Dissertação Henrique

(Parte 1 de 4)

Dissertação apresentada à Universidade Santa Cecília como parte dos requisitos para obtenção de título de mestre no Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mecânica, sob orientação do Prof. Dr. Aldo Ramos Santos e coorientação do Prof. Dr. Deovaldo de Moraes Júnior.

Autorizo a reprodução parcial ou total deste trabalho, por qualquer que seja o processo, exclusivamente para fins acadêmicos e científicos.

Paulo, Henrique Aparecido Teixeira de. Construção e operação de um marcador de posição da taxa de Óleo combustível em função do ar de combustão numa caldeira de vapor saturado/ Henrique Aparecido Teixeira de Paulo. -- 2015. 74f.

Orientador: Prof. Dr. Aldo Ramos Santos Coorientador: Prof. Dr. Deovaldo de Moraes Júnior.

Dissertação (Mestrado) -- Universidade Santa Cecília, Programa de Pós-Graduação em 2015, Santos, SP, 2015.

1. Caldeira. 2. Caldeira fogo tubular. 3. Eficiência global de caldeira. 4. Ajuste na taxa de óleo em função do ar. 5. Combustão. I. Paulo, Henrique Aparecido Teixeira de. I. Santos, Aldo Ramos. I. Moraes Júnior, Deovaldo. Construção e operação de um marcador de posição da taxa de Óleo combustível em função do ar de combustão numa caldeira de vapor saturado.

Elaborada pelo SIBi – Sistema Integrado de Bibliotecas - Unisanta

Dedico este trabalho ao meu filho Henrique

Jr., à minha esposa Viviane e aos meus pais Geraldo (in memoriam) e Maria da Glória.

A Deus que sempre esteve comigo em todos os momentos de minha vida e à minha esposa Viviane, ao meu filho Henrique Jr., pelo apoio e compreensão quanto à minha ausência, aos meus pais Geraldo (in memoriam) e Maria da Glória, ao meu irmão Eng.º José e a minha sobrinha Caroline.

Este trabalho foi escrito “a quatro mãos” e devo um agradecimento muito especial ao Prof.º Dr. Aldo Ramos Santos, que acompanhou cada passo do mesmo deste a primeira linha. Com ele aprendi como deve ser a dedicação de um profissional que ama o que faz e quero algum dia ser semelhante a ele como professor, pois me fez acreditar com seu exemplo profissional que “Quem se esforça alcança os seus objetivos” e posso retribuí-lo apenas com meu humilde e carinhoso: “Muito obrigado meu Professor”.

Aos meus professores que contribuíram com seu conhecimento e com muita dedicação, como o Prof.º Dr. Deovaldo de Moraes Júnior, a Prof.ª Dra. Karina Tamião Campos Roseno e todos os outros professores que, ao longo de minha carreira, contribuíram doando cada um deles “um tijolinho” para minha casa do conhecimento que levarei comigo até o fim de minha vida: a todos devo muito.

Aos meus colegas operadores de caldeiras Marcio e Marivaldo, que formaram a equipe que conseguiu regular uma caldeira onde outros falharam, ao Eng.º Adriano S. Teixeira por ajudar nos cálculos em planilhas eletrônicas, ao meu amigo Eng.º Caio Henrique S. Eboli, ex-gerente na ATA Combustão e atual Diretor da CONSULTHERM, que me deu a oportunidade de trabalhar com caldeiras há quase vinte anos atrás com o qual aprendi com sua vasta experiência técnica até hoje.

A todos devo muito e “Se cheguei até aqui foi porque me apoiei no ombro dos gigantes” – Isaac Newton (1727).

O trabalho objetivou construir e operar um DMPTOC, (dispositivo marcador de posição da taxa de óleo combustível em função do ar de combustão) de uma caldeira de vapor saturado. O DMPTOC contribuiu para o aumento da eficiência global de uma caldeira fogo tubular (8% ± 2%). Primeiramente buscou-se reduzir os fatores não ligados à taxa de óleo combustível em função do ar de combustão que impactam diretamente nos resultados da eficiência da caldeira. Como exemplo pode-se citar o aquecimento da água de alimentação da caldeira, que foi melhorado com o aumento de retorno de condensado com reparos no isolamento térmico, vazamento em válvulas, tubos, purgadores e outras fontes de perda de energia. Após o reparo em toda instalação e na caldeira, foi instalado o DMPTOC em função da dificuldade de ajustar os parafusos do disco de comando com a caldeira em pleno funcionamento uma vez que o disco mudava de posição durante a modulação (regulagem) de chama. O DMPTOC trouxe o benefício de marcar as posições em ajustamento durante interrupções, que existem no processo normal da caldeira em operação, não perdendo as posições já ajustadas. Garantiu-se chegar na última posição do ajuste em andamento e, ao mesmo tempo, poder registrar os dados de cada posição de taxa de óleo combustível em função do ar de combustão. A caldeira alcançou os parâmetros recomendados pelo fabricante, tais como de taxas de O2 entre 3% a 5%, CO 2 entre

12,5% a 14,0% e %EA (excesso de ar) entre 15% a 30%, bem como resultados de performance global de rendimento, pois nos meses seguintes, consumiu-se menos óleo combustível para produzir a mesma quantidade de vapor, ou seja houve uma economia de 10%.

Palavras Chave: Caldeira. Caldeira fogo tubular. Eficiência global de caldeira. Ajuste na taxa de óleo em função do ar. Combustão.

This work aims the construction and operation of a marker device of fuel oil rate position (DMPTOC) in function of the combustion air in a saturated steam boiler (firetube). This device helped to increase the overall efficiency of a fire tube boiler. First we tried to reduce factors unrelated to the rate of fuel oil in terms of combustion air, because these factors also impact directly on boiler efficiency results, for example, heating the boiler feed water is improved with increasing condensate return, which in turn is improved with the thermal insulation repairs, repairs valves leak, leaking pipes, traps and other loses of energy sources, such as those in the installation itself of the plant and the condition of the Burner therefore had low temperature interfering with the quality of firing and consequently losing combustion efficiency. Upon installation and repair in all equipment such as a boiler body that interferes with the macro boiler was free the possibility of studying the effect of the use, to improve the oil combustion rate in relation to the combustion air, but because it is difficult to adjust the command disc bolts with the boiler in full operation because the disc change position during the flame modulation. Then brought DMPTOC the benefit of marking the adjustment positions during interruptions, that exist in the boiler normal process operation, i.e., the positions are not lost already adjusted and the adjustment process, it is guaranteed to arrive at the final position thereof in progress and at the same time, be able to register data for each position of the fuel oil rate adjustment as a function of the combustion air. The boiler has achieved the parameters recommended by the manufacturer such as rate of %O

,%EA and global yield performance results, as in the following months, was consumed less fuel oil to produce steam.

Keywords: Steam boiler. Tubular boiler fire. Global boiler efficiency. Adjustment in the rate of "Fuel-air". Combustion.

Figura 1 - Valores utilizados e projetados para diversos tipos de combustíveis	15
Figura 2 - Conjunto DMPTOC	17
Figura 3 - Eolípila de Heron	19
Figura 4 - Máquina de Newcomen	21
Figura 5 - Caldeira a vapor a vapor d’água estacionária, horizontal fogo tubular	2
Figura 6 - Ilustração caldeira aquotubular	2
Figura 7 - Sistema resumido de vapor	24
Figura 8 - Caldeira ATA Série MP	25

28

Figura 9 - Leitura de CO 2.

em relação ao Excesso de Ar	29
Figura 1 - Analisador de Gases TEC-GA12 completo	3
Figura 12 - Display Analisador de Gases TEC-GA12	3
Figura 13 - Idealização inicial do dispositivo marcador	35
Figura 14 - Projeto básico de fabricação do DMPTOC	36
Figura 15 - DMPTOC (Dispositivo de marcação de posição, fabricado)	36
Figura 16 - Vista lateral oposta da caldeira	37
Figura 17 -Localização do “tubulão” e tubos de segunda e terceira passagem	38
Figura 18 - Queimador da caldeira MP	39
Figura 19 - Sistema de isolamento térmico danificado	40
Figura 20 - Estado interno da caldeira	40
Figura 21 - Refratário em recuperação lado externo	41
Figura 2 - Copo rotativo e difusor impregnados de borra de coque	42
Figura 23 - Novo aquecedor de óleo OC-1A	42
Figura 24 - Elevação da temperatura do óleo OC-1A	43
Figura 25 - Sistema de ajustes sem o DMPTOC	4
Figura 26 - Vista superior do sistema de came	4
Figura 27 - Sistema de controle da taxa de óleo em função do ar de combustão	45
Figura 28: Válvula de comando de fogo	45
Figura 29: Válvula de comando de fogo ampliada	45
Figura 30: Damper de controle do ar de combustão	46
Figura 31 - Válvula que controla a pressão do ar de primário	46
Figura 32 - Ajuste dos parafusos com DMPTOC em dois sentidos	46

Figura 35 - Pré regulagem da aproximação do DMPTOC	48
Figura 36 - Pré regulagem do afastamento do DMPTOC	49
Figura 37 - DMPTOC com 23 posições marcadas	50
Figura 38 - Sincronismo de trabalho da equipe de regulagem da caldeira	51
Figura 39 - Modulação proporcional	52
Figura 40 - Manômetro da pressão do vapor	52
Figura 41 - Medidor de vazão de óleo combustível	54
Figura 42 - Medidor de vazão de alimentação de água da caldeira	54

Figura 43 - Medições realizadas de %O2 após regulagem sem e com o auxílio do

DMPTOC

56

Figura 4 - Medições realizadas de %CO2 após regulagem sem e com o auxílio do

DMPTOC

56

DMPTOC

56

Figura 45 - Medições realizadas de %EA após regulagem sem e com o auxílio do Figura 46 - Contribuição do DMPTOC na eficiência da caldeira. .............................. 61

Tabela 1 Ajuste da combustão com o dispositivo 49 Tabela 2 Resultados mensais da energia produzida pelo óleo combustível 51 Tabela 3 Resultados mensais da energia de calor sensível da agua de alimentação da caldeira 52

Tabela 4 Resultados mensais de calor latente produzido 53 Tabela 5 Resultados mensais de calor total vaporização por mês 54

∆h vap Diferença de entalpia do vapor em kcal/kg

∆h vapJ Diferença de entalpia do vapor em kJ/kg

BPF Baixo ponto de fluidez CLP Controlador lógico programável

Cp a

Calor específico da água de alimentação (kcal/kg.o C),

DMPTOC Dispositivo marcador de posição da taxa de óleo combustível

D oc

Densidade do óleo combustível entrando no queimador (g/cm3 )

D ro

Densidade relativa do óleo a 20o

C (em relação a água a 4o C)

EA Percentagem de excesso de ar (%) ηE Rendimento energético global da caldeira em (%) hl Entalpia do líquido (kJ/kg) hv Entalpia do vapor na pressão da caldeira (kJ/kg)

OC Óleo combustível PCI Poder calorífico inferior (kcal/kg) PCIOC Poder calorífico inferior do óleo combustível (kcal/kg) Pmc Pressão média da caldeira (bar) PMTA Pressão máxima de trabalho permissível (bar) ppm Parte por milhão

Q aav Calor sensível da água de alimentação até a temperatura do vapor

(kcal/mês)

Q liq Energia de aquecimento da água líquida (kcal/mês)

Q oc Quantidade de energia térmica gerada da combustão do óleo (kcal/mês)

Q tva Energia total de vaporização da água (kcal/mês)

Q vap Calor latente produzido por mês pela caldeira (kcal/mês)

R vo Razão vapor produzido por óleo queimado

Temperatura média da água de mistura da alimentação da caldeira (o C)

Δt av

Diferença de temperatura entre vapor e água de alimentação (o C)

T gc

Temperatura dos gases da chaminé (o C)

T má x Temperatura máxima (o C)

T moa

Temperatura média do óleo aquecido no mês (o C)

T mv

Temperatura média do vapor saturado (o C)

T vap

Temperatura do vapor em (o C)

V a Vazão de água de mistura da alimentação da caldeira (kg/mês)

V moc Vazão mássica de óleo combustível (kg/mês)

%Vol. Porcentagem em Volume

V voc Vazão volumétrica de óleo combustível medida (L/mês)

1 INTRODUÇÃO	15
1.1 OBJETIVOS	18
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA	19
2.1 CALDEIRAS	19
2.2 VAPOR SATURADO	25
2.3 INSTALAÇÕES E EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS DE VAPOR	26
2.4 MEDIDORES DE GASES	27
2.5 ÓLEOS COMBUSTÍVEIS	30
2.6 COMBUSTÃO E QUEIMADORES	30
3 MATERIAL E MÉTODO	3
3.1 MATERIAL	3
3.1.1 Analisador de Gases	3
3.1.2 Dispositivo marcador de posição	35
3.1.3 Caldeira MP-810 utilizada	37
3.1.4 Queimador da caldeira, MOD. 3-TR	38
3.2 MÉTODO	39
3.2.1 Etapas preliminares para a instalação do DMPTOC	39
3.2.2 Ajuste da caldeira sem o DMPTOC	43
3.2.3 O funcionamento do DMPTOC	45
3.2.4 Marcação no disco e regulagem da agulha do DMPTOC	48
3.2.5 Regulagem da combustão utilizando o DMPTOC	50
3.2.6 Método para a verificação da eficiência do DMPTOC	53
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO	5
4.1 AJUSTES NO DISCO DE COMANDO	5
4.2 EFICIÊNCIA DA CALDEIRA E PRODUÇÃO DE VAPOR	57

5.1 CONCLUSÃO	62
5.2 SUGESTÕES	62
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	63

	6
ANEXO B - Densidade do Óleo OC-1A em função da temperatura	67
ANEXO C: Princípios de funcionamento de Detectores de gases	68
ANEXO D - Viscosidade em função da temperatura para os óleos combustíveis	69
ANEXO E - Propriedades termodinâmicas da água	70
ANEXO F - Propriedades de alguns combustíveis de caldeiras	71
ANEXO G - PCI de alguns combustíveis	72

ANEXO A - Faixa de Ajuste de CO2

em função do E.A. (excesso de ar)

73

1 INTRODUÇÃO

A maioria das empresas que possuem geradores de vapor, ou seja, máquinas térmicas, chamados de caldeiras, sejam a óleo combustível ou a gás, de produção de vapor saturado de processo ou vapor superaquecido, preocupam se de forma crescente com o consumo de combustível, pelo impacto que os poluentes causam ao meio ambiente, e também pelos hidrocarbonetos de sua composição. Segundo Alderetes (2011), os sistemas de geração de vapor eram considerados cada vez mais importantes para muitas indústrias, seja no aspecto operacional quanto ao impacto econômico e ambiental que estes sistemas causam. Saidur et al. (2011), consideram as melhorias de sistemas energéticos como um dos fatores mais importantes nos custos operacionais das indústrias.

O óleo combustível OC-1A possui 2,5% de enxofre em massa (PORTARIA ANP

Nº 80, 1999) que sairá como poluente pela chaminé da caldeira. Além disso, o óleo combustível é um recurso mineral não renovável, um dos últimos derivados do petróleo, e o com elevado custo de produção.

O consumo de combustíveis fósseis vem aumentando ano após ano, e isso preocupa muito conforme Saidur et al. (2011). A Figura 1 ilustra pesquisa de consumo de energias combustíveis na escala mundial.

Figura 1 - Valores utilizados e projetados para diversos tipos de combustíveis. Fonte: Saidur et al. (2011)

Este trabalho descreveu a criação e utilização de um marcador de posição desenvolvido particularmente para uma caldeira do tipo fogo tubular convencional, marcando a posição no procedimento de regulagem da taxa de óleo combustível. A criação desse dispositivo foi resultado de uma necessidade operacional. A caldeira estava desajustada e não atingia o parâmetro de rendimento de rendimento 8% ± 2% conforme o manual das caldeiras MP (AALBORG,1995), a planta industrial também apresentava problemas de manutenção no sistema de tubulações, conexões e isolamentos térmicos, sendo todos mapeados conforme o relatório técnico de inspeção (SPIRAX SARCO, 2008); todos estes fatores encareciam o processo de geração e transporte de vapor aos pontos de consumo, pois mais óleo combustível era consumido além de perdas com tempo de parada de máquina para manutenção corretiva.

U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS (2015) indicou a importância dos custos relacionados ao combustível entre os diversos custos que envolvem uma instalação de vapor, o que reforçou a necessidade em buscar o menor consumo de óleo nos projetos de produção de vapor. Abaixo segue uma lista de recomendações por ordem de prioridades nos estudos de produção de vapor em relação aos custos: a) Combustíveis, considerando vários tipos e combinações de combustível. b) Energia elétrica. c) Água de alimentação da caldeira. d) Produtos químicos. e) Operação e manutenção de material (exceto combustível). f) Operação e manutenção de trabalho. g) Quaisquer outros relacionados com a máquina. Esse dispositivo marcador de posição aqui proposto, trabalhou em conjunto com um analisador de gases medindo as quantidades de O2 , CO2 e CO em porcentagem volumétrica, e em ppm para o CO, contidos nos gases de exaustão da chaminé da caldeira, registrando os resultados obtidos para qualquer posição em que o disco de comando estivesse, permitindo retornar em qualquer ponto registrado.

O ponto ótimo de funcionamento de uma caldeira depende de diversos fatores, sendo um deles muito importante, o ponto de regulagem da mistura do ar com o combustível. É esta taxa de mistura que garantiu a estequiometria adequada com um ligeiro excesso de ar para que a combustão ocorresse devidamente (KRISTINSSON & LANG, 2010). O fabricante informou rendimento global da caldeira mais adequado é de 8% ± 2%, conforme o manual de operação das caldeiras MP-810 da Aalborg (1995).

A regulagem da taxa de combustível em função do ar de combustão ofereceu melhores resultados com o dispositivo DMPTOC do que uma regulagem intuitiva pautada apenas em tonalidade de fumaça que sai da chaminé ou da chama no queimador (Figura 2).

Figura 2 - Conjunto DMPTOC.

O dispositivo DMPTOC (dispositivo marcador de posição da taxa de óleo combustível em função do ar de combustão) é inédito e aplicável apenas para as caldeiras Aalborg (modelos MP, AWN e eventualmente nas modernas Caldeiras Mission), que possuem projeto semelhante de comando de mistura. Apesar das caldeiras modelo Mission possuírem inversor de frequência no compressor e uma servo-válvula para controlar a vazão de óleo e o controle ser realizado por um CLP (Controlador Lógico Programável), as empresas têm uma alternativa visando baratear o custo com a automação eletrônica.

Para maximizar o rendimento da caldeira, além da regulagem auxiliada pelo

DMPTOC, outras providências foram tomadas, tais como reparos necessários no sistema de isolamento térmico e na tubulação de vapor, que resultou em considerável aumento na quantidade de condensado que retornava para o desaerador, elevando a sua temperatura média. Isso impactou positivamente no rendimento da caldeira, pois diminuiu a quantidade de óleo combustível usado, de acordo com Durkin (2006).

O uso do DMPTOC foi mais efetivo com a substituição do pré aquecedor de óleo combustível, fazendo com que o mesmo elevasse a temperatura do óleo de 99ºC a 115ºC o que gerou uma redução da viscosidade do óleo quando este chega no copo rotativo, assim ficando no tamanho ideal das partículas de óleo para garantir uma boa eficiência de combustão (KUO, 1986).

1.1 OBJETIVOS

O trabalho teve como objetivo geral desenvolver, construir e operar um dispositivo que marque a posição do controle de mistura de óleo combustível em relação ao ar de alimentação.

O estudo visou como objetivos específicos:

a) Melhorar a eficiência de combustão e global da caldeira, como meta aproximar-se dos melhores valores indicadores pelo fabricante para o modelo da caldeira, ou seja 8% ± 2% (AALBORG, 1995); b) Diminuir o consumo de óleo para uma mesma quantidade de vapor produzido; c) Criar condições para a geração de planilhas e curvas de controle dos parâmetros que contribuem para a determinação do ajuste da combustão e rendimento da caldeira num determinado momento.

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