Técnica de Análise de Carvão e Depósitos de
Cinzas em Unidades Geradoras de Vapor
L. J. Mendes N., UFSC, E. Bazzo, UFSC e L. Felippe Tractebel
Resumo- Este trabalho apresenta uma metodologia de análise para o carvão utilizado em centrais termelétricas e dos depósi-tos de cinza formados nos trocadores de calor das unidades geradoras de vapor. A formação destes depósitos promove uma redução da transferência de calor proveniente dos gases de combustão fazendo com que ocorra um decréscimo na eficiên-cia da planta. Os mecanismos envolvidos no processo de for-mação de depósitos são apresentados com o propósito de avali-ar o processo de crescimento no sentido de minimizavali-ar seus efei-tos, reduzindo o tempo de parada para manutenção do gerador de vapor. A técnica aqui apresentada propõe o uso do micros-cópio eletrônico de varredura (MEV) e Difração de Raio X para caracterização química e geométrica dos depósitos.
Palavras-chave — Carvão, Deposição de cinzas, Técnicas de avaliação de carvão e depósitos de cinzas, Transferência calor.
I. INTRODUÇÃO
A capacidade instalada hoje no Brasil é de 98.810 MW e está prevista para os próximos anos um aumento de 26.300 MW na capacidade de geração do país, proveniente de 88 empreendimentos em construção e 521 outorgados. A ter-moeletricidade representa 18% das usinas em construção e 47% das usinas outorgadas (ANEEL, 2007). Dentre as usi-nas termelétricas outorgadas, a queima de carvão mineral representa 28% do total.
A queima de carvão pulverizado em caldeiras de centrais termelétricas apresenta diversos problemas, entre eles a de-posição de cinzas. Este problema diminui a taxa de transfe-rência de calor, altera o campo de velocidade dos gases de combustão, favorece o processo de corrosão de superfície, aumenta a freqüência de uso de sopradores de fuligem e, conseqüentemente, aumenta os custos de operação e manu-tenção das centrais termelétricas a carvão. Eventualmente, se houver descontrole do pessoal de operação, as cinzas acumuladas nos superaquecedores podem cair na fornalha, bloqueando o processo de combustão. Nesse cenário, a sim-ples presença de gases combustíveis submetido às altas tem-peraturas pode provocar ignição instantânea, seguida de
Agradecemos ao apoio financeiro prestado pela Tractebel Energia, atra-vés do programa P&D ANEEL, do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
L. J. Mendes N. é doutorando em engenharia mecânica pela Universida-de FeUniversida-deral Universida-de Santa Catarina (UFSC) (e-mail: lourival@labcet.ufsc..br).
E. Bazzo é professor da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) (e-mail: ebazzo@emc.ufsc.br).
L. Felippe é engenheiro mecânico pela Universidade Federal de Santa Catarina e Gerente de Manutenção da Usina Jorge Lacerda, SC. (email: lfelippe@tractebelenergia.com.br)
explosão colocando a usina em indisponibilidade por longos períodos do sistema elétrico brasileiro.
Frente à necessidade de uso das centrais termelétricas, como alternativa suplementar ao uso de centrais hidráulicas, em função de freqüentes falhas no suprimento de energia elétrica para o mercado brasileiro, é imperativo que se estu-de mecanismos que promovam confiabilidaestu-de e melhoria na eficiência térmica das caldeiras. Além disso, considerando o tratado de Kyoto, visando à redução do aquecimento global, para a redução da emissão de gases de efeito estufa, enfati-za-se a necessidade de reduzir o consumo de combustíveis, aumentando a eficiência do ciclo térmico.
O acúmulo de depósitos reduz a transferência de calor dos gases quentes para o vapor, fazendo com que ocorra um decréscimo na eficiência da planta. De acordo com Couch, uma redução local de até 25% pode ocorrer na transferência de calor dos gases de combustão para o vapor superaqueci-do, nas primeiras horas de operação (apud KNUDSEN, 2001).
Uma análise detalhada do processo de deposição de cin-zas será importante para a definição de parâmetros que con-tribuam para a localização dos sopradores de fuligem no interior da caldeira. Problemas de deposição estão freqüen-temente associados com mudanças nas características do combustível ou nas condições de operação da caldeira. O uso de índices e de modelos para prever a formação de de-pósitos deverá ajudar projetistas a determinarem as condi-ções de operação das caldeiras, corrigindo antecipadamente problemas de operação (FAN et al, 2001).
II. MOTIVAÇÃO
O estudo de caldeiras operando com carvão brasileiro pulverizado e a análise e simulação destas caldeiras encon-tra-se em desenvolvimento e estudo na Universidade Fede-ral de Santa Catarina, UFSC, com uma tese de doutorado defendida e três dissertações de mestrado em andamento. Paralelamente, pesquisa tem sido realizada com recursos P&D ANEEL visando reduzir gradientes térmicos, equalizar a distribuição do fluxo de vapor nos feixes tubulares, redu-zindo temperaturas de parede e melhorando a eficiência térmica. Nesse sentido o presente trabalho consiste em de-terminar a composição química, bem como analisar as amostras, recolhidas na caldeira em operação na central ter-melétrica Jorge Lacerda localizada na região sul do Brasil, de depósitos em diversas posições radiais e diferentes posi-ções angulares em torno do tubo. A partir das imagens obti-das obti-das amostras pretende-se caracterizar a distribuição de diâmetros de poros, porosidade e composição química.
III. CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E GEOMÉTRICA DOS DEPÓSI-TOS EM CALDEIRAS.
A partir das amostras de depósitos na caldeira é possível avaliar as características químicas e físicas dos mesmos. Estes dados experimentais serão utilizados para dar suporte ao estudo teórico acerca da deposição de partículas elemen-tares nas superfícies de troca de calor.
A caracterização física consiste da distribuição de poros e da porosidade da amostra, tais características serão determi-nadas avaliando imagens através de software (IMAGO) desenvolvido pelo Laboratório de Meios Porosos e Proprie-dades Termofísicas (LMPT/UFSC). Diversas imagens foram colhidas de uma típica amostra utilizando um microscópio eletrônico de varredura (MEV) disponível no Laboratório de Materiais (LabMat/UFSC). As imagens coletadas serão en-tão analisadas utilizando-se o IMAGO.
Finalmente a caracterização química inclui a análise de óxido utilizando o MEV, difração de raios-X.
A. Formação do Depósito de Cinza
Basicamente as impurezas presentes no carvão se apre-sentam em duas formas distintas, incluídas ou excluídas do mineral. Os minerais incluídos são caracterizados por aque-les que se encontram ligados na cadeia de carbono e estes reagem e evaporam em condições mais severas das quais os minerais excluídos se encontram. Por sua vez, os minerais excluídos estão envoltos na cadeia de carbono produzindo partículas de diferentes tamanhos dependendo da composi-ção (GUPTA et al, 1998).
Vários mecanismos estão envolvidos na formação de cin-zas a partir da queima de carvão, dentre eles a vaporização de compostos inorgânicos, coalescência de partículas, nu-cleação, coagulação e condensação. Estes processos estão representados esquematicamente na figura 1.
Figura 1. Ilustração esquemática dos meios de formação de cinza (Fonte: KNUDSEN, 2001).
Vários mecanismos foram identificados por BAXTER, 1993 como sendo os mecanismos mais importantes presen-tes no processo de formação do depósito de cinza, sendo eles a condensação de vapores inorgânicos, termoforesi, difusão e impacto por vórtices turbulento, impacto inercial e reações químicas com a fase gasosa. Estes processos estão representados esquematicamente na figura 2.
Figura 2. Ilustração conceitual da estrutura do depósito nos tubos do supe-raquecedor (Fonte: KNUDSEN, 2001).
Termoforesi pode ser definida como sendo um processo que influencia o movimento de uma partícula devido a um gradiente de temperatura local. A força termoforética pode ser explicada pelo fato de que a alta temperatura das molé-culas gasosas no lado quente da partícula tem uma maior energia cinética e consequentemente uma maior freqüência de colisão do que as moléculas do lado de baixa ra, causando uma força resultante na direção das temperatu-ras menores (BAXTER, 1993).
Outro processo de difusão presente na deposição de partí-culas é o movimento Browniano e a difusão por vórtices. O movimento irregular de partículas em um determinado fluxo é denominado de movimento Browniano, esse movimento está associado ao movimento térmico das moléculas do flui-do que circunda a partícula, resultanflui-do em pequenas coli-sões deslocando a partícula em uma dada direção.
Na ausência de termoforesi o movimento Browniano e di-fusão de vórtices são os principais mecanismos de deposi-ção de partículas muito pequenas, da ordem de 0,1 μm de diâmetro ou menos (KNUDSEN, 2001).
O impacto de partículas devido ao movimento dos vórti-ces promove um aumento na deposição das partículas quan-do o regime prequan-dominante deixa de ser por difusão e passa a entrar em regime turbulento. Este aumento é devido à inte-ração entre a partícula e as estruturas turbulentas.
O impacto por inércia é o principal mecanismo de trans-porte que contribui significativamente para o crescimento do depósito nos últimos estágios da formação, especialmente para partículas maiores do que 10μm. O movimento destas partículas é dominado por forças inerciais causando uma tendência de sair do fluxo ao circundar um objeto. A taxa de impacto inercial depende da geometria, tamanho da partícu-la, forma, densidade, ângulo de impacto, velocidade e pro-priedades do fluxo (KNUDSEN, 2001).
Condensação é o mecanismo através do qual vapor é co-letado em superfícies mais frias do que a temperatura do meio no qual o vapor se encontra. A quantidade de conden-sado depende fortemente do modo como o material inorgâ-nico se encontra no carvão. A deposição por condensação dificulta a remoção do depósito devido ao aumento da área de contato de aderência com o meio com profundas influên-cias na força, condutividade térmica, difusividade de massa, etc.
A condensação pode ocorrer por três mecanismos: (a) o vapor pode atravessar a camada limite e condensar na super-fície ou em poros do depósito; transferência mássica de va-por, (b) os vapores podem nuclear de forma homogênea formando fumos e se depositar nas superfícies por termofo-resi ou (c) podem condensar de forma heterogênea na cama-da limite de outras partículas e atingir a superfície por ter-moforesi ou impacto inercial (BAXTER, 1993).
B. Caracterização de depósitos por microscópio eletrônico de varredura (MEV)
A técnica do microscópio eletrônico de varredura (MEV) tem sido utilizada como sendo a mais adequada para se ana-lisar microestruturas de amostras. Neste caso, a área ou o micro volume é irradiado com um feixe fino de elétrons, ao invés de luz como no caso do microscópio óptico. Dessa forma, a interação dos elétrons com a superfície da amostra permite uma emissão de radiação na forma de elétrons re-troespalhados, característico de raios-X, etc. Esta radiação quando colhida corretamente pode dar uma importante ca-racterística da amostra, tal como a composição da superfície, topografia, etc. (MALISKA, 2005).
O MEV pode ser acoplado com o detector de energia dis-persiva e raios-X (EDAX) possibilitando a análise química da amostra fornecendo informações qualitativas e quantita-tivas acerca da composição química.
A análise por MEV e EDAX pode ser feita manualmente, diretamente nas amostras de carvão, depósitos de cinza ou cinzas leves. Os resultados se limitam às superfícies expos-tas e por isso a seleção da superfície e interpretação depende do investigador.
Elétrons secundários (ES) são elétrons liberados de áto-mos da aáto-mostra devido às colisões quase inelásticas entre elétrons do feixe primário e elétrons com baixa energia da amostra. Uma das características do ES é a pequena profun-didade de penetração dos elétrons na amostra por causa de sua baixa energia. Assim, a interação amostra-elétron pro-duz elétrons secundários em todo o volume, mas somente aqueles gerados próximos à superfície produzem elétrons secundários que irão contribuir para o sinal obtido de ES (MALISKA, 2005).
Elétrons retroespalhados (ERE) é o resultado da colisão elástica do feixe de elétrons e a amostra. O ERE é o sinal mais importante para obter uma imagem precisa da amostra, apesar da pouca informação acerca da profundidade da ima-gem.
A análise do MEV pode ser melhorada com o uso do de-tector de raios-X, através do qual é possível detectar e anali-sar as características de raios-X emitida por uma amostra resultante da interação dos elétrons primários com a primei-ra camada da superfície da amostprimei-ra.
Raios-X podem ser gerados devido à colisão quase inelás-tica com o feixe de elétrons com a amostra em dois modos: raios-X contínuo e raios-X característico (MALISKA, 2005).
O espectro de raios-X contínuo pode ser definido como sendo o fóton emitido por cada elétron quando este é desa-celerado pela interação com todos os outros elementos e núcleos da amostra. Este espectro é conhecido como sendo
o espectro contínuo e representa o ruído de fundo da amos-tra.
O espectro de raios-X característico é emitido quando o feixe de elétron interage com a camada mais interna do áto-mo e reáto-move o elétron, deixando um vazio nesta camada. Como o átomo possui a tendência de permanecer no estado fundamental, um elétron da camada externa migra para a camada interna emitindo um fóton com uma energia especí-fica característica de cada átomo. De acordo com cada fóton emitido é possível determinar qual o elemento da amostra.
O software IMAGO foi desenvolvido pelo LMPT (Labo-ratório de Meios Porosos e Propriedades Termofísicas) da UFSC para caracterizar a microestrutura porosa a partir de diferentes tipos de imagens. Originalmente o programa foi desenvolvido para a indústria do petróleo com o objetivo de analisar rochas porosas de reservatórios (DAMIANI et al, 2000).
O tamanho de poro é determinado comparando o objeto com um padrão previamente definido em tamanho e forma. A distribuição de poros é determinada a partir de seqüências de diferentes objetos de tamanho padrão.
A técnica de difração de raio-X consiste de uma radiação incidente na amostra (agora no estado pulverizado) e a de-tecção dos fótons difratados. A difração de raios-X repre-senta um fenômeno de interação entre o raio-X incidente e os elétrons da amostra. Em um material em que os átomos estão periodicamente arranjados no espaço, que é caracterís-tico de uma amostra com estrutura cristalina, o fenômeno de difração de raios-X ocorre em todas as direções de espalha-mento, que satisfaz a lei de Bragg, equação 1. Detalhes po-dem ser encontrados na literatura (CULLITY, 1978).
( ) ( )
=
n
λ
2d sin
θ
1
Onde n é o número inteiro de comprimento de onda, λ é o comprimento de onda do feixe de raios-X, d é a distância entre camadas de átomos no cristal, θ é o ângulo de incidên-cia do feixe de raio-X.
O feixe difratado produz um padrão de picos que pode ser distinguido do ruído de fundo em um espectro de intensida-de versus o ângulo 2θ (ou d) constituindo o espectro padrão de difração. Este padrão representa a coleção de reflexões individuais. Cada elemento pode ser identificado por sua relativa intensidade e seu ângulo. A desvantagem deste mé-todo é que a intensidade relativa de cada elemento pode estar superposta, algumas vezes misturando as informações acerca da intensidade relativa.
C. Análise física e química de uma típica amostra de depó-sito de cinza
Uma amostra típica de depósito de cinza foi coletada na usina Jorge Lacerda localizada no sul do estado de Santa Catarina. A secção transversal da amostra foi feita na dire-ção do fluxo principal de partículas. O MEV utilizado foi um PHILIPS XL 30 instalado no Laboratório de Materiais (LabMat) da UFSC. A mostra foi embutida em epóxi para que fosse possível manuseá-la no MEV.
Todas as imagens colhidas foram analisadas com a ajuda do software IMAGO para que fosse possível obter a porosi-dade e a distribuição de poros. Vinte imagens foram
aleato-riamente colhidas seguindo a base do depósito, na superfície externa do tubo, e o topo do depósito, sujeito ao fluxo de gases, segundo uma direção anti-horária. O aumento utiliza-do no MEV para obter as fotos foi de 100X. O que significa que cada pixel é equivalente a 1 μm. Assim, a mínima reso-lução que é possível de uma partícula é 1 μm e a máxima seria uma partícula ocupando a foto toda o que proporciona-ria uma partícula de 600 μm. esta resolução é suficiente para abranger todos os tamanhos de partículas, desde os elemen-tos excluídos até o carvão não queimado dentro da caldeira. A figura 3 apresenta um exemplo de imagem coletada do MEV.
Figura 3. Típica imagem do MEV do depósito de cinza.
A porosidade foi de 26 e 28 % para o topo e para a base, respectivamente. Análises posteriores são necessárias para determinar resultados representativos
Figuras 4 e 5 mostram a distribuição da porosidade ao longo da direção anti-horária do depósito do topo e da base, respectivamente.
Figura 4. Distribuição da porosidade do topo do depósito para cada uma das vinte amostras selecionadas. A média é 26,5% e o desvio padrão é 7,81%.
Figura 5. Distribuição da porosidade da base do depósito para cada uma das vinte amostras selecionadas. A média é de 28,7% e o desvio padrão é de
7,23%.
As curvas apresentadas nas figuras 6 e 7 representam o tamanho médio de poro para todas as imagens coletadas no topo e na base da amostra. Os resultados correspondentes mostram que aproximadamente 95% do tamanho de poro estão na faixa de 1 a 6 μm. Diferentemente da base que 95% do tamanho de poro estão na faixa de 1 a 12 μm.
Figura 6. Distribuição de tamanho de poro do topo do depósito.
Figura 7. Distribuição de tamanho de poro na base do depósito.
Como apresentado, a única diferença está no tamanho de poro da amostra. A partir destas observações é possível veri-ficar que a amostra está mais sinterizada no topo do depósi-to, sujeito ao fluxo de gases, do que ao longo da base, na interface com o tubo. Isto indica que existe uma transição da aglomeração para a sinterização como ilustrado pela figura 8. É possível verificar uma zona de transição ao longo de uma linha de crescimento de superfície. Isto indica um com-portamento aleatório próximo à superfície.
Figura 8. Secção transversal da amostra.
Como uma conseqüência da rápida troca de calor para o vapor, como se fosse um sumidouro, as partículas resfriam, evitando uma possível sinterização das mesmas. Inversa-mente proporcional ao crescimento do depósito, a transfe-rência de calor segue diminuindo em conseqüência do
iso-lamento térmico permitindo uma sinterização das partículas. A formação de mulita é o principal responsável pelo isola-mento e conseqüente isolaisola-mento e sinterização do depósito.
Baseado nesta situação, as partículas a partir do fluxo po-dem sinterizar e difundir dentro do depósito criando aglo-merados de tamanhos maiores do que aqueles da base. Con-clusões similares se encontram no trabalho realizado por WANG et al, 1999.
Para a avaliação química das amostras foram considera-das três tipos diferentes na análise: carvão usado na caldeira, a cinza pesada e a cinza do depósito encontrada nos tubos do superaquecedor. Todas as amostras foram moídas até uma malha de 325 µm e submetido ao raio-X, fazendo com que seja possível obter um gráfico mostrando a intensidade versus o ângulo 2θ. A partir desses gráficos, figuras 9 a 11, é possível identificar diferentes elementos comparando a intensidade com a correspondente intensidade relativa ao longo do eixo 2θ. O padrão individual está disponível pelo ICDD (Centro Internacional para Dados de Difração).
Figura 9. Difratograma do carvão.
Figura 10. Difratograma da cinza pesada.
Figura 11. Difratograma do depósito de cinza.
Todas as amostras foram usadas em um PHILIPS XPERT com tubo de cobre (λ = 1,54056 Å) com n = 1. Analisando o difratograma obtido JCPDS, 1981 para as três amostras foi possível determinar que o carvão apresente principalmente quartzo (SiO2 JCPDS 5-490) e óxido de alumínio (Al2O3 JCPDS 16-0394). A cinza pesada e o depósito de cinza a-presentam principalmente quartzo (SiO2 JCPDS 5-490), mulita (3Al2O32SiO2 JCPDS 15-776), hematita (Fe2O3 JCPDS 13-534) e magnetita (Fe3O4 JCPDS 19-629).
Uma análise de óxido complementar foi elaborada consi-derando os raios-X emitidos a partir da amostra de depósito de cinza durante o processo de obtenção das imagens pelo MEV. Os resultados correspondentes foram obtidos com EDAX e estão apresentados na tabela 1.
TABELA I
PORCENTAGEM DO PESO MÉDIO DO DEPÓSITO DE CINZA.
Peso Médio (%) Elementos Topo Base Na2O 0,33 0,35 MgO 1,14 0,96 Al2O3 18,97 18,73 SiO2 37,73 31,04 K2O 1,43 1,24 CaO 4,31 0,00 Fe2O3 36,10 47,71
A principal diferença entre o topo e a base do depósito recai nas concentrações de SiO2, CaO e Fe2O3. A diferença na concentração de CaO pode estar relacionada com o alto ponto de ebulição do cálcio, 1484 ºC, se comparado com o potássio, cerca de 64 °C. Assim, pode-se dizer que Ca está mais presente nas partículas de cinza do que nos vapores alcalinos. O elemento ferro está mais presente na base do que no topo, talvez na forma de hematita. Isto é devido ao baixo ponto de fusão, decompondo em 1565 °C, se compa-rado com a magnetita com um ponto de fusão de 1600 °C. O comportamento do SiO2 está relacionado com os compostos ao redor, pois o ponto de fusão é 1723 °C, mas na presença de contaminantes pode começar a transformar cerca de 870 °C (BRYERS, 1996, WEBELEMENT, 2005).
Outro ponto interessante é a presença de mulita (3Al2O3,2SiO2), a qual é esperada precipitar a partir da fase amorfa de aluminosilicato conforme o depósito se aproxima do equilíbrio. Quanto maior a temperatura do depósito, mais facilmente este se aproxima do estado de equilíbrio. O mo-vimento na direção do equilíbrio irá causar uma cristaliza-ção da mulita, aumentando a concentracristaliza-ção de Si no topo do depósito de cinza (WANG et al, 1999).
IV. CONCLUSÕES
A técnica desenvolvida com o uso do microscópio eletrô-nico de varredura (MEV) permite encontrar o tamanho de poros, a distribuição de poros e análise química para o de-pósito de cinza coletado na caldeira. Além disso, utilizando a difração de raios-X é possível obter os elementos químicos presentes na amostra. Para a amostra de cinza coletada na
usina Jorge Lacerda, a porosidade apresentou praticamente o mesmo valor em ambas as posições, diferindo apenas de 2% da base para o topo. Além disso, a faixa de tamanho de poro é bem diferente, variando do topo para a base por um fator de dois. Assim é possível verificar que a amostra é mais sinterizada na região sujeita ao fluxo de gases do que na região próxima ao tubo, indicando que existe uma transi-ção do processo de aglomeratransi-ção, visto no início da deposi-ção, para um processo de sinterização no final do processo. Este fenômeno é uma conseqüência da rápida transferência de calor para o vapor, resfriando as partículas e evitando uma possível sinterização. A complexidade deste fenômeno não pode ser explicada por modelos simples disponíveis na literatura. Acerca da análise química, a diferença entre o topo e a base pode estar relacionada à alta temperatura de evaporação do cálcio comparado com o do potássio, indi-cando que as partículas têm mais cálcio do que potássio na composição básica. A presença de mulita é esperada devido às propriedades isolantes deste componente que faz com que o depósito varie do padrão de aglomeração para uma estru-tura sinterizada.
Este trabalho permitiu caracterizar e avaliar os depósitos de cinza presentes na caldeira da usina de Jorge Lacerda, fornecendo subsídios suficientes para uma futura avaliação do impacto do depósito de cinza na transferência de calor e consequentemente o impacto deste na eficiência da caldeira.
V. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a colaboração da Tractebel Energia e, em especial, ao Eng. Luiz Felippe, pelo apoio técnico recebido durante a coleta e análise das amostras referentes à Unidade 6 da Usina Jorge Lacerda de Capivari de Baixo, SC.
VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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[11] WEBELEMENT Tabelas periódicas. http://www.webelements.com/ (acessado em Junho de 2007).
[12] BRYERS, R., W., “Fireside slagging fouling and high temperature corrosion of heat transfer surface due to impurities in steam raising fuels”; Prog. Energy Combust. Sci; 22; 29-1200, 1996.
