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27 Geração de vapor - Caldeira

27.1 - O que é uma caldeira?

É um recipiente fechado onde se procede a queima de um combustível qualquer (bagaço, lenha, óleo, gás, etc.) e o calor assim obtido transforma a água, introduzida na caldeira, em vapor, o que é utilizado nas várias etapas dos processos industriais. Apesar de todo desenvolvimento dos instrumentos e dos controles automáticos, o elemento humano ainda é o fator principal no bom funcionamento de uma caldeira. Dependendo do cuidado, do trabalho e das decisões, em momentos críticos, do operador, uma caldeira pode trabalhar mais de 20 anos sem problemas, ou então, pode se estragar em alguns meses.

27.2 - Tipos de caldeira

Existe uma infinidade de tipos de caldeiras, desde pequenos aparelhos para aquecimento residencial até gigantescas caldeiras termoelétricas com capacidade de centenas de toneladas de vapor por hora, a pressões elevadíssimas a às mais variadas temperaturas de vapor. Tanto na caldeira de alta como na de baixa pressão o consumo de combustível por tonelada de vapor gerado é o mesmo, porém o aproveitamento de energia do vapor de alta pressão é muito maior; naturalmente o investimento para a compra de uma caldeira de alta pressão é muito grande, contudo temos o retorno do investimento a curto prazo pela economia de energia elétrica.

O desenvolvimento tecnológico neste campo torna imprescindível uma melhor preparação dos operadores dessas caldeiras, por serem mais complexas e com controles automáticos, necessitando de água isenta de impurezas.

Alguns tipos de caldeiras:

Caldeira Vertical de circuito flamotubular para combustíveis sólidosProdução de vapor: 90 a 540 Kg/h.Pressão de trabalho: até 21 Kgf/cm²

 

Caldeira horizontal de circuito flamotubular para combustíveis líquidos e gasososProdução de vapor: 250 a 20.000 kg/h.Pressão de trabalho: até 21 Kgf/cm² - Vapor saturado

Caldeira horizontal de circuito aquatubular para combustíveis sólidos, líquidos e gasososProdução de vapor: 20.000 a 50.000 kg/h.Pressão de trabalho: até 50 Kgf/cm² - Vapor superaquecido até 400 ºC

4.2 - Caldeiras Fogo tubulares , Flamotobular ou Fumotubular

Esse foi o primeiro tipo de caldeira construída. É chamada de "tubo de fogo" ou tubo de fumaça por causa dos gases quentes provenientes da combustão que circulam no interior dos tubos, ficando a água por fora dos mesmos. É o tipo caldeira mais simples; sendo muito usada em locomotivas e navios, mesmo com o aparecimento de caldeiras mais modernas, esse tipo ainda continua em uso.

Caldeira Flamotubular compacta

São constituídas por um cilindro nas duas pontas por chapas, chamadas de "espelhos"; no seu interior são colocados, de um espelho a outro, até um acerta altura, vários tubos de aço, os quais devem ficar cobertos de água, caso contrário ficarão vermelhos e queimarão. Os gases quentes da combustão passam sobre a parte inferior do cilindro e, em seguida, pelo interior dos tubos. Estas caldeiras trabalham com diversos tipos de combustíveis, porém, devido à sua construção, o aproveitamento do calor gerado não é dos melhores. Sua pressão de trabalho é da ordem de 7 kg/cm² (100 psi ), como uma temperatura de saída do gases da ordem de 300 a 350 ºC, havendo grande desperdício de calor. São caldeiras compactas, pré montadas, transportadas por carretas, podendo entrar em funcionamento logo após completadas todas as ligações; de maneira geral são perigosas, pois vem com aparelhos automáticos de controle de água, de ar e de combustível, e os operadores, em geral, acham esta instrumentação infalível, dispensando pouca atenção em sua operação.

Vantagens destas caldeiras: - Construção bastante simples, consequentemente baixo custo; - Exigem pouca alvenaria

Desvantagens: - Baixo rendimento, principalmente quando alimentadas com água fria; - Partida lenta devido a grande quantidade de água; - Pressão limitada até 15,5 kg/cm²; - Pequena vaporização; - O fogo e os gases tem contato direto com a chaparia provocando maior desgaste; - Apresentam dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré- aquecedor; - Devido a grande quantidade de água atendem a aumentos instantâneos na demanda de vapor.

27..3 - Caldeiras Aquotubular ou "Tubos de água"

Nas caldeiras fogo tubulares, a superfície de aquecimento é muito pequena, tendo que ser aumentada à medida em que se aumenta o número de tubos por onde circulam os gases aquecidos provenientes da combustão. Por mais que se colocassem dentro da caldeira, essa superfície ainda continuava pequena, causando alguns inconvenientes, tais como: baixo rendimento, demora na produção de vapor, etc., como vimos anteriormente. A crescente industrialização em todos os países e a criação de novos métodos industriais, exigiram caldeiras de maior rendimento, menor consumo, e rápida produção de vapor.

Baseados nos princípios científicos e nas experiências com os tipos de caldeiras existentes na época, os fabricantes resolveram inverter aquilo que era feito; trocaram os tubos de fogo por tubos de água, tendo assim aumentado em muito a superfície de aquecimento.

Este tipo de caldeira é baseado num princípio físico de que: "quando um líquido é aquecido, as primeiras partículas aquecidas ficam mais leves e sobem, enquanto que as partículas frias que são mais pesadas descem, recebendo calor elas torna, a subir, formando assim um movimento contínuo, até que o líquido entre em ebulição". Podemos ver isso nitidamente quando colocamos água para ferver.

27.4 - Tratamento de água para Caldeiras

Tratamento Convencional O tratamento convencional para abrandamento da dureza consiste basicamente no uso de fosfatos, álcalis, colóides e dispersantes.Tratamento Com QuelatosO Tratamento à base de quelatos difere do tratamento convencional para prevenção de incrustações nos tubos da caldeira. Este tipo de tratamento visa complexar os íons cálcio e magnésio e não precipitar como no tratamento convencional, formando compostos solúveis e impassíveis de sofrer incrustações nas condições de operação.Tratamento Com Polímeros O tratamento à base de polímeros foi desenvolvido para tratar águas de caldeiras de baixa e media pressão. Os polímeros são usados como inibidores de incrustação e dispersantes, possuem uma atuação diferenciada dos quelatos, pois não seqüestram os íons cálcio e magnésio presentes na água.Tratamento Conjugado O tratamento químico é dito Conjugado quando usa-se um quelato ou fosfato junto com polímeros na água da caldeira.A concentração e o tipo de composto químico a ser usado dependerá do problema verificado na caldeira, pois o tratamento conjugado geralmente é utilizado quando o método anterior não demonstrou eficiência. Em caldeiras aquatubulares pode-se fazer uma limpeza mecânica, a qual facilita a limpeza química, porém em caldeiras flamotubulares (flamotubulares), compactas a limpeza mecânica torna-se extremamente difícil. Sabe-se que processos de incrustação nas paredes dos tubos diminui consideravelmente o rendimento térmico da caldeira, além de submeter o metal a um superaquecimento provocando deformações plásticas, abaulamentos e até ruptura do material. O tratamento da água de alimentação para a caldeira mesmo sendo eficiente e adequado, às vezes não impede que ocorra uma certa quantidade de depósitos na tubulação. Estes depósitos acarretam uma série de inconvenientes, que comprovam a necessidade de uma limpeza química para a remoção dos mesmos.27.5 Limpeza Química Pré-operacional Os geradores de vapor devem sofrer uma preparação especial antes que inicie sua operação, isto se faz necessário porque durante o período de construção o equipamento pode ficar sujeito a chuvas, umidade, poeira, barro, exposição ao ar, entre outros fatores de deterioração. As caldeiras ainda podem conter óleo e graxa sobre a tubulação, resíduos de solda, limalhas de ferro, etc.Portanto o objetivo principal da limpeza pré- operacional é a retirada de depósitos soltos no interior da caldeira e a parte oxidada do metal, preparando-o para receber um tratamento químico adequado.

Limpeza Química de Caldeiras em Operação As caldeiras sujeitas a operação por um determinado período de tempo, apresentam uma série de depósitos diferentes daqueles encontrados em geradores de vapor novos. Podemos citar como exemplo de depósitos existente em caldeiras os carbonatos e sulfatos de cálcio, sulfatos de sódio, silicatos, óxidos de ferro e hidróxido de magnésio entre outros.Geralmente a remoção destes depósitos é feita por meio de uma solução ácida que é circulada no interior da caldeira tendo o seu tempo de residência uma função da quantidade, espessura e tipos de depósitos encontrados.Costuma-se fazer uma lavagem alcalina à quente antes de proceder a limpeza química ácida, com a função de amolecer e tornar porosos os depósitos facilitando a reação ácida.

Acomodação das crostasO processo consiste em fazer uma lavagem alcalina à quente para a remoção das graxas e óleos além de amolecer e tornar porosos os depósitos, o que facilitará posteriormente a limpeza química ácida.

Limpeza ácidaO ácido mais utilizado para a limpeza química é o clorídrico, mas o sulfúrico, fosfórico e sulfâmico são também bastantes empregados industrialmente sempre acompanhados por um inibidor de oxidação.

NeutralizaçãoApós a lavagem com jato de água sob pressão a caldeira deverá ser enchida com água limpa e adicionada uma solução alcalina com inibidor para neutralização, mantendo-se a temperatura da solução a 60°C por um período de 8 a 16 horas.

Cuidados com a atmosfera de HidrogênioO hidrogênio desprendido durante a limpeza química pode causar dois grandes problemas: fragilidade do aço pelo hidrogênio e atmosfera explosiva na caldeira.

28. Tratamento de água Industrial

28.1 ETA compacta

28.1.1 Introdução

Basicamente as Estações de Tratamento de Água (ETA) compactas são compostas de 3 fases distintas, ou seja:

a) Tratamento químico

b) Decantação

c) Filtração

Que em conjunto asseguram um tratamento eficaz para a remoção de cor, turbidez e matérias em suspensão, obtendo-se assim água para uso industrial ou potável (necessário proceder-se uma desinfecção)

a) Tratamento Químico

O tratamento químico consiste em se adicionar a água um reagente químico a fim de ter-se uma coagulação das impurezas em suspensão.

Os reagentes mais utilizados são o sulfato de alumínio para a coagulação, hidróxido de cálcio ou carbonato de sódio para a correção do pH e eventualmente coadjuvantes de floculação (polímeros), de acordo com as características da água.

Estes reagentes são dosados, através de bomba dosadora , diretamente na tubulação de entrada de água bruta na ETA.

b) Decantação

Decantação é o processo de sedimentação das impurezas da água, coaguladas pelo tratamento químico.

Na água adicionada dos reagentes químicos, se inicia o processo de floculação, que é a formação dos flocos ou seja a aglomeração das partículas em suspensão para que possa, sedimentar.

Após esse processo se inicia a decantação propriamente dita, que é a sedimentação dos flocos na câmara apropriada do decantador para posterior eliminação. Os processos de coagulação, floculação e decantação devem ser muito bem dimensionados para não ocorrer um excesso de dosagem de produtos químicos, má formação de flocos ou uma decantação deficiente, o que arrastaria flocos para o sistema de filtração.

A floculação e decantação se processam em um decantador metálico com áreas internas distintas para a formação de flocos e posterior decantação.

c) Filtração

A filtração se destina a reter possíveis flocos e materiais em suspensão que não decantem. O filtro é constituído por um vaso metálico, com camadas de areia classificadas, dispostas internamente sobre um fundo falso ou coletor inferior.

28.1.2. Descrição da ETA compacta fechada

Geralmente a dosagem química é composta de tanque de preparo de produtos químicos e bombas dosadoras, o decantador acelerado funcionando a pressão com leito de lodo em suspensão, o que propicia uma decantação mais eficiente e rápida e os filtros também a pressão, com duplo sentido de fluxo para maior aproveitamento do leito filtrante e conseqüentemente maior ciclo entre lavagens.

28.1.3. Descrição do processo de tratamento

A água bruta, proveniente do Rio, é recalcada para a Estação de Tratamento de Água (ETA), através de bombas tipo centrífuga, entrando através do carretel de dosagem, onde recebe a dosagem dos produtos químicos para correção do pH (barrilha leve ou cal, se necessário) e coagulação (sulfato de alumínio) onde, devido à sua construção, favorece a adequada dispersão e mistura rápida das soluções químicas com a água bruta. A água bruta já coagulada, após passagem pelo carretel de mistura, flui para a primeira câmara do flocodecantador, dotada de ejetor e sistema de floculação hidráulica, dimensionado para promover um gradiente de velocidades de 10 s-1 a 120 s-1 , onde se iniciará o processo de formação de flocos (floculação).

Terminado o processo de floculação, a água é encaminhada para a câmara de decantação no flocodecantador, sendo então distribuída uniformemente no interior da câmara de decantação, dimensionada com velocidade reduzida, evitando turbulências e quebra de flocos formados.

A água floculada, distribuída uniformemente no flocodecantador, inicia o processo de decantação propriamente dito, formando primeiro um colchão de lodo logo acima da zona de floculação, que auxilia a decantação “filtrando” as partículas mais leves, tornando-as maiores e conseqüentemente mais pesadas.

O excesso de lodo, decantado no fundo do concentrador, serão extraídos periodicamente através da válvula manual de extração de lodo, mantendo assim um nível mínimo de lodo no decantador, assegurando a ação do colchão de lodo, sem riscos de levantamento de flocos devido ao excesso de flocos decantados.

A água clarificada é recolhida uniformemente no topo do flocodecantador, através de tubos perfurados, dimensionados para uma perfeita coleta da água, sem caminhos preferenciais ou velocidades diferenciadas, o que sem dúvida ocasionaria o arraste de flocos, fluindo para o filtro de areia tipo duplo fluxo. Embora seja um filtro duplo, por ser composto internamente de dois elementos de filtração superpostos, não se limita apenas de duplicar simplesmente a taxa de filtração e a capacidade de retenção, mas ampliá-las muito além das metas comuns. De fato, se o elemento filtrante superior atua como um filtro convencional, o elemento inferior proporciona uma filtração no sentido da granulometria decrescente da areia e, portanto uma separação gradual das partículas, em função dos seus tamanhos.

Assim este fluxo invertido funciona praticamente como uma série de filtros de porosidade progressivamente reduzida, “dispersando e diluindo” a carga específica, dentro da totalidade da massa filtrante, ao invés de concentrá-la brutalmente sobre uma pouca superfície, como é o caso nos filtros convencionais. A implicação imediata e lógica deste fato é de aumentar a capacidade de retenção do filtro sem prejuízo da qualidade do filtrado, permitindo aumentar consideravelmente a velocidade de filtração sem sofrer o que seriam as conseqüências normais em um filtro convencional, ou seja, rápida colmatação e perda de qualidade de água filtrada. De fato, processada no sentido de porosidade decrescente do leito filtrante, a filtração propicia uma retenção progressiva das impurezas, e portanto um aproveitamento total do leito, aumentando a superfície utilizável do material filtrante, sobre o qual se processa a absorção das partículas em suspensão. Outrossim, partículas já absorvidas e eventualmente deslocadas pelo fluxo de água, serão retidas na camada posterior de areia, de menor porosidade, possibilitando assim, uma filtração segura e uma alta taxa de percolação, bastando para tal manter o leito compacto durante o funcionamento. No filtro duplo fluxo a compactação do leito filtrante durante o funcionamento é assegurada pela aplicação de uma parte da vazão no sentido de cima para baixo e coleta da água filtrada no interior do leito filtrante mais fino, através de drenos especialmente projetados para esse fim. A camada de areia acima dos drenos, funciona como um filtro convencional mas sua principal função é manter compactada a espessa camada inferior, devidamente ampliada para o máximo aproveitamento de sua capacidade. A lavagem é feita do modo convencional, fazendo-se passar toda a água em contra corrente (de baixo para cima), o que fluidiza o leito filtrante desprendendo as partículas retidas e direcionando-as para a saída de água de lavagem. Devido a disposição do leito filtrante em relação ao sentido de percolação e a elevada taxa de filtração utilizada, a lavagem é feita normalmente com água decantada e na mesma taxa, eliminando desta forma a necessidade de reservatórios ou bombas especiais de água filtrada para lavagem do filtro. O leito filtrante é constituído de uma camada de areia grossa de granulometria homogênea e uma camada de areia fina de granulometria também homogênea. Este leito é apoiado sobre quatro camadas de pedregulho suporte de granulometria definidas, sendo todo o conjunto suportado por um fundo falso equipado com drenos especiais. A água filtrada é retirada do leito filtrante através de drenos, instalados na cruzeta intermediária, posicionada no interior do leito de areia fina.

28.1.4 Descrição dos equipamentos

4.1 Carretel de Mistura / Misturador hidráulico

O carretel de mistura rápida foi dimensionado para promover a dispersão e mistura dos produtos químicos com a água bruta; é dotado de quatro bocais externos onde serão conectadas as tubulações de recalque de produtos químicos, proveniente da bomba dosadora, permitindo ainda a regulagem do tempo de detenção em seu interior de acordo com o ponto de dosagem escolhido. Internamente possui aletas que permitem uma excelente dispersão dos produtos químicos e conseqüentemente boa mistura rápida, possibilitando assim o início de formação de flocos.

4.2 Flocodecantador

Tanque fechado de formato cilíndrico vertical, constituído de quatro câmaras internas, sendo uma para floculação, uma para decantação, uma de concentração de lodo e uma de coleta de água clarificada, independente e interligada.

4.3 Filtro de Areia

Tanque fechado de formato cilíndrico vertical, constituído de câmara de filtração e câmara de distribuição de água de decantada e de lavagem independentes, fundo falso dotado de crepinas plásticas, cruzeta intermediária dotada de drenos especiais para coleta de água filtrada e quadro de manobras externo para as operações de funcionamento normal e contra lavagem.

O leito filtrante é constituído de uma camada superior de areia fina de grande espessura, lavada e classificada e uma camada inferior de areia grossa, lavada e classificada, apoiadas sobre uma camada de pedregulho, lavado e classificado com granulometria variável.

4.4 Sistema de Preparo e Dosagem de Produtos Químicos

Constituído de três bombas dosadoras de diafragma, com escala regulável de 0 a 100%, para dosagem dos reagentes químicos (sulfato de alumínio, cal ou barrilha leve e hipoclorito de sódio), que serão preparados em tanques cilíndricos verticais dotados de misturadores rápidos.

4.5 Painel Elétrico

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