Projeto de Sistemas de Vapor - Caldeira, Tratamento de Água, Controle de STD

Projeto de Sistemas de Vapor
Geração de Vapor

Caldeira Fogotubular

Burners
Caldeira Aquatubular
Pendant
Superheater
Steam Drum
Convection Bank
Gas Baffles
Economiser

Caldeira Aquatubular

Caldeira Mista

Perdas Identificadas – Casa de Caldeira
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
alimentação
P5 - Ação dos sólidos dissolvidos na água
Nas descargas
P6 - Perda de calor por descargas
excessivas
P7 - Perda de calor por descargas corretas
P8 - Perdas de calor por descargas na
limpeza
do controle de nível
P9 - Comprometimento da segurança da
caldeira por descargas insuficientes
P10 - Comprometimento do rendimento da
caldeira por descargas insuficientes
Pela ação do combustível
P11 - Isolamento das tubulações pela ação
da deposição de fuligem
P12 - 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 vapor
P15 - Pela ação de golpes de aríete ao
alimentar as tubulações

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

Impurezas comuns na água
• Sólidos dissolvidos - formadores de incrustações. Os principais são os
carbonatos e sulfatos de cálcio e magnésio. Nem todos os sólidos
dissolvidos causam incrustações.
• Sólidos em suspensão - A lama é formada geralmente de sólidos minerais
ou partículas orgânicas, em suspensão. Problemas comum na maioria das
águas.
• Gases dissolvidos - corrosivo. Oxigênio e dióxido de carbono.
• Substâncias espumantes - Espumas minerais usualmente contém soda na
forma de carbonato, clorito ou sulfato.

Por que tratar a água para a Caldeira?
1. Minimizar a corrosão na caldeira, sistema de distribuição de
vapor e retorno de condensado;
22. Evitar a incrustação no interior da caldeira;
33. Minimizar a formação de espuma e arraste de água da
caldeira junto com o vapor, garantindo assim um vapor limpo e
seco.

Técnicas de Tratamento de Água
1. Redução do nível de sólidos totais dissolvidos por
desmineralização, osmose reversa ou alcalinização.
22. Transformação de sais precipitados em sais solúveis.
33. Desaeração mecânica, térmica ou química da água de alimentação
para remover oxigênio dissolvido.
44. Dosagem química para manter as condições de alcalinidade, para
manter os sólidos em suspensão ao invés de gerarem incrustação e
prevenir corrosão.

Cabeçote Desaerador

Controle de Sólidos Totais Dissolvidos
Assegurar a qualidade
da água de caldeira
através do controle
contínuo e automático
da quantidade de sólidos
dissolvidos e em
suspensão.

Efeitos do Alto Nível de STD na Caldeira
• 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
Caldeira
Travamento dos purgadores
STD alto na
caldeira.

Medindo o nível de STD através da condutividade
elétrica da água
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
Nível máximo de STD tolerado STD máximo (ppm)
para cada tipo de caldeira
Lancashire
2-Passes
3-Passes
Aquatubular baixa pressão
Aquatubular média pressão
Geradores de vapor
• Valores somente estimativos
• O fabricante da caldeira deve ser consultado para obtenção de valores
específicos.
10,000
4,500
3,000-3,500
2000-3000
1,500
2,000
elétrica da água

Vazão de descarga = F x S
B - 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)

Demanda de
10,000 kg/h Exemplo:
STD máximo
permitido =
2,500 ppm
Pressão de operação = 10 bar
Temperatura de saturação = 184 oC
Alimentação
com 250 ppm

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 S
B - F
= 250 x 10.000
2.500 - 250
= 1.111,11 kg/h
Exemplo:

Vantagens do Controle Automático
• 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.

Sistema Resfriador de Amostras
Válvula de
bloqueio de
amostra
saída de
refrigeração
Entrada de
água de
refrigeração
coleta de amostra

tanque
descarga
Caldeira
Descarga de fundo
Vent head
Descarga de Fundo

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

Cálculo da 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.

• 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.

Cálculo de Descarga de Fundo
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

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 24,8
14 2,1 3,8 8,1 11,2 17,0 27,5
17,5 2,2 4,0 8,8 12,3 19,0 30,0
21 2,3 4,1 9,0 13,2 21,2 31,8
24,5 2,4 4,2 9,2 14,0 22,7 33,2
28 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
40,1 seg. / 5 seg. = 8 descargas
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.

Descarga de Fundo Manual
• 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.

Injeção de Ar
Comprimido
Válvula
Solenóide
Atuador Pneumático
Caldeira
Válvula de Descarga
de Fundo Manual
Fornecimento de Energia
Válvula de Descarga
de Fundo Automática
Timer
Instalação do Sistema Automático de Descarga

Vantagens do Sistema Automático
• 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.

Exemplo de Viabilidade Econômica para Controle
Automático de Descarga de Fundo
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/segundo
Tempo de descarga a mais = 7 segundos p/ hora
Vazão a mais p/ hora = 700 kg/ hora
Calor Sensível a 10barg = 185,6 kcal/kg
Energia contida no excedente = 185,6 * 700
= 129.920 kcal/hora
Quantidade de óleo BPF = 129.920 / 9.700
= 13,4 kg de óleo p/ hora
Custo do óleo BPF = R$ 0,70 p/ kg
Custo 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

Casos Reais - Incrustação

Relação entre Incrustação de CaCO33 ee PPeerrddaa ddee
TTrraannssmmiissssããoo TTéérrmmiiccaa
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.

Perda de Eficiência em Caldeiras pela
Deposição de Fuligem nos Tubos
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%

Casa de Caldeira Spirax Sarco
Cabeçote de
Retorno de desaerador
condensado
Vapor
flash
TTaannqquuee
ffllaasshh
Descarga
residual
DESAERADOR
Água de
reposição
TTrrooccaaddoorr
ddee ccaalloorr
Derector de
contaminação
de condensado Queimador
Válvula
de partida
Descarga p/
tanque flash Vapor
CALDEIRA
Separador
Detector de
arraste
Chaminé
Descarga
de fundo
temporizada
Chaminé
MMeeddiiddoo
rr
ddee vvaazzããoo
Vapor p/ fábrica
Vapor flash
p/ atmosfera
Vaso de
descarga
Descarga
p/ 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 calor
Válvula de descarga de fundo do tanque
Sistema de partida
2
2
3
3
1
1
4
4
5
6
5
6

Perda de Eficiência de Troca Térmica
Filme de Ar
PRODUTO
FILME DE ÁGUA
Superfície de Metal
Aquecido
FFiillmmee ddee CCoonnddeennssaaddoo
Temperatura do
VAPOR
Temperatura do
PRODUTO

Combustor Principal

Combustível Oxigênio
Triângulo
de
Combustão
Fonte de Ignição

Reações Químicas da Combustão
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

Equação Geral da Combustão
CmHn m n O mCO n H O
ö çè
+ æ +
4 2
para o me o
2 2 2
1 4
tan
+
æ çè4 * 1 + 4
ö ö çè
C H O CO H O
1 4 2 2 2
CH 2 O CO 2
H O
4 2 2 2
2
4
4
+ Þ +
÷ø
æ + Þ ÷ø
÷ø
æ + Þ ÷øö çè

Quantidade de Ar necessária à 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.

Constantes de Combustão

Constantes de Combustão - Gases

Análises elementares típicas dos Combustíveis
de Petróleo

Combustão
CO2 nos gases de Excesso Perda de Perda de com-combustão
(%) de ar (%) calor (Kcal) bustível (%)
16 0 0 0
15 5 19 0,4
14 10 47 1
13 18 80 1,7
12 28 113 2,4
11 40 160 3,4
10 54 216 4,6
9 70 282 6
8 93 362 7,8
7 120 479 10,2
6 152 620 13,2
5 198 808 17,2
4 273 1104 23,5
3 396 1598 34
2 635 2558 54,5

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 DT = 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) DT = ( 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.
Unidade de Massa Atômica
International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)

Sintomas e Causas da Combustão Imperfeita
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

EXCESSO ASPECTO DA CHAMA
DE AR
ÓLEO GÁS
Muito alto Muito brilhante, vendo-se toda a Azulada e transparente
fornalha
Alto Final da chama com cor amarelo Azul
claro
Ideal Final de chama dourado Vermelho-azulada
levemente rosada
Baixo Amarelo escura com a fornalha Avermelhada semelhante
também escura à do óleo

Controle da Combustão
- 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

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