Introdução

Uma visão geral das regulamentações de caldeiras, com uma avaliação dos tipos de combustível e comparações.

Este Bloco Casa de Caldeiras do Circuito de Vapor e Condensado se concentrará no projeto e conteúdos da casa de caldeiras, e as aplicações dentro dela. Uma casa de caldeiras bem projetada, operada e mantida é o coração de uma planta de vapor eficiente.

No entanto, uma série de obstáculos podem impedir esse ideal. A casa de caldeiras e seu conteúdo são às vezes vistos como nada mais do que um inconveniente necessário, e mesmo no atual ambiente consciente de energia, a medição precisa do fluxo de vapor e a alocação correta de custos aos vários usuários não é universal. Isso pode significar que melhorias de eficiência e projetos de economia de custos relacionados à casa de caldeiras podem ser difíceis de justificar para o usuário final. Em muitos casos, a casa de caldeiras e a disponibilidade de vapor são responsabilidade do Gerente de Engenharia, consequentemente quaisquer problemas de eficiência são vistos como sendo dele. É importante lembrar que a caldeira de vapor é um vaso pressurizado contendo água escaldante e vapor a mais de 100°C, e seu projeto e operação são cobertos por uma série de padrões e regulamentos complexos.

Pelos motivos listados acima, o usuário deve confirmar a legislação nacional e local vigente.

O objetivo deste Módulo é fornecer ao projetista, operador e mantenedor da casa de caldeiras uma visão das considerações necessárias no desenvolvimento da caldeira e seu equipamento associado. Caldeiras de vapor modernas vêm em todos os tamanhos para atender aplicações grandes e pequenas. Geralmente, quando mais de uma caldeira é necessária para atender à demanda, torna-se economicamente viável abrigar a planta de caldeiras em um local centralizado, pois os custos de instalação e operação podem ser significativamente menores do que com plantas descentralizadas. Por exemplo, a centralização oferece os seguintes benefícios em relação ao uso de caldeiras menores dispersas:

• Mais opções de combustível e tarifa.
• Caldeiras idênticas são frequentemente usadas em casas de caldeiras centralizadas, reduzindo peças sobressalentes, estoque e custos.
• A recuperação de calor é fácil de implementar para melhores retornos.
• Uma redução na supervisão manual libera mão de obra para outras funções no local.
• Dimensionamento econômico da planta de caldeiras para atender à demanda diversificada.
• As emissões de exaustão são mais facilmente monitoradas e controladas.
• Protocolos de segurança e eficiência são mais facilmente monitorados e controlados.

Combustível para caldeiras

Os três tipos mais comuns de combustível usados em caldeiras de vapor são carvão, óleo e gás. No entanto, resíduos industriais ou comerciais também são usados em certas caldeiras, juntamente com eletricidade para caldeiras de eletrodo. Carvão Carvão é o termo genérico dado a uma família de combustíveis sólidos com alto teor de carbono. Existem vários tipos de carvão dentro dessa família, cada um relacionado aos estágios de formação do carvão e à quantidade de teor de carbono. Esses estágios são:

• Turfa.
• Lignite ou carvão marrom.
• Betuminoso.
• Semi betuminoso.
• Antracite. Os tipos betuminoso e antracite tendem a ser usados como combustível para caldeiras. No Reino Unido, o uso de carvão em pedaços para alimentar caldeiras de casco está em declínio. Existem várias razões para isso, incluindo: Disponibilidade e custo - Com muitas jazidas de carvão se esgotando, quantidades menores de carvão são produzidas no Reino Unido do que anteriormente, e seu declínio deve ser esperado para continuar. Velocidade de resposta a mudanças de carga - Com carvão em pedaços, há um atraso substancial de tempo entre:
• O surgimento da demanda por calor.
• O abastecimento de carvão na caldeira.
• A ignição do carvão.
• A geração de vapor para atender à demanda. Para superar esse atraso, caldeiras projetadas para queima de carvão precisam conter mais água na temperatura de saturação para fornecer a reserva de energia para cobrir esse atraso de tempo. Isso, por sua vez, significa que as caldeiras são maiores, e portanto mais caras em custo de aquisição, e ocupam mais espaço valioso de fabricação de produtos. Cinzas - Cinzas são produzidas quando o carvão é queimado. As cinzas podem ser difíceis de remover, geralmente envolvendo intervenção manual e uma redução na quantidade de vapor disponível enquanto a remoção de cinzas ocorre. As cinzas devem então ser descartadas, o que em si pode ser caro. Equipamento de abastecimento - Existem várias disposições diferentes, incluindo esteiras transportadoras, aspersores e grelhas de corrente. O tema comum é que todos necessitam de manutenção substancial. Emissões - O carvão contém em média 1,5% de enxofre (S) em peso, mas esse nível pode ser tão alto quanto 3% dependendo de onde o carvão foi extraído. Durante o processo de combustão:
• O enxofre se combinará com o oxigênio (O2) do ar para formar SO2 ou SO3.
• O hidrogênio (H) do combustível se combinará com o oxigênio (O2) do ar para formar água (H2O). Após o processo de combustão ser concluído, o SO3 se combinará com a água (H2O) para produzir ácido sulfúrico (H2SO4), que pode condensar na chaminé causando corrosão se as temperaturas corretas da chaminé não forem mantidas. Alternativamente, é transportado para a atmosfera com os gases de exaustão. Esse ácido sulfúrico é trazido de volta à terra com a chuva, causando:
• Danos à estrutura dos edifícios.
• Sofrimento e danos a plantas e vegetação. As cinzas produzidas pelo carvão são leves, e uma proporção inevitavelmente será transportada com os gases de exaustão, para dentro da chaminé e expulsa como material particulado para o meio ambiente. O carvão, no entanto, ainda é usado para alimentar muitas das caldeiras tubulares muito grandes encontradas em usinas de energia. Devido à grande escala dessas operações, torna-se econômico desenvolver soluções para os problemas mencionados acima, e pode haver também pressão governamental para usar combustíveis produzidos internamente, para a segurança nacional do suprimento elétrico.
• O carvão usado em usinas de energia é moído em um pó muito fino, geralmente referido como ‘combustível pulverizado’, e geralmente abreviado como ‘pf’.
• O pequeno tamanho das partículas de pf significa que sua relação superfície-volume é muito aumentada, tornando a combustão muito rápida e superando o problema de taxa de resposta encontrado ao usar carvão em pedaços.
• O pequeno tamanho das partículas também significa que o pf flui muito facilmente, quase como um líquido, e é introduzido na fornalha da caldeira através de queimadores, eliminando os alimentadores usados com carvão em pedaços.
• Para aumentar ainda mais a flexibilidade e a faixa de regulação da caldeira, pode haver mais de 30 queimadores de pf ao redor das paredes e do teto da caldeira, cada um dos quais pode ser controlado independentemente para aumentar ou diminuir o calor em uma área específica da fornalha. Por exemplo, para controlar a temperatura do vapor saindo do superaquecedor. Com relação à qualidade dos gases liberados na atmosfera:
• Os gases da caldeira serão direcionados através de um precipitador eletrostático onde placas eletricamente carregadas atraem cinzas e outras partículas, removendo-as do fluxo de gás.
• O material sulfuroso será removido em um lavador de gás.
• A emissão final para o meio ambiente é de alta qualidade. Aproximadamente 8 kg de vapor podem ser produzidos queimando 1 kg de carvão. Óleo O óleo para combustível de caldeira é produzido a partir do resíduo produzido do petróleo bruto após ser destilado para produzir óleos mais leves como gasolina, querosene, diesel ou óleo gasoso. Vários graus estão disponíveis, cada um sendo adequado para diferentes potências de caldeira; os graus são os seguintes:
• Classe D - Diesel ou óleo gasoso.
• Classe E - Óleo combustível leve.
• Classe F - Óleo combustível médio.
• Classe G - Óleo combustível pesado. O óleo começou a desafiar o carvão como combustível preferido para caldeiras no Reino Unido durante a década de 1950. Isso surgiu em parte do patrociniamento do então Ministério do Combustível e Energia à pesquisa de melhoria das plantas de caldeiras. As vantagens do óleo em relação ao carvão incluem:
• Um tempo de resposta mais curto entre a demanda e a quantidade necessária de vapor sendo gerada.
• Isso significou que menos energia precisava ser armazenada na água da caldeira. A caldeira podia, portanto, ser menor, irradiando menos calor para o meio ambiente, com uma melhoria consequente na eficiência.
• O menor tamanho também significou que a caldeira ocupava menos espaço de produção.
• Os alimentadores mecânicos foram eliminados, reduzindo a carga de manutenção.
• O óleo contém apenas traços de cinzas, eliminando virtualmente o problema de manuseio e descarte de cinzas.
• As dificuldades encontradas com o recebimento, armazenamento e manuseio do carvão foram eliminadas. Aproximadamente 15 kg de vapor podem ser produzidos a partir de 1 kg de óleo, ou 14 kg de vapor a partir de 1 litro de óleo. Gás O gás é uma forma de combustível para caldeira que é fácil de queimar, com muito pouco excesso de ar. Os combustíveis gasosos estão disponíveis em duas formas diferentes:
• Gás natural - Este é o gás que foi produzido (naturalmente) no subsolo. É usado em seu estado natural (exceto pela remoção de impurezas) e contém uma alta proporção de metano.
• Gases liquefeitos de petróleo (GLP) - Estes são gases produzidos do refino de petróleo e então armazenados sob pressão em estado líquido até serem usados. As formas mais comuns de GLP são propano e butano. No final da década de 1960, a disponibilidade de gás natural (como do Mar do Norte) levou a novos desenvolvimentos em caldeiras. As vantagens da queima de gás em relação à queima de óleo incluem:
• O armazenamento de combustível não é um problema; o gás é conduzido diretamente para a casa de caldeiras.
• Apenas um traço de enxofre está presente no gás natural, significando que a quantidade de ácido sulfúrico nos gases de exaustão é praticamente zero. Aproximadamente 42 kg de vapor podem ser produzidos a partir de 1 Therm de gás (equivalente a 105,5 MJ) para uma caldeira de 10 bar g, com eficiência operacional total de 80%. Resíduo como combustível primário Existem dois aspectos para isso: Material de resíduo - Aqui, resíduos são queimados para produzir calor, que é usado para gerar vapor. Os motivos podem incluir o descarte seguro e adequado de materiais perigosos. Um hospital seria um bom exemplo:
• Nessas circunstâncias, pode ser que a combustão adequada e completa do material de resíduo seja difícil, exigindo queimadores sofisticados, controle de proporções de ar e monitoramento de emissões, especialmente material particulado. O custo desse descarte pode ser alto, e apenas parte do custo é recuperada usando o calor gerado para produzir vapor. No entanto, a economia geral do esquema, levando em consideração o custo de descartar os resíduos por outros meios, pode ser atrativa.
• Usar resíduos como combustível pode envolver a utilização econômica de resíduos combustíveis de um processo. Exemplos incluem a casca removida da madeira em plantas de papel, talos (bagaço) em plantas de cana-de-açúcar e às vezes até mesmo lixo de uma granja de frangos. O processo de combustão será novamente bastante sofisticado, mas a economia geral do custo de descarte de resíduos e geração de vapor para outras aplicações no local pode tornar esses esquemas atrativos. Calor residual - aqui, gases quentes de um processo, como um forno de fundição, podem ser direcionados através de uma caldeira com o objetivo de melhorar a eficiência da planta. Sistemas desse tipo variam em seu nível de sofisticação dependendo da demanda por vapor dentro da planta. Se não houver demanda de processo por vapor, o vapor pode ser superaquecido e então usado para geração elétrica. Esse tipo de tecnologia está se tornando popular em plantas de Cogeração de Calor e Energia (CHP):
• Uma turbina a gás aciona um alternador para produzir eletricidade.
• Os gases de exaustão quentes (tipicamente 500 °C) da turbina são direcionados para uma caldeira, que produz vapor saturado para uso na planta. Eficiências muito altas estão disponíveis com esse tipo de planta. Outros benefícios podem incluir segurança do suprimento elétrico no local, ou a capacidade de vender a eletricidade a um preço premium para o fornecedor nacional de eletricidade.

Segurança de fornecimento

Quais são as consequências de não ter vapor disponível para a planta? O gás, por exemplo, pode estar disponível a taxas vantajosas, desde que um suprimento interrompível possa ser aceito. Isso significa que a companhia de gás fornecerá combustível enquanto tiver excedente. No entanto, se a demanda por combustível se aproximar dos limites de fornecimento, talvez devido a variação sazonal, o fornecimento pode ser cortado, talvez com muito pouca antecedência. Como alternativa, os usuários de caldeiras podem optar por especificar queimadores de combustível duplo que podem ser alimentados com gás quando disponível na tarifa mais baixa, mas com a facilidade de mudar para queima de óleo quando o gás não estiver disponível. A facilidade de combustível duplo é obviamente uma opção de capital mais cara, e a probabilidade de o gás não estar disponível pode ser pequena. No entanto, o custo de inatividade da planta devido à indisponibilidade de vapor é geralmente significativamente maior do que o custo adicional.

Armazenamento de combustível

Isso não é um problema ao usar suprimento de gás da rede, exceto onde um sistema de combustível duplo é usado. No entanto, torna-se progressivamente mais um problema se gás engarrafado, óleos leves, óleos pesados e combustíveis sólidos forem usados. Os problemas incluem:

• Quanto deve ser armazenado, e onde.
• Como armazenar com segurança materiais altamente combustíveis.
• Quanto custa manter a temperatura dos óleos pesados para que estejam em uma viscosidade adequada para o equipamento.
• Como medir a taxa de uso de combustível com precisão.
• Provisão para perdas de armazenamento.

Projeto da caldeira

O fabricante da caldeira deve estar ciente do combustível a ser usado ao projetar uma caldeira. Isso porque diferentes combustíveis produzem diferentes temperaturas de chama e características de combustão. Por exemplo:

• O óleo produz uma chama luminosa, e uma grande proporção do calor é transferida por radiação dentro da fornalha.
• O gás produz uma chama azul transparente, e uma menor proporção de calor é transferida por radiação dentro da fornalha. Em uma caldeira projetada apenas para uso com óleo, uma mudança de combustível para gás pode resultar em gases de temperatura mais alta entrando na primeira passagem dos tubos de fogo, causando tensões térmicas adicionais e levando a falha precoce da caldeira.

Tipos de caldeiras

Os objetivos de uma caldeira são:

• Liberar a energia do combustível da maneira mais eficiente possível.
• Transferir a energia liberada para a água e gerar vapor da maneira mais eficiente possível.
• Separar o vapor da água pronto para exportação para a planta, onde a energia pode ser transferida para o processo da maneira mais eficiente possível. Vários tipos diferentes de caldeiras foram desenvolvidos para atender às diversas aplicações de vapor.