Desenvolvimento Tecnológico das Caldeiras de Recuperação
Sumário
As caldeiras de recuperação são peças-chave na indústria de celulose, desempenhando um papel essencial na recuperação química e na geração de energia. Vamos entender como ocorreu o desenvolvimento tecnológico das caldeiras de recuperação atual.
Neste artigo, exploramos a trajetória tecnológica das caldeiras de recuperação, destacando inovações, desafios e tendências atuais, com foco em otimizar a recuperação química e a geração de energia.
Ao final, apresentamos soluções práticas para maximizar o potencial dessas tecnologias.
Introdução às Caldeiras de Recuperação: Um Marco na Indústria
As caldeiras de recuperação surgiram como uma solução inovadora para a indústria de celulose, permitindo a recuperação química em um único recipiente.
Antes de sua adoção, os processos de recuperação eram caros e ineficientes, tornando a produção de celulose economicamente inviável. A introdução dessas caldeiras transformou a fabricação de celulose, reduzindo custos e aumentando a lucratividade.
Hoje, o Brasil abriga algumas das maiores unidades de produção de celulose do mundo, onde a caldeira de recuperação é essencial.
Embora a geração de eletricidade seja secundária em relação à recuperação química, avanços recentes, como o aumento da pressão e temperatura do vapor principal, têm permitido maior eficiência energética, especialmente em unidades escandinavas modernas.
As Origens da Recuperação Química: O Processo LeBlanc
A recuperação química começou com o processo desenvolvido pelo químico francês Nicholas LeBlanc, em 1791, que produzia carbonato de sódio a partir de sal, ácido sulfúrico, carvão e calcário.
Esse método foi adaptado para a recuperação de produtos químicos na fabricação de celulose, reduzindo significativamente os custos.
Nos primórdios, a recuperação química era manual e ineficiente, com fornos de chama preenchidos com licor negro. O licor negro seco era coletado e enviado para fundição, mas a eficiência raramente ultrapassava 60%.
Equipamentos como fornos rotativos, introduzidos no final do século XIX, começaram a melhorar a economia de calor, mas ainda apresentavam limitações.
"As caldeiras de recuperação transformaram a indústria de celulose, combinando recuperação química com geração de energia sustentável"
Evolução Inicial das Caldeiras de Recuperação
No início do século XX, sistemas como o S-S (Sundblad-Sandberg), implementado em 1912 na Suécia, marcaram avanços significativos.
Esses sistemas pulverizavam licor negro em fornos rotativos com 50% de sólidos secos, aumentando a eficiência. No entanto, a combustão ainda era conduzida com excesso de ar, resultando em uso ineficiente de energia.
Empresas como a Tampella foram pioneiras na construção de fornos rotativos, mas desafios como vedação e controle de fluxo de ar persistiram.
A introdução de tanques de dissolução de fundição e melhorias na capacidade elevaram a recuperação química para até 75 tss/d.
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As Primeiras Caldeiras de Recuperação Modernas
A caldeira de recuperação moderna, idealizada por Tomlinson, integrou secagem, combustão e reações químicas em um único recipiente resfriado a água.
Essa inovação foi complementada por:
- Pulverização do licor negro em pequenas gotas, facilitando o controle do processo.
- Sistemas de ar multinível, introduzidos por C. L. Wagner, para otimizar a combustão.
- Remoção eficiente do fundido, diretamente para tanques de dissolução.
A Babcock & Wilcox, fundada em 1867, lançou a primeira caldeira de recuperação de licor negro em 1929, seguida por uma unidade com fornalha totalmente resfriada a água em 1934.
Essas caldeiras usavam precipitadores de Cottrell para recuperar cinzas, reduzindo perdas químicas.
"A disseminação das caldeiras de recuperação Kraft foi impulsionada pela vantagem econômica da recuperação química sobre a polpação de sulfito."
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Avanços nas Caldeiras de Recuperação Kraft
A disseminação das caldeiras de recuperação Kraft foi impulsionada pela vantagem econômica da recuperação química sobre a polpação de sulfito.
As primeiras unidades apresentavam problemas de incrustação, resolvidos com espaçamento maior entre tubos e sopradores de fuligem mecânicos. O revestimento inicial de tijolos refratários foi substituído por paredes de membrana nos anos 1960, aumentando a durabilidade.
A Combustion Engineering, em 1938, introduziu projetos com múltiplos queimadores de licor negro e pisos decantadores, que permitiam maior acumulação de fundido.
Essas inovações tornaram as caldeiras de recuperação mais robustas e versáteis.
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Impacto do Licor Negro na Eficiência
O licor negro é uma mistura de compostos orgânicos, inorgânicos e água, e sua composição afeta diretamente a eficiência das caldeiras de recuperação.
A tabela abaixo mostra a evolução das propriedades do licor negro:
| Propriedade | 1982 | 1992 | 2002 |
|---|---|---|---|
| Sólidos secos (kg/t polpa) | 1700 | 1682 | 1780 |
| Sólidos secos (%) | 64 | 72 | 80 |
| Poder calorífico (MJ/kg) | 15 | 13,9 | 13 |
Aumentar os sólidos secos de 65% para 80% eleva a geração de vapor em cerca de 7%, com ganhos adicionais de eficiência devido à menor necessidade de pré-aquecimento.
No entanto, a alta viscosidade do licor negro em teores elevados exige tratamento térmico para manuseio confiável.
Caldeiras de Recuperação de Dois Tambores
Essas unidades suportam até 1700 tss/d e utilizam três níveis de ar para combustão estacionária.
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A Caldeira de Recuperação Moderna: Design de Tambor Único
Desde 1985, as caldeiras de recuperação adotaram o design de tambor único, com bancos de geração de vapor vertical e superaquecedores amplamente espaçados.
Esse projeto oferece:
- Maior segurança e disponibilidade, devido a menos juntas de tubo.
- Facilidade de manutenção, com bancos verticais resistentes à incrustação.
- Menor tempo de montagem, reduzindo custos.
Os superaquecedores, com espaçamento superior a 300 mm, combinados com atemperadores de água doce, garantem proteção contra corrosão.
A caldeira de recuperação moderna integra fornalha, superaquecedores, banco gerador e economizadores, todos feitos de tubos de aço.
Caldeiras de Recuperação Atuais: Foco na Geração de Energia
O desenvolvimento das caldeiras de recuperação continua focado na geração de eletricidade. Aumentar a pressão para 104 bar(a) e a temperatura para 520°C pode elevar a produção elétrica em 7%, adicionando 7 MW para uma carga de 4000 tss/d.
As maiores unidades, com áreas de fundo superiores a 200 m², competem com caldeiras fluidizadas circulantes como as maiores caldeiras a biocombustível.
O uso de materiais resistentes à corrosão e a colocação de superaquecedores atrás do bullnose (nariz) minimizam danos por radiação.
A demanda por maior superaquecimento reduz a necessidade de bancos de caldeira tradicionais.
Estado da Arte e Tendências em Caldeiras de Recuperação
As caldeiras de recuperação de última geração apresentam:
- Design de tambor único com superaquecedores tripartidos.
- Parâmetros de vapor de 9,2 MPa e 490°C.
- Altos sólidos secos (80%+), com tanques pressurizados.
- Baixas emissões de TRS, SO₂ e partículas, usando precipitadores eletrostáticos (ESP).
- Controle avançado via sistemas DCS.
Tendências atuais incluem:
- Aumento de pressão e temperatura para maior geração de energia.
- Materiais de alta qualidade para superaquecedores.
- Sólidos secos próximos a 90%, com concentradores de alta pressão.
- Queima de resíduos, como lodo de efluentes e gases não condensáveis.
- Remoção de cloreto e potássio para maior eficiência.
Escolhendo Parâmetros para Caldeiras de Recuperação
A escolha dos parâmetros de uma caldeira de recuperação deve considerar:
- Sólidos secos do licor negro: Maiores teores geram mais vapor.
- Pressão e temperatura do vapor: Valores mais altos aumentam a geração de eletricidade.
- Balanço de calor da fábrica: Otimiza temperaturas de água de alimentação e gases de combustão.
Perguntas e Respostas Comuns Sobre Caldeiras de Recuperação
- O que é uma caldeira de recuperação?
Uma caldeira de recuperação é um equipamento que recupera produtos químicos e gera vapor a partir do licor negro na produção de celulose.
- Por que os sólidos secos do licor negro são importantes?
Maiores sólidos secos aumentam a eficiência da combustão, reduzindo água e elevando a geração de vapor.
- Qual a diferença entre caldeiras de dois tambores e tambor único?
Caldeiras de tambor único oferecem maior segurança, menos juntas de tubo e facilidade de manutenção em comparação com as de dois tambores.
- Como as caldeiras de recuperação contribuem para a sustentabilidade?
Elas reciclam produtos químicos e geram energia a partir de biomassa, reduzindo a dependência de combustíveis fósseis.
- Quais são as tendências atuais em caldeiras de recuperação?
Incluem maiores pressões e temperaturas, sólidos secos de até 90% e materiais resistentes à corrosão.
- O que limita os sólidos secos do licor negro?
A alta viscosidade exige tecnologias avançadas de evaporação e tratamento térmico.
Conclusão
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