Em alta pressão e temperatura. De olho no mercado de cogeração, usinas voltam sua atenção para as caldeiras

Em alta pressão e temperatura. De olho no mercado de cogeração, usinas voltam sua atenção para as caldeiras


27-02-16 Equipamentos

Com a chegada do calor e quando muito intenso, brincamos ao dizer que estamos com a sensação de estarmos em uma caldeira. Essa comparação tem sentido, pois as caldeiras são geradoras de vapores saturados ou superaquecidos que têm por finalidade fornecer energia térmica através destes vapores, acionando as turbinas de processos e ou geração de energia elétrica para os processos industriais das usinas e ou comercialização desta energia.

Essas caldeiras são de altas pressões, temperaturas e são mais eficientes de uma forma geral, ou seja, o vapor tem uma entalpia maior sendo melhor aproveitada a sua energia térmica, tendo uma economia de bagaço para a mesma quantidade gerada de energia.

As caldeiras aquatubulares de dois tambores de vapor, com paredes da fornalha do tipo membranadas, com grelha fixa resfriada a água também são muito utilizadas pelas usinas e podem ser com parte da queima do combustível em suspensão e parte sobre a grelha ou queima do combustível totalmente sobre a grelha.

"Essas caldeiras são equipamentos de alta eficiência e performance, baixa necessidade de manutenção, facilidade de operação e projetados para a queima específica da biomassa disponível nas usinas", afirma Bernardo Juvenil Celso Júnior, gerente de Engenharia em Energia da Dedini.

De acordo com Guilherme Antoneli, gerente de Engenharia em Energia da Zanini, o que pode determinar a escolha da caldeira é o tipo do combustível que será queimado na referida caldeira. "Se o cliente pretende queimar vários tipos de biomassa e com umidades mais altas, automaticamente faz a opção por caldeiras de leito fluidizado, porém se pretende queimar bagaço e/ou cavaco de madeira acaba optando por caldeiras com grelhas rotativas, já que o Capex do projeto fica reduzido", explica.

As caldeiras são equipamentos que apresentam várias capacidades, o que depende, por sua vez, das necessidades de vapores das usinas. As capacidades podem variar de 30/40 t/h até 400/450 t/h.

As pressões podem ir desde menos de 15 kgf/cm2 a até 120 kgf/cm2, por exemplo, e as temperaturas do vapor podem ir desde a temperatura do vapor saturado a até 550ºC, informa Bernardo Juvenil Celso Júnior, gerente de Engenharia em Energia da Dedini.

"Ultimamente, as caldeiras vêm sendo adquiridas pelo mercado com capacidades acima de 150 t/h, porém temos capacitação técnica para apresentar proposta para caldeiras das mais variadas capacidades, pressões e/ou temperaturas", lembra Antoneli.

Alexandre Martinelli, coordenador comercial da Caldema, conta que além da necessidade de tornar os equipamentos mais eficientes para que haja uma  sobra de bagaço para poder vender o excedente às centrais térmicas que cogeram, tornando esta uma fonte de renda, as usinas há algum tempo, principalmente após o apagão que se deu no País em 2000/2001, vem preparando suas caldeiras para o nicho de mercado de venda de energia elétrica, ou seja, a cogeração. Ele explica que pode-se fazer esta preparação de duas maneiras: aquisição de uma nova caldeira ou adequação das caldeiras existentes.

Ultimamente, devido a recessão econômica e aos preços de energia com venda no mercado livre não estarem tão atrativos, a segunda opção é dominante no planejamento da maioria das usinas. "Para que a primeira opção se viabilize é preciso haver novos leilões de energia utilizando o bagaço de cana como combustível. Os últimos leilões tiveram preços bem atrativos, porém muitos projetos deixaram de serem concretizados devido ao momento econômico que o setor sucroenergético enfrenta, assim como a economia do País. Há uma grande insegurança dos empresários em relação a um planejamento de médio e longo prazo que é o tempo necessário para a concretização de um projeto deste", frisa Martinelli.

Algumas usinas tem efetuado a troca ou a reforma em suas caldeiras de olho na cogeração. “Aquelas que se interessam pela cogeração geralmente optam por caldeiras mais eficientes e com pressão de operação mais alta, geralmente de 67 kgf/cm2, sendo que algumas já foram instaladas em 100 kgf/cm2. Desta forma, as caldeiras existentes de pressões mais baixas e menos eficientes geralmente são substituídas por novas ou podem sofrer uma adequação para atender às novas condições”, assegura Celso Júnior.

"Já participamos de algumas concorrências onde os clientes fazem a substituição das caldeiras existentes e de pressões menores por caldeiras de pressão maior, já que a geração de energia é maior nessa condição, porém buscam o aproveitamento ao máximo dos equipamentos e partes existentes", afirma Antoneli.

Performance.

Caldeira de leito fluidizado borbulhante com tecnologia Foster WheelerCaldeira de leito fluidizado borbulhante com tecnologia Foster Wheeler. 

Vários fatores interferem na performance das caldeiras, de acordo com Celso Júnior. Ele considera como o principal deles a qualidade do combustível, que deve estar em conformidade com as condições consideradas quando do projeto da caldeira.

"Outro importante item é a qualidade e temperatura da água que é provida para a caldeira e que deve estar estritamente em conformidade com os requisitos informados pelo fabricante. O sistema de manuseio da biomassa deve ser corretamente dimensionado para que possa prover uma alimentação estável de combustível à caldeira", orienta Celso Júnior.

Martinelli também menciona que um dos fatores que mais interferem na performance da caldeira é a qualidade do combustível. "Um bagaço de cana com umidade estável por volta de 50%, e mantida a estabilidade na quantidade de bagaço que chega na caldeira, resulta em melhor desempenho. Os problemas começam quando a moagem não consegue controlar a umidade, que ao passar de 55% em caldeiras com grelha e queima em suspensão, causam muita instabilidade operacional. Outro problema que prejudica a performance da caldeira é a variação brusca da quantidade de vapor consumido: se uma caldeira está estável em 300 t/h e repentinamente ocorre uma parada de moenda ou rejeição de carga no turbo-gerador e o consumo abaixa para 200 t/h, e logo o consumo volta para 300 t/h, é bastante complicado para a automação da caldeira acompanhar essas mudanças", explica.

Ele também diz que a quantidade de cinzas no bagaço interfere na performance, ao reduzir o poder calorífico e obrigar mais limpezas na grelha. "Essas instabilidades são muito mais bem suportadas por caldeiras de leito fluidizado, mas mesmo essas têm seus limites", atenta Martinelli.

Para Antoneli, a eficiência é consequência de um projeto bem elaborado, ou seja, as caldeiras, sejam elas de grelha ou de leito fluidizado, devem ser dimensionadas levando-se em consideração alguns parâmetros técnicos importantes e que muitas vezes não são levados em conta como: tempo de residência mais altos, temperatura de saída da fornalha abaixo do ponto de amolecimento das cinzas, liberações térmicas, velocidades dos gases mais baixas, minimizar os pontos de manutenção diminuindo a utilização de refratários; utilização de materiais mais resistentes a abrasão e corrosão, conhecer o dew-point do gás de combustão, a utilização de ciclo regenerativo e ter níveis de segurança e controle muito bem estruturados, somados a uma fabricação e montagem bem feitas. Isso certamente irá proporcionar não só a melhor performance, mas sim uma maior durabilidade do equipamento.

Novidades e tecnologias.

Martinelli salienta que, recentemente, as novidades tecnológicas estão por conta das caldeiras "monodrum", de um só tubulão, que possuem características e vantagens específicas para estabilidade operacional nas plantas industriais. Estas caldeiras são indicadas principalmente para as usinas termelétricas a biomassa, pois garante a diminuição de paradas durante o período de operação.

"As caldeiras BFB (caldeiras de leito fluidizado borbulhante) permitem queimar, além do bagaço de cana, vários tipos de biomassa com altos índices de  umidades e impurezas. Estas caldeiras possuem uma melhor eficiência e controle de queima e emissões de particulados e Nox em relação as demais caldeiras", acrescenta Martinelli.

Embora tenha entrado com pedido de recuperação judicial, a Dedini está entregando seu mais novo projeto de caldeira com um único tambor, autoportante, com produção de vapor de 140 t/h e pressão de 100 kgf/cm2 para queima de cavaco de madeira em grelha fixa. Esta caldeira será instalada em uma termoelétrica que suprirá a energia elétrica para uma siderúrgica, com venda do excedente.

"Com o aumento das pressões e temperaturas de operação, materiais mais nobres e resistentes precisam ser utilizados nas partes de pressão, garantindo a operação segura e a alta disponibilidade do equipamento", frisa Celso Junior.

Na vanguarda da tecnologia.

Em termos de grandiosidade e tecnologia a planta térmica da Delta é um projeto inovador e moderno no setor sucroenergético. Com capacidade para cogerar 75 Mw, o projeto utiliza uma caldeira de leito fluidizado borbulhante de 330 t/h com tecnologia Foster Wheeler que deverá operar a partir de fevereiro de 2016.

Nesse projeto, todos os parâmetros técnicos importantes foram checados e considerados, desde a análise completa do combustível e suas respectivas cinzas para se evitar surpresas indesejadas durante a operação, como também a adequação das áreas dos trocadores de calor de tal forma que as temperaturas do vapor sejam alcançadas inclusive nas cargas parciais e com um nível de controle mais fino e seguro, além do dimensionamento adequado da fornalha para que as velocidades no leito e temperatura de saída dos gases não fujam do recomendado, proporcionando uma disponibilidade mais alta do equipamento e também a utilização de folgas em equipamentos como ventiladores, bombas e sistema de manuseio da areia, garantindo que a caldeira consiga fornecer ao cliente a flexibilidade operacional que é o ponto forte desse tipo de equipamento.
Da mesma forma, cada combustível exige materiais específicos nos alimentadores e dutos de alimentação, bem como dosadores de combustível adequados a cada tipo de biomassa.

Antoneli frisa que a maior novidade para o setor nos últimos anos foi o desenvolvimento e o fornecimento das caldeiras de leito fluidizado borbulhante, além da adoção do ciclo regenerativo e reaquecimento nos projetos das plantas térmicas.

"Os custos da queima de combustíveis como o bagaço de cana até então não eram considerados e mesmo quando dispendiosos não preocupavam as usinas que anteriormente se limitavam apenas a serem produtoras de açúcar e álcool. Atualmente, com o acréscimo de mais um produto, a energia elétrica, no portifólio destas empresas, o controle e a eficiência da combustão passaram a ter um papel importantíssimo porque podem possibilitar um acréscimo no tempo de geração de energia elétrica e, portanto, uma maior geração de caixa também", salienta.

Isso acabou exigindo um progresso tecnológico cada vez maior dos sistemas e equipamentos térmicos, que utilizando regulagens mais finas e adequadas dos sistemas de queima, evitam perdas excessivas de calor e de combustível. E é em função dessa necessidade, que os investidores e os técnicos do setor passaram a procurar equipamentos com mais tecnologia agregada.

"Essas caldeiras são equipamentos caracterizados principalmente pela flexibilidade de queima de vários tipos de combustíveis, inclusive com teores de umidade mais elevados e alta eficiência de combustão, ou seja, menor consumo de combustível para gerar a mesma quantidade de vapor, baixa emissão de Nox e alta taxa de disponibilidade, fatores estes, primordiais e que são muito valorizados durante a concepção das plantas de cogeração", observa Antoneli.

De acordo com Martinelli, após o apagão que se deu no País em 2000/2001, as usinas vêm preparando suas caldeiras para o nicho de mercado de venda de energia elétricaDe acordo com Martinelli, após o apagão que se deu no País em 2000/2001, as usinas vêm preparando suas caldeiras para o nicho de mercado de venda de energia elétricaMartinelli diz que caldeiras com essa tecnologia são mais estáveis quando o combustível é instável e podem operar com bagaço mais úmido, além de outras biomassas de baixo poder calorífico – como cascas de eucalipto e resíduos florestais. São caldeiras mais eficientes e quando adequadamente projetadas podem operar durante todo o ano. "As caldeiras da Caldema BFB são fornecidas sob licença da Foster Wheeler, empresa de grande tradição na Europa para caldeiras que operam até 360 dias por ano. Temos visto nas usinas aqui no Brasil caldeiras onde somente o leito fluidizado foi adaptado a uma caldeira convencional, e os problemas de manutenção estão começando a aparecer. Para que a tecnologia BFB seja realmente um diferencial, o projeto completo deve ser específico para esta tecnologia", explica.

Uma novidade apresentada pela Caldema na Fenasucro 2015 foi o Simulador de Operação em Caldeiras, que permite aos operadores treinarem todos os problemas que poderão ocorrem na operação real e encontrarem as soluções, sem colocar em risco o equipamento e as pessoas envolvidas. "Hoje ninguém subiria em um avião comercial se o piloto avisasse que nunca foi treinado em um simulador daquele avião. Nossa visão é que a médio prazo, as empresas do setor sucroenergético também irão reduzir os riscos de operação ao adotarem procedimento semelhante", acredita Martinelli.

Outro ponto importante é que quase a totalidade das caldeiras é automatizada e com isso pode-se garantir a melhor resposta às variações do processo e do combustível. “É claro que temos bons operadores, mas uma caldeira automatizada agrega a experiência dos melhores engenheiros e operadores para manter um padrão constante de respostas aos problemas. Com a operação manual, o operador do 1º turno pode ter uma solução diferente do operador do 2º turno e no 3º turno pode ser tomada outra decisão. Com a automatização, os três têm que chegar a um consenso sobre a melhor solução e implementá-la na lógica de controle da caldeira. O processo todo fica mais estável, reduzindo as perdas”, descreve Martinelli.

"Cada vez mais a automação se faz necessária nesses projetos, face ao alto nível de controle e das variáveis de processo que influenciam o funcionamento desses equipamentos. A confiabilidade e, consequentemente, a disponibilidade do equipamento estão diretamente ligados a um bom projeto de controle e automação", complementa Antoneli.

Manutenção contínua.

A caldeira é considerada o cor ação da usina. Se ela não estiver adequadamente especificada, dimensionada e projetada, os transtornos podem ser enormes, além de comprometer a operação da usina.

O padrão no setor sucroenergético ainda é dispor de alguns meses por ano para a manutenção, mas esse período tende a ser reduzido devido ao aumento do tempo de operação da usina – seja para exportar energia ou produzir etanol 2G. "As caldeiras deverão ser projetadas para este futuro, como as que a Caldema fornece para outros mercados como fabricação de Papel e Celulose, onde as paradas anuais não excedem dez a 15 dias, ou centrais térmicas que podem parar até menos dias por ano, desde que haja demanda de energia térmica", ressalta Martinelli.

Celso Junior resume que as caldeiras são projetadas para a operação contínua e normalmente atendem a uma safra inteira da usina sem a necessidade de manutenção. "Recomenda-se a verificação de alguns itens de desgastes na entressafra, destacados no manual do fabricante", sugere.

Para Antoneli, o controle da manutenção deve ser contínuo, ou seja, feito desde o período de operação e não somente durante as paradas. A correta operação do equipamento (dentro das suas especificações técnicas) diminuirá os gastos financeiros com todo o processo de sua manutenção, aumentando também a vida útil e a confiabilidade da caldeira. Geralmente, as empresas que possuem as áreas de inspeção e manutenção própria e bem estruturada, possuem cronogramas claros e bem definidos que descrevem as atividades que são feitas diariamente, semanalmente e durante as entressafras.

Maior pressão de operação.

Algumas usinas tem efetuado a troca ou a reforma em suas caldeiras de olho na cogeração. Segundo Bernardo Juvenil Celso Júnior, gerente de Engenharia em Energia da Dedini, as usinas que se interessam pela cogeração geralmente optam por caldeiras mais eficientes e com pressão de operação mais alta, geralmente de 67 kgf/cm2, sendo que algumas já foram instaladas em 100 kgf/cm2. Desta forma, as caldeiras existentes de pressões mais baixas e menos eficientes são substituídas por novas ou podem sofrer uma adequação para atender às novas condições.

"A manutenção é extremamente importante e quando feita com responsabilidade e planejamento garante a performance do equipamento, bem como sua vida útil, permitindo que o trabalho seja realizado durante a safra sem que surpresas indesejáveis afetem sobremaneira a produção industrial e, consequentemente, o caixa da empresa. Com o amadurecimento profissional do setor, houve um maior reconhecimento da importância desse assunto e atualmente as empresas investem e valorizam muito os seus programas de manutenção preventiva", salienta Antoneli.

Ele ainda lembra que uma caldeira mal dimensionada pode implicar em uma durabilidade menor do equipamento (desgastes por abrasão e corrosão) e baixo grau de disponibilidade. Com isso o Opex da unidade tende a ser muito mais elevado em função de uma necessidade maior de manutenções somado às perdas de produção ocasionadas pelas paradas.

O gerente de Engenharia em Energia da Zanini dá uma dica para escolher uma boa caldeira: a principal orientação é adquirir a caldeira de uma empresa idônea e capacitada tecnicamente para fornecer o equipamento mais adequado as reais necessidades da usina. Feito isso, é preciso fazer as equalizações técnicas de tal forma que fique garantido que todos os concorrentes estejam com o mesmo escopo de fornecimento e obedecendo aos parâmetros de projeto ideais no que se refere a velocidade dos gases, tempo de residência e temperatura de saída dos gases na fornalha, além de comparar a temperatura de saída dos gases após os recuperadores com a temperatura de dew point ácido.

"Também devem ser unificadas a temperatura da água de alimentação, a temperatura do ar ambiente e principalmente garantir que todos os fornecedores estejam utilizando a mesma composição química do combustível para o dimensionamento térmico da caldeira", sugere Antoneli.

Celso Júnior salienta ainda que o combustível deve ser corretamente informado ao fabricante da caldeira, constando esta informação de sua composição elementar, umidade, poder calorífico e outros. "Os transtornos podem ser imensos se no momento da operação o combustível real não corresponder ao informado na fase de projeto", ressalta.

O dimensionamento da caldeira deve ser minuciosamente estudado, levando-se em consideração as condições reais de consumo do processo (absoluto e variações), bem como possíveis ampliações futuras. O dimensionamento do pátio de bagaço e do sistema de manuseio da biomassa também deve ser corretamente elaborado para atender às necessidades de alimentação de combustível da caldeira. "Um dos pontos que influenciam diretamente na estabilidade de operação de uma caldeira é a respectiva estabilidade na alimentação do combustível", lembra Celso Júnior.

Revista RPA News

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