MTODO DE CLCULO DO BALANO TRMICO DE CALDEIRAS(1)

Paulo Csar da Costa PINHEIRO(1)Srgio Augusto Arajo da Gama CERQUEIRA(1)

RESUMO

A otimizao das condies operacionais de uma caldeira, obtida a partir da anlise dorendimento trmico. O rendimento trmico pode ser avaliado diretamente pela medio doconsumo de combustvel, de gua e de vapor, presso e temperatura do vapor, e poder calorfico. fato conhecido que as medies de vazes so sujeitas a erros, que podem inviabilizar o clculodo balano trmico. As medidas de vazo podem ser eliminadas do balano trmico, atravs deuma abordagem analtica.

Este trabalho apresenta uma reviso e discusso da metodologia de clculo do balanotrmico de caldeiras, visando uma anlise correta do ponto de vista termodinmico. Soapresentadas as equaes de todas as perdas energticas, e a anlise da influncia de cada uma nobalano trmico. So tambm apresentadas recomendaes operacionais, no sentido de otimizaro rendimento trmico.

Palavras Chaves: Caldeira, Fornalha, Balano trmico.

INTRODUO

O vapor produzido em uma instalao de caldeiras gerado pela transformao da energiaqumica do combustvel em calor. A energia introduzida na instalao, com a massa (ou volume)do combustvel, chamada de energia disponvel Qd (kJ/kg de combustvel slido ou lquido oukJ/m3 de combustvel gasoso), e a quantidade de energia absorvida pelo fluido de trabalho(podendo ser utilizada para a gerao de energia eltrica) chamada energia til Q1 (kJ/kg combou kJ/m3comb). A diferena entre a energia disponvel e a energia til devida perdas de energiaQi (kJ/kg comb), inevitveis, nos vrios elementos da instalao.

A fim de facilitar a comparao entre diversas instalaes, utiliza-se as perdas de energiarelativas qi = 100 Qi/Qd (%), e o rendimento trmico bruto da caldeira b (% energia contida nocombustvel transferida para o fluido de trabalho):

(1)Trabalho apresentado no XVII Seminrio de Balanos Energticos Globais e Utilidades,Volta Redonda, RJ, 26 a 28/09/1995.

(2)Engenheiro Mecnico, Doutor em Engenharia de Processos Industriais (UTC-Frana),Professor Adjunto, Departamento de Engenharia Mecnica da UFMG.

(3)Engenheiro Mecnico, Mestre em Engenharia Mecnica (UFMG), Professor Assistente daFUNREI.

q 100 = Q

Q 1 100 = Q

Q Q 100 = QQ100 = i

d

i

d

id

d

1b

O rendimento trmico sempre inferior a 100%, e maior quanto menores forem as perdas

trmicas. O rendimento bruto varia entre 88-94% nas caldeiras de alta capacidade, e 60-70% naspequenas. Ele varia com a carga, sendo que o mximo se situa normalmente capacidade nominal.Assim, tanto no desenvolvimento de uma nova instalao de caldeiras, quanto durante suaoperao, essencial minimizar as perdas de energia, o que s poder ser realizadosatisfatoriamente se forem conhecidas as fontes e as causas das perdas de energia.

A utilizao eficiente do combustvel nas caldeiras funo de trs fatores principais:(1) Combusto completa do combustvel na fornalha da caldeira.(2) Maximizao da transferncia de calor dos produtos da combusto para as superfcies de absoro de calor.(3) Minimizao das perdas de calor para o meio ambiente.

ENERGIA DISPONVEL (Qd)

A energia disponvel do combustvel queimado determinada pela frmula geral:onde PCI o Poder Calorfico Inferior do combustvel como recebido (Run of Mine) (kJ/kg) comreferncia a O(C; Qcomb o calor sensvel do combustvel (kJ/kg), levado em considerao quandoo combustvel preaquecido por uma fonte externa de calor (gases quentes, leo combustvelaquecido por vapor, etc); Qaex a energia introduzida na caldeira com o ar de combusto,preaquecido fora da caldeira (preaquecedor de ar a vapor, etc) (kJ/kg); Qv a energia introduzidana fornalha com o vapor usado na atomizao do leo combustvel e sopragem de fuligem (kJ/kg);e Qcd a energia utilizada para decompor os carbonatos presentes no combustvel (kJ/kg) (saplicvel na combusto de xistos, e se desprezada na avaliao do PCI).

O calor sensvel do combustvel depende unicamente da sua temperatura:

Tabela 1. Calor especfico doscombustveis slidos secos a25(C [12]Combustvel Cp seco

(kJ/kg(C)

onde Cpcomb o calor especfico do combustvel(kJ/kg.(C), e Tcomb sua temperatura ((C). A temperaturamdia de utilizao dos combustveis slidos situa-se nafaixa de 15 a 35(C, mas na regio sul pode ser abaixo dezero no inverno. Para degelar um combustvel gelado, sonecessrios 3,3.W (kJ/kg comb), onde W o teor deumidade do combustvel (%).

Para os combustveis slidos a 25(C:

XistoTurfaLinhitoCarvoAntracito

1,051,301,090,960,92

0,01.W) (1 Cp + 0,042.W = Cp secocombNa combusto do leo combustvel, o calor sensvel deve ser sempre levado em

considerao, uma vez que para a atomizao o leo preaquecido no queimador acima de 100-130(C. Para o leo combustvel, na faixa de 90-130(C:

Q Q + Q + Q + PCI = Q cdvaexcombd

T Cp = Q combcombcomb

T0,0025. + 1,74 = Cp combcomb

O balano trmico deve ser independente das condies atmosfricas. Assim, a entalpiaintroduzida com ar atmosfrico utilizado na combusto, no levada em considerao (equao23-24). A quantidade de calor introduzido no ar de combusto por um preaquecimento externo caldeira dada por:

onde a a quantidade relativa de ar que passa atravs do preaquecedor externo, Va o volume doar de combusto (m3/kg comb), Cpa o calor especfico do ar, Ta' a temperatura do ar preaquecidoexternamente, e Tatm a temperatura do ar frio (atmosfrico). Na ausncia de indicaes especiais,pode-se considerar para a realidade brasileira Tatm = 25 a 30(C. Nos ventiladores de tiragemforada que produzem um grande salto de presso P (MPa) > 0,01 MPa, deve-se considerar ocalor introduzido no ar pelo ventilador Ta'((C)=1000 P.

Utilizando-se vapor para a atomizao do leo combustvel, necessrio considerar ocalor introduzido com o vapor:

onde Dv consumo de vapor para a sopragem de fuligem (Dv = 0,7-0,8 kg/kg combustvel) e paraa atomizao (kg/kg combustvel) (Dv = 0,3-0,4 kg/kg comb para a atomizao a vapor e 0,02-0,03para atomizao mista mecnica-vapor), Hv a sua entalpia, e H" a entalpia do vapor levado pelosprodutos da combusto temperatura Twg (kJ/kg vapor).

Na combusto de xistos, uma certa quantidade de energia gasta para dissociar oscarbonatos durante a combusto:

onde k o coeficiente de decomposio dos carbonatos (k = 0,77 para a combusto em camadae k = 1,0 para combusto pulverizada), CO2cd o teor de CO2 (%) presente nos carbonatos.

Assim, a energia disponvel para combusto dos vrios tipos de combustvel pode serdeterminada pelas seguintes frmulas:- Para antracitos, carves minerais e hulhas com baixo teor de umidade e de enxofre, carves vegetais: Qd = PCI- Para carves midos (W (%) > 0,0016 PCI) e para carves e leos com alto teor de enxofre: Qd = PCI + Qcomb + Qaex- Para leo combustvel atomizado com vapor: Qd = PCI + Qcomb + Qaex + Qv- Para gs natural: Qd = PCI- Para combusto de xistos: Qd = PCI - Qcd

ENERGIA TIL (Q1)

O calor absorvido pelo fluido de trabalho (gua ou vapor) na caldeira por kg (ou m3) decombustvel, pode ser calculado pela seguinte frmula:

)TT( Cp V = Q atmaaaaaex

)"HH(D = Q fvvv

2CO k 40,5 = Q cdcd

onde Qu a energia til (kW), Dsp e Dst so respectivamente as vazes do vapor superaquecido esaturado supridos separadamente aos consumidores (kg/s); Drh a vazo do vapor reaquecido (kg/s);Dbw a vazo gua de purga (blow-off) (kg/s). Hsp, Hst, Hfw e H' so respectivamente as entalpiasdo vapor superaquecido, vapor saturado, gua de alimentao e da gua temperatura de saturaona presso do tambor (kJ/kg). H'rh e H"rh so respectivamente as entalpias do vapor antes apso reaquecedor (kJ/kg); Qh a entalpia da gua ou ar, aquecidos na caldeira e supridos a consumoexterno (kJ/s) e B o consumo de combustvel (kg/s ou m3/s).

Se a caldeira no possui uma estao desmineralizadora, a gua de alimentao possuigrande quantidade de sais dissolvidos (> 100 mg/l), que se acumulam no circuito da caldeira, poisno so carregados pelo vapor gerado. A concentrao de sais dissolvidos nas caldeirasaquatubulares no deve exceder 2000 a 3000 mg/l. A fim de manter a concentrao de saisdissolvidos nas dentro dos valores recomendados e remover a borra salina formada, retirada umafrao da gua do circuito da caldeira. Em caldeiras de pequena capacidade, onde no necessriouma alta qualidade de vapor, efetuada a cada 6 ou 8 horas de operao uma purga peridica. Apurga peridica efetuada no fundo da caldeira, onde se acumula uma maior quantidade de lama.Em caldeiras de mdio e grande porte, so utilizadas tanto a purga contnua quanto a peridica. Apurga contnua efetuada no tambor superior da caldeira, onde a concentrao salina mxima,devido evaporao.

Se a vazo de purga no medida diretamente, ela calculada a partir de Cbw,alcalinidade especificada para a gua da caldeira (mg/l), e Cfw, alcalinidade da gua de alimentao(mg/l):

Como pode ser perdida uma considervel quantidade de energia com a gua de purga, aquantidade de gua retirada deve ser cuidadosamente controlada. Nas caldeiras com purga contnuanormalmente Dp < 2%, o que resulta numa retirada de calor til inferior a 0,5%. Nas centraistermoeltricas de condensao esta perda se situa na faixa de 0,5-2,0%, podendo atingir 3% nascaldeiras com co-gerao.

O calor utilizado na caldeira tambm pode ser expresso em funo do calor absorvido emcada superfcie de aquecimento:

onde Qf o calor absorvido pelo fluido de trabalho nas paredes de gua (fornalha) (kJ/kgcomb),Qsp o calor absorvido nas superfcies convectivas do superaquecedor (kJ/kg comb), Qrh o calorabsorvido no superaquecedor secundrio (kJ/kg comb) e Qec o calor absorvido no economizador(kJ/kg comb).

BALANO TRMICO E RENDIMENTO DA CALDEIRA

A caldeira uma mquina trmica, e, como tal, obedece s leis fundamentais datermodinmica. A quantidade de energia introduzida na caldeira com o combustvel e o

[ ] Q+)H(HD+)H"H(D+)HH(D+)HH(D = Q hfwbwrhrhrhfwststfwspspu B / Q = Q u1

)D+D(CC

C = D ssshfwbw

fwbw

Q+Q+Q+Q = Q ecrhspf1

comburente (Qd), igual soma da energia utilizada (Q1) e das perdas de energia (Q2 a Q6). Aequao do balano trmico corresponde operao contnua da unidade da caldeira, sobcondies trmicas de operao em regime permanente (presso, consumo de vapor, qualidade docombustvel, excesso de ar etc, constantes). Esse balano trmico geralmente expresso em funoda quantidade de combustvel (kg dos slidos e lquidos e m3 dos gases) queimados em regimepermanente na caldeira.

Desprezando-se a variao da energia potencial (m.h.g) e da energia cintica (m.(v5/2)),que so insignificantes em relao s outras grandezas, tem-se:

O clculo do rendimento da caldeira baseado na medida direta da energia til, chamadoclculo do rendimento pelo Mtodo do Balano Direto (equao 1). Este mtodo somente empregado em instalaes de caldeira em operao, no sendo aplicvel ao projeto de novasinstalaes, uma vez que a equao contm 2 variveis interrelacionadas: b e B. Alm disto, comoas medies de vazes de vapor, ar e combustvel so sujeitas a erros significativos, ele nopermite o clculo do rendimento trmico com preciso suficiente nas grandes caldeiras. Ele s recomendvel no clculo do balano trmico de pequenas caldeiras, e particularmente nas que sooperadas intermitentemente.

Q+Q+Q+Q+Q+Q+ )2v(m. + m.h.g = Q 654321

2

d

q+q+q+q+q+q = 100 654321

Q+Q+Q+Q+Q+Q = Q 654321d

Tabela 2 - Valores tpicos das perdas trmicas em caldeiras a vapor [7 ]

Perdas Trmicas %

Com os gases efluentes Com a combusto incompleta Com o combustvel no queimado Pelo costado Com a entalpia das escrias etc

q2 q3 q4 q5 q6

4 - 7 0 - 0,5 0,5 - 5 0,2 - 1 0 - 3

Total q1 6 - 12

O Mtodo do Balano Inverso, ie, determinar o rendimento bruto da caldeira pela somadas perdas de energia, produz um resultado mais preciso que o balano direto, uma vez que a somadas perdas de energia constituem aproximadamente 10% de Qd e todos estes itens podem sermedidos de maneira confivel. Este o nico mtodo disponvel para estimar o rendimentotrmico de caldeiras novas durante o estgio de projeto. As perdas q3, q4, q5 e q6 so supostas,calcula-se ento a perda q2 e determina-se o rendimento:

Se so conhecidas as perdas de energia, e conseqentemente o rendimento bruto dacaldeira, pode-se utilizar as frmulas (1) e (9) para encontrar o consumo de combustvel na caldeira(kg/s):

O consumo de combustvel assim obtido o valor bsico para o clculo do sistema depulverizao da caldeira. Na combusto de slidos, muitas vezes, o combustvel no completamente queimado, existindo uma perda de energia devido ao carbono no consumido q4.Para se calcular o volume real dos produtos da combusto e o coeficiente de excesso de ar dacombusto, introduzido o conceito de taxa de consumo de combustvel:

O rendimento bruto caracteriza a perfeio de operao do sistema trmico da caldeira.Entretanto, em operao normal, a caldeira depende de um grande nmero de mquinas edispositivos auxiliares, que consomem uma parcela da energia. O rendimento lquido de umainstalao termoeltrica net caracteriza o rendimento de operao da caldeira em termos da energiaeltrica entregue aos consumidores:

onde Qaux o consumo de calor auxiliar da instalao da caldeira (kJ/kg comb): consumo de vapordos sopradores de fuligem, atomizao do leo e perdas com a gua de purga etc. Ele determinado pela medio direta ou pelo balano de perdas trmicas. Qele o consumo de calorpara a produo da energia eltrica que consumida pela unidade da caldeira e seus mecanismos

)q+q+q+q+q100( = QQ100 = 65432

d

1b

[ ]Q 0,01

Q+)H(HD+)H"H(D+)HH(D+)HH(D = Bdb

hfwbwrhrhrhfwststfwspsp

)q (10,01 B = B 4r

QQ+Q =

QQ Q Q =

d

auxeleb

d

auxele1net

(kJ/kg comb): consumo de eletricidade dos ventiladores de tiragem forada e induzida, moinhosde carvo, alimentadores de combustvel, bombas de alimentao, motores eltricos do sistema decontrole, instrumentao etc. Para caldeiras acopladas a turbinas (termoeltricas ou co-gerao):onde N a potncia consumida pelas mquinas e mecanismos da planta da caldeira (kW), ele orendimento trmico total da termoeltrica (%). Nas caldeiras de alta capacidade, Qele = 4-5%.

ANLISE DAS PERDAS DE ENERGIAPerda de energia pelos gases efluentes (Q2)

De acordo com a tabela 2, a perda de energia pelos gases efluentes o item maisimportante do balano trmico, atingindo 4-7 % nas caldeiras de grande capacidade, e 10-20% nascaldearas de pequena capacidade. Esta perda de energia ocorre devido o fato dos produtos dacombusto deixarem a caldeira a alta temperatura (115-150(C nas caldeiras de grande capacidadeou mais nas de pequena capacidade).

O clculo baseado nas leis de Hess e Kirchhoff para as reaes qumicas:

onde Vg o volume total dos produtos da combusto (m3, CNTP), Cpg o calor especfico mdiodestes produtos, Twg a temperatura de sada da caldeiras dos produtos ((C) e Tpci a temperatura naqual o poder calorfico do combustvel foi avaliado (normalmente 25(C).

Muitas normas de balano trmico [1,2] simplificam a equao (19), considerando o ar mesma temperatura de avaliao do poder calorfico do combustvel (Tpci = Tatm):

Fazendo o balano trmico em referncia a 0(C, leva-se em considerao a variao daentalpia dos produtos da combusto em relao ao ar introduzido na caldeira (tanto o controladoquanto infiltrado):

onde Hwg a entalpia dos gases efluentes (kJ/kg comb), e Hatm a entalpia do ar de combusto temperatura atmosfrica (kJ/kg comb). Assim, a perda de energia Q2 depende da temperatura Twge do volume dos gases efluentes, ie, funo do coeficiente de excesso de ar na sada da caldeirawg = + ( o coeficiente de excesso de ar na fornalha e o fator de infiltrao de ar atravsdos diversos elementos da caldeira). A caldeira deve ser operada com o menor excesso de ar, queassegure a queima completa do combustvel, e com o mnimo de infiltraes de ar. O termo (1-

eleele B

N 100 = Q

)TT(CpV)TT(CpV = Q pciatmararpciwggg2

)TT( Cp V = Q atmwggg2

TCpVTCpV = Q atmaawggg2

)q)(10,01H H( = Q 4atmwg2

Q/Q100 = q d22

0,01q4) na equao (22) a correo para a combusto incompleta do combustvel.

onde Vdg e Vv so os volume dos gases secos e vapor de gua, incluindo a vazo de vapor paraatomizao e sopragem de fuligem Dv (eq.7) (m3/kg comb), Cpdg e Cpv o calor especfico dosgases secos e do vapor de gua, calculados em funo de Twg (kJ/m3.K), A.avol.Cpash/100 a perdade energia com as cinzas volantes (a ser considerada quando A.avol/PCI > 1430); A o teor de cinzasdo combustvel (%), avol a frao de cinzas arrastadas com os gases para fora da fornalha (a serdeterminada experimentalmente); Cpash o calor especfico das cinzas (kJ/kg.K).

onde Cpa o calor especfico do ar frio (kJ/m3(C); Tatm a temperatura do ar frio na casa dacaldeira ((C) (Cpa.Tatm 39,5 kJ/m3); da a umidade absoluta do ar (8-12 g/kg); Hv a entalpia dovapor-d'gua no ar (kJ/kg) (Hv = 1,97.Tatm); Va a vazo de ar estequiomtrcio (m3/kg comb).

Tabela 3 - Calor Especfico mdio dos produtos da combusto [8]

Gs Vmol Calor Especfico mdio presso constante 1 atm (kJ/kmol.K) Erro %

CH4COCO2H2H20N2O2

22,3622,4022,2622,4022,4022,4022,39

Cp=-672,87+439,740,25-24,8750,75+323,88-0,5Cp=69,145-0,704630,75-200,77-0,5+176,76-0,75Cp=-3,7357+30,5290,5-4,1034+0,0241982Cp=56,505-702,74-0,75+1165,0-1-560,70-1,5Cp=143,05-183,540,25+82,7510,5-3,6989Cp=39,060-512,79-1,5+1072,7-2-820,40-3Cp=37,432+0,0201021,5-178,57-1,5+236,88-2

0,150,420,190,600,430,430,30

= T (Kelvin)/100 Vmol = M3/kmol (1 atm, 0(C)

Diminuindo a temperatura dos gases efluentes de 15-20(C, diminui-se q2, e aumenta-seo rendimento da caldeira em aproximadamente 1%. Isto pode ser alcanado pela instalao de umaseo convectiva adicional Sc. Quanto maior for esta rea adicional, maior ser a reduo datemperatura dos gases efluentes.

Para se encontrar a temperatura tima de sada dos produtos da combusto Twg-op, necessrio realizar um balano tcnico-econmico. A escolha do valor de Twg influencia de modosignificativo o tamanho das superfcies de aquecimento do economizador, preaquecedor de ar epreaquecedor regenerativo. O aumento destas superfcies aumenta a perda de carga no circuito degases e de gua, bem como o consumo de energia das bombas de alimentao de gua e dosventiladores. Pode ser necessrio tambm um aumento da altura da chamin, de modo a promoveruma melhor tiragem dos produtos da combusto.

Assim, os custos adicionais envolvidos com a instalao de economizadores epreaquecedores de ar podem ser calculados por:

T 100Cp a A + Cp V + Cp V = H wgash

volvvdgdgwg

wgo

vaatmaatm Va)H d 0,0016 + T Cp( = H

onde $ah e $ec so os custos das superfcies de aquecimento adicionais do preaquecedor de are do economizador, $bl o custo do aumento da energia eltrica para acionar os ventiladores(associado ao aumento da perda de carga no circuito de ar-gs), $st o custo de construo de umachamin maior, $wh a economia no preaquecedor de gua e $comb a economia de combustvel.A temperatura tima de sada Twg-op encontrada pela minimizao dos custos calculados: $ /Twg = 0. No projeto de instalaes de caldeiras, a prtica adota usualmente valores de Twg na faixade 120-160(C.

Figura 2 - Determinao da temperatura tima de sada dos gases.(a) Dependncia do custo das superfcies de aquecimento e do combustvel.

- Gastos com as superfcies de aquecimento. - Gastos com combustvel mais caro e mais barato. - Custo total calculado com combustvel mais caro e mais barato.

(b) Dependncia da temperatura da gua de alimentao e da umidade do combustvel.- Limites para combustveis secos (W < 0,7%).- Limites para combustveis midos (W = 1-5%).

Curvas tpicas da temperatura tima de sada dos gases em funo dos fatores econmicosso mostrados na figura 2. A temperatura tima de sada dos gases depende do preo e qualidadedo combustvel e, principalmente, do seu teor de umidade. Quando o preo do combustvel alto,a economia no consumo de combustvel justifica a ampliao das superfcies de aquecimento e,assim, obter uma temperatura de sada dos gases mais baixa (figura 2a). Um alto teor de umidadeno combustvel aumenta o volume dos produtos da combusto e seu calor especfico, uma vez queo vapor de gua possui um calor especfico muito maior do que os gases secos. Assim, para seresfriar os gases efluentes de maior teor de umidade o mesmo Twg, necessrio absorver umamaior quantidade de calor, o que requer uma adio de superfcies de aquecimento. Para umcombustvel mido, mais barato ou do mesmo preo, aumentar a rea das superfcies deaquecimento pode no ser economicamente vivel. Assim, a temperatura tima de sada dos gasessobe quanto maior o teor de umidade do combustvel (figura 2b).

Um aumento nos parmetrosdo vapor produzido (temperatura e presso) pode aumentarde maneira significativa a eficincia do processo onde utilizado, o que justifica um aumento natemperatura da gua de alimentao. Por outro lado, o aumento na presso do vapor, aumenta ocusto dos equipamentos da caldeira, bem como no consumo de energia nas bombas de alimentao

$$$+$+$+$ = $ combwhstblecah

de gua. Como mostrado anteriormente, um aumento na temperatura da gua de alimentao Tfw,resulta em uma temperatura de sada dos gases Twg maior, e um custo mais alto. Alm disso, aspossibilidades termodinmicas de aumentar o rendimento das caldeiras so sempre restritas.

No caso das instalaes de caldeiras que funcionam periodicamente, como astermoeltricas, que so operadas somente nos perodos de demanda elevada, o problema deminimizao do custo da instalao mais importante que a diminuio na temperatura de sadados gases. Por esta razo, caldeiras deste tipo so caracterizadas por parmetros de vapor baixos,e alta temperatura de sada dos gases (Twg = 160-200(C).

Tabela 4 - Temperaturas recomendadas de sada dos gases (1C)[8]

Combustveis lquidos e gasosos Twg((C)leo combustvel c/ alto teor de enxofre S > 2%leo combustvel c/ enxofre 0,5 < S < 2,0%leo combustvel c/ baixo teor de enxofre S < 0,5%Gs Natural

150-160130-140110-120110-120

Presso Mdia Presso Alta SupercrticaCombustveisSlidos

4-6 MPa1501C

8-12 MPa215(C

14-18 MPa235(C

24 MPa 265(C

W < 0,7% kg/MJ1% < W < 5%W > 5% kg/MJ

110110-120130-140

110120-130160-170

110120-130160-170

110130-140170-180

Na escolha do valor timo da temperatura de sada dos gases, deve ser levado emconsiderao tambm a corroso das superfcies de aquecimento a baixas temperaturas,especialmente da superfcie do preaquecedor de ar, pelo H2SO4 formado. Para evitar isto, caldeirasque queimam combustveis com alto teor de enxofre (S > 2%) so projetadas para uma altatemperatura de sada dos gases (140-160(C) e com um preaquecimento preliminar do ar decombusto (60-801C) antes do preaquecedor de ar.

Perda de energia devido a combusto incompleta (Q3)

Os produtos da combusto podem conter certos componentes gasosos combustveis, taiscomo o CO, H2 ou CH4. A queima destes componentes aps a sada da fornalha praticamenteimpossvel, uma vez que a temperatura dos gases e a concentrao destes componentescombustveis muito baixa. A energia que pode ser produzida pela ps-queima destescomponentes constitui a perda de energia pela combusto incompleta Q3 (kJ/kg) ou q3 (%),calculada pela seguinte equao:

)q(10,01VCH4) 358,2 + H2 108 + CO (126,4 = Q 4dg3

onde CO, H2 e CH4 so as concentraes volumtricas dos produtos da combusto incompleta nosgases secos (%), Vdg o volume dos gases secos (m3/kg comb), (100-q4) a taxa de converso docombustvel (%). Os valores ligados a cada smbolo de gases so seus respectivos poderescalorficos (1/100) (kJ/m3).

onde C e Svol so respectivamente os teores de carbono e enxofre voltil do combustvel (%),CO2... os teores de CO2... medidos nos produtos da combusto secos (%).

Em caldeiras criteriosamente projetadas e operadas, na queima de combustveis lquidose gasosos q3 < 0,5%, e na queima de combustveis slidos, normalmente pequena e desprezvel.Em fornalhas alimentadas manualmente, mal operadas, queimando carves de alta umidade, estaperda pode atingir 5%. Normalmente esta perda de energia determinada s pelo teor de CO e,mais raramente, tambm pelo teor de H2 nos produtos da combusto. O aparecimento de CH4 nosprodutos da combusto indicativo de uma combusto mal feita. A anlise de combustoincompleta deve ser sempre feita para todos os seus componentes, como na frmula acima, umavez que um pequeno teor de CH4 influencia muito q3.

A perda de energia devido a combusto incompleta, depende sobretudo do excesso de are da carga da caldeira (figura 3). Uma mistura ar/combustvel perfeita (1), assegura que a perda deenergia devido a combusto incompleta ocorra somente com < 1. Em condies reais (2), oaparecimento desta perda com = 1, carga mxima da caldeira indicativo de uma misturaar/combustvel imperfeita. A combusto incompleta no pode aparecer acima do chamadocoeficiente crtico de excesso de ar cr (normalmente cr = 1,02-1,03), que caracteriza a perfeioaerodinmica do queimador. Com a caldeira operando em baixa carga (3), as vazes decombustvel e ar no queimador diminuem (diminuindo assim a energia para misturar estes fluxos),e a temperatura na zona de combusto tambm diminui um pouco, o que resulta num acrscimoda perda de energia q3.

)q(10,01CH4) + H2 + CO + SO2+ (CO2

CH4) 358,2 + H2 108 + CO (126,4)S 0,375 + (C 1,86 = Q 4vol3

Perda de Energia Devido ao Combustvel No Queimado (Q4)

A perda de energia com o combustvel no queimado (kJ/kg comb) determinada pelapresena de matria combustvel no queimada nas escrias ou cinzas retiradas da fornalha e ascinzas volantes arrastadas pelos gases. Na queima de combustveis slidos esta perda devidoessencialmente s partculas de coque retiradas da zona de combusto com escrias, cinzas oucinzas volantes. Durante o perodo de permanncia dessas partculas na zona de combusto, elasliberam os volteis, mas no so totalmente consumidas. Na queima de leo combustvel e gsnatural, essa perda de energia apresenta-se sob a forma de partculas slidas (remanescentes apsa evaporao das gotas do leo: cenosferas) ou de partculas de fuligem, que podem ser formadasnas zonas de combusto a alta temperatura, com deficincia de oxignio ( < 0,6).

C100

Ca + C100

C a A 3,21 = Qvol

volvol

+cinesc

+cinesc+cinesc4

onde aesc+cin e avol so respectivamente as fraes de cinza do combustvel, presente nasescrias+cinzas e cinzas volantes (%); Cesc+cin e Cvol so o teor de matria combustvel presentenas escrias+cinzas e nas cinzas volantes (%), determinadas em laboratrio; A o teor de cinzas docombustvel (%). Nos casos onde a quantidade de cinzas pequena, aesc+cine avol podem sercalculadas pelos dados operacionais.

A perda q4 depende das caractersticas do combustvel (teor de cinzas, teor de volteis,presena de finos, craqueamento), do tipo de fornalha, das condies de combusto etc. Na queimade combustveis slidos, sob condies normais de operao, em fornalhas de grande porte,situa-se na faixa de 0,5-5,0%, sendo o limite inferior obtido com combustveis de alto teor devolteis (linhitos e carvo betuminoso), e o superior com combustveis de baixa reatividade (baixoteor de volteis, ex. antracito). Para carves, q4 = 0,5-2%. Em fornalhas de pequeno porte podeatingir 10-15%. Na combusto de gs natural ou leo combustvel normalmente baixa (q4 op,a temperatura na zona de combusto diminui, resultando uma taxa de combusto baixa. Almdisto, o volume dos produtos da combusto aumenta, diminuindo o tempo de permanncia daspartculas na zona de alta temperatura. Estes dois fatores aumentam o valor de q4.

Figura 4 - Perda de energia devido ao carbono no consumido 4a - Influncia do tipo de combustvel nas fornalhas de fundo seco q4. 4b- Influncia da temperatura do preaquecimento do ar.

O valor elevado de q4 nos combustveis de baixa reatividade (antracito, semi-antracito), devido ao retardo de ignio das partculas de coque e a queima lenta na regio de difuso. Estescombustveis so assim, altamente sensveis s variaes nas condies de operao. Por exemplo,a figura 4b mostra a influncia da variao da temperatura do ar preaquecido.

Perda de Energia pelo Costado (Q5)

Uma vez que a temperatura do costado da caldeira e de outros elementos (tambor,aquecedor, dutos de vapor) superior temperatura do ar ambiente, existe uma dissipao trmicapara o meio ambiente, que consiste a perda de energia Q5 (kJ/kg comb):

onde Sbw a rea da superfcie do costado e demais elementos da caldeira (m5), hc e hr so oscoeficientes de transmisso de calor por conveco e radiao (kW/m5.K), e Tbw e Tex sorespectivamente as temperaturas mdias do costado e meio ambiente na sala da caldeira ((C).

)TT)(h+h(BS = Q exbwrc

r

bw5

A dissipao trmica pelo costado praticamente constante a qualquer carga da caldeira(mdia 200-300 kW/m5), e proporcional temperatura do revestimento e do isolamento trmico.As superfcies externas das caldeiras e seus elementos devem estar bem isoladas termicamente, demodo que Tbw seja inferior a 55(C. Com o aumento da carga da caldeira, Q5 (kJ/kg comb) e q5 (%)tornam-se menores, porque a energia liberada e o volume dos produtos da combusto aumentammais rapidamente que a perda pela superfcie exposta da caldeira. Para a carga nominal, q5 normalmente obtido por grficos (figura 5), para caldeiras at 700 ton/h, e considerado constante(q5 = 0,2%) para potncias maiores. Para caldeiras operando com carga diferente da nominal, aperda de energia absoluta atravs do costado permanece virtualmente constante. Assim, a perdarelativa aumenta com a carga trmica:

onde Dn a carga nominal e q5n a perda na carga nominal. A perda q5 para D < Dn mostrada nafigura 5 pelas linhas pontilhadas.

Como pode-se ver na figura 5, a perda q5, em caldeiras de alta capacidade no alta.Geralmente pode-se assumir que esta perda distribuda pelos diversos elementos da caldeira,proporcionalmente ao calor absorvido por cada um, e representado pelo coeficiente de reteno decalor :

/D)D(q = q n5n5

q+q 1 =

5b

5

Perda de Energia Devido Entalpia das Escrias etc (Q6)

A perda trmica Q6 inclui a perda devido a entalpia da escria e ao resfriamento depainis, dutos, vigas e chamin, que no pertencem ao sistema de circulao da caldeira. Asescrias lquidas retiradas do fundo da fornalha encontram-se a uma alta temperatura, no mnimo100(C superior temperatura do incio da fuso das cinzas. Assim uma quantidade de calor transferida, de modo irreversvel, para a gua de resfriamento no banho da escria. Esta constituia perda de energia devido ao calor sensvel das escrias Q6, que para caldeiras de fornalha fechada,com qualquer tipo de remoo de escria, calculada por:

onde 100-avol a frao total das cinzas que so removidas com as escrias da fornalha, Hesc aentalpia da escria (kJ/kg) e A o teor de cinzas do combustvel (%), como queimado.

Tabela 4 - Entalpia das escrias dos combustveis slidos [3]

Tesc (C 600 1300 1400 1500 1600Hesc kJ/kg 560 1360 1580 1760 1870

A perda de energia q6 depende principalmente do mtodo de remoo de escrias dafornalha. Para caldeiras de cmara fechada e fundo seco, q6 levado em considerao somentecom combustveis de alto teor de cinzas (Ar > Qd/419 %), pois com combustvel de baixo teor decinzas, q6 insignificante. Em fornalhas de fundo seco, aesc = 0,05-0,1 e a temperatura da escria de 600-700(C. Em fornalhas de fundo mido, a temperatura de retirada da escria Tesc emmdia 1400-1600(C. A frao de cinzas retiradas pelo fundo da fornalha aumenta para aesc =0,15-0,3 em fornalhas de cmara nica. Em fornalhas ciclones este valor pode atingir 0,5-0,7.Nestes casos a perda q6 deve ser sempre levada em considerao. Se a temperatura da escria nopode ser medida diretamente, ela pode ser tomada como aproximadamente 600(C, para caldeirasde fundo seco e para caldeiras de fundo mido, 100(C superior temperatura do incio da fusodas cinzas.

A perda de energia devido ao resfriamento de painis e vigas que no pertencem aosistema de circulao da caldeira (dutos, chamin), raramente levada em considerao. Paracaldeiras de capacidade 320-100 ton/h, cerca de 0,1-0,35%.

OTIMIZAO DO EXCESSO DE AR DE COMBUSTO

O coeficiente de excesso de ar deve ser suficientemente baixo para minimizar a perda decalor Q2, sem produzir combusto incompleta (Q3+Q4). Alm disso, o valor timo de depende deuma combusto estvel e dos limites de poluio impostos para NOx e CO. Ele obtidoexperimentalmente a vrias cargas (nominal, intermediria, mnima e limite mnino de controle),pela anlise dos produtos da combusto.

Q 100H A )a(100 = q

d

escvol6

A partir da anlise das perdas de energia, verifica-se que alguns itens dependem demaneira significativa (e de diferentes modos) do excesso de ar (q2, q3, q4). Isto essencial para seestabelecer o coeficiente timo de excesso de ar de operao, no qual minimizada a perda deenergia total da caldeira. Neste caso, a perda de energia q2 relacionada com o coeficiente deexcesso de ar na fornalha (), assumindo que as infiltraes de ar ao longo dos dutos de gases constante: i = cte. A otimizao do coeficiente de excesso de ar na operao econmica determinado por mtodo grfico, encontrando o valor mnimo da soma das perdas energticas:

Na combusto de carvo pulverizado, o excesso de ar ajustado variando o ar secundrio,mantendo constante o ar primrio. O coeficiente de excesso de ar analisado na faixa de (1,10-1,15) at no mximo (1,45), dependendo do mtodo de remoo de escrias e do teor de volteis.Nestes ensaios deve-se assegurar uma operao estvel, uma temperatura do vapor superaquecidoconstante, a produo de escria fundida necessria, e um operao confivel das superfcies deaquecimento. Estes ensaios devem ser interrompidos se qualquer superfcie de aquecimento atingira temperatura limite. Na combusto slidos (figura 6b), as perdas de energia q2 e q4 tm um efeitoimportante sobre o coeficiente de excesso de ar timo. Neste caso, opt um pouco menor que ovalor de correspondente ao mnimo de q4.

Na combusto de combustveis lquidos e gasosos so realizados ensaios na faixa de 1,15e 1,02, para leo combustvel e 1,10 e 1,02 para gases. encontrada a relao q3 = f() edeterminado o coeficiente de excesso de ar crtico cr, abaixo do qual aparecem os produtos dacombusto incompleta (CO, H2 etc). Em seguida so realizados ensaios na faixa entre cr e cr+ (1a2%), para a analisar o efeito de nas perdas com os gases efluentes e com a combustoincompleta, no rendimento bruto, no consumo de energia para tiragem, e na transmisso de calorno superaquecedor e demais superfcies de aquecimento, para cada carga da caldeira. A perda q4 quase sempre inferior a 0,3% e desprezada. A figura 6a mostra uma curva tpica das perdas deenergia q2+q3=f() na combusto do gs natural e do leo combustvel. Pode-se ver que o excessode ar timo na fornalha prximo de cr, uma vez que a curva q2 = f() encontra-se num patamar

)f( = q + q + q + q ele432

na regio prxima a cr. Entretanto, deve ser levado em conta a sensibilidade do circuito decontrole automtico da combusto. Assim:

0,22) a (0,04+ = crop

O valor timo econmico do excesso de ar pode ser inviabilizado pelos nveis de emissode NOx e CO. Pequenos excessos de ar geram altas temperaturas de chama, e baixos teores de O2e N2. A emisso do NOx atinge o mximo a um excesso de ar entre 1,05 e 1,3. Diminuindo oexcesso de ar, a formao do NOx diminui rapidamente, porque os teores de O2 e N2, potenciaisformadores de NOx, diminuem. Com o aumento do excesso de ar o teor de NOx tambm diminui,devido diminuio da temperatura da chama. Abaixo de 1500(C a formao de NOx diminuidrsticamente. Assim, o valor do excesso de ar deve ser escolhido de modo a respeitar as normasambientais e o balano econmico.

RENDIMENTO TRMICO MDIO

Os maiores valores de rendimento trmico da caldeira so obtidos operando-a em regimepermanente na carga mxima. Entretanto, o regime de operao da caldeira dinmico (a cargada caldeira varia com o tempo). Assim, o rendimento real da caldeira deve ser avaliado,considerando todo o regime operacional, a partir do clculo do rendimento trmico mdio notempo.

onde Qu(t), Qd(t) e b(t) so respectivamente a energia til, a energia disponvel e o rendimentobruto, instantneos, e n o nmero de medies.

Se a vazo de combustvel for constante, (ex, na combusto de leo ou carvopulverizado), o rendimento mdio da caldeira pode ser determinado pela equao (37). A energiadisponvel medida diretamente e o rendimento instantneo calculado pelo mtodo indireto.

ANLISE DA INCERTEZA NA DETERMINAO DO RENDIMENTO TRMICO

Determinao do rendimento da caldeira pelo mtodo do balano indireto

O mtodo do balano trmico indireto determina a perda trmica total (q = q2 + q3 + q4+ q5 + q6). Assim a incerteza na determinao do rendimento trmico n (%) uma funo daincerteza de cada uma das perdas trmicas, e pode ser calculada pela frmula de propagao devarincia.

Q

Q =

Q B

Q =

Q B

Q =

d(t)

n

1

b(t)d(t)

n

1

d(t)

n

1

u(t)

n

1

d

t

0

u

t

0b

A incerteza da perda de calor com os gases efluentes determinada pela incerteza de cadacomponente da equao de clculo (21-23), ie, o volume e temperatura dos gases efluentes e ar frioe PCI. A incerteza na determinao do volume do vapor-d'gua pequena e normalmentedesprezada. Assim a incerteza da perda q2 (%) pode ser calculado por:

A incerteza do volume dos gases efluentes inclui a incerteza da amostragem e anlise docombustvel e produtos da combusto. Com uma combusto completa tem-se:

onde C e S sos os teores de carbono e enxofre do combustvel (%) e RO2 os teores de CO2 e SO2nos produtos da combusto e k = (C + 0,37 S). A incerteza na determinao do volume dos gasessecos (%) pode ser calculado com suficiente preciso por:

De acordo com resultados experimentais Vdg = 2,5-5%. A incerteza na temperatura dosgases efluentes estimada em 2,5-5% e a incerteza na avaliao do poder calorfico normalmenteno ultrapassa 2% para combustveis slidos, e 0,5-0,7% para combustveis lquidos e gasosos. Emmuitos casos q2 se situa na faixa 4,5-8%, sendo os menores valores obtidos com os combustveisgasosos, lquidos e slidos secos.

Uma frmula similar utilizada para determinar a perda de energia devido combustoincompleta (%), sob as mesmas consideraes:

onde PCIg a incerteza na determinao do poder calorfico dos gases combustveis presentes nogases efluentes (kJ/m3 gases). A incerteza mxima q3 estimada em 12-15%, dependendo do tipode analisador de gas utilizado.

A incerteza devido a perda de calor devido ao carbono no queimado q4, depende dapreciso da determinao do balano das cinzas, levantando a amostra mdia das escrias, cinzase sua anlise, e o erro na determinao do PCI do combustvel. Deve ser notado queo balano decinzas podem tanto ser determinado diretamente (por pesagem) quanto avaliado a partir de dadosda literatura. Baseado num grande nmero de testes, a incerteza da determinao direta do balanode cinzas estimada em 8-15%, que corresponde a q4=20-25%.

q

q 100

q = iqi26

2=i

2PCI2Twg

2Vdgq ++ = 2

2RO

k 1,854 = 2RO

S)0,37 + 1,854(C = V dg

22)RO

k 1,854(+2)RO

1,854(V100 = 2RO

22C

2

dgVdg

2PCIg2PCg

2Vdgq ++ = 3

Como j foi indicado anteriormente, as perdas trmicas pelo costado so avaliadas porgrficos. A incerteza na avaliao destas perdas varia na faixa de 12 a 45%.

A incerteza na determinao da perda trmica devido a entalpia das escrias q6, dependeda representatividade das amostras de cinzas e combustvel; e da incerteza na determinao do PCIdo combustvel e do teor de cinzas no combustvel e escrias. Estas incertezas, levando em contaa mdia das amostras de escrias, podem ser estimada entre 2-5%, e a incerteza provvel na perdatrmica q6 = 3,5-7%.

Deve ser notado que a incerteza na determinao do rendimento trmico, pelo mtodo debalano indireto, diminui com o aumento do rendimento (ie, com a diminuio das perdas trmicasqi). A incerteza normalmente encontrada no balano indireto inferior a 1%.

Determinao do rendimento da caldeira pelo mtodo do balano direto

Uma vez que a quantidade de vapor saturado retirado da caldeira somente uma pequenafrao da capacidade total de gerao (

dos processos que ocorrem nas caldeiras, e sirva como modelo para o clculo do balano trmico.

BIBLIOGRAFIA

[1] ARORA V.K. Check Fired Heater Performance. Hydr. Proc., v.64, n.5, p.85-87, Maio 1985.[2] ASME. Steam Generating Units Power Test Code, PTC-4.1, American Society of MechanicalEngineering, 8 Agosto 1972, 77p.[3] British Standart BS-2885: 1974. Code for Acceptance Test on Stationary Steam Generators ofthe Power Station Type.[4] FEHR M. An Auditor's view of Furnace Efficiency. Hydrocarbon Processing, v.67, n.11, p.93-96, Novembro 1988.[5] GANAPATHY V. Basic Program Computes Boiler and Heater Efficiencies. HydrocarbonProcessing, v.68, n.5, p.69-72, Maio 89.[6] IPT. Clculo da Eficincia de Utilizao de Combustveis em Geradores de Vapor. IN_Conservao de Energia na Indstria de Celulose e Papel; Manual de Recomendaes. So Paulo,CNP/FINEP/IPT, 1985, v.2, Apndice 5.[7] KUZNETSOV N.V, MITOR V.V. et alii. Teplovoy Raschet Kateknykh Agregatov. NormativniMetod. Moscou, Energia, 1973, 295p.[8] LIPOV Yu. M. SAMOILOV Yu. F. Kamponovka i Teplovoi Rastchet Parogheneratora,Moscou, Energia, 1975, 176p.[ 9] MESNY M. Generation del Vapor: Caldeira. Buenos Aires, Marymar, 1976.[10] MTODO Computacional para Clculo do Balano Trmico. Ishibras Tecnologia, Jan. 79.[11] MEUNIER J.P. Find the True Furnace Efficiency. Hydrocarbon Processing, v.64, n.2, p.77-80, Fevereiro 1985.[12] PANKRTOV G. Problemas de Termotecnia. Moscou, Mir, 1987, 236p.[12] PERZ E. A Computer Method for Thermal Power Cycle Calculation. Journal Engineering GasTurbine and Power, v.113, n.2, abril 1991.[13] ROUGHTON J. E. A Proposed on-line Efficiency Method for Pulverized-Coal-Fired Boilers,Journal of Institute of Energy, v.20, n.3, p.20-4, Maro 1980.[14] SCOTT T.C. SONNTAG R.E. Calor Especfico Presso Constante de Vrios GasesPerfeitos. No publicado, Universidade de Michigan, 1971, In: VAN WYLEY G.J. SONNTAGR.E. Fundamentos da Termodinmica Clssica, Edgard Blcher, p.291, 30 ed, 1993.[15] SHVETS I.T. et alii. Heat Engineering. Moscou, Mir, 1975, 581p.

ABSTRACT

The optimization of a boiler operational conditions is obtained from the thermalefficiency analysis. The thermal efficiency can be evaluated directly through the followingmeasurements: fuel and water consumption, steam temperature, pressure and flow, and heat value.It is well known that flow measurements are subjected to errors which can make it impossible forthe correct values of the thermal balance to be obtained. Flow measurements can be eliminatedfrom the balance evaluation by means of an adequate analytical procedure.

This work presents a revision and a discussion of a method to evaluate the thermalbalance in boilers aiming at a correct analysis from the thermodynamical point of view. Theequations involving all energy terms is presented, together with the analysis of the influence ofeach energy item in the thermal balance. Operational recomendations are also indicated, aiming

at the optimization of the thermal efficiency.

KEY WORDS: Boiler, Furnace, Thermal Balance.