo BPF

em caldeiras flamotubulares.

Os objetivos deste estudo para implementao de uma tecnologia mais limpa, para uma

esperada reduo nos custos operacionais e de manutreno dos sistemas de caldeiras

alimentadas por leo BPF, so os seguintes:

Desenvolvimento de uma metodologia de clculo dos principais parmetros operacionais e de controle, alm do clculo do balano trmico, considerando uma avaliao

24

detalhada, para caldeiras alimentadas a leo Combustvel e a Gs Natural e aplicar estas metodologias em estudos de casos tpicos;

Apresentao de uma anlise comparativa tcnico-econmica entre os arranjos das duas instalaes (leo BPF e GN), considerando algumas variveis da converso, tais como, custos, vantagens operacionais e de manuteno, atendimento legislao ambiental, fontes de financiamento e uma estimativa do retorno do investimento da converso em uma instalao tpica, de capacidade nominal 3,3 t/h de vapor produzido;

Estabelecimento de uma relao entre o caso estudado e outros casos tpicos, por capacidade de vapor produzido.

Este estudo no contm novas teorias ou informaes, mas traz uma abordagem mais

detalhada e especfica sobre o tema da converso de caldeiras flamo-tubulares, de leo

combustvel BPF para gs natural.

25

CAPTULO 2

REVISO DA LITERATURA

2.1 Informaes sobre o Gs Natural

2.1.1 Histrico

A utilizao do gs natural (GN) no Brasil iniciou-se com a descoberta de petrleo em

Lobato (1939) e gs natural em Candeias (1941), sendo o gs produzido utilizado na

Termoeltrica de Cotegipe, na fbrica de cimento de Aratu, e em algumas indstrias txtil e

cermica localizadas na regio. Fora raros exemplos, o GN foi at bem pouco tempo, relegado

a um papel secundrio, reinjetado nos poos para a recuperao secundria de petrleo, ou

mesmo queimado nas prprias plataformas e em flares.

Em 1962 a Petrobras instalou uma planta de processamento de gs natural, em Pojuca-

Ba, para a obteno do lquido de gs natural (gasolina natural C5), e em 1970 uma unidade

para a produo de GLP na Refinaria de Mataripe-RLAM. A partir de 1971 o gs natural foi

utilizado como matria prima para a produo de amnia e uria em uma indstria de

nitrogenados localizada em Camaari (Petrofertil). Com a implantao do Plo Petroquimico

de Camaari (1978), aumentou. o uso do gs natural no setor industrial. A descoberta de gs

na plataforma continental de Sergipe, a construo do gasoduto Sergipe-Bahia, a instalao da

planta de processamento de gs natural e da fbrica de fertilizantes em Sergipe, e a

apropriao de reservas de gs no associado, asseguraram a utilizao das reservas de gs da

regio.

26

A partir da dcada de 80, a crescente oferta de gs associado na plataforma continental

do Rio de Janeiro, Rio Grande do Norte e Cear, as descobertas de gs no associado no

Esprito Santo e Alagoas, Rio Grande do Norte, e Amazonas (rio Juru), e a instalao dos

gasodutos ligando a bacia de Campos a So Paulo e Minas Gerais, possibilitaram ampliar o

mercado consumidor, e diversificar a sua utilizao, criando uma participao efetiva do gs

natural no balano energtico nacional.

2.1.2 Desenvolvimento do Gs Natural

No pas, a utilizao do gs natural (GN), em grande escala, s ocorreu a partir do incio

da dcada de 60, vinte anos aps as primeiras descobertas no Recncavo Bahiano. At ento,

o consumo ficara restrito aos campos, onde o gs serve, por um lado, como insumo de

produo, na medida em que sua reinjeo aumenta a taxa de extrao do petrleo e, por outro

lado, como fonte de calor, abastecendo os queimadores que aquecem o leo combustvel antes

que este alimente as caldeiras. Em razo do crescente volume de gs natural associado ao

petrleo descoberto na Bahia e em conformidade com a poltica de substituio da importao

de derivados, em 1962, a Petrobrs instalou a primeira unidade de processamento de gs

natural (UPGN) do pas, no Municpio de Pojuca. Em 1964 a unidade estava em pleno

funcionamento, extraindo condensados (Butano e Propano) para produo de gs liquefeito de

petrleo e gasolina natural, 132 mil m naquele ano. Durante toda dcada de 60 este foi o

nico empreendimento a aproveitar o gs natural no pas. Em meados daquela dcada, a

expanso da produo agrcola aumentou de forma significativa a demanda por fertilizantes,

enquanto a unidade de produo paulista, nica que fabricava amnia, cido ntrico e nitrato

de clcio, enfrentava problemas em seus compressores, com os catalizadores importados e

com a falta de matrias primas, no conseguindo assim atender s necessidades do pas. Na

indstria petroqumica, o gs de sntese insumo para produo de amnia e uria, que por

sua vez, so a base para produo de fertilizantes nitrogenados. Esta tipicamente uma

utilizao no energtica do gs natural, onde ele provou ter grande vantagem frente a seu

principal concorrente: gs derivado do nafta. A experincia norte-americana, a propsito,

inquestionvel: o setor qumico fundou sua competividade justamente sobre o aproveitamento

do gs natural, diferentemente da indstria europia e japonesa que se apoiaram na

carboqumica no incio e no aproveitamento do nafta, aps a II Guerra Mundial. Partindo

destas constataes e da crescente disponibilidade de gs natural nos campos do Recncavo,

em 1965, a Petrobrs decediu construir uma fbrica de uria na Bahia e depois criou a

27

Petroquisa, sua maior subsidiria no setor por duas dcada e, em 1969, comeou a

construo da 2 unidade de processamento de gs natural no Municpio de Candeias.

Estavam postas as bases para o surgimento, na dcada seguinte, do Plo Petroqumico no

Nordeste. Em 1970, fora dos campos de petrleo, a utilizao do gs natural estava restrita s

instalaes da Petrobrs e algumas subsidirias recm-criadas no Estado da Bahia. O

consumo total era de 1.000.000 m / dia, dos quais 675.000 eram reinjetados, 195.000 eram

consumidos no prprio campo, como fonte de calor, 105.000 abasteciam a UPGN de Pojuca e

apenas 25.000 eram utilizados para outros fins. A inaugurao, em 1971, da nova planta de

gasolina natural, com capacidade para tratar 2.000.000 m /dia, permitiu aumentar

consideralvelmente e ao mesmo tempo o fornecimento de combustveis lquidos, de gs

liquefeito de petrleo e de gs natural (seco). Assim, a disponibilidade de gs natural para a

petroqumica, a siderurgia e como fonte de calor para outras indstria alcanou 142.000

m/dia. O substancial crescimento da procura era resultado do comeo da produo de amnia

e uria no novo Conjunto Petroqumico da Bahia, depois Petrofrtil (atual FAFEN). Era o

incio da implantao do II Plo Petroqumico brasileiro.

2.1.3 Gasoduto Bolvia Brasil (GASBOL)

O Gasoduto Bolvia-Brasil constitui a segunda maior obra binacional de infra-estrutura

j realizada, atrs somente da Usina Hidreltrica de Itaipu. Tem 3.150 km e se estende desde

Santa Cruz de La Sierra, na Bolvia at Porto Alegre, no Rio Grande do Sul, atravessando

cinco estados, 135 municpios e mais de quatro mil propriedades. O Gasbol tem traado

estratgico em faixa de influncia que responde por 82% da produo industrial brasileira,

75% do PIB e 71% do consumo energtico nacional.

Em 1998, a Petrobras, por intermdio de seu Servio de Engenharia, concluiu a

construo do trecho norte do gasoduto, entre Santa Cruz de La Sierra, na Bolvia, e

Campinas, em So Paulo, com 1.970 quilmetros de extenso. A concluso do trecho sul,

entre Campinas, em So Paulo, e Porto Alegre, no Rio Grande do Sul, com 1.180 quilmetros

de extenso, ocorreu no incio de 2000, quando o gs boliviano chegou aos estados do Paran,

de Santa Catarina e do Rio Grande do Sul.

Desde abril DE 2001, o gasoduto vem entregando em mdia 8 milhes de metros

cbicos/dia. Atualmente, est operando com cerca de 15 milhes de metros cbicos / dia

(metade da capacidade), com previso de atingir 30 milhes de metros cbicos/dia em 2004.

28

Em 2010, com a plena operao do gasoduto e de outras obras de porte, a participao

do gs natural na matriz energtica, hoje em 2,6%, saltar para mais de 12%

2.1.3.1 Dados tcnicos (trechos em territrio brasileiro):

a) Extenso Total :

3.150 Km, sendo 2.593 km em territrio brasileiro

Trecho Bolvia-Campinas: 1.970 km

Trecho Campinas-Rio Grande do Sul: 1.180 km

b) Dimetro dos tubos :

32 polegadas (1815 km), 24 polegadas (624 km), 20 polegadas (281 km), 18 polegadas

(178 km) e 16 polegadas (252 km).

c) Capacidade de Transporte: 30 milhes de m3/dia

d) Investimentos: aproximadamente US$ 2 bilhes

e) Estaes de Medio

Rio Grande e Mutum, na Bolvia; Corumb e Paulnia, no Brasil, no total de 4.

f) Estaes de Compresso :

Izozog, Chiquitos, Robore e Yacuses, na Bolvia, e Albuquerque, Guaicurus, Anastcio,

Campo Grande, Mimoso, Rio Verde, Mirandpolis, Penpolis, Ibitinga, So Carlos, Araucria

e Biguau, no Brasil, em um total de 16.

g) City-gates :

So 30 city-gates, estaes de reduo de presso e medio do gs, localizadas em

Mato Grosso do Sul, So Paulo, Paran, Santa Catarina e Rio Grande do Sul.

h) Operao:

O gasoduto operado pela Transportadora Brasileira Gasoduto Bolvia-Brasil S.A. -

TBG, cujo controle acionrio pertence Gaspetro:

51 % Gaspetro

29

29 % BBPP Holdings (9,66% British Gas; 9,66% BHP; 9,66% El Paso Energy) 12 % (6% Transredes Fundos de Penso Boliviano; Shell 3%; ENRON 3%) 4 % Shell 4 % ENRON

2.1.4 Propriedades e Classificao

O gs natural (GN) uma mistura de hidrocarbonetos e outros compostos qumicos,

encontrada em fase gasosa ou em soluo com o petrleo em reservatrios naturais

subterrneos. Os hidrocarbonetos presentes no GN so os mais leves da srie parafinas

(hidrocarbonetos saturados, CnH2n+2). O principal composto presente o metano (CH4), alm

do etano (C2H6), propano (C3H8), butano (C4H10), hexano (C6H14) e pequenas quantidades de

compostos parafnicos mais pesados. Dependendo da jazida, pode ser encontrado pequenas

quantidades de hidrognio (H2), nitrognio (N2), gua (H20), gs carbnico (CO2), monxido

de carbono (CO), gs sulfdrico (H2S), hlio (H), argnio (Ar) e mercaptanas (R-SH). O vapor

de gua presente encontra-se saturado, e seu teor definido pela temperatura de distribuio do

gs. O CO2, apesar de ser considerado inerte por no queimar, forma cido na presena de

gua livre.

Quanto origem o Gs Natural classificado em:

a) Gs associado. Encontrado dissolvido no petrleo cr e/ou formando uma camada

protetora gasosa sobre ele (gs livre). Quanto mais fundo o poo, encontra-se mais gs do que

petrleo. No Brasil cerca de 65% das reservas de GN e 85% de sua produo de gs

associado, e em todo mundo cerca de 40% [a.1].

b) Gs no associado. Encontrado em depsitos subterrneos, no acompanhados de

hidrocarbonetos em fase lquida.

Existem vrias teorias que explicam a origem do petrleo e do gs natural: a degradao

termoqumica da matria orgnica (restos de animais e vegetais, depositados no fundo dos

mares e lagos do passado), a maturao dos leitos de carvo e rochas gneas (formadas por

resfriamento e solidificao de magmas) e metamrficas (originadas de rochas pr-existentes,

por transformaes mineralgicas, qumicas e estruturais, essencialmente no estado slido,

30

em resposta a marcantes mudanas na temperatura, presso, e a movimentos da crosta

terrestre).

O GN e o petrleo so originrios principalmente da maturao trmica da matria

orgnica contida nas rochas. As caractersticas do combustvel formado vo depender do tipo

de matria orgnica predominante, e a histria trmica da bacia. As rochas geradoras so

continuamente soterradas pela deposio de novos sedimentos, o que as submete a uma

elevao constante da temperatura e presso, formando os hidrocarbonetos.

A quantidade e composio dos hidrocarbonetos gerados, modificam-se gradativamente

em funo da elevao da temperatura. Em sedimentos recm depositados, que se encontram

a baixas temperaturas, a atividade microbiana o principal agente de degradao, gerando o

biogs. Quando a matria orgnica, principalmente a originria de algas, submetida a

condies trmicas adequadas (paleo-temperaturas entre 60 e 80 C), comea a fase de

formao de hidrocarbonetos lquidos. Com o aumento progressivo da temperatura (at a

faixa de 130-1500 C), a matria orgnica remanescente e os hidrocarbonetos j formados,

convertem em metano termognico.

Componente Gs Natural UPGN

Nitrognio 1,26 1,30 Oxignio 0,01 0,01

CO2 0,71 0,74

Metano 82,98 87,29

Etano 9,98 10,24

Propano 5,06 0,42

Tabela 2.1 Composio tpica (% vol) do GN da UPGN de Candeias-Ba

Caracterstica Valor

Poder Calorfico Superior 40.161 kJ/m3 Poder Calorfico Inferior 36.265 kJ/m3

Densidade Relativa (Ar) 0,62

ndice Wobbe (PCS) 50963

Fator Compressibilidade 17,96 g/mol

31

Tabela 2.2 Composio tpica (% vol) do GN da UPGN de Candeias-Ba

Depois que o GN sai de suas jazidas ele sofre um processamento para retirar as fraes

pesadas (propano, butano etc), de maior valor econmico, e as impurezas (H2S, CO2). O H2S

deve ser retirado devido a sua elevada toxidade e formao de cido. O CO2 para aumentar o

poder calorfico e evitar a formao de gelo seco. Em seguida enviado por gasodutos s

empresas distribuidoras (CEG/Congs/Gasmig/Bahiagas) e destas para os locais de consumo

(indstrias, postos de GNV, residncias, etc.).

LIMITE (2) (3) MTODO CARACTERSTICA UNIDADE

Norte Nordeste Sul, SE e Centro-Oeste

ASTM ISO

kJ/m3 34.000 a 38.400 35.000 a 42.000 Poder Calorfico Superior (4) kWh/m3 9,47 a 10,67 9,72 a 11,67

D 3588 6976

ndice de Wobbe (5) kJ/m3 40.500 a 45.000 - 6976

Metano, mn. % vol. 68,0 D 1945 6974

Etano, mx. % vol. 12,0

Propano, mx. % vol. 3,0

Butano e mais pesados, mx.

% vol. 1,5

Oxignio, mx. % vol. 0,8 0,5

Inertes (N2 + CO2), mx.

% vol. 18,0 5,0 4,0

Nitrog6enio % vol. Anotar 2,0

Enxofre Total, mx. mg/m3 70 D 5504 6326-2 6326-5

Gs Sulfdrico (H2S), mx. (6)

mg/m3 10,0 15,0 10,0 D 5504 6326-2 6326-5

Ponto de orvalho da gua a 1 atm, mx.

oC -39 -39 -45 D 5504 -

Tabela 2.3 Especificaes (1) do gs natural dadas pelo Regulamento tcnico da

ANP no 003/2002 portaria no 104, de 18/07/2002

Observaes:

(1) O gs natural deve estar tecnicamente isento, ou seja, no deve haver traos visveis

de partculas slidas e de partculas lquidas.

(2) Limites especificados so valores referidos a 293,15 K (20 oC) e 101,325 kPa (1

atm) em base seca, exceto ponto de orvalho.

32

(3) Os limites para a regio Norte se destinam s diversas aplicaes exceto veicular, e

para este uso especfico devem ser atendidos os limites equivalentes regio Nordeste.

(4) O poder calorfico de referncia de subst6ancia pura empregado no Regulamento

Tcnico ANP no 003/2002, encontra-se sob condies de temperatura e presso equivalentes a

293,15 K e 101,325 kPa, respectivamente, em base seca.

(5) O ndice de Wobbe calculado empregando o Poder Calorfico Superior em base

seca. Quando o mtodo ASTM D 3588 for aplicado para a obten do Poder Calorfico

Superior, o ndice de Wobbe dever ser determinado pela frmula constante no Regulamento

Tcnico (ver item 2.2.3.8 desta monografia).

(6) O gs odorizado no deve apresentar teor de enxofre total superior a 70 mg/m3.

2.1.5 Utilizao do Gs Natural em Equipamentos Trmicos

Em um equipamento trmico, operando com qualquer combustvel, busca-se atender os

seguintes objetivos:

Baixo custo operacional; Combusto completa com segurana e operacionalidade; Mxima eficincia trmica (transmisso de calor otimizada); Nveis de emisso de poluentes (S02, particulados, CO, hidrocarbonetos e NOx)

dentro dos nveis regulamentares.

Atender a estes objetivos simultaneamente, supera a tcnica tradicional de controle de

combusto, tornando-se um processo complexo de otimizao. As caractersticas do GN

fazem dele uma excelente alternativa para os demais combustveis, devido s seguintes

vantagens:

a) Encontra-se pronto para o consumo, no sendo necessrio manipulaes ou

preparao antes da combusto.

b) O gs natural facilmente miscvel com o ar, obtendo-se um contato ntimo entre o

combustvel e o ar, reduzindo-se o excesso de ar necessrio para assegurar a combusto

completa. fcil o controle da atmosfera da fornalha, e a obteno de uma chama longa, de

combusto lenta, com liberao gradual e uniforme da energia.

33

c) O gs se desloca e se manipula com facilidade. Basta uma vlvula para regular com

preciso as vazes de ar e gs. Pode-se obter variaes rpidas e grandes da vazo, mantendo-

se constante a relao de mistura.

d) O GN praticamente no contm impurezas. Seus produtos de combusto tm baixos

nveis de poluio, comparativamente aos outros combustveis. O teor de enxofre do GN

muito inferior ao dos carves e dos leos combustveis. No origina deposio de resduos

que contaminam a produo ou que afetem a eficincia do equipamento e/ou instalaes. Isto

simplifica e diminui os custos de operao e manuteno.

e) Em estado gasoso, o GN permite vrias configuraes e tipos de queimadores, alm

de grande flexibilidade no seu funcionamento. A eficincia dos sistemas de combusto base

de GN em geral maior, porque permite maior flexibilidade de regulagem e controle dos

equipamentos.

Entre as desvantagens do gs natural, pode-se citar:

a) A densidade do gs natural muito menor do que a dos combustveis slidos e

lquidos. Isto leva a dificuldades de armazenamento e de transporte.

b) Devido ao alto teor de hidrocarbonetos leves (alto teor de hidrognio), os produtos da

combusto possuem grande quantidade de vapor-dgua. Assim, o calor especfico dos

produtos alto, as temperaturas de combusto so mais baixas e existe os problemas devido

condensao do vapor.

c) A quantidade (em massa) de combustvel dentro da fornalha muito pequena. Isso

torna a combusto muito sensvel variao de consumo de ar e combustvel, e permite, em

caso de necessidade, modificar a carga da fornalha instantneamente. Ao mesmo tempo torna-

se crtico o controle da combusto, pois uma interrupo da alimentao provocar a extino

da chama, o que est vinculado ao perigo de exploso ao recomear a alimentao. Por isso,

nessas fornalhas normalmente so instalados vrios queimadores.

O gs natural tem um grande espectro de aplicaes, tanto em uso industrial,

automotivo ou residencial. Na indstria do petrleo utilizado na reinjeo em poos para

recuperao secundria de petrleo, na produo de GLP e gasolina natural, e como matria-

34

prima na indstria petroqumica e de fertilizantes. O uso domstico limitado substituio

do GLP e do gs de rua, em locais onde existe rede de distribuio de gs canalizado.

Na indstria o GN pode ser utilizado em caldeiras, em substituio ao leo combustvel,

para gerar vapor, ou aquecer fluido trmico, utilizado no aquecimento das indstrias de

alimentos, papel e celulose, txtil etc., acionamento de ventiladores, bombas e compressores e

gerao de eletricidade. Pode ser utilizado em substituio do GLP em oxicorte. O uso em

fornos industriais amplo, sobretudo devido ausncia de cinzas e ao baixo teor de enxofre,

que poderiam contaminar o produto. O contato direto dos produtos da combusto com

produtos alimentcios, apesar de prtica usual, no recomendvel devido presena de

hidrocarbonetos.

O uso do GN como combustvel automotivo reduz sensivelmente a emisso de

poluentes. cerca de 60 % mais barato que o leo diesel e seu uso como combustvel

aumenta a vida do motor, reduzindo os custos de manuteno e consumo de leos

lubrificantes. Pode ser utilizado em motores de combusto interna (Otto, Diesel), em

substituio da gasolina e leo diesel.

O uso em turbinas a gs recomendado, pois os demais combustveis devem sofrer

tratamento prvio, afim de eliminar resduos e evitar a contaminao a altas temperaturas. As

turbinas a gs podem ser utilizadas para acionar bombas, compressores etc. Sua utilizao

mais importante a gerao de eletricidade, sobretudo em termoeltricas que trabalham em

regime de ponta ou como unidades de emergncia, pois podem entrar em operao em poucos

minutos. O uso de turbinas a gs para gerao termoeltrica vem aumentando, devido ao

baixo investimento, baixo custo operacional e alto rendimento trmico. O uso de ciclo

combinado (turbina a gs + caldeira de recuperao + turbina de vapor a gs) permite atingir

rendimentos da ordem de 55 %, com baixa emisso de poluentes [a.1].

2.1.6 Desenvolvimento Tecnolgico do Gs Natural

O Centro de Tecnologia do Gs tem sido base tecnologia para o mercado do gs natural.

O CTGS um consrcio criado pelo Senai e pela Petrobrs para atender s distribuidoras de

gs natural do pas. Criado em abril de 1999 o Centro iniciou suas atividades em abril de

2002.

35

Desde o incio de suas atividades, o CTGS tem oferecido suporte tecnolgico desde a

explorao at o uso final do gs, dando mais nfase nas atividades de utilizao do gs

natural.

A base laboratorial do CTGS oferece desde o apoio didtico at o apoio tecnolgico

para desenvolvimento de logsticas solicitadas pelas empresas. Os laboratrios abrangem toda

a rea de utilizao do gs natural, ou seja, existem laboratrios de calibrao, de combusto,

de teste de cilindros entre outros.

A sede do CTGS em Natal, mas sua base tecnolgica abrange todo o Brasil atravs

da rede de Ncleos do Gs instalados nas filiais do Senai que vo desde Porto Alegre at

Fortaleza. Atualmente so 12 Ncleos espalhados pelo o pas, at o final do ano ser

inaugurado mais quatro Ncleos do Gs.

A indstria do gs natural ainda est nascendo no Brasil e, em 10 anos, a previso de

se ter no s o mercado industrial, mas grandes atividades no mercado residencial e

comercial, como acontece em outros pases que j utilizam este combustvel h vrios anos. O

CTGS tem o papel de dar a sustentao tecnolgica na formao de profissionais

qualificados para este novo mercado que cresce continuamente no pas.

Hoje o CTGS est trabalhando com cursos de nvel mdio e especializao (lato-

sensu) em parceria com algumas universidades. Os cursos em mdia tm a durao de at 400

horas e a relao de custo-benefcio para o engenheiro formado bem maior, mais rpida e

mais barata do que se transforma-lo em um curso superior, j que a reciclagem de m

profissional formado mais benfica para o mercado.

O CTGS no tem o intuito de produzir novas tecnologias, j que a tecnologia do gs

consolidada praticamente no mundo inteiro, havendo algumas iniciativas de grandes empresas

que j atuam h anos no mercado. Hoje, a pretenso do CTGS adaptar essa tecnologia j

existente ao mercado do gs natural brasileiro, criando normas, customizando e demonstrando

as vantagens da utilizao do gs natural nos setores industrial, comercial, residencial e

automotivo.

2.2 Equipamentos Envolvidos na Converso

36

2.2.1 Caldeiras em geral

2.2.1.1 Definio

Caldeira um trocador de calor complexo que produz vapor de gua sob presses

superiores a atmosfrica a partir da energia trmica de um combustvel e de um elemento

comburente, ar, estando constitudo por diversos equipamentos associados e perfeitamente

integrados para permitir a obteno do maior rendimento trmico possvel. Ver figura a

seguir.

Figura 2.1 Caldeira do tipo flamotubular fabricante Tenge Industrial Ltda.

Na produo de energia, mediante aplicao do calor que desprendem os combustveis

ao serem queimados nas caldeiras, desenvolve-se o seguinte processo evolutivo: a gua

recebe calor atravs da superfcie de aquecimento; com o aumento da temperatura e atingida a

37

temperatura de ebulio, muda de estado transformando-se em vapor sob determinada

presso, superior atmosfrica, para uso externo. A potncia calorfica do combustvel

converte-se assim em energia potencial no vapor, que na sua vez transforma-se em mecnica

por meio de mquinas trmicas adequadas para a obteno de energia eltrica, hidrulica ou

pneumtica.

2.2.1.2 Generalidades

Essencialmente uma caldeira um recipiente no qual a gua introduzida e pela

aplicao de calor continuamente evaporada. Qualquer que seja o tipo de caldeira considerado

sempre estar composta por trs partes essenciais que so: a fornalha ou cmara de

combusto, a cmara de lquido e a cmara de vapor. Os condutos para descarga dos gases e

a chamin no formam parte integral da caldeira; constituem construes independentes que

so adicionadas ao corpo resistente da mesma, no estando expostas presso do vapor.

A fornalha ou cmara de combusto a parte da caldeira onde se queima o combustvel

utilizado para a produo do vapor.

Quando a caldeira queima combustveis lquidos, gases ou produtos pulverizados, a

fornalha est constituda por uma cmara no interior da qual, e mediante combustores ou

queimadores injetado o combustvel gasoso, liquido ou pulverizado, que queima ao entrar

em contato com o ar comburente que entra fornalha atravs de portas especiais.

As cmaras de gua e vapor constituem as superfcies internas de caldeira propriamente

dita. Esto constitudas de recipientes metlicos hermticos de resistncia adequada que

adotam a forma de invlucros cilndricos, coletores, tubos, etc., devidamente comunicados

entre eles; na sua face interna contm a gua a ser vaporizada, estando a quase totalidade da

superfcie externa em contato com as chamas ou gases da combusto. A parte inferior deste

recipiente recebe o nome de cmara de lquido; o espao limitado entre a superfcie da gua e

a parte superior denomina-se cmara de vapor.

Os condutos de fumaa e a chamin, dispostos na parte final do percurso que seguem os

gases no interior da caldeira, tem como objetivo conduzir para o exterior os produtos da

combusto que transmitiram parte do seu calor para a gua e vapor, atravs da superfcie de

aquecimento. A chamin tem tambm a funo de aumentar a velocidade de descarga dos

38

gases, produzindo urna tiragem natural que promove a entrada de ar fornalha acelerando

assim a combusto.

Da idia de direcionar os produtos quentes da combusto atravs de tubos dispostos no

interior da caldeira surgiu o projeto da caldeira flamotubular que no somente aumenta a

superfcie de aquecimento exposta gua, como tambm produz uma distribuio mais

uniforme do vapor em gerao, atravs da massa de gua. Em contraste com a idia

precedente, o projeto de caldeiras aquotubulares mostrou um ou mais coletores unidos por

uma grande quantidade de tubos atravs dos quais circulava a mistura de gua e vapor. O

calor flui do exterior dos tubos para a mistura. Esta sub-diviso das partes sob presso tornou

possvel a obteno de grandes capacidades e altas presses.

2.2.1.3 Principais Parmetros Operacionais das Caldeiras

Os parmetros operacionais que caracterizam as caldeiras e, de modo geral, qualquer

aparelho de vaporizao, so os seguintes:

a) Presso mxima de trabalho admissvel (PMTA) o maior valor permitido durante

o funcionamento normal da caldeira, para a presso efetiva do vapor, medida em determinado

ponto, definido pelo cdigo adotado na sua construo ou pelas regras da boa tcnica. Com o

intuito de evitar que este valor possa ser ultrapassado so colocados dispositivos automticos

de descarga do vapor em excesso, denominados de vlvulas de segurana.

b) Presso de teste a presso de ensaio hidrosttico a que deve ser submetido a

caldeira.

c) Capacidade de evaporao ou potncia da caldeira a massa de vapor que capaz de

produzir em uma hora. Modernamente, a tendncia expressar a capacidade de uma caldeira

em termos de contedo trmico horrio correspondente ao vapor produzido. Na atualidade

normal expressar a medida de capacidade de uma caldeira como inicialmente estabelecido em

kg/h ou mesmo em t/h.

A produo normal de vapor define a quantidade de vapor capaz de ser gerado por uma

caldeira em condies de presso de regime, temperaturas e eficincia garantidas pelo

fabricante.

39

A produo mxima contnua de vapor define a descarga mxima de produo de vapor

capaz de ser gerado por uma caldeira em regime contnuo.

A produo de picos corresponde maior descarga de vapor, em determinados

perodos de tempo, capaz de ser obtida na mesma caldeira.

Superfcie de aquecimento ou calefao a que compreende as partes metlicas que se

encontram em contato, por uma das suas faces com a gua e vapor da caldeira e pela oposta

com os produtos da combusto. A medio desta superfcie efetua-se pelo lado exposto s

chamas e gases. A superfcie sempre definida em m2.

Alm das caractersticas principais supra mencionadas caracterizam-se tambm as

caldeiras por seu peso, superfcie dos superaquecedores de vapor, economizadores de gua de

alimentao, aquecedores de ar, volumes das cmaras de lquido e vapor, etc..

2.2.1.4 Recomendaes de Projeto de Caldeiras

Projeto e construo. Sua forma e mtodo de construo dever ser simples,

proporcionando uma elevada segurana quanto a funcionamento. As diferentes partes devero

ser de fcil acesso e/ou desmontagem para facilitar as limpezas internas e pequenos reparos

que devero ser mnimos.

Toda caldeira deve apresentar, em sua superfcie externa e bem visvel, placa identifi-

cadora com, no mnimo, as seguintes informaes:

Nome do fabricante; Nmero do registro do fabricante; Modelo da caldeira; Ano de fabricao; Presso mxima de trabalho admissvel - PMTA (bar); Presso de teste hidrosttico (bar); Capacidade de produo de vapor (kg/h ou t/h); rea da superfcie de aquecimento (m2).

40

Conforme exigncias da NR-13 do Ministrio do Trabalho toda empresa que possui

caldeiras deve manter um pronturio atualizado, com documentao original do fabricante,

abrangendo, no mnimo, especificaes tcnicas, desenhos detalhados, tipo de revestimento,

testes realizados durante a fabricao e montagem, caractersticas funcionais, e a fixao da

respectiva PMTA, alm de laudos de ocorrncias diversas, que constituir o histrico da vida

til da caldeira.

Alm disto a empresa dever possuir o Registro de Segurana atualizado, constitudo

de livro prprio, com pginas numeradas, ou outro sistema equivalente, onde sero anotadas,

sistematicamente as indicaes de todas os testes efetuados, inspees interiores e exteriores,

limpeza e reparos e quaisquer outras ocorrncias, tais como: exploses, incndios,

superaquecimentos, rupturas, troca de tubos, tambores ou paredes, deformaes, aberturas de

fendas, soldas, recalques e interrupes de servio.

Vaporizao especfica, grau de combusto e capacidade. Devero ser projetados de

forma que com o mnimo peso e volume da caldeira seja obtida a mxima superfcie de

aquecimento. Esta superfcie dever estar disposta em forma tal que permita uma maior

transmisso de calor por unidade de superfcie, para que a vaporizao especfica e

capacidade atinjam tambm valores mximos. Para obter esta condio imprescindvel que a

caldeira permita desenvolver na sua fornalha elevados graus de combusto.

Peso e espao. Estes fatores devem se combinar em forma tal que as caldeiras possam

ser adaptadas ao espao destinado a sua instalao.

Flexibilidade de manobra e facilidade de conduo. So condies fundamentais em

processos de variao rpida e freqente, que a caldeira possua grande flexibilidade para se

adaptar imediatamente s modificaes da carga. O manejo e conduo do caldeira deve ser

fcil e seguro sem apresentar falhas. As limpezas de rotina devero ser possveis de executar

facilmente e no menor tempo possvel.

Caractersticas do vapor produzido. No devero as caldeiras apresentar tendncia a

produzir arrastes de gua com o vapor, especialmente na condio de funcionamento em

sobrecarga, para evitar a possibilidade de fornecimento de vapor mido (caldeiras de vapor

saturado) ou de reduo do grau de superaquecimento (caldeiras com superaquecedores).

41

Circulao de gua e gases. A circulao da gua no interior do caldeira, na mesma

forma que o fluxo de gases no lado externo, dever ser ativa, de direo e sentido bem

definidos para toda e qualquer condio de funcionamento. Esta caracterstica fundamental

para facilitar a transmisso do calor, eliminando-se a possibilidade de superaquecimentos

localizados anormais em determinadas zonas da caldeira que possam comprometer a

segurana dos equipamentos, especialmente quando a vaporizao se der em condies de

sobrecarga.

Rendimento trmico total. Dever ser elevado para todos os regimes de funcionamento

da caldeira, a fim de se obter uma aprecivel economia do combustvel.

Segurana. Para cumprir este requisito as caldeiras e todos os seus acessrios devero

ser projetados para obter o mais elevado fator de segurana para que dentro do previsvel

estejam isentos de falhas comuns. Os mecanismos auxiliares devero ser projetados seguindo

o mesmo critrio, permitindo uma troca fcil no caso de falha ou acidente.

2.2.1.5 Classificao

A forma e disposio das partes de uma caldeira moderna quando usados carvo ou

combustveis outros, so substancialmente os mesmos que nas dcadas passadas, exceo

feita de modificaes estruturais necessrias para adapt-los s atuais imposies de elevadas

presses e temperaturas. Na atualidade presses entre 25 bar e 40 bar so quase que

totalmente adotadas na maior parte dos sistemas industriais e de gerao de energia.

Encontram-se ainda nos pases industrializados instalaes operando a presses de 300 bar

com temperaturas de 620 C com dois estgios de reaquecimento de 565 C e 537 C,

produzindo 170.000 kg de vapor por hora e outras com at trs estgios de reaquecimento.

Uma classificao precisa das caldeiras apresenta bastante dificuldade devido a enorme

variao existente nos tipos fundamentais. usual a seguinte classificao:

caldeiras flamotubulares caldeiras aquotubulares

Nas caldeiras flamotubulares os gases de combusto circulam pelo interior dos tubos

vaporizadores que se encontram submersos na gua da caldeira.

42

Nas caldeiras aquotubulares a gua e o vapor circulam pelo interior dos tubos

mencionados, cuja superfcie externa est em contato com os gases.

Pelo fato da fornalha formar parte integrante das caldeiras flamotubulares, so tambm

denominados de fornalha interna, para diferenci-las das aquotubulares, nas quais a fornalha

independente deste, motivo pelo qual tambm costumam de ser denominados de caldeiras de

fornalha externa. Tambm tem sido estabelecidas subdivises para as caldeiras

flamotubulares conforme a direo que seguem as chamas e para as aquotubulares, conforme

seu peso, posio dos tubos vaporizadores, circulao interna da gua, etc.

2.2.1.6 Caldeiras Flamotubulares Principais Caractersticas

As caldeiras deste tipo ou simplesmente tubulares (Fig. 2.2), contm a gua no interior

de um invlucro dentro do qual encontram-se tambm as fornalhas e cmaras de combusto, e

os tubos vaporizadores no interior dos quais circulam os gases da combusto no seu percurso

at a chamin.

Figura 2.2 Representao esquemtica de uma caldeira flamotubular

Conforme o sentido da direo dos gases no interior das caldeiras, estes equipamentos

podero ser classificados em:

a) Caldeiras de chama de retorno (de simples ou dupla frente )

43

Nas caldeiras de chama de retorno (de simples ou dupla frente), os gases da combusto

circulam em um sentido atravs das fornalhas e cmaras de combusto, e no sentido oposto

pelo interior dos tubos no sentido dos condutos de fumaa e chamin.

b) Caldeiras de chama direta

Nas caldeiras de chama direta, os gases percorrem um caminho direto desde a fornalha

at os condutos de fumaa para finalmente chegar at a chamin.

Em todas estas caldeiras as fornalhas, as cmaras de combusto e os tubos esto

submersos na gua contida no interior do invlucro, isto , encontram-se submetidos

presso do vapor da caldeira.

2.2.1.7 Caldeiras Aquotubulares Principais Caractersticas

O emprego deste tipo de caldeira resulta inevitvel quando necessria a obteno de

grandes capacidades e elevadas presses de vapor. Devido subdiviso interna destas

caldeiras, em coletores e tubos de pequeno dimetro, podem ser construdos com chapas de

baixa espessura, resultando aptas para suportar altas presses.

Devido a sua forma, a quantidade de gua que contm relativamente pequena;

permitem desenvolver em um reduzido volume uma grande superfcie de aquecimento e

disp-la de forma conveniente para a melhor transmisso de calor, em volta de uma ampla

cmara de combusto, independente da estrutura resistente da caldeira.

A vaporizao especfica deste tipo de caldeira muito superior ao que pode ser obtido

nas flamotubulares, sendo portanto seu peso para igual potncia, consideravelmente menor.

Quanto a clasificao das caldeiras aquotubulares consideramos o peso por superfcie

de aquecimento, a inclinao dos tubos vaporizadores e a circulao interna da gua.

44

Figura 2.3 Representao esquemtica de uma caldeira aquotubular

De acordo ao sistema de circulao interna da gua caldeiras aquotubulares podem ser

classificadas em:

Caldeiras de circulao natural limitada Caldeiras de circulao natural livre Caldeiras de circulao natural acelerada Caldeiras de circulao forada.

2.2.1.8 Comparativo entre Caldeiras Flamotubulares e Aquotubulares

Consideramos apropriado examinar as vantagens e desvantagens que apresentam ambos

os tipos.

Para tal efetuaremos um estudo comparativo considerando os seguintes elementos:

45

a) Gru de combusto, vaporizao especfica e capacidade.

As aquotubulares permitem desenvolver grus de combusto muito superiores aos obti-

dos nas flamotubulares pelo fato da fornalha no formar parte integral da caldeira. Desta

forma podem ser construdas cmaras de combusto amplas especialmente apropriadas para

queima de petrleo. Alem do exposto e como devido disposio da superfcie de

aquecimento, grande parte do calor desprendido pelo combustvel transmite-se por radiao,

poder ser obtida uma elevada vaporizao especfica.

As caldeiras aquotubulares possuem maior vaporizao especfica que as

flamotubulares o que significa que pode ser obtida uma elevada capacidade (massa de vapor /

hora) com caldeiras de pouco peso e volume.

Como a capacidade ou potncia de uma caldeira, consideradas constantes as outras

condies, depende da extenso e posio da sua superfcie de aquecimento com respeito

fornalha, nas aquotubulares, os tubos vaporizadores permitem obter uma considervel rea de

aquecimento em um espao reduzido, especialmente nas do tipo leve que so constitudas

com tubos de pequeno dimetro limitando a cmara de combusto.

b) Peso e volume

Para igual capacidade, as caldeiras aquotubulares ocupam um volume menor, sendo

tambm de peso menor que as flamotubulares. A diminuio de peso conseqncia direta da

eliminao dos invlucros, casco ou corpo cilndrico de grande dimetro e espessura, como

tambm na reduo na quantidade de gua, aproximadamente a dcima parte da contida nas

caldeiras cilndricas.

c) Presso e grau de superaquecimento do vapor

As maiores caldeiras flamotubulares construdas atingem valores de presso da ordem

de 25 bar. Como a espessura com que deve ser construdo o casco aumenta

proporcionalmente com a presso e dimetro, observar-se- que ultrapassando determinados

limites, seria necessrio construir caldeiras com chapa de espessura tal que tornaria sua

execuo no somente difcil como de custo excessivamente elevado e de peso

conseqentemente exagerado. Por estas razes a presso de 25 bar pode ser considerada como

limite mximo para este tipo de caldeira.

46

As caldeiras aquotubulares usando somente coletores e tubos de pequeno dimetro, so

construdas com placas de menor espessura, resultando, portanto mais aptas para vaporizar

sob maior presso, pelo motivo de que, para um maior valor deste parmetro, ao diminuir o

dimetro do recipiente, a espessura do metal capaz de suport-la diminui proporcionalmente.

Conforme o grau de superaquecimento do vapor que for necessrio obter nas caldeiras

aquotubulares, o superaquecedor instalado em qualquer lugar no percurso dos gases, desde a

fornalha at os canais de fumaa com o que podero ser atingidas temperaturas maiores que

no caso de caldeiras flamotubulares.

Nas caldeiras flamotubulares os superaquecedores devem ser colocados no interior dos

tubos, o que reduz a seco de passagem dos gases dificultando tambm a limpeza. ou

tambm na caixa de fumaa onde a temperatura no suficientemente elevada, condies

estas que as tornam menos aptas que as aquotubulares para a produo de vapor

superaquecido.

d) Qualidade da gua de alimentao

Uma das vantagens das caldeiras flamotubulares se comparada com as aquotubulares,

consiste na possibilidade de aliment-las com gua natural, no entanto que nas ltimas

condio fundamental o emprego de gua tratada para evitar no somente a formao de

incrustaes sobre a superfcie de aquecimento, como tambm a produo de espuma e

ebulio, conjuntamente com o vapor. Em todos os casos conveniente o uso de gua tratada.

e) Rendimento trmico

Atualmente o rendimento ou eficincia trmica total que pode ser obtido nas caldeiras

aquotubulares supera o correspondente s caldeiras flamotubulares. Nas primeiras tem-se

obtido rendimentos 80 a 90 % ou maiores em caldeiras com superaquecedores,

economizadores e aquecedores de ar, sendo nas ltimas impossvel superar valores de 75 % a

90 % nas melhores condies de limpeza [d.2]. A maior eficincia das caldeiras

aquotubulares deve-se disposio mais racional da superfcie de aquecimento, que favorece

a transmisso do calor desenvolvido na fornalha e especialmente adoo de

superaquecedores de vapor, aquecedores e economizadores. Estes equipamento permitem

recuperar grande parte do calor residual dos gases quentes da combusto, que passam pela

chamin, diminuindo a temperatura final destes.

47

f) Conduo e limpeza

Devido a limitada quantidade de gua que contm as caldeiras aquotubulares e a sua

elevada evaporao especfica, dever ser mantida uma vigilncia constante e cuidadosa do

nvel de gua, especialmente nos casos onde sejam necessrios elevados graus de combusto.

As caldeiras flamotubulares requerem menor ateno pelo fato de possurem uma

grande massa de gua e menor vaporizao especfica, podendo a renovao ser como

mximo de uma vez a cada hora, no entanto que nas aquotubulares do tipo leve a totalidade da

gua da caldeira pode vaporizar de 8 a 10 vezes por hora em condies de carga mxima. Pelo

descrito observa-se que as variaes de nvel so rapidssimas, motivo que tem levado aos

fabricantes a adoo de mecanismos que regulam automaticamente o nvel de gua no interior

da caldeira para evitar falhas humanas que poderiam levar perda da caldeira.

Uma outra vantagem que apresenta a caldeira de vapor do tipo flamotubular e que

devido grande massa de gua e ao considervel volume da cmara de vapor, acumulam uma

considervel energia potencial o que as torna aptas para satisfazer demandas elevadas de

vapor das mquinas s quais servem, sem sofrer grandes quedas de presso.

Como as caldeiras aquotubulares contem menor quantidade de gua e a cmara de vapor

mais reduzida, resultam susceptveis as variaes de consumo de vapor. Nestas caldeiras

para evitar a queda rpida da presso torna-se necessrio modificar imediatamente o grau de

combusto o que conseqentemente leva a uma maior e constante ateno na conduo do

processo de combusto.

A limpeza interna das caldeiras flamotubulares apresenta menos dificuldades que as

aquotubulares por apresentarem suas partes maior acessibilidade. Nas caldeiras aquotubulares

a quase totalidade de sua superfcie de aquecimento est constituda de tubos de grande

comprimento e pequeno dimetro, s vezes curvados, o que toma mais difcil a limpeza

interna e obviamente um maior tempo para efetu-la. Pode-se estabelecer que as caldeiras

aquotubulares necessitam para sua conduo e manuteno de pessoal profissionalmente mais

experiente que para os mesmos servios com caldeiras flamotubulares.

g) Vida til

48

Define-se como vida til de uma caldeira quantidade de horas de fogo que pode

suportar em condies normais de funcionamento, isto , vaporizando presso mxima de

trabalho admissvel para a qual tem sido projetada.

Deve-se considerar que, quando por motivos de segurana decorrente de falta de

conservao adequada ou por desgaste normal da caldeira, tenha sido reduzida presso de

descarga das vlvulas de segurana, considerar-se- como vida til o tempo anterior a esta

operao e no ao total resultante de computar tambm a nova utilizao da caldeira com a

presso reduzida

Como nas caldeiras aquotubulares, os tubos vaporizadores e superaquecedores

constituem a parte mais exposta, a durabilidade destas uma funo da vida destes elementos.

A experincia tem demonstrado que este tipo de caldeira apresenta menor resistncia que as

flamotubulares o que perfeitamente justificvel por serem mais severas as condies de

operao.

A troca de tubos em uma caldeira aquotubular uma operao relativamente rpida e

fcil; nas caldeiras tubulares aps um determinado nmero de anos de trabalho, alm do

problema da inutilizao de tubos comum apresentarem entre outros, problemas como

deformao das fornalhas, corroso ou desgaste reduzindo dimenses teis de partes

metlicas, fissuras, fendas e outras descontinuidades, desnivelamentos, e outras dilataes ou

contraes trmicas reversveis ou irreversveis, etc.

A vida til de uma caldeira depende fundamentalmente do mtodo de trabalho que

tenha sido realizado, do sistema de vaporizao (regime constante ou varivel), da qualidade

da gua de alimentao, da freqncia das limpezas externas e internas etc., motivo pelo qual

no possvel determinar sem cometer erros considerveis o tempo mdio de vida para cada

caldeira. Depender alm dos cuidados mencionados da experincia e dedicao do pessoal a

cargo destas.

h) Continuidade do servio e segurana

As caldeiras aquotubulares permitem uma maior continuidade de funcionamento que as

flamotubulares, j que se for necessrio efetuar um conserto de urgncia, como a troca de um

tubo, ou a queda do refratrio de uma fornalha, seu pequeno volume de gua poder ser

rapidamente esvaziado, procedendo-se imediatamente do reparo do tubo ou elemento afetado.

49

Os casos de reparos em caldeiras tubulares so de maior importncia e requerem na

maior parte dos casos um tempo considervel para coloc-las em condies satisfatrias de

trabalho.

No caso da quebra de um tubo ou de exploso, as caldeiras aquotubulares resultam

menos perigosas que as flamotubulares, devido a grande subdiviso da sua limitada cmara de

gua e a pequena quantidade que estas contm o que faz que a energia potencial acumulada

seja muito menor. Os efeitos que produz a exploso de uma caldeira, manifestam-se por urna

fora proporcional presso e massa de gua que contm, devido a produo instantnea de

uma enorme quantidade de vapor que se desprende da gua ao descer sua temperatura

subitamente a 100 oC que corresponde de vaporizao sob presso atmosfrica.

2.2.2 Caldeiras Flamotubulares

2.2.2.1 Generalidades

As caldeiras deste tipo carregam uma grande quantidade de gua no interior de um

invlucro ou casco, dentro do qual encontram-se tambm as fornalhas, cmaras de combusto

e tubos vaporizadores. Nestas caldeiras as fornalhas, as cmaras de combusto e os tubos

esto submersos na gua contida no interior do casco.

Em alguns modelos, para aumentar a circulao interna da gua e aumentar a

vaporizao especfica tem sido modificada a forma cilndrica clssica suprimindo ou

modificando as cmaras de combusto e instalando neste lugar feixes de tubos de gua.

Tem-se obtido melhoras no rendimento trmico total destas caldeiras adicionando su-

peraquecedores de vapor e aquecedores de ar que permitem a recuperao de parte do calor

residual dos gases da combusto.

Ver figura 2.4, de uma caldeira flamotubular de um fabricante (Kewanee), com legenda

a seguir, de detalhamento dos principais componentes.

50

Figura 2.4 Caldeira flamotubular de 3 passes fabricante Kewanee

Legenda:

01 - Base de ao pesada tipo Skid;

02 - Queimador pressurizado com base prpria;

03 - Painel do queimador vedado para proteger o controlador de chama;

04 - Queimador Kewanee, com verses oleo, gs ou dual;

05 - Portas dianteiras com isolao trmica e dobradias que permitem um acesso fcil

para inspeo e limpeza dos tubos;

06 - Construo de acordo com o cdigo ASME;

07 - Combinao de coluna d`gua, controle da bomba e sensor de nvel baixo de gua;

08 - Dois pressostatos, um de operao e outro de segurana;

09 - Tubos de 2" para os modelos 300-1200, e 2" para os modelos 100-250;

10 - Ampla rea de evaporao assegurando vapor seco de alta qualidade;

11 - Jaqueta de ao bitola 22 com isolao espessa de fibra mineral para diminuir a

perda de calor por radiao e proporcionando economia de combustvel;

12 - Duas vlvulas de segurana no mnimo, de acordo com o cdigo ASME e com a

norma ABNT.

51

13 Olhais de iamento na parte superior da caldeira;

14 - Sada dos gases em forma circular, com flange, localizado na parte superior trazeira

da caldeira;

15 Sistema de 3 passes, com espao e eficincia otimizados:

16 - Cmara traseira 100% submersa em gua, com aumento da rea de transferncia de

calor.

As caldeiras cilndricas podem ser classificadas conforme o sentido de circulao dos

gases no seu interior, em:

Flamotubulares de retorno de chama Flamotubulares de chama direta

Nas caldeiras flamotubulares de retorno de chama, os gases circulam primeiro no

sentido das cmaras de combusto e depois, no sentido oposto.

Nas caldeiras flamotubulares de chama direta, os gases percorrem um caminho direto.

As caldeiras de retorno de chama podem ser de simples ou dupla frente se possurem as

fornalhas, cmaras de combusto e tubos, em uma ou em ambas as frentes.

2.2.2.2 Flamotubular de Retorno de Chama de Simples Frente

Denominada comumente de caldeira escocesa, possue um invlucro ou casco de forma

cilndrica limitada nas suas extremidades por faces planas.

Os gases da combusto circulam desde a fornalha para a cmara de combusto. Desta

cmara retrocedem pelo interior dos tubos at a sada pela chamin, motivo pelo qual so

estas caldeiras denominadas de retorno de chama.

Em condies normais de funcionamento a caldeira contm gua at um determinado

nvel acima do cu da cmara de combusto; o espao ocupado pela gua cobrindo todas as

partes da caldeira que esto em contato com o fogo ou gases de combusto, denomina-se de

cmara de lquido.

O espao limitado pela superfcie livre da gua, parte superior do casco e as frentes,

designado como cmara de vapor.

52

Ocupando a quase totalidade do comprimento da parte superior da cmara de vapor

colocado um tubo denominado de tomada de vapor que possue ranhuras na sua parte superior

com o objetivo de tomar mais seco o vapor produzido na caldeira.

Em pequenas caldeiras, para distanciar o tubo de tomada de vapor do nvel da gua, so

colocados domos, de forma similar aos existentes nas locomotivas a vapor. O tubo de tomada

de vapor comunica-se atravs de orifcios praticados na frente da caldeira s vlvulas de

vapor principal e auxiliar.

Com o fim de impedir que a presso possa atingir valores superiores mxima

correspondente de regime, coloca-se um dispositivo automtico de descarga para a

atmosfera do vapor em excesso, constitudo pela vlvula de segurana, em nmero de dois por

caldeira, como mnimo.

Para saber do nvel de gua no interior da caldeira empregam-se visores de nvel com

tubo de vidro refletivos, planos ou transparentes de borosilicato, montados sobre colunas

hidromtricas com torneiras de prova.

A entrada de gua caldeira regula-se mediante vlvulas de alimentao, sendo normal-

mente instaladas duas, denominadas de alimentao principal e auxiliar que comunicam com

as tubulaes de idntica denominao.

O acesso ao interior da caldeira pode-se realizar atravs de aberturas de inspeo ou

passagem de homem, as quais podem ser observadas na parte inferior entre as bocas das

fornalhas.

Todas as superfcies planas expostas presso interna possuem escoras ou cavilhas de

unio ou esquadros. A parte cilndrica no necessita destes elementos j que suporta a presso

devido a sua forma e a espessura do material do casco.

As frentes so reforadas unindo-as mediante tirantes dispostos em forma apropriada.

De forma idntica so reforadas as partes planas restantes da frente e da cmara de

combustvel. As faces adjacentes e laterais a cmara de combusto so unidas entre si ou com

o casco mediante cavilhas ou tirantes curtos rosqueados.

As placas da frente das cmaras de combusto e da caldeira so denominadas

respectivamente placa de tubos posteriores e placa de tubos frontais ou anteriores. Estas

53

placas encontram-se unidas mediante tubos comuns e tubos de reforo, os primeiros

expandidos nas placas e os ltimos rosqueados nestas.

2.2.2.3 Flamotubulares de Chama Direta

So assim denominadas porque os gases percorrem em um s sentido as cmaras de

combusto, os tubos e as caixas de fumaa at a sada pela chamin. Esta disposio permite

construi-las com menor dimetro que as do tipo de retomo de chama, j que os tubos esto

dispostos a continuao da fornalha, reduzindo-se desta forma a sua altura devido ao aumento

do comprimento. A partir da adoo das caldeiras aquotubulares seu emprego tem sido menos

freqente.

Compem-se geralmente de um caso A em duas sees diferentes cilndrica desde a

cmara de combusto at a parte posterior; cilndrica na parte superior e plana nos lados, na

extremidade que corresponde quela e as fornalhas. As frentes anterior e posterior so planas.

Figura 2.5 Caldeira flamotubular de chama direta

Conforme se v na figura 2.5, a fornalha B e a cmara de combusto C formam um

conjunto comum, sendo construdas em chapas planas; a parte superior da fornalha encontra-

se em linha com o cu da cmara de combusto e o feixe de tubos vaporizadores D, que se

estende horizontalmente at a caixa de fumaa E.

O comprimento relativo dos tubos (relao entre o comprimento/dimetro) encontra-se

entre 60 e 90. Por exemplo, se forem utilizados tubos de 2 de dimetro, o comprimento dos

tubos deve situar-se entre 3,0 m e 4,5 m, aproximadamente.

54

Este tipo de caldeira pode ser dividida em estacionria e locomvel.

2.2.2.4 Flamotubulares Compactas

Descendentes lineares das caldeiras escocesas bsicas quanto ao projeto, estas caldeiras

representam a maior porcentagem das caldeiras de vapor atualmente em uso.

Uma caldeira compacta uma unidade que incorpora num nico conjunto, todos os

equipamentos necessrios sua operao, a saber: equipamento de leo combustvel, sistema

de alimentao de gua, controles automticos bem como outros elementos auxiliares,

constituindo um todo transportvel e pronto para operar, depois de curto prazo de instalao,

dispensando servios especiais quanto a fundaes e montagem.

A American-Boiler Manufacturers Association define a caldeira compacta

flamotubular como: uma unidade modificada da caldeira tipo escocesa, testada a fogo antes

do embarque, e garantida quanto ao material e desempenho pelo fornecedor que dever

assumir a responsabilidade por todos os componentes que integram o conjunto tais como

caldeira, queimadores, controles e auxiliares.

a) Fluxo dos gases em unidades compactas.

Todos os projetos bsicos de fluxo de gases, usados atualmente em unidades compactas,

usam uma fornalha interna ou cmara de combusto como primeira passagem, guiando

posteriormente os gases conforme o traado diferente dado aos tubos.

No tipo de caldeira escocesa bsica, a construo com duas passagens no necessita de

chicanas ou defletores na placa de tubos posterior. Existem projetos denominados de cmara

seca e cmara mida, tais como:

2 passes - cmara seca 3 passes - cmara seca 3 passes - cmara mida 4 passes - cmara seca

A cmara posterior das unidades com trs passagens cmara seca, possue uma chicana

defletora de material refratrio para inverter a circulao dos gases.

55

Em unidades com cmara mida a parte submersa da cmara posterior efetua a

reverso. Para se obter um aumento do percurso dos gases, resulta uma tima soluo o

projeto de quatro passagens.

2.2.2.5 Sistema de Duas Passagens de Gases

Uma ampla gama de artifcios so usados para extrair o mximo de calor dos gases da

combusto durante seu relativamente curto tempo de passagem entre o queimador e a

chamin.

Os projetistas normalmente do nfase a uma maior transferncia partindo do tubo da

fornalha, impartindo chama e outros produtos da combusto um definido efeito de turbilho.

tambm importante no projeto o nmero de disposio dos tubos da segunda passagem,

tambm denominados de tubos de retorno.

Embora a limpeza e inspeo da parte de gua resulta mais fcil quando os tubos esto

dispostos alinhados vertical e horizontalmente, uma disposio alternada propicia um fluxo de

gua mais tortuosa ao redor desses tubos e conseqentemente um aumento da transferncia do

calor.

Alguns fabricantes tratam de melhorar a transferncia do calor do gs para a gua medi-

ante dispositivos especiais na entrada dos tubos a fim de promover nos gases quentes uma

ao de redemoinho.

Tambm neste tipo de caldeira encontramos espelhos traseiros resfriados por gua, re-

verso seca e fornalhas corrugadas.

2.2.2.6 Sistema de Trs Passagens de Gases

A julgar pela ampla variedade de projetos existentes o sistema de 3 passagens o mais

utilizado atualmente.

Adiciona ao percurso dos gases quentes mais um comprimento de caldeira ao custo de

uma maior complexidade.

No caso de caldeiras do tipo de cmara seca, na cmara posterior dever ser colocada

uma chicana de material refratrio para separar o fluxo de gases que devem ser dirigidos para

56

a segunda passagem dos que esto sendo descarregados para o exterior pelos tubos da terceira

passagem.

Em caldeiras com cmara mida a separao dos gases realizada mediante um projeto

apropriado da parte.submersa da cmara posterior.

A cmara de reverso est rodeada por gua. O retorno dos gases para a frente da

caldeira realiza-se principalmente pelos tubos localizados na parte inferior do espao de gua;

posteriormente os gases entram nos tubos da terceira passagem.

Os modelos de caldeiras existentes no somente diferem na forma construtiva da

cmara traseira como tambm quanto ao nmero e localizao dos tubos.

Todas as caldeiras do tipo de trs passes possuem isolamento trmico total, eficincias

trmicas que esto na faixa de 80 % a 90 % [d.2], superfcies de aquecimento que vo de

valores de 10 m2 at 625 m2 e com produo de vapor (gua a 200C) de 330 kg/h a 25.000

kg/h e com temperatura de gua de 60C a 30.000 kg/h.

Os consumos mximos de leo variam entre 25 kg/h at 1500 kg/h e de gs, de 30

Nm3/h. at valores de 1800 Nm3/h.

2.2.2.7 Sistema de Quatro Passagens de Gases

Na procura de uma maior eficincia da transferncia do calor dos gases quentes para a

gua, alguns projetistas realizaram construes com quatro passagens.

Embora em todas as unidades, seja qual for o nmero de passagens, deva ser realizado

um projeto cuidadoso da superfcie dos tubos, nas caldeiras de quatro passagens a

rigorosidade dever ser extremada.

Para manter elevadas velocidades atravs da totalidade do percurso dos gases, os

projetistas diminuram a rea da seo transversal em cada passagem sucessiva Isto normal-

mente feito reduzindo o nmero de tubos em cada uma das passagens sucessivas.

57

2.2.3 Queimadores

2.2.3.1 Introduo

A injeo de combustveis lquidos e gasosos, bem como sua mistura com o ar de

combusto feita por um importante equipamento denominado queimador. nele que se

processa a passagem dos fluxos de combustvel e oxidante, com a devida turbulncia, de

forma a promover e manter uma chama estvel na fornalha.

Os queimadores esto normalmente montados nas paredes verticais de caldeiras ou

ainda no piso ou no teto das fornalhas, no caso de fornos e aquecedores. Um queimador

projetado para proporcionar a queima do combustvel nas condies estabelecidas pelas

vazes de ar e combustvel.

No passado o projeto de queimadores visava em primeiro plano a estabilidade da chama

e uma alta eficincia trmica. O objetivo era operar forma segura e econmica a converso de

combustveis. Hoje, entretanto o carter poluente de um queimador uma das principais (ou a

mais importante) caracterstica desse equipamento.

A seguir, a figura de um queimador tpico.

58

Figura 2.6 Queimador tpico de um fabricante (Kewanee)

Um bom queimador deve:

Proporcionar uma chama estvel em toda faixa de vazes estabelecidas pela demanda do equipamento a ser aquecido.

Manter elevadas eficincias de combusto pela mnima perda de combustvel no queimado e por baixos excessos de ar.

Ter absoluta adaptabilidade e flexibilidade para com a fornalha a ser aquecida no que se refere a dimenses e limitaes de peso.

Ter projeto que proporcione uma operao confivel e, caso necessrio, tenha uma manuteno simples e rpida.

Possuir confiabilidade e segurana operacional na parada, partida e durante flutuaes de carga ou variao de combustveis.

Emitir poluentes a patamares aceitveis proteo ao meio ambiente e ao homem. Ter boa disponibilidade mecnica, robustez e vida til para garantir servio

satisfatrio durante toda a campanha da unidade ou equipamento.

O tipo de construo mecnica do queimador define suas caractersticas de vazo de ar,

de combustvel e a interao dos dois. Basicamente as diretrizes de projeto de um queimador,

visam a estabilidade de chama e os itens acima enumerados. Para que se tenha uma chama

contnua e estvel o primeiro passo efetuar a mistura ar e combustvel convenientemente,

tendo em vista os 3Ts da combusto, vejamos:

Temperatura para que haja evaporao e ignio dos compostos combustveis. Turbulncia para que a interao ar e combustvel seja a melhor possvel. Tempo para que a velocidade de oxidao ocorra em equilbrio com as velocidades

dos fluxos envolvidos.

Nesse contexto a forma de injeo de combustvel importante para que ocorram as

trocas de calor, a ignio e a continuidade da reao de oxidao.

2.2.3.2 Classificao de Queimadores

Os queimadores podem ser classificados pelas caractersticas operacionais bsicas,

vejamos:

59

Quanto ao tipo de combustvel : a gs, a leo, dual a carvo pulverizado Quanto ao tipo de oxidante : ar, ar enriquecido, oxignio, misturas, pr-aquecido Quanto forma de injeo de ar : forada, conveco natural, estagiado Quanto ao tipo de atomizao de lquido : atomizao mecnica, a ar, a vapor, a

oxignio, a fluido auxiliar, copo rotativo

Quanto forma de injeo do combustvel : separado, pr-misturado, estagiado Quanto a emisso de NOx : convencional, baixo NOx e ultra-baixo NOx

2.2.3.3 Queimadores para gs

Para queimadores de combustveis gasosos a injeo feita atravs de lanas ou anis

distribuidores que fornecem vazes de gs em funo da presso no distribuidor. O controle

feit

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Metodologia e Análise Da Viabilidade Técnica Da Conversão de Caldeiras a Óleo Combustível Para Gás Natural