Eficiência e Combustão da Caldeira

Uma visão geral ampla do processo de combustão, incluindo tipos de queimadores e controles, e saída e perdas de calor.

Este Módulo visa fornecer uma visão geral muito ampla do processo de combustão, que é um componente essencial da eficiência geral da caldeira. Leitores que desejam conhecimento mais aprofundado são direcionados a livros técnicos especializados e fabricantes de queimadores. A eficiência da caldeira simplesmente relaciona a saída de energia com a entrada de energia, geralmente em termos percentuais: ‘Calor exportado no vapor’ e ‘Calor fornecido pelo combustível’ é coberto mais completamente nas duas seções a seguir.

Calor fornecido pelo combustível

Poder calorífico Este valor pode ser expresso de duas maneiras: poder calorífico ‘Bruto’ ou ‘Líquido’. Poder calorífico bruto Este é o total teórico da energia no combustível. No entanto, todos os combustíveis comuns contêm hidrogênio, que queima com oxigênio para formar água, que sobe pela chaminé como vapor. O poder calorífico bruto do combustível inclui a energia usada na evaporação desta água. Os gases de exaustão em plantas de caldeiras a vapor não são condensados, portanto a quantidade real de calor disponível para a planta de caldeiras é reduzida. O controle preciso da quantidade de ar é essencial para a eficiência da caldeira:

Ar em excesso esfriará o forno e dissipará calor útil.
Ar insuficiente e a combustão será incompleta, combustível não queimado será arrastado e fumaça pode ser produzida. Poder calorífico líquido Este é o poder calorífico do combustível, excluindo a energia no vapor descarregado para a chaminé, e é o valor geralmente usado para calcular eficiências de caldeiras. Em termos amplos: O controle preciso da quantidade de ar é essencial para a eficiência da caldeira:
Ar em excesso esfriará o forno e dissipará calor útil.
Ar insuficiente e a combustão será incompleta, combustível não queimado será arrastado e fumaça pode ser produzida. Na prática, no entanto, há uma série de dificuldades em alcançar a combustão perfeita (estequiométrica):
As condições ao redor do queimador não serão perfeitas, e é impossível garantir o casamento completo de moléculas de carbono, hidrogênio e oxigênio.
Algumas moléculas de oxigênio se combinarão com moléculas de nitrogênio para formar óxidos de nitrogênio (NOx). Para garantir a combustão completa, uma quantidade de ‘ar em excesso’ precisa ser fornecida. Isso tem um efeito na eficiência da caldeira. O controle da proporção da mistura ar/combustível em muitas plantas de caldeiras menores existentes é de ‘malha aberta’. Ou seja, o queimador terá uma série de came e alavancas que foram calibrados para fornecer quantidades específicas de ar para uma taxa particular de disparo. Claramente, sendo itens mecânicos, estes desgastarão e às vezes exigirão calibração. Devem, portanto, ser regularmente revisados e calibrados. Em plantas maiores, sistemas de ‘malha fechada’ podem ser instalados que usam sensores de oxigênio na chaminé para controlar os dampers de ar de combustão. Vazamentos de ar na câmara de combustão da caldeira terão um efeito adverso no controle preciso da combustão.

Legislação

Atualmente, há um compromisso global com um Programa de Mudança Climática, e 160 países assinaram o Acordo de Kyoto de 1997. Esses países concordaram em tomar ações positivas e individuais para:

Reduzir a emissão de gases nocivos para a atmosfera - Embora o dióxido de carbono (CO2) seja o menos potente dos gases cobertos pelo acordo, é de longe o mais comum e representa aproximadamente 80% do total de emissões de gases a serem reduzidas.
Fazer reduções anuais quantificáveis no combustível usado - Isso pode assumir a forma de usar fontes de energia alternativas e não poluentes, ou usar os mesmos combustíveis de forma mais eficiente. No Reino Unido, o compromisso é referido como ‘A Estratégia Nacional de Qualidade do Ar do Reino Unido’, e isso está tendo efeito através de uma série de leis e regulamentos. Outros países terão estratégias semelhantes.

Tecnologia

A pressão da legislação sobre poluição, e dos usuários de caldeiras sobre economia, mais o poder do microchip, avançaram consideravelmente o design tanto das câmaras de combustão de caldeiras quanto dos queimadores. Caldeiras modernas com os últimos queimadores podem ter:

Gases de exaustão recirculados para garantir combustão ótima, com mínimo de ar em excesso.
Sistemas de controle eletrônico sofisticados que monitoram todos os componentes dos gases de exaustão e fazem ajustes nos fluxos de combustível e ar para manter as condições dentro dos parâmetros especificados.
Relações de modulação grandemente melhoradas (a proporção entre taxas de disparo máximo e mínimo) que permitem que os parâmetros de eficiência e emissão sejam satisfeitos em uma faixa maior de operação.

Perdas de calor

Tendo discutido a combustão no forno da caldeira, e particularmente a importância das proporções corretas de ar conforme relacionadas à combustão completa e eficiente, resta revisar outras fontes potenciais de perda de calor e ineficiência. Perdas de calor nos gases de exaustão Esta é provavelmente a maior fonte individual de perda de calor, e o Gerente de Engenharia pode reduzir grande parte da perda. As perdas são atribuídas à temperatura dos gases que saem do forno. Claramente, quanto mais quentes os gases na chaminé, menos eficiente a caldeira. Os gases podem estar quentes demais por uma de duas razões:

O queimador está produzindo mais calor do que o necessário para uma carga específica na caldeira: Isso significa que o(s) queimador(es) e os mecanismos de damper requerem manutenção e recalibração.
As superfícies de transferência de calor dentro da caldeira não estão funcionando corretamente e o calor não está sendo transferido para a água: Isso significa que as superfícies de transferência de calor estão contaminadas e requerem limpeza. Algum cuidado é necessário aqui - Resfriamento excessivo dos gases de exaustão pode resultar em temperaturas caindo abaixo do ‘ponto de orvalho’ e o potencial de corrosão é aumentado pela formação de: Ácido nítrico (do nitrogênio no ar usado para combustão). Ácido sulfúrico (se o combustível tiver teor de enxofre). Água. Perdas de radiação Como a caldeira é mais quente que seu ambiente, algum calor será transferido para os arredores. Isolamento danificado ou mal instalado aumentará grandemente as potenciais perdas de calor. Uma caldeira casco ou aquatubular razoavelmente bem isolada de 5 MW ou mais perderá entre 0,3 e 0,5% de sua energia para os arredores. Isso pode não parecer uma grande quantidade, mas deve ser lembrado que isso é 0,3 a 0,5% da classificação de carga total da caldeira, e essa perda permanecerá constante, mesmo que a caldeira não esteja exportando vapor para a planta e esteja simplesmente em espera. Isso indica que para operar mais eficientemente, uma planta de caldeiras deve ser operada em direção à sua capacidade máxima. Isso, por sua vez, pode exigir estreita cooperação entre o pessoal da casa de caldeiras e os departamentos de produção.

Modulação do queimador

Uma função importante dos queimadores é a modulação. Isso é geralmente expresso como uma proporção e é baseado na taxa máxima de disparo dividida pela taxa mínima controllável de disparo. A taxa de modulação não é simplesmente uma questão de forçar quantidades diferentes de combustível em uma caldeira, é cada vez mais importante de uma perspectiva econômica e legislativa que o queimador forneça combustão eficiente e adequada, e satisfaça regulamentos de emissão cada vez mais rigorosos em toda a sua faixa de operação. Conforme já mencionado, o carvão como combustível de caldeira tende a ser restrito a aplicações especializadas, como caldeiras aquatubulares em usinas de energia.

Queimadores a óleo

A capacidade de queimar combustível de óleo eficientemente requer uma alta proporção de área superficial do combustível em relação ao volume. A experiência mostrou que partículas de óleo na faixa de 20 e 40 μm são as mais eficazes. Partículas que são:

Maiores que 40 μm tendem a ser arrastadas através da chama sem completar o processo de combustão.
Menores que 20 μm podem viajar tão rápido que são arrastadas através da chama sem queimar de forma alguma. Um aspecto muito importante da queima de óleo é a viscosidade. A viscosidade do óleo varia com a temperatura: quanto mais quente o óleo, mais facilmente ele flui. Na verdade, a maioria das pessoas sabe que óleos combustíveis pesados precisam ser aquecidos para fluir livremente. O que não é tão óbvio é que uma variação na temperatura e, portanto, na viscosidade, terá um efeito no tamanho da partícula de óleo produzida no bocal do queimador. Por esta razão, a temperatura precisa ser controlada com precisão para fornecer condições consistentes no bocal. Queimadores de jato por pressão Um queimador de jato por pressão é simplesmente um orifício na extremidade de um tubo pressurizado. Tipicamente, a pressão do combustível de óleo está na faixa de 7 a 15 bar. Na faixa de operação, a queda substancial de pressão criada sobre o orifício quando o combustível é descarregado no forno resulta na atomização do combustível. Colocar um polegar sobre a extremidade de uma mangueira de jardim cria o mesmo efeito. Variar a pressão do combustível de óleo imediatamente antes do orifício (bocal) controla a taxa de fluxo de combustível do queimador. Se a taxa de fluxo de combustível for reduzida para 50%, a energia para atomização é reduzida para 25%. Isso significa que a modulação disponível é limitada a aproximadamente 2:1 para um bocal particular. Para superar essa limitação, queimadores de jato por pressão são fornecidos com uma variedade de bocais intercambiáveis para acomodar diferentes cargas de caldeira. Vantagens dos queimadores de jato por pressão:
Custo relativamente baixo.
Simples de manter. Desvantagens dos queimadores de jato por pressão:
Se as características operacionais da planta variarem consideravelmente ao longo do dia, a caldeira terá que ser retirada de operação para trocar o bocal.
Facilmente bloqueado por detritos. Isso significa que filtros de malha fina bem mantidos são essenciais.

Queimador de copo rotativo

O combustível de óleo é fornecido por um tubo central e descarrega na superfície interna de um cone que gira rapidamente. À medida que o combustível de óleo se move ao longo do copo (devido à ausência de uma força centrípeta), o filme de óleo se torna progressivamente mais fino à medida que a circunferência da tampa aumenta. Eventualmente, o combustível de óleo é descarregado da borda do cone como um spray fino. Como a atomização é produzida pelo copo rotativo, e não por alguma função do combustível de óleo (por exemplo, pressão), a taxa de modulação é muito maior do que a do queimador de jato por pressão. Vantagens dos queimadores de copo rotativo:

Robustos.
Boa taxa de modulação.
A viscosidade do combustível é menos crítica. Desvantagens dos queimadores de copo rotativo:
Mais caros para comprar e manter.

Queimadores a gás

Atualmente, o gás é provavelmente o combustível mais comum usado no Reino Unido. Sendo um gás, a atomização não é uma questão, e a mistura adequada de gás com a quantidade apropriada de ar é tudo que é necessário para a combustão. Dois tipos de queimador a gás estão em uso: ‘Baixa pressão’ e ‘Alta pressão’. Queimador de baixa pressão Estes operam em baixa pressão, geralmente entre 2,5 e 10 mbar. O queimador é um dispositivo de venturi simples com gás introduzido na área da garganta e ar de combustão sendo aspirado do exterior. A saída é limitada a aproximadamente 1 MW. Queimador de alta pressão Estes operam em pressões mais altas, geralmente entre 12 e 175 mbar, e podem incluir vários bocais para produzir uma forma de chama particular.

Queimadores de combustível duplo

A atraente tarifa de gás ‘interruptível’ significa que é a escolha da grande maioria das organizações no Reino Unido. No entanto, muitas dessas organizações precisam continuar operando se o fornecimento de gás for interrompido. O arranjo usual é ter um fornecimento de combustível de óleo disponível no local e usá-lo para alimentar a caldeira quando o gás não estiver disponível. Isso levou ao desenvolvimento de queimadores de ‘combustível duplo’. Estes queimadores são projetados com gás como combustível principal, mas têm uma instalação adicional para queimar combustível de óleo. O aviso dado pela Companhia de Gás de que o fornecimento será interrompido pode ser curto, então a troca para queima de combustível de óleo é feita o mais rapidamente possível, o procedimento usual sendo:

Isolar a linha de fornecimento de gás.
Abrir a linha de fornecimento de óleo e ligar a bomba de combustível.
No painel de controle do queimador, selecionar ‘queima de óleo’. (Isso mudará as configurações de ar para o combustível diferente).
Purgar e religar a caldeira. Esta operação pode ser realizada em um período bastante curto. Em algumas organizações, a troca pode ser realizada como parte de um exercício periódico para garantir que os operadores estejam familiarizados com o procedimento e que qualquer equipamento necessário esteja disponível. No entanto, como o combustível de óleo é apenas ‘reserva’ e provavelmente usado por períodos curtos, a instalação de queima de óleo pode ser básica. Em plantas mais sofisticadas, com plantas de caldeiras de alta classificação, o(s) queimador(es) de gás pode(m) ser retirado(s) e queimadores de óleo substituídos.

Sistemas de controle do queimador

O leitor deve estar ciente de que o sistema de controle do queimador não pode ser visto isoladamente. O queimador, o sistema de controle do queimador e o sistema de controle de nível devem ser compatíveis e trabalhar de maneira complementar para satisfazer as demandas de vapor da planta de forma eficiente. Os próximos parágrafos descrevem em linhas gerais os sistemas básicos de controle do queimador. Sistema de controle on/off Este é o sistema de controle mais simples, e significa que o queimador está disparando em taxa total ou está desligado. A principal desvantagem deste método de controle é que a caldeira está sujeita a choques térmicos grandes e frequentes toda vez que a caldeira dispara. Seu uso deve, portanto, ser limitado a caldeiras pequenas de até 500 kg/h. Vantagens de um sistema de controle on/off:

Simples.
Menos dispendioso. Desvantagens de um sistema de controle on/off:
Se uma carga grande chegar à caldeira logo após o queimador ter desligado, a quantidade de vapor disponível é reduzida. Nos piores casos, isso pode levar ao arraste e desligamento da caldeira.
Ciclagem térmica. Sistema de controle alto/baixo/desligado Este é um sistema ligeiramente mais complexo onde o queimador tem duas taxas de disparo. O queimador opera primeiro na taxa de disparo mais baixa e depois muda para disparo total conforme necessário, superando assim os piores efeitos do choque térmico. O queimador também pode reverter para a posição de fogo baixo em cargas reduzidas, novamente limitando os estresses térmicos dentro da caldeira. Este tipo de sistema é geralmente instalado em caldeiras com saída de até 5 000 kg/h. Vantagens de um controle alto/baixo/desligado:
A caldeira é melhor capaz de responder a cargas grandes, pois a posição de ‘fogo baixo’ garantirá que haja mais energia armazenada na caldeira.
Se a carga grande for aplicada quando o queimador estiver em ‘fogo baixo’, ele pode responder imediatamente aumentando a taxa de disparo para ‘fogo alto’, por exemplo, o ciclo de purga pode ser omitido. Desvantagens de um sistema de controle alto/baixo/desligado:
Mais complexo que o controle on/off.
Mais caro que o controle on/off. Sistema de controle modulador Um controle modulador do queimador alterará a taxa de disparo para corresponder à carga da caldeira em toda a taxa de modulação. Cada vez que o queimador desliga e reinicia, o sistema deve ser purgado soprando ar frio através das passagens da caldeira. Isso desperdiça energia e reduz a eficiência. A modulação total, no entanto, significa que a caldeira continua disparando em toda a faixa para maximizar a eficiência térmica e minimizar os estresses térmicos. Este tipo de controle pode ser instalado em caldeiras de qualquer tamanho, mas deve sempre ser instalado em caldeiras classificadas acima de 10 000 kg/h. Vantagens de um sistema de controle modulador: A caldeira é ainda mais capaz de tolerar cargas grandes e flutuantes. Isso é porque:
A pressão da caldeira é mantida no topo de sua faixa de controle e o nível de energia armazenada é o mais alto.
Se mais energia for necessária em curto prazo, o sistema de controle pode responder imediatamente aumentando a taxa de disparo, sem pausar para um ciclo de purga. Desvantagens de um sistema de controle modulador:
Mais caro.
Mais complexo.
Queimadores com alta capacidade de modulação são necessários.