14. Geradores de Vapor

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1 14. Gerdores de Vpor Introdução Equipmento destindo à produção de por. O por gerdo pode ser utilizdo pr diersos fins: quecimento, processos industriis, como fluido de trblho em máquins motors. Pr gerr por é necessário clor. As fontes mis utilizds são: energi liberd pel combustão, energi elétric, proeitmento de clor residul de um outro processo e energi nucler Componentes de um Gerdor de Vpor. O gerdor de por é constituído de: - fornlh; - cldeir; - superquecedor; - economizdor; -quecedor de r; - sistem de tirgem Fornlh Definição: Região do Gerdor de Vpor (GV) onde ocorre queim do combustíel. A) Funções que fornlh dee cumprir. - eporr tod o umidde do combustíel; - destilr s substâncis oláteis do combustíel; - eler T do combustíel té combustão espontâne; - proporcionr um combustão complet; - crir turbulênci pr misturr o r e o combustíel; - impedir troc de clor entre os gses quentes produzidos e o mbiente externo. B) Fornlhs Pressurizds. A miori ds fornlhs trblhm com pressões bixo d tmosféric. Isso eit superquecimentos locis deidos zmentos, permite bertur de ports de obserção sem perigo. Porém, qundo perd de crg ument, dee-se usr um entildor de exustão - sujeito os gses quentes - ou trblhr com r pressurizdo. C) Queim em Grelhs de Combustíel Sólido. Os tipos de grelhs mis usdos estão presentdos ns figurs 14.1 à 14.7 onde está explicitdo o seu funcionmento. A queim de um cmd de combustíel é explicd ssim: -cim d cmd de combustíel ocorre queim de CO e dos oláteis destildos, com o r secundário. -n cmd inferior d mss de combustíel sobre grelh estão s cinzs - finl de combustão do combustíel mis ntigo. -n cmd imeditmente superior - cmd de oxidção - o r que tress o combustíel (r primário) é rico em O2 e reção predominnte é: C + O2 = CO2. -n cmd seguinte - cmd de redução - proporção de O2 diminiu e proporção de CO2 é grnde. Então reção predominnte é: C + CO2 = 2CO. -n últim cmd - onde o combustíel é mis recente - ocorre seu quecimento e destilção de seus componentes oláteis.

2 D) Queim em Suspensão. Combustíel sólidos em suspensão, líquidos ou gsosos. -Função do mçrico (queimdor): dosr mistur r-combustíel, tomizr o combustíel e proporcionr controle entre o r e o combustíel. Pr relizr pulerizção - ou tomizção - podemos usr por, r pressurizdo ou um moimento mecânico, em gerl rottio. As figurs mostrm os tipos de queimdores de mior uso Cldeirs Definição: Superfície de troc de clor entre os gses de combustão e o fluido de trblho ser porizdo - gerlmente em águ. O por produzido é sturdo. A clssificção básic ds cldeirs le em cont posição relti dos gses queimdos e do fluido ser porizdo: qundo águ circul em tubos cercdos pelos gses queimdos temos s cldeirs "qutubulres"; qundo ocorre o inerso, "flmtubulres". Cd um destes tipos de cldeirs tem sus ntgens e plicções. As figurs mostrm s flmtubulres e s figurs e mostrm s qutubulres. A) Cldeirs Flmtubulres - ou "Cldeirs de tubo de fogo". -Tipos: s figurs à nos mostrm os ários tipos. -Vntgens: tendem bem demnd riáeis de por, são de fácil construção, não requerem trtmento purdo de águ, requerem pouc ou nenhum lenri. -Desntgens: prtid lent deido grnde mss de águ, ocupm muito espço pr um dd superfície de quecimento, possuem circulção de águ deficiente (conecção nturl ou induzid), e trblhm com pressões moderds - té 15 tm. -Aplicções: onde o por requerido é sturdo e pressões "bixs". São s mis brts. B) Cldeirs Aqutubulres -Tipos: er figurs obs. - s figurs mostrm o interior d cldeir; existem predes que encerrm completmente o conjunto. -Descrição: águ circul pelos tubos, onde se quece e poriz. Os tubulões fixm os tubos de águ e definem circulção de águ. O tubulão superior funcion como cumuldor do por produzido. A circulção de águ se dá por conecção nturl ou forçd. -Vntgens: suportm lts pressões (centens de tm), grnde áre de troc de clor/olume, prtid proporcionlmente mis rápid, cpcidde de gerção lt (em Kg/h), bo circulção de águ. -Desntgens: requerem trtmento de águ purdo, exigem sempre predes de lenri especil (refrtári), são sensíeis demnds riáeis de por, exigem controle utomático de fogo. -Aplicções: qundo se necessit de grndes quntiddes de por lt pressão, qundo se necessit de por superquecido. Tem projeto, construção e mnutenção mis cros. C) Predes de águ São tubos de águ colocdos junto à prede refrtári, ligdos à cldeir. Cumprem dus funções: protegem os refrtários ds lts temperturs d fornlh, e umentm superfície de troc de clor, produzindo mis por. Se por um ldo temos tis ntgens, colocção de predes de águ dificult bstnte mnutenção. Ver figurs e

3 Superquecedores Definição: Qundo se necessit de por superquecido, us-se um outr superfície de troc de clor pr umentr tempertur do por cim d Tempertur de Sturção. São tubos que contém o por produzido n cldeir e serem pr trocr clor com os gses de combustão, fim de superquecer o por. São sempre colocdos pós cldeir - com relção o fluxo de gses - pr eitr problems de superquecimento dos tubos n prtid, qundo ind não existe por. Ver figurs e Vntgens: umento de entlpi do por, obtenção de por seco - pr uso em turbins, temperturs mis lts. -Desntgens: ument perd de crg dos gses de combustão, umentm os custos de mnutenção Economizdor Definição: tubulção onde águ de limentção do Gerdor de Vpor é pré-quecid ntes de entrr no cldeir. -O pré-quecimento d águ de limentção d cldeir com o uso d energi dos gses de exustão represent consideráel economi de combustíel. -Tipos: economizdor - usm gses de combustão regenerdor - usm por de extrção er figurs Vntgens: menores grdientes de tempertur n região de limentção de cldeir, menor tempo de permnênci d águ dentro do GV, umento do rendimento do GV. -Desntgens: ument perd de crg d águ de limentção, complic mnutenção Pré-Aquecedores de Ar de Combustão Utiliz prte d energi dos gses de exustão pr pré-quecer o r que irá prticipr d combustão. -Tipos: er figurs Vntgens: melhor o rendimento térmico do GV, uxili um bo combustão. -Desntgens: espço ocupdo, perd de crg do r de limentção e dos gses de exustão, preço de instlção e mnutenção Sistem de Tirgem Responsáel pel exustão de gses queimdos. N su form mis simples consiste em um chminé. A fim de mnter sucção de r pr combustão e retirr os gses queimdos do GV, é sempre necessário um sistem de exustão - ou de "tirgem"; pr isso, us-se chminés, entildores de insuflmento de r ou exustores de gses queimdos; freqüentemente, um combinção deles. -Chminé - utiliz diferenç de densidde entre o r tmosférico e os gses queimdos (função d tempertur). A utilizção de um chminé pr exustão sem outros equipmentos, normlmente implic em chminés bstnte lts (20 60 metros) fim de se ter diferenç de pressão suficiente. -Exustor de gses queimdos - succion os gses queimdos do GV e os expele. Usdo em combinção com um chminé reduz bstnte ltur necessári dest. -Ventildor de insuflmento de r - dá o r de combustão um pressão necessári pr encer s resistêncis o escomento dentro do GV. Se, por um ldo, obrig fornlh trblhr em um pressão superior à tmosféric, por outro ldo não tem desntgem de

4 trblhr com gses queimdos T reltimente lt como os exustores trblhm, tendo então um id útil mior, com menor mnutenção Trtmento de Águ de Alimentção Existem qutro finliddes principis pr se fzer o trtmento de águ de limentção de um cldeir: -Preenção contr depósitos n predes dos tubos, que podem cusr superquecimento loclizdo n estrutur d cldeir. -Eitr corrosão n cldeir, pel presenç de O2. -Eitr endurecimento cáustico. -Redução d percentgem de sólidos de rrste, pel formção de espum e nt. ) Impurezs Presentes n Águ e seus Efeitos - Impurez: mtéris orgânics em solução coloidl; compostos mineris em solução (bicrbontos, cloretos, sulftos, silictos de C, Mg, N, K, Fe); gses dissolidos n águ (CO2, O2, N2). - Incrustções: tem o efeito de opor resistênci à trnsmissão de clor entre os gses quentes e águ. São constituíds por sis que se cristlizm sobre o tubo (do ldo d águ) e por fuligem que tmbém se deposit sobre o tubo (do ldo dos gses quentes). - Golpe de Fogo: é um fenômeno que ocorre em csos drásticos de excesso de incrustções. Ver figur qundo um plc de incrustções de sis permnece certo tempo sobre o tubo, pode surgir um fend ness plc deid à diferenç entre o coeficiente de diltção do mteril que o constitui o tubo e o mteril de incrustção. Por ess fend penetr um bols de por que tem superfície sec. Ocorre então um umento loclizdo de T no tubo; como o coeficiente de diltção de um metl é reltimente lto, loclmente o tubo se dilt, formndo um "clo". O "clo" só forece existênci de bols de por: o processo se reliment. Há dus forms de se encerrr este processo: ou plc de incrustção se rompe, permitindo que o "clo" olte ser resfrido pel águ, ou então o tubo se rompe deido à deformção e à pressão que está submetido. Est é cus principl de "explosão" de cldeirs. - Corrosão: é o tque do mteril dos tubos por substâncis gressis: O2, CO2 e sis ácidos. A corrosão pelo O2 é bstnte conhecid - loclizd e crcterístic; corrosão por ácidos tmbém é conhecid; corrosão por CO2 é um frgilizção do mteril por igul e é conhecid como "frgilizção cáustic". Todos os tipos de corrosão tum no sentido de reduzir resistênci mecânic do mteril. b) Trtmento interno à cldeir É usdo pr cldeirs de bix e médi pressão opercionl. Consiste n dição de produtos químicos propridos à águ de limentção. Extmente que produtos e em que proporções, só nálise d águ disponíel pode reelr; porém iremos indicr que produtos são mis usdos e com que finliddes. -Redutores de durez - gerlmente um fosfto; precipit C, N, K, Mg. -Álclis (NOH ou KOH) - neutrliz cidez d águ, ctlis o processo cim. -Cogulnte - em gerl polímeros - impedem derênci dos sis formdos às predes metálics, indo o fundo d cldeir em form de "lm". -Redutos de O2 - em gerl um sulfito ou Hidrzin (N2H4). -Neutrliznte de por - em gerl compostos monicis. -Anti-espumnte - em gerl silicone.

5 Os compostos precipitdos pelo trtmento d águ deem ser expurgdos periodicmente por descrgs de fundo (áluls). c) Trtmento completo de águ É usdo qundo se trt de águ de rio ou qundo cldeir oper lts pressões. Constitui-se em: -Clrificção - eliminção dos compostos orgânicos em solução coloidl n águ. São usdos sulfto de lumínio ou cl ou sod cáustic pr floculr os colóides. -Filtrção - sepr águ dos sólidos em suspensão. Normlmente são usds cmds de pedrs, rei e ntrcito. -Troc iônic - substâncis poross por onde pss águ (resins sintétics) e que retirm os íons de C, Mg ou outros. -Desgseificção - remoção dos gses dissolidos n águ. Normlmente se process por quecimento d águ T próxims T de ebulição ns condições tmosférics (~ 100 o C). -Trtmento interno complementr - idêntico o exposto cim, com bse n nálise d águ pós o trtmento externo. D descrição d complexidde do trtmento d águ de limentção se ê importânci de proeitr o condensdo pr limentção d cldeir. O por condensdo não só está mis quecido que águ mbiente ms tmbém é limpo - não precis ser trtdo. O retorno do condensdo - águ resultnte d condensção do por usdo em lgum processo - represent consideráel economi de combustíel e de trtmento de águ Perds num Gerdor de Vpor As perds de energi que ocorrem num gerdor de por crretm um consumo de combustíel mior que o esperdo pel simples nálise do Poder Colorífico do Combustíel (PCI). As principis perds são: ) Perds por combustíel não queimdo ns cinzs e clor sensíel ds cinzs - pens pr combustíeis sólidos P1 = zwpci + zcpc ( Tc T ) onde: z - frção de cinzs em mss (Kg cinzs / Kg comb.) w - frção de comb. ns cinzs (kg comb. não queimdo / Kg de cinzs) cp c - clor específico ds cinzs Tc - tempertur ds cinzs T - tempertur mbiente Normlmente, P1 = 1 3% do PCI b) Perds deido à combustão intern P2 = sqco + rqc + oqh2 onde: s - frção em mss de CO (kg de CO / kg de comb.) nos produtos r - frção em mss de C (kg de C / kg de comb.) nos produtos o - frção em mss de H 2 (kg de H 2 / kg de comb.) nos produtos Q co - energi liberd n queim de CO

6 Q c - energi liberd n queim de C Q H2 - energi liberd n queim de H 2 em gerl P2 = 1 4% do PCI c) Perds por Clor Sensíel nos Gses de exustão P = t cp 3 g ( T T ) onde: t = mss dos gses formdos / Kg de combustíel queimdo cp g = clor específico médio dos gses de combustíel Tg = tempertur dos gses de exustão o deixr o gerdor de por T = tempertur do r de dmissão pr GV grndes Tg ri de 120 à 180 o C pr GV pequenos Tg ri de 180 à 150 o C d) Perds de energi pr o mbiente, por rdição e conecção. Dependem dos detlhes construtios do Gerdor de Vpor e são de cálculo difícil; existem métodos simplificdos de cálculo. em gerl P4 = 1 à 15% do PCI e) Perds por mudnçs de regime de operção, prtid e prd São perds de energi deids "trnsitórios" de operção -mudnç de regime - inérci do sistem -prtid - quecimento do GV, d mss de águ, etc. -prd - gerção de por pressões bixs que não será usdo, perd de clor pr o mbiente té esfrir o GV. Ests perds são de difícil cálculo, e indicm necessidde de se operr o GV em regime permnente tnto qunto possíel. g Rendimento de um Gerdor de Vpor ) Rendimento de um fornlh Consider s perds deids à combustão clor produzido n fornlh Rf = = clor int roduzido pelo combustíel lores usuis: 80 à 95% PCI ( P1+ P2) PCI b) Rendimento d Cldeir Consider o proeitmento do clor produzido pel combustão pr gerção de por clor proeitdo n gerção PCI ( P1+ P2 + P3 + P4) Rc = = clor produzido n fornlh PCI ( P1+ P2) lores usuis: 75 à 90% c) Rendimento Globl do Gerdor de Vpor clor proeitdo n gerção Rt = = clor int roduzido pelo combustíel PCI ( P1+ P2 + P3 + P4) PCI

7 Rt = Rf Rc lores usuis: 65 à 92% Consumo de Combustíel Fzendo um blnço térmico do GV temos: ms s perds podem ser clculds como: m & c PCI + m& h = m& h + perds ( 1 Rt ) mc PCI perds = então, pós um pouco de álgebr: m& c = m& ( h h ) ( PCI R t ) pois m & = m& em regime perm. Note-se que eq. cim pode se constituir num form rápid de se determinr o rendimento globl do GV: m& ( h h ) Rt = m& PCI Pois o consumo de combustão, produção de por, o poder clorífico do combustíel e s entlpis são fcilmente obtids. As figurs e mostrm ists esquemátics de um Gerdor de Vpor. Nem sempre um gerdor de por possui todos os componentes citdos no item A miori dos Gerdores de Vpor não dispõe de superquecedor, nem de quecedor de águ de limentção.