Trabalho Caldeiras de Recuperação de Álcalis - final

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Graduação ngenharia de Segurança do Trabal

ho Módulo: Prevenção e Controle de Riscos em Máquinas, Equipamentos e Instalações.

Professor: Alexandre Martinez

CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO DE ÁLCALIS

1. Introdução:

Faz-se necessário, antes de entrarmos no assunto em tela, alguns

esclarecimentos básicos, já que falaremos basicamente da indústria da

celulose e seus subprodutos.

O que é celulose, para que se destina, como e onde é feita?

A polpa de celulose é obtida industrialmente a partir da madeira de

árvores como o pinho, o eucalipto ou o abeto, e em menor proporção de

plantas herbáceas com grande quantidade de celulose no talo, como a cana-

de-açúcar, diversas gramíneas e juncos, e é usada pelas indústrias de papel e

papelão ou pelas indústrias químicas, que convertem essa polpa em celulóide,

explosivos, celofane, acetato de celulose, carboximetilcelulose (lubrificantes e

emulsificantes) e outros.

Grupo : Leandro Soares – Turma: 20; Mônica Lima – Turma: 21; Nilton da Silva Fumaça – Turma: 21 e Ronald Ribeiro– Turma: 21 Página 1

http://pt.wikipedia.org/wiki/Abeto

http://pt.wikipedia.org/wiki/Carboximetilcelulose

http://pt.wikipedia.org/wiki/Acetato_de_celulose

http://pt.wikipedia.org/wiki/Celofane

http://pt.wikipedia.org/wiki/Explosivo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Celul%C3%B3ide

http://pt.wikipedia.org/wiki/Papel%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/Papel

http://pt.wikipedia.org/wiki/Junco

http://pt.wikipedia.org/wiki/Gram%C3%ADnea

http://pt.wikipedia.org/wiki/Cana-de-a%C3%A7%C3%BAcar

http://pt.wikipedia.org/wiki/Cana-de-a%C3%A7%C3%BAcar

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O processo para obtenção de polpa de celulose é usado principalmente

para fabricação de papel e papelão. A matéria-prima (troncos ou talos

herbáceos) deve ser limpa e descascada e depois submetida à trituração

mecânica em máquinas de lâminas múltiplas. O material triturado pode sofrer

diferentes tratamentos para separar a lignina — substância que une as fibras

da celulose. Pode ser batida com água quente (processo mecânico), ou tratada

com soda cáustica a quente (processo soda), ou com bissulfito de cálcio

(processo ácido), ou com sulfeto de sódio (processo Kraft). Posteriormente, o

produto é lavado, depurado e embranquecido. Conforme o tipo de árvore,

obtém-se a celulose de fibra curta ou de fibra longa.

O que é recuperação?

A função do sistema de recuperação não consiste, unicamente, em

recuperar produtos químicos inorgânicos, com um mínimo de perda, mas

também consiste em:


http://pt.wikipedia.org/wiki/Sulfeto_de_s%C3%B3dio

http://pt.wikipedia.org/wiki/Sulfito

http://pt.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3xido_de_s%C3%B3dio

http://pt.wikipedia.org/wiki/Lignina

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Produzir vapor para diversas operações, tais como cozimento e

secagem, reduzindo os custos com energia elétrica;

Produzir um licor de cozimento com composição adequada a sua

utilização como combustível para a caldeira;

Eliminar parte dos efluentes com potencial poluidor;

Neste setor é feito a recuperação do licor que é usado no cozimento e

na lavagem da polpa celulósica.

2. Histórico:

A primeira tentativa do homem em produzir vapor na evolução da

historia da humanidade foi no século II a.C., quando Heron de Alexandria


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concebeu um aparelho que vaporizava água e movimentava uma esfera em

torno de seu eixo.Esse foi o parelho percussor das caldeiras e das turbinas a

vapor.

Entretanto, foi na época da revolução industrial que teve impulso o uso

do vapor sob pressão para movimentar as maquinas. Muitos, entre cientistas,

artífices e operários, ocuparam-se por longos anos na evolução dos geradores

de vapor. Os mais notáveis trabalhos neste campo se devem a Denis Papin na

França, a James Watt na Escócia e a Wilcox nos Estados Unidos. Por Volta de

1835, havia aproximadamente 6 mil teares operantes a vapor entretanto , foi

após a Primeira Guerra Mundial que o emprego do vapor se acentuou.

Atualmente as caldeiras de uso industrial produzem até 10 toneladas ou

mais de vapor por hora e o fator limitante da capacidade de produção de vapor

são as dimensões da unidade e as propriedades metalúrgicas dos materiais

utilizadas.


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3. Aspectos gerais das caldeiras:

Caldeira é o nome dado aos equipamentos geradores de vapor,

destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica,

utilizando qualquer fonte de energia, cuja aplicação tem sido amplamente

utilizada no meio industrial, no ac ionamento de máqu inas té rmicas ,

para a geração de po tênc ia mecân ica e elétrica, nas chamadas

centrais termoelétricas, assim como para fins de aquecimento em processos

industriais, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares

utilizados em unidades de processo (NR13). Portanto, as atividades que

necessitam de vapor para o seu funcionamento, em particular, vapor de água

pela sua abundancia, têm como componente essencial para a sua geração, a

caldeira.


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Esse equipamento, por operar com pressões acima da pressão

atmosférica, sendo na grande parte aplicações industriais até quase vinte

vezes maior e nas aplicações para a produção de energia Elétrica de sessenta

a cem vezes maior, podendo alcançar valores de até duzentos e cinquenta

vezes mais, constitui um risco eminente na sua operação.

Classificação:

As caldeiras podem ser classificadas de acordo com sua classe de

pressão (NR13), seu grau de automação, o tipo de energia empregada ou o

tipo de troca térmica. Na classificação pelo tipo de energia empregada temos

as seguintes subdivisões:

1- Combustível Líquido;

2- Combustível Sólido;

3- Combustível Gasoso;


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4- Caldeiras Elétricas, e

5- Caldeira de Recuperação Química.

4. Caldeiras de Recuperação em Fábrica de Celulose:

4.1 Conceitos Básicos:

Caldeira de recuperação é a caldeira que utiliza como combustível o

resíduo do processo de cozimento da madeira para a obtenção da polpa de

celulose, lixívia preta, isto é, através de um forno especial utiliza a lixívia preta

concentrada como combustível, recuperando e regenerando para a reutilização

dos produtos químicos inorgânicos utilizados na polpação. Figura 1


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Figura 1- Caldeiras de Recuperação: Evolução


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4.2 Principais objetivos:

Reduzir o sulfato de sódio (Na2SO4) em sulfeto de sódio (Na2S),

contribuindo para a recuperação dos subprodutos gerados no cozimento;

O material sólido é decomposto em carbono, sais inorgânicos e gases

voláteis, que são queimados;

O carbono é queimado na presença do ar reduzindo assim a carga de

demanda biológica de oxigênio (DBO);

A água restante na lixívia é transformada em vapor que será utilizado em

diversas fases do processo;

Reduzir os efluentes com potencial poluidor;

Reduzir o custo de produção.

4.3 Fatores importantes:


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A caldeira de recuperação química e semiquímicos alcalinos tem um

papel fundamental no processo de fabricação de papel no Brasil. Ela é

responsável por mais de 90% do total de pasta celulósica produzida no país e é

um equipamento de grande porte podendo chegar até 100 metros de altura.

Servem para queimar o licor preto (lixívia) extraído no cozimento da madeira,

reduzindo o sulfato de sódio (Na2SO4) em sulfeto de sódio (Na2S)

consequentemente gerando vapor de alta pressão e temperatura, usado nas

turbinas para geração de energia para própria fábrica.

A tecnologia de aproveitamento da energia térmica e dos produtos

químicos contidos nos rejeitos de extração da celulose contida em

determinadas espécies vegetais constitui o exemplo mais notável de caldeiras

de recuperação que constitui uma parte essencial do processo. A função do

sistema de recuperação não consiste unicamente em retornar os reagentes ao

digestor com um mínimo de perda, mas também consiste em: produzir uma

fração ponderável do vapor a ser consumido na própria instalação e extração


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da celulose, reciclar até 90% dos insumos de produtos químicos exigidos no

cozimento da madeira para produzir um licor negro e eliminar uma parte dos

efluentes com potencial poluidor.

A unidade de recuperação desse licor no processo é composta,

basicamente, pelos evaporadores de múltiplo efeito, responsáveis pela

concentração do licor em até 63% de sólidos, com aspecto de um líquido negro

viscoso que apresenta características de um combustível e pela caldeira de

recuperação ou fornalha, na qual este licor negro concentrado é queimado

liberando energia para a geração de vapor e pela caustificação (conversão do

carbonato de sódio em hidróxido). Assim, uma característica importante deste

processo de recuperação dos sais inorgânicos é que as etapas envolvidas

estão correlacionadas de forma a atribuir ao processo global uma natureza

cíclica, figura - 2.


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Figura 2- Fluxograma típico

4.4- Principais Vantagens:

- Sistema de recuperação dos resíduos do processo;

- Redução dos custos do processo;

- Redução na emissão de poluentes;

- Redução do consumo de Energia.

4.5 – Principais Desvantagens:

- Alto custo da planta;

- Odor dos gases oriundo do Processo;


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4.6- Riscos:

Os riscos associados ao gerador de vapor estão na manutenção e

operação do equipamento. A norma NR-13 por si só não determina todos os

procedimentos seguros na condução do processo de geração de vapor. A NR-

13 estabelece parâmetros preventivos para a administração do sistema, sem

se aprofundar numa análise de risco ao longo da vida de um gerador de

vapor. Prevê a norma uma inspeção anual ou bianual dependendo da categoria

da caldeira, determina a regulamentação da mesma junto ao Ministério do

Trabalho, e também determina o “lay out” da instalação do prédio da caldeira e

seus periféricos. Os riscos associados à vida da caldeira em função da

manutenção e operação da mesma, não está contemplado na NR-13 de forma

específica e clara.

O Instituto Americano do Petróleo – API sugere uma análise de risco

associada às inspeções realizadas periodicamente. Um gerador de vapor pode


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operar por mais de 50 anos e os riscos associados ao longo período de

operação vão se acumulando, até que há a necessidade de uma reforma

completa da caldeira a fim de garantir a integridade da estrutura da mesma. A

probabilidade de falhas do equipamento é função do tempo em serviço e das

ações corretivas realizadas. Uma caldeira deve ser avaliada pelo seu

comportamento ao logo do tempo e enquadrada em duas categorias:

condições variáveis e condições fixas. As condições fixas têm a ver com a

estrutura da caldeira considerando seu projeto original e as condições variáveis

são aquelas que dependem da forma como a caldeira foi operada e mantida ao

longo do tempo.

Mudança de combustíveis, o tratamento de água, ou até mesmo a forma

de partir e parar uma caldeira poderá determinar as condições variáveis da

mesma. Não é incomum empresas não seguirem a curva de aquecimento e de

resfriamento de uma caldeira, provocando danos à estrutura da mesma. É bem

conhecido o fenômeno de “craking por stress” quando a estrutura da caldeira


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sofre dilatações bruscas. Este “craking” produz micro fissuras nas tubulações

tornando-as frágeis e são pontos onde poderá haver rompimento futuro

provocando a parada do equipamento. Súbitas variações de carga da caldeira

também provocam o mesmo problema. O tratamento de água inadequado

compromete a caldeira provocando corrosão interna, superaquecimento de

tubulações (overheating), depósitos, etc.

Baseado nestas observações pode dizer que a NR-13 trata mais da

caldeira de uma forma fixa ou estática, apenas recomendando as inspeções

sem determinar as ações preventivas e preditivas no gerenciamento de um

gerador de vapor. Na matriz de risco sugerida pela API é feita uma análise de

probabilidades em função do tempo de serviço da caldeira considerando

04 fatores:

a) Fator universal: avalia os riscos inerentes das condições ambientais;


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b) Fator Técnico: avalia os riscos através das taxas de acúmulo de

danos;

c) Fator Mecânico: que leva em conta os riscos associados às

características do projeto da caldeira;

d) Fator Operacional ou de Processo: é um dos mais significativos, pois

leva em consideração como a caldeira é operada;

Portanto, pela metodologia da API os riscos associados à caldeira

variam em função do tempo de serviço e principalmente da campanha

operacional do equipamento. A acumulação de danos e a eficácia das

inspeções são fatores decisivos para a evolução ou não dos riscos associados

ao equipamento.

Relacionando as principais causas de acidentes com geradores de

vapor, baseado nos 4 fatores de risco citado acima temos em ordem de

ocorrência:


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- Falta de manutenção;

- Falhas de instrumentação;

- Procedimentos operacionais (falha do operador);

- Tratamento de água inadequado.

5- Descrição detalhada do processo:

Todo licor preto proveniente da lavagem da polpa, com porcentagem de

sólidos em torno de 15 %, é encaminhado para um tanque de estocagem

denominado Tanque de licor 15 %.

O Licor recebido da lavagem apresenta teor de sólidos em torno de 12 a

13 % para que atinja o padrão de 15 a 16% de sólido exigido pelo processo de

evaporação, é necessário que seja adicionado certa quantidade de licor 45%.


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Do tanque de licor 15% é bombeado para o sistema de evaporação que

contém de 4 até 7 efeitos (evaporadores), chamado de multi efeito. Os

evaporadores aumentam a concentração do licor negro para utilizá-lo como

combustível nos fornos da caldeira de recuperação. O licor ao sair do sistema

de evaporação apresentará uma porcentagem de sólidos em torno de 40 a

45%. O licor do Tanque de 45 % será bombeado para o ciclone, que é um

concentrador de contato direto com os gases da fornalha de + / - 62 % de

sólidos. Do ciclone o licor é transferido para o tanque de mistura, onde recebe

sulfato de sódio (para repor as perdas de produtos químicos).

Do tanque de mistura, o licor é bombeado para o maçarico da lixívia,

onde o mesmo pulveriza a mistura do licor nas paredes laterais e traseiras da

fornalha através de um bocal oscilante. O licor atinge as paredes da fornalha e

é parcialmente desidratado pelo calor emanado da camada carbonizante da

mesma.


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O licor alimentado na caldeira é composto de duas partes, uma orgânica

e outra inorgânica, onde a parte orgânica é formada pelos componentes da

madeira que estão dissolvidos no licor e a parte inorgânica pelas substâncias

químicas residuais do licor de cozimento.

O calor de combustão será fornecido pela queima da parte orgânica do

licor, isso com constante injeção de ar para manter uma atmosfera apropriada

para a queima. Com a alta temperatura existente na fornalha, a parte

inorgânica se fundirá e escorrerá através da camada inclinada da fornalha até a

bica de fundição, indo cair no tanque dissolvedor, produto esse denominado de

SMELT, ou seja, fundido que se obtém com a queima de lixívia preta

concentrada.

No tanque dissolvedor será adicionado ao Smelt, licor branco fraco

(alcalina), tornando-se o LICOR VERDE. Após a obtenção do licor verde no


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tanque de dissolução, o mesmo é transferido para um tanque de estocagem, e

deste é bombeado para o apagador, onde é feita a adição da cal.

Dosa-se cal devido a necessidade das reações abaixo:

1- Reação de apagamento:

CaO + H2O Ca(OH)2 + 270 Kcal/kg de CaO

2- Reação de Caustificação:

Ca(OH)2 + Na2CO3 2NaOH + CaCO3

(licor verde) (licor branco forte) (lama de cal)

A temperatura do apagador é controlada em torno de 100 ºC

(temperatura onde o licor verde reage melhor com a cal). A dosagem no

apagador é regulada de acordo com a eficiência, que no nosso caso deve ficar

em torno de 75%. Se a eficiência for baixa, aumenta-se a dosagem da cal e

vice e versa. O Alcali Total do licor verde fornecido pela caldeira de

recuperação é em torno de 140 g/l.


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O licor e a lama obtidos no apagador são transferidos para o reator,

onde sua temperatura é mantida em torno de 80º C por 90 minutos (tempo

necessário para reação).

Do reator, a mistura de licor e lama é transferida para o clarificador.

Neste processo a lama de cal decanta separando-se do licor branco forte.

No clarificador de licor branco forte, o operador acompanha a

consistência da lama e através desta, regula os intervalos de descarga.

Portanto, consistência alta da lama, intervalos de descargas menores e vice

versa.

Do clarificador de licor branco forte, a lama é transferida para o lavador

de lama, que consiste num tanque onde a lama é misturada com água. Deste


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tanque, a lama é transferida para o clarificador de licor branco fraco. O sistema

de separação neste clarificador é idêntico ao anterior.

O licor branco fraco transborda para o tanque de estocagem, sendo

utilizado na diluição do SMELT e preparação de soda para reposição.

A lama é transferida para o tanque de estocagem de lama. Após é

enviada para o filtro de lama onde será engrossada (retirando o excesso de

água), onde a água retorna para o processo e a lama de cal é armazenada em

Local apropriado para este resíduo.

Quando há parada na recuperação ou mesmo em operação normal,

existe a necessidade de repor a soda que foi consumida ou perdida no

cozimento ou lavagem da polpa.


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A preparação é feita diluindo-se soda cáustica líquida e licor branco

fraco (alcalina), com adição de enxofre para a correção da sulfidez,

introduzindo vapor para aquecimento e após +/- 20 minutos de agitação, a

carga está pronta para ser enviada novamente ao processo.

6- Tendências Futuras:

Não utilização de Combustíveis fósseis;

Maior integração dos Processos;

Maior geração de energia;

Planta de biorefinarias;

Redução do consumo de água e

Desenvolvimento de novas tecnologias


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7- Bibliografia:

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em

Engenharia do Centro Universitário do Leste de Minas Gerais, Simone

Gonçalves Silva Campos, Transferência de Calor para o Processo de

Concentração do Licor Negro de Eucalipto em Sistema de Evaporadores de

Múltiplo efeito, 2009.

Sistema de Recuperação, III SEMINÁRIO DE PAPEL E CELULOSE,

SENAI.


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Geradores de Vapor, CEFETES – Unidade de São Mateus, Gibson

Dall'Orto Pós-Graduação Celulose e Papel – Faculdade Pitágoras Vale do Aço

Fábio Rodrigues Ferreira, Frederico Rodrigues Dutra, Paradas de emergências

em caldeiras de recuperação.

Os Riscos Associados à Operação de Caldeiras, Engº ARNO

ROTHBARTH.


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