parte 02 geração de vapor

Projeto de Sistemas de Vapor


Geração de Vapor


Caldeira Fogotubular


Burners

Pendant Superheater

Steam Drum

Convection Bank

Gas Baffles

Economiser

Caldeira Aquatubular


Caldeira Aquatubular


Caldeira Mista


Na água de alimentação

P1 - Ação de gases dissolvidos: 02, CO2 ... (corrosão)P2 - Ação da alimentação de água não modulada (queda de pressão)P3 - Choque térmico pela alimentação (ON/OFF)P4 - Sólidos suspensos na água de alimentaçãoP5 - Ação dos sólidos dissolvidos na água

Nas descargas

P6 - Perda de calor por descargas excessivasP7 - Perda de calor por descargas corretasP8 - Perdas de calor por descargas na limpeza do controle de nível P9 - Comprometimento da segurança da caldeira por descargas insuficientesP10 - Comprometimento do rendimento da caldeira por descargas insuficientes

Pela ação do combustível

P11 - Isolamento das tubulações pela ação da deposição de fuligemP12 - Pelo grande intervalo entre uma limpeza e outra da tubulação

Pela qualidade do vapor gerado

P13 - Título do vapor abaixo do desejado

Pelo descontrole da geração de vapor

P14 - Picos e vales na geração de vaporP15 - Pela ação de golpes de aríete ao alimentar as tubulações

Perdas Identificadas – Casa de Caldeira


Ela pode ser boa o suficente para beber, mas não boa o suficiente para a Caldeira?

Água


• Sólidos dissolvidos - formadores de incrustações. Os principais são os

carbonatos e sulfatos de cálcio e magnésio. Nem todos os sólidos

dissolvidos causam incrustações.

• Substâncias espumantes - Espumas minerais usualmente contém soda na

forma de carbonato, clorito ou sulfato.

• Gases dissolvidos - corrosivo. Oxigênio e dióxido de carbono.

• Sólidos em suspensão - A lama é formada geralmente de sólidos minerais

ou partículas orgânicas, em suspensão. Problemas comum na maioria das

águas.

Impurezas comuns na água


11. Minimizar a corrosão na caldeira, sistema de distribuição de vapor e retorno de condensado;

33. Minimizar a formação de espuma e arraste de água da caldeira junto com o vapor, garantindo assim um vapor limpo e seco.

22. Evitar a incrustação no interior da caldeira;

Por que tratar a água para a Caldeira?


11. Redução do nível de sólidos totais dissolvidos por desmineralização, osmose reversa ou alcalinização.

44. Dosagem química para manter as condições de alcalinidade, para manter os sólidos em suspensão ao invés de gerarem incrustação e prevenir corrosão.

33. Desaeração mecânica, térmica ou química da água de alimentação para remover oxigênio dissolvido.

22. Transformação de sais precipitados em sais solúveis.

Técnicas de Tratamento de Água


Cabeçote Desaerador


Assegurar a qualidade da água de caldeira através do controle

contínuo e automático da quantidade de sólidos

dissolvidos e em suspensão.

Controle de Sólidos Totais Dissolvidos


• Arraste de impurezas no vapor;

•Contaminação de produtos e processos;

• Bloqueio de sistemas de distribuição e drenagem;

•Baixa eficiência de troca térmica (vapor úmido e com impurezas);

•Golpes de Aríete;

• Formação de espuma afeta a leitura do nível de água da caldeira.

Efeitos do Alto Nível de STD na Caldeira


Queda de eficiência de troca térmica

Contaminação das válvulas e acessórios

Travamento dos purgadores

Caldeira

STD alto na caldeira.

Queda de eficiência de troca térmica

Contaminação das válvulas e acessórios

Travamento dos purgadores

Caldeira

STD alto na caldeira.

Efeitos do Alto Nível de STD na Caldeira


O nível de STD em ppm é aproximadamente:

STD = (Condutividade em mS.cm) x 0.7

OBS1: Relação válida para amostra neutra à 25 oC

OBS2: A água da caldeira é normalmente mantida alcalina

(tipicamente pH 9 - 11) Com o intuito de prevenir a corrosão da

caldeira e como efeito disto, existe o aumento da condutividade

desta água.

Medindo o nível de STD através da condutividade elétrica da água


• Valores somente estimativos• O fabricante da caldeira deve ser consultado para obtenção de valores

específicos.

Lancashire

2-Passes

3-Passes

Aquatubular baixa pressão

Aquatubular média pressão

Geradores de vapor

10,000

4,500

3,000-3,500

2000-3000

1,500

2,000

STD máximo (ppm)Nível máximo de STD tolerado

para cada tipo de caldeira

Medindo o nível de STD através da condutividade elétrica da água


Vazão de descarga = F x SB - F

Cálculo da Vazão de Descarga

Sendo:

F = STD da água de alimentação (ppm)

B = STD requerido na caldeira (ppm)

S = Capacidade de demanda de vapor (kg/h)


STD máximo permitido = 2,500 ppm

Pressão de operação = 10 bar

Temperatura de saturação = 184 oC

Alimentação com 250 ppm

Demanda de 10,000 kg/h

Exemplo:



Dados de entrada

F = STD da alimentação (ppm) = 250 ppm

B = STD requerido (ppm) = 2.500 ppm

S = Demanda de vapor (kg/h) = 10.000 kg/h

Vazão de descarga = F x SB - F

= 250 x 10.000 2.500 - 250

= 1.111,11 kg/h


Exemplo:


• Qualidade do vapor gerado;

• Economia de água tratada quimicamente;

• Economia de combustível para aquecimento;

• Paradas de manutenção menos freqüentes;

• Dispensa supervisão do operador;

• Controle remoto do nível de STD.

Vantagens do Controle Automático


Válvula de bloqueio de

amostra

saída de refrigeração

Entrada de água de

refrigeração

coleta de amostra

Sistema Resfriador de Amostras


tanque descarga

Caldeira

Descarga de fundo

Vent head

tanque descarga

Caldeira

Descarga de fundo

Vent head

Descarga de Fundo


Remoção periódica dos sólidos decantados, através de uma válvula instalada no fundo da caldeira

Descarga de Fundo


• Informações Necessárias:

1 - Dados referentes à água de alimentação ou make-up:

Teores de: Cloreto, Sílica, Sólidos totais dissolvidos, sólidos em suspensão e Ferro (ppm);

Vazão de água de Make-up (kg/h).

2 - Dados referentes à Caldeira:

Pressão de Trabalho (Kgf/cm2);

Vazão de Vapor (Kg/h);

Porcentagem de retorno de condensado em relação ao vapor gerado.

Cálculo da Descarga de Fundo


• EXEMPLO:

Dados da Caldeira:

- Pressão de Trabalho: 10,5 Kgf/cm2

- Vazão de Vapor: 3.000 Kg/h

- Percentual de retorno de condensado: 45% em relação ao vapor produzido

Dados Físico-Químicos da Água de Alimentação:

- Cloretos: 12,4 ppm;

- Sílica: 8,0 ppm;

- STD: 79,2 ppm;

- Sólidos em Suspensão: 11,1 ppm;

- Ferro Total: 0,45 ppm.



1º Passo:

Cálculo dos ciclos de concentração com relação a cada componente. Consultar a tabela abaixo, de acordo com a pressão de operação da Caldeira:

C.C. = Concentração Máxima permitida (tabela)

Concentração da água da Caldeira (fornecida)

Pressão da Caldeira

(Kgf/cm2)STD (ppm)

S.S. (ppm)

Sílica (ppm SiO2)

Ferro (ppm Fe)

Cloreto (ppm CL)

0 - 10 3500 - 3000 350 - 300 180 - 140 10 até 13 Kgf/cm2

< 500

10 - 20 3000 - 2500 300 - 250 140 - 100 10 - 05 13 a 20 Kgf/cm2

< 400

20 - 30 2500 - 2000 250 - 200 100 - 50 05 - 04 20 a 30 Kgf/cm2

< 300

50 - 42 2000 - 1500 200 - 150 50 - 40 04 - 03 acima de 30 Kgf/cm2

< 150




C.C. Cloreto = 500 = 40,32

12,4

C.C. Sílica = 100 = 12,50

8

C.C. STD = 2500 = 31,57

79,2

C.C. S.S. = 250 = 22,52

11,1

C.C. Ferro = 5 = 11,1

0,45

Portanto, o Ferro é o componente crítico, ou seja, atingirá sua concentração máxima permissível no interior da Caldeira antes dos demais.


2º Passo:

Cálculo da quantidade de água a ser descarregada:

C.C.Ferro = C.C.Crítico = 11,1

B = Vazão da Caldeira

C.C.Crítico - 1

B = 3.000 = 297,03 Kg/h de água a serem

11,1 - 1 descarregados

Cálculo de Descarga de Fundo


3º Passo:

Cálculo do tempo de abertura total da válvula de descarga de fundo instalada, consultando a tabela abaixo:

PRESSÃO (BAR) 1/2" 1" 1.1/2" 2" 2.1/2" 3"7 1,3 2,7 6,0 8,0 11,8 20,8

10,5 2,0 3,6 7,4 10,0 13,8 24,814 2,1 3,8 8,1 11,2 17,0 27,5

17,5 2,2 4,0 8,8 12,3 19,0 30,021 2,3 4,1 9,0 13,2 21,2 31,8

24,5 2,4 4,2 9,2 14,0 22,7 33,228 2,5 4,3 9,4 15,0 24,2 34,0

Considerando que a válvula instalada é DN 1.1/2”, podemos ver na tabela que ela descarrega 7,4 Kg/segundo, para a pressão da Caldeira de 10 bar.



Assim, temos:

Em 1 segundo – 7,4 Kg

Em X segundos – 297,03 Kg

X = 40,1 segundos

Como o tempo máximo de descarga remendado é de 5 seg., deveremos abrir totalmente as válvulas de descarga de fundo por 5 segundos, 8 vezes por hora.

40,1 seg. / 5 seg. = 8 descargas



• Necessita de supervisão do operador;

• Desperdício de água tratada e aquecida;

• Risco de incrustação;

• Queda de eficiência da caldeira;

• Risco de enviar água aquecida para o esgoto.

Descarga de Fundo Manual


VálvulaSolenóide

Injeção de ArComprimido

Atuador Pneumático

Caldeira

Válvula de Descargade Fundo Manual

Válvula de Descargade Fundo Automática

Fornecimento de Energia

Timer

Instalação do Sistema Automático de Descarga


• Dispensa supervisão do operador;

• Minimiza desperdício de água tratada e aquecida;

• Minimiza risco de incrustação;

• Elimina o risco de envio de água aquecida para o esgosto.

Vantagens do Sistema Automático


Pressão da Caldeira = 10,5 barg

Tempo de descarga teórico = 5 seg. p/ hora

Diâmetro da válvula = 2”

Tempo de descarga real = aprox. 12 seg.

Combustível = óleo BPF(poder calorífico inferior = 9.700 kcal/kg)

Exemplo de Viabilidade Econômica para Controle Automático de Descarga de Fundo


Descarga da válvula 2” = 100 kg/segundoTempo de descarga a mais = 7 segundos p/ horaVazão a mais p/ hora = 700 kg/ horaCalor Sensível a 10barg = 185,6 kcal/kgEnergia contida no excedente = 185,6 * 700

= 129.920 kcal/horaQuantidade de óleo BPF = 129.920 / 9.700

= 13,4 kg de óleo p/ horaCusto do óleo BPF = R$ 0,70 p/ kgCusto c/ combustível p/ hora = 13,4 kg * R$ 0,70

= R$ 9,38 p/ hora

Custo c/ combustível p/ mês = R$ 9,38 * 720 horas= R$ 6.753,00

Exemplo de Viabilidade Econômica para Controle Automático de Descarga de Fundo


Casos Reais - Incrustação


1,5 mm 15%3,1 mm 20%6,3 mm 39%9,5 mm 55%

12,7 mm 70%Incrustações de Sílica (SiO2) podem pelo menos dobrar os

índices acima mencionados.

Estes índices foram comprovados pela Escola Politécnica Federal de Zurich-Suíça, e publicados em 25/04/1984.

Relação entre Incrustação de CaCO3 e Perda de 3 e Perda de Transmissão TérmicaTransmissão Térmica


ESPESSURA DA FULIGEM

PERDA TÉRMICA

0,78 mm 9,5%1,50 mm 26,0%3,10 mm 45,3%4,60 mm 69,0%

Perda de Eficiência em Caldeiras pela Deposição de Fuligem nos Tubos

Projeto de Sistemas de VaporCabeçote dedesaeradorRetorno de

condensadoVaporflash

Tanque Tanque flashflash

Descargaresidual

DESAERADOR

Água dereposição

Trocador Trocador de calorde calor

Derector decontaminaçãode condensado

QueimadorCALDEIRA

Des

carg

a p

/ ta

nq

ue

flas

h

Vapor

Válvula de partida

Descargade fundo

temporizada

Chaminé

Detector dearraste

Separador

Chaminé

MedidoMedidor r

de vazãode vazãoVapor p/ fábrica

Vapor flashp/ atmosfera

Vaso de descarga

Descargap/ canaleta

Descarga de fundo Retorno de condensado

Armazena/o e condiciona/o de água Alimentação e controle de nível de caldeira Controle de STD na água da caldeira

Recuperação de calorVálvula de descarga de fundo do tanqueSistema de partida

2

2

3

3

1

1

4

4

5

6

5

6

Casa de Caldeira Spirax Sarco


Film

e de Ar

PRODUTOF

ILME

DE

ÁG

UA

Superfície de M

etal A

quecido

Film

e de Condensado

Film

e de Condensado

Temperatura do VAPOR

Temperatura do PRODUTO

Perda de Eficiência de Troca Térmica


Combustor Principal


Triângulo de

Combustão

Fonte de Ignição

OxigênioCombustível


COMBUSTÃO ESTEQUIOMÉTRICA

2 C + O2 = 2 CO + 2 200 Kcal / Kg C + O2 = CO2 + 7 830 Kcal / Kg 2 H2 + O2 = 2 H2 Ox + 28 890 Kcal / Kg 2 S + 3O2 = 2 SO3

CASO A TEMPERATURA CAIR ABAIXO DO PONTO DE ORVALHO DO SO3 ( T < 200

ºC ), HAVERÁ FORMAÇÃO DE ÁCIDO SULFÚRICO

Reações Químicas da Combustão


OHCOOCH

OHCOOHC

omeopara

OHn

mCOOnm

CmHn

2224

22241

222

22

2

41

4

414

tan

24

4

Equação Geral da Combustão


CÁLCULO ESTEQUIOMÉTRICO TEÓRICO

Kg ar / Kg combustível = 11 , 5 C + 34 , 7 H2 + 4 , 3 S onde C = % de Carbono no Combustível H2 = % de Hidrogênio no Combustível S = % de Enxofre no Combustível

EXEMPLO : Composição do combustível : C = 84 % H2 = 11 % S = 4 %

Kg ar / Kg combustível = 11 , 5 x 0, 84 + 34 , 7 x 0 , 11 + 4 , 3 x 0 , 04 = 13 , 65

Quantidade de ar estequiométrico necessário à combustão 13 , 65 Kg de ar / Kg de combustível.

Quantidade de Ar necessária à Combustão


Constantes de Combustão


Constantes de Combustão - Gases


Análises elementares típicas dos Combustíveis de Petróleo


CO2 nos gases de Excesso Perda de Perda de com-

combustão (%) de ar (%) calor (Kcal) bustível (%)

16 0 0 015 5 19 0,414 10 47 113 18 80 1,712 28 113 2,411 40 160 3,410 54 216 4,6

9 70 282 68 93 362 7,87 120 479 10,26 152 620 13,25 198 808 17,24 273 1104 23,53 396 1598 342 635 2558 54,5

Combustão


Rendimento da Combustão


1) Medir a temperatura dos gases na saída da câmara de combustão;

2) Medir a temperatura ambiente na tomada de ar de combustão;

3) Medir a % de CO2 nos gases de queima na saída da câmara de combustão;

4) Calcular o T = ITEM 1 - ITEM 2

5) Verificar no gráfico a % de perda através dos gases de combustão (coluna vertical direita) e o rendimento da combustão (coluna vertical esquerda);

6) Efetuar as correções necessárias e que na maioria das vezes relacionam-se com a temperatura de pré-aquecimento do óleo e excesso de ar na combustão;

7) As medições devem ser efetuadas com cerca de 20 a 30 minutos de intervalo.



EXEMPLO : 1º MEDIÇÃO 2º MEDIÇÃO

1) Temperatura dos gases na chaminé ( Tg = ºC) 310 250

2) Temperatura ambiente ( Ta = ºC ) 25 26

3) T = ( Tg - Ta ) 285 224

4) % CO2 nos gases 11 12, 5

5) % Perda de calor 14, 5 10, 5

6) % Rendimento da combustão 85, 5 89, 5



Rendimento e Temperatura dos Gases x Pressão


Emissões de Carbono


Geração de CO2


A unidade de massa atômica (u) foi medida experimentalmente em espectrógrafos de massa, com valor encontrado de 1U = 1,6605402(10) x 10-27 Kg que é a massa de um átomo de Hidrogênio, e ela indica quantas vezes a massa de um átomo é maior que 1/12 da massa do isótopo do carbono 12.

International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)

Unidade de Massa Atômica


SINTOMAS CAUSAS PROVÁVEIS

BAIXO TEOR DE CO2 OU AR EM EXCESSO , ATOMIZAÇÃO IMPERFEITA , ALTO TEOR DE O2 TIRAGEM EXCESSIVA , ENTRADA FALSA DE AR

TEMPERATURA ALTA DOS GASES TIRAGEM EXCESSIVA , QUEIMADOR COM DE COMBUATÃO (180ºC À 200ºC ) CAPACIDADE ELEVADA , SUPERFÍCIE DE TROCA DE CALOR SUJAS OU SUBDIMENCIONADA , FORNALHA INADEQUADA

QUANTIDADE DE FULIGEM TIRAGEM INSUFICIENTE, ATOMIZAÇÃO IMPERFEITA, COMBUSTÍVEL EM EXCESSIVA VENTOINHA INADEQUADA , FORNALHA DEFEITUOSA

TIRAGEM EXCESSIVA AUMENTO NA TEMPERATURA DOS GASES NA CHAMINÉ, REDUÇÃO DO PERCENTUAL DE CO2

TIRAGEM INSUFICIENTE COMBUSTÃO DEFICIENTE, EXCESSO DE FULÍGEM, FUMAÇA PARA A ÁREA EXTERNA

Sintomas e Causas da Combustão Imperfeita


EXCESSO ASPECTO DA CHAMA DE AR

ÓLEO GÁSMuito alto Muito brilhante, vendo-se toda a Azulada e transparente

fornalhaAlto Final da chama com cor amarelo Azul

claroIdeal Final de chama dourado Vermelho-azulada

levemente rosadaBaixo Amarelo escura com a fornalha Avermelhada semelhante

também escura à do óleo


- PERCENTUAL DE CO2 NOS GASES DA CHAMINÉ - PERCENTUAL DE CO NOS GASES DA CHAMINÉ - PERCENTUAL DE O2 NOS GASES DA CHAMIÉ - TEMPERATURA DOS GASES NA CHAMINÉ - QUANTIDADE DE FULIGEM - TIRAGEM

APERELHO DE ORSAT, FYRITE (BACHARACH), E DWYER

Controle da Combustão

parte 02 geração de vapor

Engineering