Fornalhas

O funcionamento de uma unidade industrial pressupõe a geração de energia a partir de utilidades quentes e frias com o objetivo de satisfazer as necessidades entálpicas do processo. Normalmente existem diferentes tipos de utilidades que têm níveis térmicos diferentes entre si. Essas utilidades visam o aquecimento ou arrefecimento das correntes processuais dependendo da sua necessidade energética.

O aquecimento de correntes a altas temperaturas poderá recorrer a um termofluido quente ou a efluentes gasosos provenientes de fornalhas, deste modo, quando uma dada utilidade quente precisa de ser fornecida a uma temperatura elevada são utilizadas fornalhas para que seja possível atingir essa temperatura, a partir de gases de combustão provenientes da queima de um combustível. Assim, uma fornalha é um gerador de vapor destinado a converter a energia química do combustível em energia térmica, ou seja, processar a queima do combustível.

O projeto de uma fornalha depende de diversos fatores tais como, a função que esta apresenta no processo, a necessidade de aquecimento, o tipo de combustível e o modo de introdução de ar. Para o efeito de projeto utiliza-se a temperatura teórica de chama, uma vez que as diferenças de temperatura entre os gases de combustão e as correntes processuais são bastante mais elevadas que a diferença entre a temperatura teórica de chama e a temperatura real dos gases. Este pressuposto é bastante útil num projeto de uma fornalha, uma vez que a temperatura real da chama é muito difícil de determinar.

Numa fornalha, o calor produzido na câmara de combustão é transferido para os tubos circundantes onde passa o fluido a aquecer, por radiação ou por convecção, de forma a maximizar a energia transferida. Para garantir que a combustão seja completa, é necessário que o oxigénio entre na câmara em excesso, diminuindo, assim, as perdas e aumentando a eficiência da fornalha.

Fornalha

 Categorias de Fornalhas

De acordo com o tipo e a qualidade do combustível disponível, a queima na fornalha pode ser em suspensão, em grelha ou em leito fluidizado. As fornalhas de queima em suspensão utilizam combustíveis líquidos e gasosos, em geral óleo, gás natural, gás de processo ou pequenas partículas sólidas em suspensão, como por exemplo, carvão pulverizado, serragem, casca de arroz, etc. Já as fornalhas de queima em grelha ou leito fluidizado usam como fonte de energia o carvão mineral, carvão vegetal, bagaço de cana, lenha e lixo urbano.

Existem quatro categorias de fornalhas: natural draft, ar forçado, forced draft e de condensação.

Fornalhas do tipo natural draft, ar forçado, forced draft e de condensação.

As fornalhas de natural draft ventilam o calor vindo dos permutadores de calor através de chaminés, que conduziam o ar para aquecimento nas casas. A segunda categoria surgiu para substituir as antigas fornalhas de natural draft, sendo o seu funcionamento similar. O ar quente circulava por intermédio de ventoinhas e a sua eficiência ronda os 60%. As fornalhas de forced draft tinham menores dimensões, comparando com as anteriores, e utiliza ventoinhas e gases de combustão que puxavam ar através dos permutadores de calor, aumentando a eficiência. Por último, as fornalhas de condensação incluem uma área de combustão isolada e um segundo permutador. Como o permutador de calor retira calor dos gases de purga, pode ser usada para condensar vapor de água e outros químicos. A sua eficiência pode chegar aos 98%.

Fornalhas Industriais

Uma fornalha industrial é um equipamento usado para fornecer calor a um determinado processo, podendo até servir de reator em determinadas situações. Assim sendo, o design das fornalhas depende da sua função, necessidades de calor do processo, tipo de combustível e do método de introdução do ar de combustão.

Fornalha Industrial em Operação

Este equipamento é especialmente usado quando se pretende atingir temperaturas mais elevadas, acima dos 400ºC. O calor gerado pode ser proveniente de duas vias: através da queima de um combustível ou através de eletricidade. As fornalhas mais modernas operam com uma eficiência térmica entre os 80 e 90% dependendo do tipo de combustível e do excesso de ar necessário.

O diâmetro dos tubos toma os valores, normalmente, entre 75 e 150 mm. A velocidade típica nestes tubos varia entre 1 a 2 m/s, quando a sua função é fornecer calor ao processo, e menores que o 1 m/s quando serve de reator. Para baixas temperaturas, o material usado é o aço carbónico, enquanto que para altas temperaturas é utilizado o aço inoxidável e aços de liga especial.

Componentes das fornalhas industriais

Secção Radiante

Zona da fornalha onde os tubos recebem a maior parte do calor por radiação da chama. Entre 50 a 70% do calor total é transferido nesta secção. A temperatura do gás vai depender do combustível usado e na quantidade de ar em excesso. Para combustíveis gasosos é usado normalmente 20% de ar em excesso. Nesta zona os tubos podem estar dispostos horizontal ou verticalmente, conectados por uma dobra em U, ou de forma helicoidal. Os tubos podem ser constituídos por aço carbónico, para temperaturas de serviço mais baixas, ou por aço de ligas especiais quando são usadas temperaturas mais elevadas.

A transferência de calor nesta secção é dada pela equação de Stefan-Boltzmann:

Principais componentes de uma fornalha industrial

q_r = σT⁴

Onde, q_r = fluxo de calor por radiação, W.m^-2

          σ = constante de Stefan-Boltzmann, 5,67*10^-8 W.m^-2.K^-4

            T = temperatura da superfície, K.

Para a troca de calor entre os tubos e os gases de combustão, a equação é:

Q_r = σ * (α * A_cp) * F * (T_g⁴ - T_t⁴)

Onde, Q_r = taxa de transferência de calor por radiação, W

          A_cp = área dos tubos, m²

          α = factor de eficiência de absorção

          F = factor de troca por radiação

          T_g  = Temperatura dos gases quentes, K

          T_t = Temperatura da superfície do tubo, K.

Secção de Convecção

Localizada acima da secção radiante, nesta zona o calor é transferido por convecção. Esta zona serve para recuperar calor dos gases de escape. Os tubos localizados nesta secção estão geralmente protegidos da radiação, uma vez que são constituídos por materiais menos resistentes a altas temperaturas. É nesta secção que se dá a maior parte da queda de pressão. A queda de pressão na secção radiante é pequena quando comparada à queda de pressão na secção de convecção e pode ser negligenciável.

Queimador

O queimador nas fornalhas cilíndricas e verticais está localizado na parte inferior, enquanto que noutras fornalhas está localizado nos lados. O ar necessário à combustão dá entrada por umas grelhas localizadas abaixo do queimador. Por vezes este ar é pré-aquecido de modo a aumentar a eficiência de combustão.

Chaminé

A chaminé é uma estrutura cilíndrica localizada no topo da fornalha. É por aqui que o gás de combustão é libertado para a atmosfera. A sua altura deve ser suficiente para atingir o caudal de ar de combustão necessário e para remover os produtos de combustão. Normalmente a pressão na chaminé é inferior à pressão na secção de convecção de modo a facilitar a libertação do gás. A altura da chaminé depende da temperatura dos gases de combustão, que saem da secção de convecção, e da pressão atmosférica. A diferença entre a pressão atmosférica e a pressão existente na fornalha designa-se por draft. Esta pode ser estimada pela seguinte equação:

P_d = 0,35 * L_s * p' * ( 1/T_a * 1/T_ga)

Onde, P_d = pressão draft, mm H₂O

           L_s = altura da chaminé, m

           p’ = pressão atmosférica, mbar

           T_a = temperatura ambiente, K

           T_ga = temperatura média dos gases de escape, K

Devido a perdas de calor a temperatura no topo da chaminé é de aproximadamente 80ºC inferior à temperatura da sua base.

Isolamento

O isolamento é uma parte muito importante da fornalha, isto porque aumenta a sua eficiência, ao minimizar o calor perdido na câmara de combustão. Alguns dos materiais mais utilizados são tijolo refratário e fibra cerâmica.

Bibliografia

Jenkins, Barrie; Mullinger, Peter (2011-08-30). Industrial and Process Furnaces: Principles, Design and Operation. Butterworth-Heinemann.

J. Coulson & J Richardson Chemical Engineering Volume 6, An introduction to Chemical Engineering Design, Pergamon Press; 1st edition 1983.

Elaborado por:

Marcelo Oliveira e Maria Vieira, no âmbito da disciplina de Integração e Intensificação de Processos, pertencente ao Mestrado Integrado em Engenharia Química (Departamento de Engenharia Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2016/2017).

Editado por:

João Miguel Lopes e Pedro Miguel Esteves.