MÓDULO IV
1. CALDEIRAS
No estudo dos tratamento de águas para caldeiras, concentraremos nossa maior atenção nos
sistemas geradores de vapor com pressão operacional inferior a 42 kgf/cm2
(aproximadamente 600 libras-força por polegada quadrada (psi) ou 4200 quilopascals (kPa)), haja vista que mais de 90% das caldeiras, atualmente empregadas, encontram-se enquadradas nesse caso.
1.1 Caldeiras Geradoras de Água Quente
Nas caldeiras geradoras de água quente (“hydronic boilers”), os tratamentos adotados são semelhantes aos recomendados para os circuitos fechados de refrigeração, sendo mais empregados os seguintes:
• Tratamento Alcalino-Dispersante
Utilizando fosfonatos e agentes dispersantes e operando na faixa de pH 9,5 – 10,0. • Tratamento à base de Cromato
Utilizando elevados teores de cromato (superiores a 800 ppm CrO4), em pH situado na
faixa 8,0 – 9,0.
• Tratamento à base de Nitrito-Borato
Utilizando concentração de nitrito elevada (cerca de 750 ppm NO2), em presença de
produtos tamponante (borato) e dispersante, em pH na faixa 8,5 – 10,5.
1.2. Caldeiras Geradoras de Vapor por Combustão
Os sistemas geradores (caldeiras) de vapor podem ser classificados em três grupos, de acordo com a pressão de trabalho, segundo a American Boiler Manufacturers and Affiliated Industries Association (ABMA):
CLASSIFICAÇÃO FAIXA DE PRESSÃO (psi) FAIXA DE PRESSÃO (kgf/cm2)
Baixa Pressão 100 – 400 7 –28
Média Pressão 400 – 800 28 – 56
Alta Pressão (*) > 800 > 56
(*) As caldeiras que operam com pressões superiores a 3200 psi (225 kgf/cm2) são
CALDEIRAS DE PRESSÃO SUPERCRÍTICA com a transformação ocorrendo em temperatura superior à temperatura crítica da água (374
( ) 2 ( )g
2O HO
H A →
oC).
a. Caldeiras Fogotubulares ou Flamatubulares (f.t.)
São aquelas em que os gases de combustão circulam no interior dos tubos, com a água sendo aquecida e vaporizada, nas regiões externas dos tubos (casco).
As caldeiras f.t. são equipamentos que operam com baixas pressões (p < 300 psi), taxas de vaporização limitadas, gerando pequenas produções de vapor (V < 25 t/h). Os modernos geradores de vapor f.t. possuem a fornalha localizada internamente. O início da combustão ocorre no interior de uma fornalha acoplada ao casco. Os gases de
A figura a seguir mostra uma vista frontal esquemática de uma caldeira fogotubular ou flamatubular (f.t.) descarga lama tubo de combustão principal tubo de entrada da água de alimentação nível da água
tubos de combustão secundários (geralmente 4 passes de tubos) vapor saturado
b. Caldeiras Aquatubulares (a.t.)
São aquelas em que a água circula no interior dos tubos, conectando os tubulões ou tambores superior e inferior(es), com os gases queimados (provenientes da combustão na fornalha) circulando pela parte exterior dos tubos. Este tipo de caldeira pode englobar quase todas as faixas de pressão, podendo gerar grandes produções de vapor. As caldeiras a.t. podem apresentar diferentes configurações (“O”, “D”, “A” etc.) de acordo com o aspecto do posicionamento dos tubulões em relação ao feixe de tubos. As caldeiras do tipo “O” e “D” apresentam 1 tubulão superior (tambor de vapor) e 1 tubulão inferior (tambor de lama). As caldeiras do tipo “A” operam com 1 tubulão superior e 2 tubulões inferiores.
As descargas para eliminação de “lama” são executadas nos tambores inferiores. As coletas de amostra de água de caldeira deverão ser efetuadas por meio de purga de nível (executadas nos tubulões superiores) seguida de resfriamento, conduzindo a resultados analíticos mais representativos.
Tanto nas caldeiras flamatubulares (f.t.), quanto nas aquatubulares (a.t.) a água com temperatura mais baixa (mais densa) forma uma corrente descendente, enquanto a água líquida com bolhas de vapor em temperatura mais alta (menos densa) forma uma corrente ascendente.
Nas caldeiras aquatubulares, a alimentação de água é feita no balão (tambor) superior. Esta água, a temperatura mais baixa, flui através dos tubos de fluxo descendente (“down comers”), para o balão (tambor) inferior. A água líquida, em temperatura mais alta, juntamente com bolhas de vapor, produzida pelo calor gerado na fornalha, flui do balão inferior para o balão superior, através de tubos de fluxo ascendente (“risers”). As figuras a seguir mostram esquemas de geração de vapor em uma caldeira a.t. e vistas frontais simplificadas de geradores de vapor do tipo “O”, “D” e “A”.
tubulão, tambor ou balão inferior ou de lama tubulão, tambor ou balão superior água de alimentação descarga de fundo vapor calor descarga de nível
Geradores de Vapor (Caldeiras a.t.)
Tipo “A”
Tipo “O” Tipo “D”
1.3. Caldeiras Elétricas
As caldeiras elétricas produzem aquecimento e ebulição da água líquida com base no efeito Joule, podendo atuar com diferentes níveis de diferença de potencial elétrico.
Foram muito utilizadas nas décadas de 70 e 80, em decorrência do aumento de preço do petróleo e seus derivados.
Atualmente, o custo relativamente elevado da energia elétrica tem desestimulado a utilização de caldeiras elétricas.
As caldeiras elétricas podem ser classificadas em CALDEIRAS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA e CALDEIRAS DE ELETRODOS, podendo estas últimas serem divididas em CALDEIRAS DE ELETRODOS BORRIFADOS (jato ou “spray” de água) e CALDEIRAS DE ELETRODOS SUBMERSOS.
2. EQUIPAMENTOS
AUXILIARES
As caldeiras, sobretudo as aquatubulares, podem operar empregando diversos equipamentos auxiliares. Apresentaremos a seguir, de forma sucinta, alguns desses equipamentos.
2.1. Abrandadores e Desmineralizadores
Os abrandadores são equipamentos destinados à remoção de dureza da água de reposição. Os desmineralizadores objetivam remover a salinidade da água de reposição.
O abrandamento e a desmineralização de água foram abordados no MÓDULO I deste trabalho.
Os abrandadores e desmineralizadores são partes integrantes das seções de pré-caldeira.
2.2. Desaeradores
Equipamentos localizados na seção pré-caldeira cujos propósitos primordiais são: aumentar a temperatura da água de alimentação, por meio do contato direto com vapor de baixa pressão; remoção de gases, principalmente o oxigênio (O2) e o dióxido de carbono (CO2),
presentes na água de alimentação, pelo fato dos gases serem menos solúveis em temperaturas mais elevadas.
Os dois tipos de desaeradores mais utilizados são os de bandejas e os de aspersão (“spray”), havendo sempre um tanque de estocagem de água desaerada, onde produtos químicos, como os removedores ou sequestrantes de oxigênio (“ oxygen scavengers”), podem ser adicionados.
A eliminação de O2 pode fazer com que sua concentração na água seja reduzida a valores
próximos a 7 ppb (7 partes por bilhão ou 7 mg de O2 / m3 de água).
2.3. Pré-aquecedores de Ar
Os pré-aquecedores de ar são dispositivos que consistem em uma série de placas ou feixes de tubos, onde ocorre uma troca térmica entre o ar e os gases de exaustão.
Pode-se conseguir um aumento de eficiência de 2% na produção de vapor, para um aumento de 55oC na temperatura do ar de combustão.
2.4. Economizadores
Dispositivo, constituído por um feixe de tubos, por onde circula a água de alimentação, que é pré-aquecida pelos gases provenientes da combustão que seriam diretamente eliminados pela chaminé. O aumento da temperatura da água de alimentação reduzirá a quantidade de calor requerida no interior da caldeira, aumentando a eficiência da mesma.
De modo geral, obtém-se 1% de aumento na eficiência da caldeira, para cada 6oC de
elevação de temperatura da água de alimentação. Muitas plantas modernas, conseguem aumento de até 8% na eficiência da caldeira, com o emprego de economizadores.
2.5. Polidores de Vapor ou Separadores de Arraste
São dispositivos destinados à eliminação de gotículas do vapor produzido, com objetivo de evitar o fenômeno do carreamento (“carryover”) que pode provocar o transporte de sólidos para as seções de pós-caldeira. Estes eliminadores consistem em ciclones e/ou dispositivos aletados conectados ao tubulão superior (tambor de vapor). A água líquida removida é retornada ao tubulão superior.
2.6. Superaquecedores
Consistem em feixes de tubos, inseridos na fornalha da caldeira, destinados à obtenção de vapor superaquecido a partir de vapor saturado. O vapor superaquecido pode ser transferido a longas distâncias sem perda apreciável de sua carga térmica (conteúdo energético).
3. BALANÇOS MATERIAIS EM SISTEMAS GERADORES DE VAPOR
Consideremos o seguinte esquema:
D CALDEIRA P V F C C C R Onde:
F → vazão de água de alimentação (“feed water”) V → vazão de vapor produzido
D → vazão de descargas (“blow down”), incluindo as descargas de nível (Dn) e de fundo (Df),
isto é: D = Dn + Df
C → vazão de retorno de condensado
R → vazão de água de reposição (“make up water”) P → vazão de perdas
As taxas de retorno de condensado podem ser expressas pelas relações: C/V ou C/F, sendo a primeira delas (C/V) a mais comumente utilizada.
Essas relações são denominadas taxas de retorno de condensado em relação ao vapor produzido (C/V) e taxa de retorno em relação à água de alimentação (C/F).
Assim, temos: D V F = + … (1) Como: C R F = + … (2), teremos, ainda: D V C R + = + … (3)
3.1. Descarga (D) em função do Ciclo de Concentração com base na Alimentação (x
F)
Considerando uma espécie solúvel em água e não-volátil, como o íon cloreto ( ), o balanço de massa para esse íon, com base na equação (1), fica:
− A C D c V c F cF ⋅ = V ⋅ + D ⋅ … (4)
onde se cF, cV e cD são, respectivamente, as concentrações de cloreto na água de
alimentação, no vapor produzido e na descarga (ou na água de caldeira). Como a espécie (CA−) é não-volátil, teoricamente a concentração c
V será nula. Logo, teremos: ⇒ ⋅ = ⋅ ⇒ =0 c F c D cV F D cc DF F D = … (5) ⇒ D D V c c F D = + ⇒ … (6)
A relação cD cF representa o nível de concentração da água de descarga ou da caldeira em relação ao nível de concentração da água de alimentação, sendo denominada ciclo de
concentração em relação à água de alimentação (xF).
Assim, temos: ⇒ = − ⇒ + = ⋅ ⇒ + = D x V D (x 1)D V D D V xF F F D x V 1 F − = … (7) Exemplo resolvido n.º 1
Uma caldeira aquatubular, com produção de vapor igual a 63,0 toneladas/hora, opera com taxa de retorno de condensado igual a 75,0% em relação à água de alimentação.
As vazões de descargas de fundo e de nível são, respectivamente, iguais a 0,10 toneladas/hora e 0,90 toneladas/hora, sendo a concentração de cloreto na água de alimentação igual a 3,75 ppm CA−.
Calcule:
a) o ciclo de concentração em relação à água de alimentação (xF);
b) a concentração de cloreto na água de caldeira (cD);
c) a vazão de água de reposição (“make up”), em toneladas por hora. Resolução (a) D=Dn +Df ⇒ D=0,90+0,10 ⇒ D= ,100t/h h / t 0 , 64 F 0 ,1 0 , 63 F D V F= + ⇒ = + ⇒ = Logo, teremos: 0 , 64 x h / t 00 ,1 h / t 0 , 64 x D F xF = ⇒ F = ⇒ F = (b) = ⇒ c =x ⋅F ⇒ c =3,75⋅64,0 ⇒ c c x D F D F D F − = = ⇒ cD cCALDEIRA 240ppmCA (c) F C 0,750 64,0 C 48,0t/h F C C 750 , 0 F C = ⇒ = ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ = h / t 0 , 16 R 0 , 48 0 , 64 R C F R C R F= + ⇒ = − ⇒ = − ⇒ =
3.2. Descarga (D) em função do Ciclo de Concentração com base na Reposição
Um balanço de massa para uma espécie solúvel e não-volátil conduz à seguinte equação:
D c V c C c R cR ⋅ + C ⋅ = V⋅ + D⋅ … (8)
onde cR, cC, cV e cD são, respectivamente, as concentrações das espécies consideradas na
água de reposição, no condensado, no vapor produzido e na descarga (ou na água de caldeira).
Sendo a espécie não-volátil e desprezando-se o arraste de gotículas, contendo a espécie solúvel considerada, temos:
0
cV = e cC =0 ⇒ cR ⋅R =cD ⋅D ⇒ cc DR
R
D = … (9)
A relação cD cR representa o nível de concentração de água de descarga ou da caldeira em relação ao nível de concentração da água de reposição, sendo denominada ciclo de concentração em relação à água de reposição (xR).
Assim, temos:
D R
xR= … (10)
A expressão (3) poderá então ser rescrita da seguinte forma:
(
−)
= − ⇒(
−)
= − ⋅ ⇒ ⇒ + = + ⋅ ⇒ + = + V V C V D 1 x C V D 1 x D V C D x D V C R R R R(
)
⎟ ⇒ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = − ⇒ V C 1 V D 1 xR D V 1x( )
C 1V R − − ⋅ = … (11) Exemplo resolvido n.º 2Uma caldeira, com produção de vapor de 10,0 t/h, possui taxa de retorno de condensado igual a 80,0% (em relação à produção de vapor) e deve operar com ciclo de concentração igual a 11,0 (em relação à água de reposição).
Determine:
a) a vazão de descarga, em toneladas por hora;
b) a vazão, em gramas por hora, de um produto dispersante (não-volátil), sabendo que sua concentração desejável na água de caldeira é 60,0 ppm (g/t);
c) o ciclo de concentração em relação à água de alimentação (xF).
Resolução
( )
h t 200 , 0 D 1 0 , 11 800 , 0 1 h t 0 , 10 D 1 x V C 1 V D R = ⇒ − − ⋅ = ⇒ − − ⋅ = (a) (b) d 12,0gProduto h h t 200 , 0 t oduto Pr g 0 , 60 d D c d= D⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ = (c) F=V+D ⇒ F=10,0+0,2 ⇒ F=10,2th 0 , 51 x h t 2 , 10 x F xF = ⇒ F = ⇒ F =Exemplo resolvido n.º 3
Uma caldeira flamatubular, com produção de vapor igual a 3160 kg/h, é dotada de um único dispositivo para descarga de lama e sólidos dissolvidos, tendo sido fixado no programador eletro-pneumático um tempo de duração de descarga igual a 2,0 segundos, podendo o intervalo entre duas descargas variar entre 15 e 240 minutos. Com base na qualidade da água industrial fornecida, deseja-se que a caldeira opere com ciclo de concentração igual a 80,0 em relação à água de alimentação (reposição + condensado).
Determine o intervalo, em minutos, entre duas descargas consecutivas, a ser fixado no programador, sabendo que a vazão de descarga da válvula é de 12,0 kg/s.
Resolução h kg 0 , 40 D 1 0 , 80 h kg 3160 D 1 x V D F = ⇒ − = ⇒ − = D = h kg q ⋅ s kg t ⋅ desc s n h desc h desc 3 5 n n desc s 0 , 2 s kg 0 , 12 h kg 0 , 40 = ⋅ ⋅ ⇒ =
Intervalo, em minutos, entre duas descargas consecutivas:
desc 3 5 ________ 60 min ________ x desc 1 utos min 36 x min 5 3 60 x= ⋅ ⇒ =
