FUNDAMENTOS SOBRE QUEIMADORES

A operação eficiente dos fornos depende da operação adequada dos queimadores. Um queimador pode ser definido como sendo um dispositivo que posiciona uma chama em uma determinada posição pela liberação de ar e combustível com uma dada mistura capaz de assegurar a contínua ignição e combustão completa.

n Mistura Ar / Combustível

Uma boa mistura do ar com o combustível é importante para garantir uma mistura uniforme. Toda a partícula de combustível deve estar em contato com oxigênio. A implementação de ações que propiciem o aumento da turbulência (alta turbulência) contribuem para a mistura gás/ar.

Existem duas fontes básicas de energia que são disponíveis para gerar a mistura. Estas suas fontes são: a pressão de ar disponível ou a tiragem ao longo do queimador e a energia de descarga do combustível. A energia do combustível é extremamente importante quando a tiragem é natural ou com baixas pressões de ar. Nos casos em que os queimadores são de tiragem forçada com alta perda de carga no queimador a energia proveniente do combustível é menos relevante, sendo a energia provida pelo ar a fonte dominante para gerar a mistura.

n Ignição e Estabilidade

Esta é uma das principais características quanto aos aspectos de segurança e confiabilidade operacional. Um queimador é considerado estável quando mantém a ignição ao longo de toda a faixa de pressão das correntes e dentro da faixa normalmente utilizada para a relação ar/combustível.

A ignição do combustível em um queimador é normalmente obtida pela aceleração da reação de oxidação através da introdução de uma fonte externa de calor em um ponto determinado (piloto) até que a própria reação libere uma quantidade de calor superior a perdida para a vizinhança, ou seja, até que o combustível continue a se ignitar com a fonte de calor externa. A menor temperatura possível para a manutenção da ignição é denominada “temperatura mínima de ignição da mistura ar/combustível”. A estabilidade de um queimador depende de sua capacidade de manter este valor de temperatura em algum ponto dentro do queimador.

Alguns queimadores dependem da temperatura do meio (vizinhança) para manter a estabilidade. Com este tipo de queimadores instáveis é necessário se operar com taxas reduzidas ou com relações ar/combustível muito restritas até que o forno esteja aquecido a temperatura necessária para a manutenção da estabilidade.

A temperatura é apenas um dos três T’s: temperatura, tempo e turbulência, que governam a velocidade de queima após a ignição do combustível. O valor da temperatura após o início da combustão é o parâmetro que governa diretamente a velocidade ou tempo de queima quando os demais parâmetros são mantidos constantes. Para um determinado par inicial de temperatura de combustão e grau de turbulência, o que ocorre ao se aumentar a turbulência é o aumento das reações de combustão proporcionalmente, resultando na elevação da temperatura devido a diminuição da transferência de calor durante o processo de combustão. Desta forma, a queima de combustíveis se processa com uma determinada velocidade e em concordância com os três T’s da combustão.

A turbulência criada pelo combustível e pelo ar através do queimador e o consequente grau de mistura alcançado influenciam a temperatura e a velocidade de combustão. O grau de turbulência e da mistura determinam o excesso de ar requerido pelo queimador.

Por exemplo, um queimador projetado para alta perda de carga do ar tem normalmente melhor mistura que um queimador para tiragem natural, ao qual opera com baixas pressões de ar. O aumento no excesso de ar compensa a redução na qualidade de mistura e geralmente assegura que o oxigênio esteja presente em todas as partes da zona de combustão em quantidades suficientes para garantir a combustão total.

Uma vez que a ignição seja alcançada, o adequado projeto de um queimador deve garantir a manutenção da ignição mesmo quando em vizinhanças “frias” e a estabilidade do queimador. O projeto dos queimadores foi desenvolvido de forma a garantir a manutenção da ignição pela adição do seu próprio isolamento térmico (refratário isolante).

O bloco refratário de um queimador (burner tile) serve para dois propósitos. O primeiro, é o de gerar uma zona quente para favorecer o início da combustão e o segundo, quando adequadamente projetado, para criar a turbulência necessária e zonas de baixa velocidade, de forma a garantir que a velocidade da mistura ar/combustível seja inferior que a velocidade de propagação da chama nesta região.

Em resumo, a estabilidade é alcançada pela manutenção de uma temperatura mínima de ignição de uma mistura, que está dentro do limite de flamabilidade, em pelo menos uma região pré-definida. Esta condição deve ser mantida dentro de uma ampla faixa de taxas de queima e de relações ar/combustível independentemente da temperatura da vizinhança. Além disso, a velocidade de propagação da chama, que é função de muitas variáveis, tais como, a temperatura, a qualidade de mistura e a relação ar/combustível, deve ser equilibrada com a velocidade da mistura ar/combustível. Componentes do Queimador

A combustão perfeita é obtida através da mistura e queima de partes exatas de ar e combustível de forma que nada seja desperdiçado. A boa qualidade de mistura é importante para garantir que a mistura será uniforme ao longo da zona de queima. Existem duas fontes de energia para se obter a adequada mistura, que são: a perda de pressão do ar ao longo do queimador (tiragem disponível) e a energia de descarga do combustível na corrente do ar. A forma como o combustível é descarregado é um dos parâmetros fundamentais do projeto de um queimador, pode-se utilizar um bocal simples ou múltiplos bocais para o combustível.

• Burner Tile

O burner tile é o bloco refratário que contém uma passagem de formato cônico ou cilíndrico pelo seu centro. O dimensionamento do burner tile é função da perda de pressão do ar disponível e que deve ser utilizada ao máximo. O burner tile serve ainda como um bloco refratário que separa a câmara quente da fornalha da parte interna do queimador. Entretanto vários modelos de queimadores utilizam o burner tile como um bloco irradiador de calor para o trecho de entrada

quente”). O material do burner tile varia em função da temperaura a que serão submetidos, normalmente estão na faixa de 60% a 95% de alumina. Cuidado especial deve ser tomada caso o combustível tenha um conteúdo de vanádio superior a 50 ppm.

• Registro de Ar

O registro de ar é a parte do queimador que controla a entrada do ar para a zona de combustão e determina as características do escoamento. O registro de ar pode incluir diversos tipos de entradas para gerar o efeito de swirl, que é o efeito em que se inclui um movimento rotacional (tipo um ciclone), ou dispositivos para garantir a adequada distribuição de ar. O projeto do tipo de registro depende do tipo de mistura desejada e do formato de chama requerido.

• Sistema de ar de combustão

Os queimadores são frequentemente classificados pelo tipo de sistema de ar utilizado. Existem dois tipos de sistemas de ar que podem ser utilizados, o natural e o forçado. No entanto tecnicamente o mais adequado é se classificar como baixa e alta perda de carga. Tipicamente na Petrobras a necessidade de se alcançar 100% da capacidade operacional em tiragem natural para fornos que possuem sistema de preaquecimento de ar levam o sistema de ar de combustão a condição de baixa perda de carga apesar de possuírem sistema de ar forçado. O sistema de ar por tiragem natural se baseia na pressão nega tiva (tiragem) obtida pela diferença de densidades entre os gases dentro e fora da câmara de combustão. Esta perda de carga normalmente se situa na faixa entre 0.2 e 0.5 in ca ou 5 a 12.7 mm ca. Assim, pode se verificar que o sistema de tiragem natural recai em um sistema de ar de baixa pressão. Devido a baixa energia provida pela corrente do ar, a qualidade de mistura e o formato da chama são fortemente dependentes da energia provida pela descarga do combustível e pelo projeto dos bocais. Também devido a baixa perda de carga disponível para o ar, os dispositivos de registro de ar para tiragem natural incluem somente dispositivos para restringir e controlar a vazão de ar de combustão.

Para queimadores que utilizam sistema de tiragem forçado e alta perda de carga para o lado do ar, é possível se utilizar a energia da corrente do ar para se obter uma adequada qualidade de mistura tornando a energia provida pela combustível menos relevante para este processo. Nestes casos é possível se introduzir mecanismos para gerar o efeito desejado de swirl ou outros dispositivos específicos para se alcançar um formato de chama requerido. Cabe ressaltar, que como mencionado anteriormente para a maioria dos casos de fornos da PETROBRAS, o sistema de tiragem forçado não leva a um sistema de alta perda de carga e desta forma os queimadores são basicamente os mesmos utilizados para o sistema de tiragem natural. Quando se trabalha com alta perda de carga para o ar quer seja em tiragem natural ou em tiragem forçada pode se esperar uma operação com menores excessos de ar devido a melhor qualidade de mistura e ao swirl obtido na zona de queima.