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Graduação ngenharia de Segurança do Trabal
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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.
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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:
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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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