Caldeira de leito fluidizado

- Caldeira 08Caldeira 08 - - Leito Fluidizado Circulante Leito Fluidizado Circulante

Ano de Fabricação: 2006 - Startup 04/2008

9º Encontro de Operadores de Caldeira

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Fabricante: Babcock España e AE&E (Austrian Energy and

Envoronmental).

Produção de vapor com queima de biomassa 250 t/h

Produção de vapor com queima de óleo BPF 3A 212,5 t/h

Faixa de controle do super aquecedor 50 100 %MCR

Faixa operacional da caldeira com biomassa 40 100 %MCR

Faixa operacional da caldeira com óleo BPF 3A 40 85 %MCR

Pressão de operação 100 3 bar

Caldeira 08 - Leito Fluidizado Circulante Caldeira 08 - Leito Fluidizado Circulante

Temperatura do vapor 500 5°C

Pressão máxima admissível de trabalho (PMTA) 126 bar

Temperatura da água de alimentação 130° C

Pressão de teste hidrostático 189bar

Eficiência térmica da caldeira no MCR e com biomassa: 91%

Temperatura da água de alimentação 130º C

Temperatura do leito: 750 a 900º C

Temperatura dos gases na saída da fornalha: 580

a 860º C

Em um leito fluidizado uma quantidade de material inerte (areia) com uma granulometria fina é atravessado por um fluxo de ar insuflado de baixo para cima.

No início o material inerte submetido a uma baixa quantidade de ar comporta-se como leito

fixo. Com um aumento no fluxo de ar, a perda de carga aumenta consideravelmente, ao mesmo tempo aumentam também as forças agindo sobre a areia do leito. As primeiras partículas

começam a se mover, ainda dentro de um espaço limitado, e o leito fixo se expande para cima,

mas a maior parte das partículas ainda forma uma camada homogênea.

Quando é atingido um certo fluxo de ar, o chamado ponto de libertação (point of loosening) é

atingido: a força exercida pelo fluxo de ar é forte o suficiente para que todos os grãos de areia

possam ser mantidos em suspensão. A perda de carga no fluxo de ar está em equilíbrio com o

peso do material inerte. Com um aumento adicional no fluxo de ar O leito fluidizado se expande adicionalmente em volume, mas ainda apresenta uma fase sólida densa e uma superfície sólida definida.

Se a velocidade do fluxo excede a que permite a descida das partículas individualmente, um

sólido fluxo de massa é formado, o que no limite se transforma em um transporte pneumático,

não há mais uma superfície definida de material do leito, que ao contrário é distribuído através

de toda a altura da câmara de combustão.

Para recuperar o material inerte (areia, em nosso caso) do leito fluidizado, as partículas

sólidas são separadas do fluxo de gás em um separador descendente (Ciclones) e recirculadas

ao leito, de acordo com o princípio do �Leito Fluidizado Circulante�. Isto é ilustrado na figura a

seguir

Os Princípios do Leito Fluidizado

Os Princípios do Leito Fluidizado

�Porosity = porosidade�At rest = em descanso�Fixed bed = leito fixo�Fluidised bed = leito fluidizado�Pneumátic conveying = transporte pneumático

�Fluidisation point = ponto de fluidização

�Bubbling bed = leito borbulhante�Sinking velocity = velocidade de queda

4. Combustão em CFB � Leito Fluidizado Circulante

A parte principal do sistema CFB é uma fornalha de seção transversal retangular,

projetada para suportar pressão positiva e fechada hermeticamente por paredes

d�água membranadas,

Além das paredes membranadas da fornalha, há três (3) � �evaporadores de

parede tipo asa� (paredes membranadas internas à fornalha), e quatro (4) � �super-

aquecedores de parede tipo asa� estão instalados na parte superior da fornalha e

fornecem superfície de aquecimento adicional. A parte inferior da fornalha é

revestida com refratários.

A combustão se realiza em um ambiente de leito fluidizado turbulento contendo

grande quantidade de material do leito com uma concentração de combustível

relativamente baixa. O CFB � leito fluidizado circulante � não tem uma altura

definida do leito: os sólidos (material do leito, combustível e eventualmente aditivos,

quando aplicável) estão continuamente formando aglomerados, que são

transportados fornalha acima, e eventualmente caem e se �desmancham�,

permitindo às partículas do leito voltar ao processo.

A densidade sólida diminui gradualmente em direção ao topo da fornalha. Devido

à alta velocidade superficial no Leito Fluidizado Circulante, a maioria das partículas

finas do material do leito é arrastada para fora da fornalha até o ciclone separador ,

que tem um fluxo descendente. Mais de 99% destes sólidos são separados no

ciclone e retornam pela parte inferior da fornalha (sifão), e o resto deixa o ciclone

juntamente com os gases quentes, entrando no segundo passo da caldeira.

Fornalha

SH2 e evaporador

1755 bocais

4. Combustão em Leito Fluidizado Circulante

A tecnologia POWERFLUID em Leito Fluidizado Circulante � CFB � é

caracterizada por:

� Baixa temperatura de combustão

� Alta turbulência e ótima mistura dos sólidos

� Alto tempo de residência dos sólidos na câmara de combustão devido às altas

taxas de recirculação

� Tecnologia convencional e comprovada �Hot Ciclone��Ciclone Quente�máxima

eficiência de separação

� Entrada de ar efetivamente estagiada� Maior flexibilidade com relação ao tipo de combustível (carvão, biomassa,

resíduos, etc.) assim como às formas físicas dos combustíveis (sólidos, gases, lodo,

pastas) � Maior eficiência de combustão (91%)

� Emissões de NOX mais baixas

� Alta faixa de variação de carga (�turn-down�)

� Simplicidade e confiabilidade operacional

Silos de biomassa

Bicos de alimentação de ar na fornalha e entrada de biomassa

Detalhes da Caldeira nº8

� Emissões:

� NOx: 200 mg/ Nm³

� SO2: 500 mg/ Nm³

� CO: 200 mg/ Nm³

� Particulados: 100 mg/ Nm³

� Controle das Emissões de Particulados:

� O controle de emissões de particulados é realizado através de 2 precipitadores eletrostáticos com duas câmaras cada, ( 69kV, 1000mA ) .


� Controle das Emissões de NOx:

� Combustão em estágios:

� 35 a 60% do ar total pelos bocais inferiores para fluidização do leito e iniciar a combustão sub-estequiométrica.

� O ar remanescente é injetado em diferentes níveis para assegurar alta eficiência de combustão.

� Baixa temperatura de combustão:� Entre 900 a 950 ºC.


� Controle das Emissões de CO:

� Adequada mistura.� Turbulência.� Alimentação estável de combustível.

� O projeto do sistema de ar de combustão permite considerável controle e variação da distribuição do ar fornecido à fornalha. A turbulência criada quando os gases de combustão e os sólidos passam pelo ciclone promovem queima adicional de CO pela mistura de CO e O2

nesta zona de alta temperatura.

Tanque de água de alimentação (Desaerador)� O sistema de desaeração e armazenamento da água de alimentação é aquecido

com vapor de baixa pressão (4 bar). O sistema consiste de um equipamento único

que serve como desaerador e tanque de alimentação.

� O sistema tem as seguintes funções:

� Tanque pulmão para compensar as rápidas flutuações entre a demanda de água de

alimentação e o fluxo de retorno de condensado (durante a partida da planta).

� Desaeração da água de alimentação, isto é, retirada do oxigênio e outros gases não

condensáveis, .

� Aquecimento da água de alimentação (130º C)

� Uma pequena quantidade de vapor e gases não condensáveis sai por 2 válvulas

acima do spray de água, enquanto a maior parte do vapor é condensado. Este

contato em contra-corrente produz água desaerada com menos de 0.007 ppm de

oxigênio dissolvido,

Especificação da água de alimentação

Tipo: Spray Dewplan

Entrada de vapor 4 bar

Tanque de água de alimentação (Desaerador)

Circulação água/vapor

a água succionada do desaerador segue na seguinte ordem:

1. Economizador 01

2. Condensador

3. Economizador 02

4. Economizador 03

5. Tubos de suporte

6. Tubulão

7. Através dos tubos de quedas (downcomers) é alimentado os evaporadores do 1º, 2º

passo e os coletores inferiores das paredes do 1º passo (fornalha), a mistura

água/vapor retorna ao tubulão através dos tubos de subida (Risers).

8. O vapor saturado do tubulão desce pelas paredes laterais do 2º passo.

9. Sobe pela parede traseria do 2º passo.

10. Desce pela parede frontal do 2º passo.

11. Entra no superaquecedor primário.

12. Superaquecedor secundário.

13. Superaquecedor terciário

14. Coletor épsilon.

Queimadores de óleo

Queimadores de partida

Quantidade: 5

Capacidade por unidade 362 a

1813 Kg/h (20 MW)

Queimadores lanças do leito

Quantidade: 6

Capacidade por unidade

272 a 1360 Kg/h (15 MW) -

Total / 90 MW

Obs.: Estes queimadores não possuem ignitores, condição

para acendimento: Temperatura >400º C no leito.

Valor calórico: 40 MJ/kg

Teor de enxofre: 2,5 %

Alimentação de biomassa

� Consumo estimado: aproximadamente 700.000 t/ a.

� Tipos:

� 10% proveniente da disponibilidade de compra das serrarias da região.

� 90% proveniente da disponibilidade de produção interna na fábrica,

do aproveitamento de resíduos de colheita florestal, que até então

não eram utilizados e cavaco picado de árvores inteiras

� Resíduos de colheita florestal:

� Galhos, copa de árvores e troncos finos.

� Biomassa com presença de folhas.

� Alta variabilidade de composição química, umidade e poder calorífico.

Alimentação de biomassa

Resíduos de colheita florestal:

Separada na colheita.Transportada para pátios intermediários.

Picada em equipamentos móveis.

Transportada para caldeira.

Pátio intermediário Picagem em equipamento móvel

Especificação dos combustíveis:

A fim de controlar o ∆P, e qualidade da areia do leito, é efetuado descargas dos hoppers

via três roscas de resfriamento e um arraste coletor de material resfriado a uma temperatura

de ± 200º.C até uma peneira vibratória para separação. As impurezas vai para um container e

a areia dentro dos parâmetros( <2mm) é transportada para um silo e posteriormente dosado

novamente na fornalha.Temperatura máxima da cinza na saída do dreno do leito................................................850 °C

Tamanho do material descartado (depois da peneira vibratória)....................................> 2 mm

Controle de qualidade do leito

A cinza da combustão coletada no segundo passo e dos precipitadores são

transportadas para o silo de cinza M-1010 através de transportadores pneumáticos.

� 2º passo 2 transportadores pneumático.

� Precipitadores 8 transportadores pneumático.

Transporte de areia / cinzas

Dificuldades - biomassa contaminada

Cascalho proveniente da biomassa.

Exemplo de pedra

transportada com

biomassa.

Exemplo de toco na biomassa.

Dificuldades - Granulometria da areia

� Havia apenas um silo de armazenamento e transporte de areia para as caldeiras 06 e 08, sendo o recebimento escalonado:

� 2ª, 4ª e 6ª feiras areia para caldeira 06

� 3ª, 5ª e sábados areia para caldeira 08.

� Com isso algumas vezes essas areias eram misturadas, pois a areia da Cd 06 para Cd08 não é recomendado por ser de uma granulometria maior,

pode vir a comprometer a circulação e provocar corrosão .

� Fornecimento de areia fora das especificações.

[mm] Passante Retido [mm] Passante Retido [mm] Passante Retido

4,760 100,00% 0,00%

2,000 95,00% 5,00% 2,000 100,00% 0,00% 2 100,00% 0,00%

1,000 80,00% 15,00% 1,000 99,95% 0,05% 1 93,10% 6,90%

0,710 99,25% 0,70%

0,500 50,00% 30,00% 0,500 90,00% 9,25% 0,5 78,10% 15,00%

0,355 69,50% 20,50% 0,355 35,00% 43,10%

0,297 20,00% 30,00%

0,250 43,50% 26,00% 0,25 1,00% 34,00%

0,125 3,50% 40,00%

0,105 2,00% 18,00%

0,080 0,35% 3,15%

Finos 0,00% 2,00% Finos 0,00% 0,35% 0,01 0,00% 1,00%

Umidade < 3%

CD6 - Original CD8 - Original Mix

Distribuição Granulométrica da Areia

Sinterização do Leito da Caldeira

1ª ocorrência em 09/09/08 em que não foi identificada a causa, vários fatores ocorreram ao

mesmo tempo

Ventilador recirculação de gases em manutenção no momento da ocorrência.

Curva de aprendizagem de descarte de material do leito/reposição de areia.

Ausência de amostras da biomassa alimentada na caldeira para análises.

Teste de performance neste período.

2ª ocorrência em 17/10/08.


Fornalha antes da sinterização. Fornalha após a sinterização.

Ciclone antes da sinterização. Ciclone após a sinterização.

Pedras retiradas da caldeira.Pedra retirada da caldeira.

Cinzas (900ºC) de amostra típica de

biomassa (50%) + material do leito da caldeira (50%).

Cinzas (900ºC) de amostra típica de biomassa

(25%) + rejeito do DC1 (25%) + material do leito da caldeira (50%).


Após a 2ª ocorrência foi identificada o descarte inadequado de rejeito do digestor nº1 ( DC1) no

estoque intermediário de biomassa para a caldeira.

Amostra de biomassa típica da

caldeira nº8.

Amostra de rejeito encontrado na estoque intermediário de biomassa.


Testes com Queima de Cavacos de Pneu

Caldeira nº 8 foi projetada para queimar até 30% do MCR com cavacos de pneu.

1º teste em 05/03/2009, com 20% da carga térmica da caldeira. Todos os

parâmetros de emissões ambientais foram atendidos com exceção do SOx.

2º teste entre 23 a 25/03/2009, com a mesma carga do 1º teste e com controle de

emissão de SOx pela dosagem de calcário dolomítico. Resultados de SOx

atenderam limites ambientais.

De acordo com os resultados apresentados a seguir, comprovou-se que a queima de cavacos de pneu a 20% da carga da caldeira nº8 satisfaz a todos os requisitos

legais do instituto ambiental.

Testes com Queima de Cavacos de Pneu

Ação para solucionar anomalias

1. Contaminação da biomassa, estão sendo avaliadas melhorias no

pátio de preparo de biomassas para redução de contaminantes

(pedras, toras, etc).2. Controle na coleta de resíduos florestais para evitar materiais

indesejáveis ( pedras, terra etç...).

3. Picador móvel descarregando diretamente no caminhão.

1. Granulometria da areia, eliminado a mistura de areia da caldeira 06 com da caldeira 08, foi instalado um silo para armazenamento e transporte individual para cada caldeira e acompanhamento das cargas recebidas com testes laboratoriais.

1. Sinterização do leito, descoberta a causa, descarte de rejeito do

digestor 01 (DC1) na pilha de casca, solucionado problema não

adicionando o rejeito na casca e fazendo coletas de biomassa para análises laboratoriais (prevenção).

1. Com a dosagem de calcário dolomítico na queima de pneus(20%

MCR) a caldeira atendeu a todas exigências do instituto

ambiental.

Referências Bibliográficas

� KLABIN, 2007. Manual de operação da caldeira nº8.

Anexos: Ar e Gás

Ar de combustão

Alimentação de biomassa e pneus

Sistema de água de alimentação

Sistema de óleo BPF

Queimadores de partida

Sistema de sopragem

Descarga do leito e reposição de areia

Transportadores de cinza

Precipitador eletrostático

Intertravamentos

Silvio Rodrigues [email protected] S/A - Telêmaco Borba - Paraná

mailto:[email protected]

Caldeira de leito fluidizado

Engineering

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