Como os economizadores de caldeira reduzem o consumo de energia e os custos de combustível

Como os economizadores de caldeira reduzem o consumo de energia e os custos de combustível

Todas as caldeiras industriais perdem diretamente pela chaminé uma percentagem da energia do combustível sob a forma de gases de combustão quentes. Em muitas instalações industriais, essa energia excedente representa 10-15% da energia total fornecida pelo combustível. Um economizador de caldeira ou uma unidade de recuperação de calor dos gases de combustão aproveita essa energia residual e transfere-a para a água de alimentação antes de esta entrar no tambor da caldeira. Resultado: menos combustível consumido por cada libra de vapor; temperaturas mais baixas na chaminé; e uma redução mensurável dos custos operacionais. Nesta secção, analisamos o funcionamento dos economizadores de caldeira, as diferenças entre os tipos de condensação e sem condensação, as poupanças de combustível observadas nos ensaios do U.S. Department of Energy, os critérios de dimensionamento, os problemas de manutenção habituais e a forma como um economizador pode tirar partido dos sistemas de caldeiras aquatubulares a vapor para otimizar a recuperação de calor.

O que é um economizador de caldeira e como funciona?

Um economizador de caldeira é simplesmente um permutador de calor instalado na conduta dos gases de combustão, entre a cabeça da caldeira e a chaminé. Os gases de combustão quentes atravessam a câmara de combustão e passam por uma série de tubos alhetados que transportam a água de alimentação, transferindo-lhe energia térmica para a aquecer antes de chegar ao tambor da caldeira. A transferência de calor ocorre quando o economizador, ou permutador de calor dos gases de combustão, arrefece os gases de uma temperatura elevada para uma temperatura de saída inferior, melhorando o seu estado antes de entrarem na caldeira. Como a caldeira passa a receber água de alimentação mais quente, é necessária menos energia do combustível para elevar essa água acima da temperatura de ebulição e convertê-la em vapor. Nas centrais elétricas com sistemas de turbinas, os economizadores (também grafados “economisers” em inglês) ajudam igualmente a estabilizar as condições da água de alimentação a montante da secção do sobreaquecedor, à semelhança de um HRSG que recupera a entalpia dos gases de escape em configurações de ciclo combinado. A recuperação de calor depende da diferença de temperatura entre os gases de combustão (350-600F, consoante o tipo e a carga da caldeira) e a água de alimentação à entrada (frequentemente 180-230F). Quanto maior for essa diferença, maior será a energia recuperável. Numa instalação comum com uma caldeira a vapor alimentada a gás, o economizador é instalado entre a última passagem da caldeira e a chaminé, diretamente na flange de saída da caldeira ou como unidade independente montada na conduta.

Tipos de economizadores de caldeira: sem condensação ou de condensação

Os economizadores de caldeira dividem-se em dois tipos gerais, consoante o grau de arrefecimento dos gases de combustão. A escolha entre ambos influencia o potencial de arrefecimento e os requisitos de gestão dos condensados corrosivos.

Economizadores sem condensação (convencionais)

Os economizadores sem condensação mantêm a temperatura de saída dos gases de combustão acima do ponto de orvalho — geralmente acima de 250F na combustão de gás natural. Isto limita a condensação de humidade na superfície de transferência de calor dentro da conduta e elimina os problemas de corrosão ácida. Estes economizadores reduzem a temperatura dos gases à saída da chaminé em 100-150F relativamente a uma caldeira sem este equipamento, mas nunca para valores inferiores à zona segura acima do ponto de orvalho. É adequada uma construção normal em aço-carbono ou ferro fundido. Estas unidades aumentam a temperatura da água de alimentação em 20-30F e proporcionam poupanças de combustível de 3-5% na maioria dos processos com caldeiras industriais.

Economizadores de condensação

Um economizador de condensação foi concebido para arrefecer os gases de combustão abaixo do ponto de orvalho (aproximadamente 135F para os produtos da combustão de gás natural, conforme referido na DOE Steam Tip Sheet #26A). Quando as unidades descem abaixo deste nível, o vapor de água presente nos gases começa a condensar, libertando o calor latente que, de outro modo, sairia pela chaminé da caldeira. A recuperação do calor latente aumenta a eficiência total mais do que a recuperação apenas de calor sensível. Existe uma contrapartida: os economizadores de condensação têm de utilizar metais resistentes à corrosão. As aplicações típicas incluem superfícies com alhetas de alumínio em tubos de aço inoxidável, permitindo que a água de lavagem com condensados ligeiramente ácidos dos gases de combustão passe sem provocar danos. Qualquer condensado recolhido é ligeiramente ácido (pH 3-4) e precisa de ser neutralizado e drenado. Nas caldeiras alimentadas a óleo, devido ao teor mais elevado de enxofre no combustível, o ponto de orvalho ácido será ainda mais alto (até 275-300F). Nesse caso, os projetos sem condensação constituem a melhor opção, salvo se a serpentina do economizador utilizar tubos de uma liga adequada para resistir ao ácido sulfúrico.

Quanto combustível pode poupar um economizador de caldeira?

Segundo a U.S. Department of Energy Steam Tip Sheet #3, um economizador da água de alimentação pode reduzir o consumo de combustível entre 5% e 10% e amortiza-se, em média, num prazo máximo de 2 anos. Por cada redução de 40F na temperatura dos gases de combustão, a eficiência da caldeira aumenta cerca de 1%. Considere uma perspetiva real: uma caldeira a vapor de 20 t/h alimentada a gás consumirá anualmente cerca de $1.4 M em combustível, com 8,000 horas/ano e um preço do gás natural de $8/MMBtu. Com um economizador, uma redução aproximada de 6% no consumo dessa energia traduz-se numa poupança anual de cerca de $84,000 em custos energéticos. Os custos de modernização com um economizador de condensação para esta dimensão situam-se entre $80,000 e $150,000, com um retorno em 2 anos ou menos segundo os critérios do DOE. Os resultados são ainda melhores com um economizador de condensação. Conforme demonstra a DOE Steam Tip Sheet #26A, um economizador de condensação equipado com um dissipador de calor de baixa temperatura pode proporcionar uma possível melhoria de 20% no consumo de energia, incluindo a recuperação de calor sensível e latente. Segundo os valores de referência do DOE, os melhores candidatos à instalação posterior de economizadores são as caldeiras com mais de 100 cavalos-vapor de caldeira, que funcionam acima de 75 psig e com carga elevada durante grande parte do ano. As caldeiras sazonais ou que funcionam com carga parcial têm menos a ganhar, porque circula muito menos calor residual dos gases de combustão pela caldeira e a perda de calor pela chaminé quase não justifica a recuperação.

Dimensionamento e instalação: fatores essenciais para a casa das caldeiras

O dimensionamento correto de um economizador para a chaminé da caldeira não consiste apenas em fazer corresponder uma unidade à capacidade nominal. Existe um conjunto completo de fatores que influencia a dimensão das superfícies de transferência de calor, a localização na casa das caldeiras e a escolha dos materiais.

• ✔ Caudal e temperatura dos gases de combustão — Volumes e temperaturas mais elevados dos gases significam mais calor recuperável. Meça as temperaturas reais na chaminé em condições normais de carga, não apenas os valores nominais.
• ✔ Temperatura da água de alimentação à entrada do economizador — Quanto mais baixa for a temperatura da água de alimentação à entrada, maior será a diferença de temperatura e o potencial de transferência de calor. Os sistemas com desaeradores fornecem água de alimentação a 225–230°F, limitando a diferença térmica recuperável.
• ✔ Tipo de combustível e teor de enxofre — O gás natural tem um ponto de orvalho ácido baixo (~135°F), permitindo arrefecer mais os gases quentes. Nos sistemas alimentados a óleo com maior teor de enxofre, o ponto de orvalho ácido sobe para 275–300°F, limitando a redução possível das temperaturas na chaminé.
• ✔ Espaço disponível — Os economizadores aumentam a altura ou o comprimento do percurso dos gases de combustão. Meça o espaço livre entre a saída da caldeira e a chaminé ou a passagem pela cobertura antes de encomendar.
• ✔ Limites de contrapressão — A instalação de um economizador aumenta a resistência à passagem dos gases de combustão. Verifique se o ventilador de tiragem induzida (ou a tiragem natural) consegue suportar a perda de pressão adicional sem reduzir o caudal de ar de combustão.
• ✔ Tipo de caldeira aquatubular ou pirotubular — As caldeiras aquatubulares (como a SZS do tipo D) produzem normalmente gases de combustão a temperaturas mais elevadas e funcionam a pressões superiores, sendo excelentes candidatas à instalação posterior de economizadores. As unidades pirotubulares a pressões inferiores podem obter menos benefícios, consoante o perfil de carga.

Problemas comuns e boas práticas de manutenção

Os economizadores são equipamentos fiáveis e eficazes, desde que sejam corretamente adaptados ao sistema de caldeira. Durante a utilização do economizador, podem surgir alguns modos de falha que exigem manutenção regular, permitindo à instalação industrial evitar uma substituição dispendiosa dos tubos ou uma paragem não planeada.

Corrosão no ponto de orvalho ácido

Quando a taxa térmica dos gases de combustão desce abaixo do ponto de orvalho ácido, formam-se ácido sulfúrico ou ácido carbónico nos tubos do economizador. Este é um dos principais modos de falha da superfície externa dos tubos de economizadores alimentados a óleo ou a combustíveis com elevado teor de enxofre, provocando a deterioração dos tubos do economizador. A combustão de gás natural gera um potencial de corrosão por ácido carbónico abaixo do ponto de orvalho do vapor de água, mas de intensidade muito inferior. Prevenção: mantenha as temperaturas mínimas de saída dos gases de combustão acima do ponto de orvalho nos economizadores sem condensação. Nos economizadores de condensação, instale ligas resistentes à corrosão e utilize sistemas de neutralização de condensados.

Corrosão alveolar causada pelo oxigénio (lado da água)

Uma remoção deficiente do oxigénio da água de alimentação da caldeira provoca corrosão alveolar localizada no interior dos tubos do economizador, causando perfurações ao longo do tempo. O principal modo de corrosão no lado da água dos conjuntos economizadores pode ser evitado através de uma desaeração adequada e da remoção química do oxigénio, conforme definido pelo programa de tratamento da água de alimentação.

Depósitos de fuligem e perda de calor (lado dos gases)

A acumulação de fuligem e cinzas nas superfícies alhetadas cria uma camada isolante entre os gases de combustão da caldeira e o economizador, constituindo um sintoma clássico da diminuição da eficiência do economizador. Para evitar a redução da eficiência, a superfície de transferência de calor deve ser regularmente limpa por sopragem de fuligem, por meios mecânicos ou com vapor. Um aumento gradual da diferença de temperatura no economizador é provavelmente o primeiro indício da existência de depósitos e deve ser corrigido atempadamente.

Recuperação de calor residual: porquê combinar um economizador com uma caldeira aquatubular SZS

As caldeiras aquatubulares são particularmente compatíveis com economizadores devido às temperaturas mais elevadas dos gases de combustão e às pressões de funcionamento superiores às das configurações pirotubulares. A série de caldeiras aquatubulares SZS do tipo D fabricada pela Taiguo Boiler, com um intervalo de eficiência líquida de 92-98%, já alimenta com sucesso alguns dos sistemas de caldeiras a vapor a gás e óleo mais eficientes em termos energéticos do planeta; quando instalado posteriormente numa caldeira SZS, um economizador concebido para recuperar calor residual pode aumentar em mais 5-8% a eficiência de uma instalação industrial que já é eficaz. A série SZS oferece capacidades entre 2-100 t/h, podendo cada caldeira ser fornecida com um economizador integrado para recuperar o calor residual dos gases quentes sem causar problemas de contrapressão nem condensação nas superfícies de aço-carbono. Em aplicações alimentadas a gás natural, um economizador instalado numa caldeira SZS também pode alcançar níveis de eficiência superiores a 95% — uma aplicação concreta para poupar energia em operações de elevado rendimento produtivo. O nosso departamento de engenharia pode fornecer cálculos de dimensionamento do economizador como parte dos serviços normais de elaboração de propostas para caldeiras. Podemos adaptar a área da superfície de transferência de calor e a configuração da serpentina à carga real, ao combustível efetivamente escolhido e à temperatura da água de alimentação — para que a instalação industrial receba o economizador certo, e não uma solução normalizada escolhida por estimativa.

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Perguntas frequentes