Introdução à Recuperação de Condensado

Uma introdução às razões para a recuperação e retorno de condensado, incluindo custos de energia, encargos de água, restrições de efluentes e custos de tratamento de água. Inclui cálculos de exemplo para economias potenciais.

Introdução à Recuperação de Condensado

O vapor é geralmente gerado por uma de duas razões:

• Para produzir energia elétrica, por exemplo em usinas de energia ou plantas de cogeração.
• Para fornecer calor para sistemas de aquecimento e processo. Quando um quilograma de vapor condensa completamente, um quilograma de condensado é formado na mesma pressão e temperatura (Figura 14.1.1). Um sistema de vapor eficiente reutilizará este condensado. A falha em recuperar e reutilizar o condensado não faz sentido financeiro, técnico ou ambiental.

O vapor saturado usado para aquecimento cede seu calor latente (entalpia de evaporação), que é uma grande proporção do calor total que contém. O restante do calor no vapor é retido no condensado como calor sensível (entalpia da água) (Figura 14.1.2).

Além de ter conteúdo de calor, o condensado é basicamente água destilada, que é ideal para uso como água de alimentação de caldeira. Um sistema de vapor eficiente coletará este condensado e o retornará a um desaerador, um tanque de alimentação da caldeira, ou o usará em outro processo. Somente quando houver um risco real de contaminação é que o condensado não deve ser retornado à caldeira. Mesmo assim, pode ser possível coletar o condensado e usá-lo como água de processo quente ou passá-lo através de um trocador de calor onde seu conteúdo de calor pode ser recuperado antes de descarregar a massa de água para o dreno.

O condensado é descarregado de equipamentos e plantas de vapor através de armadilhas de vapor de uma pressão mais alta para uma mais baixa. Como resultado dessa queda de pressão, parte do condensado se reevaporará em ‘vapor flash’. A proporção de vapor que ‘produzirá flash’ dessa maneira é determinada pela quantidade de calor que pode ser retida no vapor e no condensado. Uma quantidade de vapor flash de 10% a 15% em massa é típica (veja Módulo 2.2). No entanto, a mudança volumétrica percentual pode ser consideravelmente maior. O condensado a 7 bar g perderá cerca de 13% de sua massa ao produzir flash para pressão atmosférica, mas o vapor produzido exigirá um espaço cerca de 200 vezes maior do que o condensado do qual foi formado. Isso pode ter o efeito de obstruir linhas de descarga de armadilhas subdimensionadas e deve ser levado em consideração ao dimensionar essas linhas. Exemplo 14.1.1 Calculando a quantidade de vapor flash do condensado O condensado quente a 7 bar g tem um conteúdo de calor de cerca de 721 kJ/kg. Quando é liberado para pressão atmosférica (0 bar g), cada quilograma de água pode reter apenas cerca de 419 kJ de calor. O excesso de energia em cada quilograma do condensado é, portanto, 721 – 419 = 302 kJ. Esse excesso de energia está disponível para evaporar parte do condensado em vapor, sendo a quantidade evaporada determinada pela proporção do excesso de calor em relação à quantidade de calor necessária para evaporar água na pressão mais baixa, que neste exemplo é a entalpia de evaporação à pressão atmosférica, 2258 kJ/kg.

O assunto de vapor flash é examinado com maior profundidade no Módulo 2.2, ‘O que é vapor?’ Um gráfico simples (Figura 14.1.3) é usado neste Módulo para calcular a proporção de vapor flash. Exemplo: Proporção de vapor flash usando a Figura 14.1.3: Pressão na armadilha = 4 bar g Pressão do vapor flash = 0 bar g % Vapor flash = 10% A quantidade de vapor flash no tubo é o fator mais importante ao dimensionar as linhas de descarga das armadilhas.

O vapor produzido em uma caldeira pelo processo de adicionar calor à água é frequentemente chamado de vapor vivo. Os termos vapor vivo e vapor flash são usados apenas para diferenciar sua origem. Seja o vapor produzido em uma caldeira ou pelo processo natural de flash, ele tem exatamente o mesmo potencial para ceder calor, e cada um é usado com sucesso para este propósito. O vapor flash gerado do condensado pode conter até metade da energia total do condensado. Um sistema de vapor eficiente recuperará e usará o vapor flash. Condensado e vapor flash descarregados para o desperdício significam mais água de reposição, mais combustível e custos operacionais aumentados.

Este Módulo abordará duas áreas essenciais – gestão de condensado e recuperação de vapor flash. Algumas das áreas de problemas aparentes serão esboçadas e soluções práticas propostas. Nota: O termo ‘armadilha’ é usado para denotar um dispositivo de retenção de vapor, que pode ser uma armadilha de vapor, uma armadilha-bomba, ou uma combinação de bomba e armadilha. A capacidade de qualquer armadilha de passar condensado depende da pressão diferencial através dela, enquanto uma armadilha-bomba ou combinação de bomba e armadilha poderá passar condensado independentemente das diferenças de pressão operacional (sujeito a classificações de pressão de projeto).

Retorno de condensado

Um sistema eficaz de recuperação de condensado, coletando o condensado quente dos equipamentos que usam vapor e retornando-o ao sistema de alimentação da caldeira, pode se pagar em um período de tempo notavelmente curto. A Figura 14.1.4 mostra um circuito simples de vapor e condensado, com o condensado retornando ao tanque de alimentação da caldeira.

Por que retornar condensado e reutilizá-lo?

Razões financeiras O condensado é um recurso valioso e mesmo a recuperação de pequenas quantidades é frequentemente economicamente justificável. A descarga de uma única armadilha de vapor frequentemente vale a pena recuperar. O condensado não recuperado deve ser substituído na casa de caldeiras por água fria de reposição com custos adicionais de tratamento de água e combustível para aquecer a água de uma temperatura mais baixa. Encargos de água Qualquer condensado não retornado precisa ser substituído por água de reposição, incorrendo em encargos de água adicionais do fornecedor local de água. Restrições de efluentes No Reino Unido, por exemplo, água acima de 43°C não pode ser retornada ao esgoto público por lei, porque é prejudicial ao meio ambiente e pode danificar tubos de cerâmica. O condensado acima dessa temperatura deve ser resfriado antes de ser descarregado, o que pode incorrer em custos extras de energia. Restrições semelhantes se aplicam na maioria dos países, e encargos de efluentes e multas podem ser impostos por fornecedores de água para não conformidade. Maximizando a saída da caldeira A água de alimentação de caldeira mais fria reduzirá a taxa de produção de vapor da caldeira. Quanto mais baixa a temperatura da água de alimentação, mais calor e, portanto, combustível é necessário para aquecer a água, deixando assim menos calor para produzir vapor. Qualidade da água de alimentação da caldeira O condensado é água destilada, que contém quase nenhum sólido total dissolvido (TDS). As caldeiras precisam ser submetidas a blowdown para reduzir sua concentração de sólidos dissolvidos na água da caldeira. Retornar mais condensado ao tanque de alimentação reduz a necessidade de blowdown e, portanto, reduz a energia perdida da caldeira. Por que retornar condensado e reutilizá-lo?

• Resumo das razões para recuperação de condensado:
• Os encargos de água são reduzidos.
• Os encargos de efluentes e possíveis custos de resfriamento são reduzidos.
• Os custos de combustível são reduzidos.
• Mais vapor pode ser produzido pela caldeira.
• O blowdown da caldeira é reduzido - menos energia é perdida da caldeira.
• O tratamento químico da água bruta de reposição é reduzido. A Figura 14.1.5 compara a quantidade de energia em um quilograma de vapor e condensado na mesma pressão. A porcentagem de energia no condensado em relação à do vapor pode variar de 18% a 1 bar g a 30% a 14 bar g; claramente o condensado líquido vale a pena recuperar.

O exemplo a seguir (Exemplo 14.1.2) demonstra o valor financeiro de retornar o condensado. Exemplo 14.1.2 Uma caldeira produz: 10000 kg/h de vapor 24 horas/dia, 7 dias/semana e 50 semanas/ano (8400 horas/ano). A água bruta de reposição está a 10°C. Atualmente todo o condensado é descarregado para o desperdício a 90°C. A água bruta custa £0,61/m3, e os custos de efluentes são £0,45/m3. A caldeira tem 85% de eficiência e usa gás em uma tarifa interrompível cobrada a £0,01/kWh (£2,77/GJ). O vapor produzido em uma caldeira pelo processo de adicionar calor à água é frequentemente chamado de vapor vivo. Os termos vapor vivo e vapor flash são usados apenas para diferenciar sua origem. Seja o vapor produzido em uma caldeira ou pelo processo natural de flash, ele tem exatamente o mesmo potencial para ceder calor, e cada um é usado com sucesso para este propósito. O vapor flash gerado do condensado pode conter até metade da energia total do condensado. Um sistema de vapor eficiente recuperará e usará o vapor flash. Condensado e vapor flash descarregados para o desperdício significam mais água de reposição, mais combustível e custos operacionais aumentados. Este Módulo abordará duas áreas essenciais – gestão de condensado e recuperação de vapor flash. Algumas das áreas de problemas aparentes serão esboçadas e soluções práticas propostas. Nota: O termo ‘armadilha’ é usado para denotar um dispositivo de retenção de vapor, que pode ser uma armadilha de vapor, uma armadilha-bomba, ou uma combinação de bomba e armadilha. A capacidade de qualquer armadilha de passar condensado depende da pressão diferencial através dela, enquanto uma armadilha-bomba ou combinação de bomba e armadilha poderá passar condensado independentemente das diferenças de pressão operacional (sujeito a classificações de pressão de projeto). Retorno de condensado Um sistema eficaz de recuperação de condensado, coletando o condensado quente dos equipamentos que usam vapor e retornando-o ao sistema de alimentação da caldeira, pode se pagar em um período de tempo notavelmente curto. A Figura 14.1.4 mostra um circuito simples de vapor e condensado, com o condensado retornando ao tanque de alimentação da caldeira.

Determinar o valor anual de retornar o condensado

Parte 1 - Determinar o custo de combustível Cada quilograma de condensado não retornado ao tanque de alimentação da caldeira deve ser substituído por 1 kg de água fria de reposição (10°C) que deve ser aquecida à temperatura do condensado de 90°C. (ΔT = 80°C). Calcular o calor necessário para aumentar a temperatura de 1 kg de água fria de reposição em 80°C, usando a Equação 2.1.4.

m é unidade; ΔT é a diferença entre a água fria de reposição e a temperatura do condensado retornado; cp é o calor específico da água a 4,19 kJ/kg °C. 1 kg x 4,19 kJ/kg °C x 80°C = 335 kJ/kg Baseando os cálculos em uma taxa média de evaporação de 10 000 kg/h, para uma planta em operação 8 400 h/ano, a energia necessária para substituir o calor na água de reposição é: 10 000 kg/h x 335 kJ/kg x 8 400 h/ano = 28 140 GJ/ano Se a eficiência média da caldeira for 85%, a energia fornecida para aquecer a água de reposição é:

Com um custo de combustível de £2,77/GJ, o valor da energia no condensado é:

Custo anual de combustível = 33 106 GJ/ano x £2,77/GJ = £91 704 Parte 2 - Determinar o custo de água A água é vendida por volume, e a densidade da água em temperatura ambiente normal é de cerca de 1000 kg/m3. A quantidade total de água necessária em um ano para substituir o condensado não retornado é, portanto:

Se os custos de água forem £0,61 por m³, o custo anual de água é:

Custo anual de água = 84000 m3/ano x £0,61/m3 = £51 240 Parte 3 - Determinar o custo de efluentes O condensado que não foi recuperado teria que ser descartado para o desperdício e também pode ser cobrado pela autoridade de água. Quantidade total de água para desperdício em um ano também equivale a 84000 m³ Se os custos de efluentes forem £0,45 por m³, o custo anual de efluentes é: Custo anual de efluentes = 84000 m3/ano x £0,45/m3 = £37 800 Parte 4 - Valor total do condensado O valor anual total de 10 000 kg/h de condensado perdido para o desperdício é mostrado na Tabela 14.1.1:

Tabela 14.1.1 O valor potencial de retornar o condensado no Exemplo 14.1.2

Nesta base, segue que para cada 1% de condensado retornado por 10 000 kg/h evaporados como no Exemplo 14.1.2, uma economia de 1% de cada um dos valores mostrados na Tabela 14.1.1 seria possível. Exemplo 14.1.3 Se fosse decidido investir £50 000 em um projeto para retornar 80% do condensado em uma planta semelhante ao Exemplo 14.1.2, mas onde a taxa total de evaporação fosse apenas 5 000 kg/h, as economias e o período simples de payback seriam:

Este cálculo de exemplo não inclui um valor para economias devido ao controle correto de TDS e blowdown reduzido, o que reduzirá ainda mais as perdas de água e os custos químicos da caldeira. Estes podem variar substancialmente de local para local, mas devem sempre ser considerados na análise final. Claramente, ao avaliar a gestão de condensado para um projeto específico, tais economias devem ser determinadas e incluídas.

O controle de TDS e o tratamento de água já foram discutidos no Bloco 3. As rotinas esboçadas nos Exemplos 14.1.2 e 14.1.3 podem ser desenvolvidas para formar a base de um cálculo de caminho forçado para atribuir um valor monetário a projetos destinados a melhorar a recuperação de condensado. A Equação 14.1.1 pode ser usada para calcular as economias de combustível por ano:

As economias nos custos de água podem ser determinadas usando a Equação 14.1.2:

As economias nos custos de efluentes podem ser determinadas usando a Equação 14.1.3:

Exemplo 14.1.4 Um grande projeto de gestão de condensado com custo de £70 000 espera recuperar um adicional de 35% do condensado produzido em uma planta. A taxa média de produção de vapor da caldeira é de 15000 kg/h, e a planta opera por 8000 h/ano. O combustível usado é gás em uma tarifa fixa de £0,011/kWh, e a eficiência da caldeira é estimada em 80%. A temperatura da água de reposição é 10°C e as linhas de retorno de condensado isoladas garantem que o condensado chegue de volta à casa de caldeiras a 95°C. Considere os custos de água como £0,70/m3 e os custos totais de efluentes como £0,45/m3. Determine o período de payback do projeto. Parte 1 - Determinar as economias de combustível Use a Equação 14.1.1:

Parte 2 - Determinar as economias de água e efluentes

Use a Equação 14.1.2 para calcular as economias nos custos de água/ano:

Parte 3 - Determinar o período de payback