Apenas como reforço é importante repetir-se que para a queima de óleo, a nebulização é de vital importância. Neste caso melhor turndown e qualidade de nebulização são obtidos com níveis de pressão mais elevados. Por exemplo com 10 kgf/cm2 se obtém melhor qualidade de nebulização e melhor performance do queimador do que com 7 kgf/cm2. Contudo nas refinarias estes limites de pressão estão muito amarrados em função das pressões disponíveis nos anéis de combustível. Normalmente as refinarias trabalham com 7 kgf/cm2 para o óleo, tendo-se que descontar as perdas nas linhas e válvulas até a entrada do queimador. Da mesma forma e tão importante quanto é a temperatura do óleo, ou seja, é necessário que as refinarias atuem amostrando os óleos enviados aos diversos fornos e caldeiras e definam a curva de viscosidade destes. Assim a operação pode adequar o sistema de aquecimento de óleo para atingir a viscosidade recomendada para a queima nos diversos fornos e seus respectivos queimadores. Em muitos casos recomenda-se que a viscosidade seja mantida igual ou inferior a 200SSU.
Utiliza-se normalmente o vapor para se nebulizar o óleo nas refinarias. Cabe ressaltar que além de quebrar o óleo em gotas pequenas, o vapor fornece energia para a corrente óleo/vapor ser descarregada com energia suficiente para gerar a mistura requerida com a corrente do ar. O vapor de nebulização deve ser seco, ou seja, ligeiramente superaquecido, por isso é necessário se garantir o bom isolamento destas linhas bem como o nível de temperatura x pressão.
Normalmente, os atomizadores considerados de baixa pressão trabalham com diferenciais de pressão vapor óleo de 1 a 2 kgf/cm2. e consumo de 0.3 kg de vapor / kg de combustível. Estes são os modelos normalmente utilizados na s refinarias.
Outros tipos de bocais com maior eficiência utilizando maior nível de pressão estão disponíveis no mercado, cabendo a PETROBRAS avaliar sua eficiência e os custos relativos à infra-estrutura necessária.
Normalmente, os queimadores dual são utilizados queimando-se exclusivamente um tipo de combustível. Contudo, os queimadores dual podem queimar os combustíveis simultaneamente. Nestes casos as chamas serão mais longas mesmo que se forneça ar suficiente para o queimador. Isto se deve a tendência de um dos combustíveis utilizar melhor o ar de combustão. Em queima simultânea o ajuste do ar de combustão bem como o controle dos combustíveis se torna mais complexo.
Recomenda-se que um dos combustíveis seja mantido constante, preferencialmente o óleo, e que o outro module a carga do forno. Assim, os queimadores devem ser inicialmente ajustados para o óleo e o ajuste final do ar deve ser feito utilizando-se valores obtidos do analisador de oxigênio ou teste de Orsat.
• Queimadores de tiragem forçada
Existem três tipos de queimadores de tiragem forçada: os de baixa perda de carga do ar, alta perda de carga do ar e queimadores de alta intensidade.
Para os de baixa perda de carga do ar, os conceitos são semelhantes aos de tiragem natural (caso típico das nossas refinarias) . As principais diferenças são a utilização de um pleno de ar e o fornecimento de ar por ventilador, assim, torna- se importante o projeto adequado dos plenos, de forma a garantir a distribuição uniforme do ar para todos os queimadores. Para estes casos, é importante que a operação atente para os problemas decorrentes do aumento de liberação de calor sem o prévio estudo do sistema de ar. Nestas situações é comum se verificar as chamas dos queimadores em rampa, evidenciando a entrada preferencial de ar pelos primeiros queimadores. O maior problema desses casos é que pode ser possível se ajustar o ar total da combustão (desde que o ventilador tenha capacidade para esta condição) e no entanto se obter chamas completamente diferentes incluindo comprimento, estabilidade e taxa de emissão de poluentes.
Isto por que, como foi dito anteriormente, a energia provida pela corrente do ar para cada queimador deve ser respeitada de forma a se obter uma boa qualidade de mistura e o adequado formato de chama em cada um deles.
Os queimadores de alta perda de carga são utilizados quando se necessita liberar mais que 3,5 Gcal / h de calor. Para estes casos a perda de carga do lado do ar se encontra na faixa dos 50 a 250 mmca. Devido a alta perda de carga do lado do ar, estes queimadores não podem operar em tiragem natural, ao contrário dos do tipo anterior.
Para estes queimadores é comum se utilizar um cone estabilizador de chama, difusor, e registro de ar com aberturas que induzem o movimento de rotação do ar. Este movimento do ar é que permite o ajuste do formato de chama, tornando-a mais curta e bojuda. A energia provida pelo ar, normalmente, permite se utilizar menor excesso de ar, já que se obtém uma melhor qualidade de mistura.
Os queimadores de tiragem forçada de alta perda de carga normalmente atendem a capacidade de 3,5 Gcal/h a 50,0 Gcal/h com tiragem forçada e excesso mínimo de ar de 5% . A forma da chama pode ser cônica com várias relações de diâmetro e comprimento.
Os queimadores de alta intensidade podem ser utilizados quando se necessita queimar óleos muito pesados, com alta relação carbono hidrogênio, tendo-se uma preocupação especial quanto a emissão de material particulado e/ou fuligem; ou ainda, para queima de gases com baixa temperatura adiabática de chama, pela alta percentagem de componentes inertes.
Os queimadores de alta intensidade são queimadores de tiragem forçada com alta perda de carga do ar, alta rotação do ar (fortes vórtices – swirl) e grande recirculação. Estes queimadores , normalmente, possuem uma cavidade refratada que faz o papel de uma anti- câmara de combustão, onde se processa grande parte
altas temperaturas que possibilitam uma grande vaporização das gotas de óleo ou da queima do gás pobre. Outra aplicação importante para estes queimadores é a combustão em condições sub- estequiométricas, devido a alta recirculação e excelente qualidade de mistura.
Os queimadores de alta intensidade normalmente atendem a capacidade de 1,25 Gcal/h a 25,0 Gcal/h com tiragem forçada e excesso mínimo de ar de 5% . A forma da chama é cilíndrica e compacta
• Queimadores de baixo NOx
Atualmente, o controle do NOx vem se tornando mundialmente um dos critérios mais importantes no projeto e dimensionamento de queimadores. Em contrapartida a tendência pela redução do consumo de combus tível levou à necessidade de pré- aquecer o ar. Contudo, o pré aquecimento do ar, normalmente aumenta a emissão de NOx. Estas duas tendências opostas torna a solução deste problema mais complexa. Outros fatos importantes são: A redução do NOx leva à redução no excesso de ar , em contrapartida, pode-se aumentar a emissão de material particulado e/ou fuligem e de CO.
Os processos de aquecimento que requerem altas temperaturas levam à maior formação de NOx. Como são, muitas vezes, os casos dos fornos reformadores e de craqueamento. Fornos onde são necessárias chamas compactas de alta intensidade, que levam a altas temperaturas de chama e alto fluxo de calor acarretam maior formação de NOx do que queimadores que produzem chamas mais longas e de menor intensidade. Este fato ligado ao alto custo em infra- estrutura dos queimadores de alta intensidade vem diminuindo, sensivelmente, a sua utilização no mercado mundial.
Para atingir o objetivo de baixo NOx e atender às várias limitações impostas pelo processo, foram desenvolvidos queimadores de baixo NOx , com tiragem forçada e natural, chama cônica e plana, e queimadores especiais de alta intensidade.
Uma das técnicas utilizadas para atingir este objetivo foi o estagiamento do ar. Foi introduzida uma corrente de ar terciário depois de uma zona de chama redutora. O controle desta corrente terciária permite se reduzir a formação de NOx na zona redutora sem alterar significativamente o desempenho do queimador. Quando estes queimadores utilizam óleo, se utiliza um bloco refratário primário para melhorar a recirculação na zona de combustão de óleo. É possível se verificar na figura abaixo a redução obtida por um queimador com ar estagiado de simples concepção e que pode operar até mesmo com tiragem natural (embora haja perdas na sua eficiência) em relação a um queimador convencional. As curvas foram levantadas para uma câmara de combustão, onde a temperatura de saída dos gases é mantida em 760 oC. Deve-se observar que para outras condições de temperatura, altera-se, consequentemente, a formação de NOx. Para o caso, por exemplo, em que a temperatura de saída alcançasse 1100 oC espera-se um aumento de 40% na formação de NOx. Outro aspecto importante é que estas curvas foram levantadas para um óleo combustível contendo 0.3% em massa de nitrogênio. Ë preciso se destacar que o NOx considerado é o Total, incluindo o NOx Térmico e o NOx Combustível. Os óleos combustíveis ultraviscosos nacionais possuem conteúdo de nitrogênio acima de 1% mássico, portanto, deve-se esperar um aumento na parcela relativa ao NOx Combustível na queima dos nossos óleos. A conversão esperada do nitrogênio contido no combustível para NOx, utilizando a concepção de queimadores com ar estagiado, varia de 15 a 50%.
Outro aspecto importante para estes queimadores é a variação da formação de NOx com a parcela de ar estagiada. Ao se aumentar a parcela terciária do ar reduz-se a formação do NOx, entretanto, pode-se deteriorar a qualidade da chama, aumentando, consequentemente, a formação de fuligem e CO.
Condições subestequiomé - tricas na zona primária levam ao aumento de CO, H2 e HC`s O ar estagiado é misturado com os produtos de combustão da zona primária reduzindo o pico de temperatura na chama e a formação de NO
Resultados mostram que a formação de NOx em função da parcela de ar primário para a queima de gás natural varia de 30 a 60 ppm a 3% O2 em função do EA e da abertura do ar primário, enquanto que para um óleo pesado internacional (mais leve que o nosso óleo tipo 1) com 0.3% em peso de nitrogênio se situa entre 120 e 140 ppm.
Cabe destacar que foram desenvolvidos queimadores com os mesmos princípios mostrados acima para chamas planas.
A redução de NOx para a versão Low NOx de alta intensidade em relação a de alta intensidade convencional chega a ser para o óleo pesado internacional de 500 ppm para 180 ppm a 3% O2 que é um resultado satisfatório para
Muitas outras concepções de queimadores com ar estagiado foram desenvolvidas, entre elas podemos destacar uma na qual se modifica o queimador anterior, aumentando-se o tamanho do bloco refratário primário, o tempo de residência e a recirculação na zona primária, além de se estagiar o ar em apenas duas parcelas, simplificando o ajuste operacional
Como já comentado anteriormente, os queimadores de alta intensidade, mesmo quando operando com baixo excesso de ar, geram grande formação de NOx. Uma das causas para este efeito é o combustível utilizado com estes queimadores. Nestes casos, combustíveis muito pesados, com alto teor de nitrogênio fixo. Entretanto, mesmo quando operando com óleos de baixo hidrogênio, os queimadores de alta intensidade geram maiores taxas de formação de NOx que os queimadores convencionais. Isto se observa pela intensa natureza da combustão, altas temperaturas da zona primária e, normalmente, operação com ar pré aquecido. Por este motivo foram desenvolvidos os queimadores Low NOx de alta intensidade que atenuam este problema. A principal diferença para esta versão deste tipo de queimadores é o estagiamento do ar, onde a segunda parcela de ar não tem movimento de rotação
O segundo desenvolvimento de projeto para queimadores de baixo NOx foi o estagiamento do combustível. Nesta concepção uma parcela do combustível é misturada com o ar total de combustão na zona primária. Desta forma, o alto excesso de ar promove a rápida combustão desta parcela combustível a baixas temperaturas. A segunda parcela do combustível é injetada numa zona posterior (secundária) utilizando-se vários bocais ao longo do perímetro do queimador. Essa segunda parcela é injetada com alta velocidade na zona de combustão promovendo a rápida mistura com os produtos de combustão da primeira zona. Este estagiamento permite gerar uma chama de menor temperatura e baixo excesso de oxigênio (devido a recirculação gerada pela injeção do combustível secundário) e, consequentemente, menor formação de NOx. Além disso, deve -se notar que parte do NOx gerado na zona primária é
As bordas ficam com tom amarelado enquanto o centro fica azulado
Alto excesso de ar na zona primária de combustão Zona de combustão secundária Combustível secundário Ar para a combustão Conexão de combustível Conexão de Combustível secundário
reduzido na zona secundária pela ação do monóxido de carbono e hidrogênio, presentes na zona secundária.
A redução esperada de NOx pelo estagiamento de combustível em relação a queimadores convencionais é de 100ppm para 25ppm a 3 %O2. A influência da temperatura de preaquecimento é de 25 a 50 ppm de NOx variando de 40 a 315oC.
Pode-se observar, de forma geral, que o queimador de combustível estagiado permite uma redução significativa na formação de NOx.
• Outros Aplicações para Queimadores
Combustíveis Residuais ou de Baixo Poder Calorífico
Devido as restrições ambientais e as necessidades de se recuperar energia das correntes nas refinarias, vários combustíveis não convencionais tem sido disponibilizados para queima nas instalações.
As restrições ambientais tem impedido que várias correntes sejam ventadas ou alinhadas para tocha. Nestes casos, em muitas unidades, estas correntes foram enviadas para fornos de modo a incinerá-las. Em alguns casos algumas correntes residuais líquidas de alto poder calorífico tem sido utilizadas como fonte de calor ao invés de se pagar pelo custo ambiental de tratá-las ou mesmo de dispo-las com segurança.
Os gases de baixo poder calorífico requerem considerações especiais quanto ao aspecto dos queimadores e do próprio projeto dos fornos que não são necessárias quando se queima gases ou óleos convencionais.
Alguns gases de baixo poder calorífico são típicos nas refinarias, o mais encontrado em nossas refinarias é o gás de PSA (peneira molecular). Este gás é rico em inertes (CO2 e N2) contém baixo teor de hidrocarbonetos, tendo grande parte do seu poder calorífico devido ao CO e hidrogênio. Normalmente estes combustíveis residuais estão disponíveis em baixa pressão. É comum estes gases necessitarem de chama suporte para estabilização da combustão, que pode utilizar gás combustível ou óleo. Nestes casos dois tipos de bocais ou bicos são requeridos um para o gás de baixa pressão e o outro para o combustível de apoio.
A composição típica de um gás de PSA se situa na faixa de 40% H2, 10% de CH4 e 50% de CO2 em volume.
Normalmente é preferível se localizar a lança de gás combustível de apoio na parte central do queimador e do gás de baixo poder calorífico em um manifold com bocais ao longo do perímetro do queimador. No entanto dependendo da pressão disponível no gás de baixo poder calorífico torna-se necessário utilizá- lo no centro devido a grande área requerida para passagem do gás que dificulta
A necessidade de se utilizar uma chama suporte depende da velocidade de propagação da chama, da energia de ativação para ignição da mistura e da turbulência obtida no queimador. Como nestes casos é comum se utilizar queimadores de tiragem natural e gases de baixo poder calorífico com baixa pressão, é pequena a energia disponível para se obter uma boa qualidade de mistura.
Normalmente um dos parâmetros mais relevantes na determinação da necessidade de se utilizar uma chama suporte é o conteúdo de hidrogênio na mistura. Normalmente combustíveis contendo 15% de H2 e um poder
calorífico de 80 a 100 Btu/ft3 não requerem suporte de chama. No entanto combustíveis, por exemplo, ricos em NH3 e H2O com poder calorífico superior a 100 Btu/ft3 normalmente requerem suporte de chama. Esta diferença se deve a maior energia de ativação requerida para esta corrente e ao fato da chama de amônia trabalhar em ambiente redutor para evitar elevada formação de NOx e a reação a N2. Outro aspecto importante é a alta velocidade de propagação da chama do H2 que estabiliza a chama com baixo poder calorífico.
Em certos casos, onde a pressão do gás residual é muito baixa torna-se necessária a instalação de um dispositivo que induz a vazão deste gás, utilizando-se normalmente o vapor com fluido indutor.
Para o caso de óleos residuais extremamente pesados torna-se necessário utilizar materiais de alta dureza e resistência a abrasão nos bicos (devido as partículas abrasivas contidas no óleo) e materiais especiais para os blocos refratários devido ao ataque por vanádio e outros contaminantes. Neste caso novamente, deve -se manter no máximo 200SSU nos queimadores e vapor superaquecido para nebulização. Nestes casos em particular recomenda-se uma limpeza dos bicos frequente e a substituição mais rápida dos mesmos devido a erosão esperada.
Aquecedores de Ar
Estes equipamentos são normalmente utilizados na partida de unidades de FCC e unidades de leito fluidizado. De fato a concepção destes equipamentos se baseiam no estagiamento do ar. Parte do ar participa da combustão e a outra parte, trabalha como um ar terciário, que se mistura e se difunde para dentro da chama, homogeneizando a mistura e a temperatura na parte final da câmara de combustão.
Queimadores para Caldeiras
Os queimadores para caldeiras normalmente são de maior capacidade e na grande maioria das vezes são de tiragem forçada, permitindo o aumento da rotação do ar (swirl). Da mesma forma se utiliza os princípios do estagiamento do ar e do combustível como redutores da formação de NOx , como pode ser visto nas figuras abaixo.
INSTALAÇÃO, OPERAÇÃO, MANUTENÇÃO E PROBLEMAS COM AS LANÇAS DE ÓLEO
Normalmente nas refinarias as lanças de óleo combustível são do tipo câmara de mistura. Como foi mostrado anteriormente, este tipo de concepção utiliza orifícios calibrados para a entrada do óleo e do vapor na câmara de mistura que depois é lançada na forma de um spray na zona de combustão através dos orifícios de saída do bico de óleo.
Instalação
Antes da montagem e acendimento da lança de óleo, os seguintes cuidados devem ser tomados:
♦ Conferir o número do item (part number) com o fornecido no desenho do
queimador pelo fabricante, de forma a garantir a apropriada capacidade e formato de chama
♦ Verificar o comprimento da lança a ser inserido para dentro do queimador em conformidade com o desenho do fabricante
♦ Inspecionar e substituir, as gaxetas, para evitar possíveis vazamentos
♦ Verificar o alinhamento e montagem das linhas de óleo e vapor que devem seguir
o sentido recomendado pelo fabricante na lança. logicamente a montagem trocada das linhas causará sério prejuízo na atomização, pois os orifícios e canais de passagem foram calibrados especificamente para cada um dos fluidos.
Inserir figura pagina 2
Operação
♦ Ignição manual com intervenção do operador pela inserção de uma tocha piloto
♦ Ignição direta do piloto de gás
♦ Ignição direta a partir de uma chama de baixa liberação
Antes de proceder a ignição da lança de óleo, deve-se introduzir o meio de atomização (vapor) na lança de óleo, tanto pela conexão de vapor como pela conexão de óleo (utilizando-se a linha de purga da lança de óleo). Desta forma pode-se garantir o arraste de condensado na linha de vapor de atomização, visualizar a passagem do meio de atomização, prover um aquecimento inicial da lança de óleo (principalmente quando se utiliza óleo combustível pesado) para evitar escorrimento de óleo e gerar uma boa qualidade de nebulização quando se inicia a abertura do óleo combustível.