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.
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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.
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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.
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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 oxigênio entre na câmara em excesso, diminuindo, assim, as perdas e aumentando a eficiência da fornalha.
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## 2. Tipos de Fornalhas e combustíveis utilizados
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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, geralmente óleo, gás natural, gás de processo ou pequenas partículas sólidas em suspensão, como por exemplo, carvão pulverizado, serragem, casca de arroz, etc.
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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.
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_**Figura 1.** Poder Calorífico Inferior (PCI) e Equivalente em toneladas de Petróleo (tEP) de diferentes combustíveis_
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Existem quatro categorias de fornalhas: natural draft, ar forçado, forced draft e de condensação.
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### 3.1 Fornalhas do tipo natural draft, ar forçado, forced draft e de condensação.
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As fornalhas de natural draft utilizam o calor gerado nos permutadores de calor, onde este ar aquecido é conduzido através de um sistema de ventilação (chaminés, tubos, etc) para o aquecimento de determinados espaços, por exemplo as habitações.
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Para a substituição das antigas fornalhas de natural draft foram criadas as fornalhas de convecção forçada, sendo o seu funcionamento similar às anteriores. Desta forma o ar quente circula por intermédio de ventoinhas que dão movimento ao ar aquecido. Além disto a sua eficiência ronda os 60%.
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As fornalhas de forced draft têm menor dimensão, comparando com as anteriores. A diferença entre esta fornalha e a fornalha de convecção forçada é que para além da utilização das ventoinhas também utiliza os gases de combustão (oriundos do aquecimento) para ajudar no movimento do ar aquecido, aumentando a sua eficiência.
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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, esta energia pode ser usada para condensar vapor de água e outros químicos. A sua eficiência pode chegar aos 98%.
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### 3.2 Fornalhas Industriais
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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 função a que estão destinadas, das necessidades de calor do processo, do tipo de combustível utilizado e do método de introdução do ar de combustão.
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Este equipamento é especialmente usado quando se pretende atingir temperaturas mais elevadas, normalmente acima dos 400°C. 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.
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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 1 m/s quando tem uma função de reator. Para baixas temperaturas, o material usado é o aço carbônico, enquanto para altas temperaturas as fornalhas são feitas de aço inoxidável e aços de liga especial.
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_**Figura 2.** Fornalha Industrial em operação_
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## 3. Componentes das fornalhas industriais
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_**Figura 3.** Fornalha Industrial em operação_
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### 3.1 Seção Radiante
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É a zona da fornalha onde os tubos recebem a maior parte do calor por radiação da chama. Este valor fixa-se entre os 50 a 70% do calor total transferido neste equipamento. A temperatura do gás vai depender do combustível utilizado e da quantidade de ar em excesso. Para combustíveis gasosos é usado normalmente 20% de ar em excesso.
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Nesta zona os tubos podem estar dispostos horizontal ou verticalmente, conectados por uma curva em U, ou de forma helicoidal.
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A transferência de calor nesta seção é dada pela equação de **Stefan-Boltzmann**:
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q_r = \sigma T^4
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\]
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Onde:
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- \( q_r \) = fluxo de calor por radiação, \( W.m^{-2} \)
Onde, Qr = taxa de transferência de calor por radiação, W
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Ac = área dos tubos, m²
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α = fator de eficiência de absorção
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F = fator de troca por radiação
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Tg = Temperatura dos gases quentes, K
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Tt = Temperatura da superfície do tubo, K
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### 3.2 Secção de Convecção
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Localizada acima da secção radiante, nesta zona o calor é transferido por convecção. Esta zona serve para recuperar o calor dos gases de purga. 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. Comparativamente à secção radiante, esta queda de pressão é consideravelmente maior, pelo que por vezes se despreza a queda de pressão na secção radiante.
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### 3.3 Câmara de combustão
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A função principal de uma câmara de combustão é naturalmente queimar a mistura ar/combustível, adicionando energia calorífica ao ar, para isso a câmara de combustão deve queimar esta mistura de forma eficiente.
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Desta forma e dependendo do tipo de combustível introduzido o ar, existem vários tipos de queimadores que estão dentro da câmara de combustão, tais como:
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#### ▪ Queimador com retorno de óleo
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Existe um movimento de rotação do líquido que é obtido com pressões (na bomba) e caudais (nos canais tangenciais) altos e constantes. Aqui a variação de capacidade do queimador é controlada pela quantidade de óleo de retorno. Esta pressão de retorno é proporcional à capacidade de queima. No que diz respeito à sua capacidade, este queimador consegue operar com carga entre 10 e 15 % do valor máximo.
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#### ▪ Queimador de carvão pulverizado
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Neste queimador existe um movimento de rotação na mistura do carvão pulverizado com o ar primário e é usual que existam condutas para um combustível auxiliar (óleo, gás), permitindo uma operação com carga de 40% acima do valor máximo.
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O ar primário (ar quente) adota uma velocidade de 15 a 25 m/s de forma a conseguir arrastar o combustível e evitar um eventual retorno de chama. O ar utilizado na queima é pré-aquecido, ou seja, parte desse ar (primário) é utilizado apenas para transporte.
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Este queimador necessita de equipamentos adicionais necessários para o armazenamento, dosagem e moagem do carvão e remoção das cinzas arrastadas com os gases de combustão.
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O carvão pode ser introduzido em dois estados:
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### Seco
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- Tem cargas térmicas entre 170 e 230 kW/m³;
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- Temperatura da combustão não deve ficar próxima à de fusão das cinzas;
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- Cinzas: parte destas caem por gravidade ao fundo da fornalha (remoção mecânica) e parte é arrastada pelos gases de combustão (remoção mecânica ou por precipitadores eletrostáticos).
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### Úmido
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<hr><hr>
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- A chama é lançada para baixo (tempo e percurso para combustão completa no fundo da câmara).
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- O volume das câmaras é menor: temperaturas superiores às de fusão das cinzas (1540 ºC). As cinzas ficam no fundo da câmara na fase líquida.
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- Pouca cinza é arrastada com os gases.
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#### ▪ Queimador de Sólidos (leito fixo)
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O combustível é apoiado numa grelha (leito fixo) que atua como um reservatório de calor mantendo a combustão e promovendo a ignição. Neste queimador, a transferência de calor é feita por radiação da superfície quente do leito e por convecção dos gases quentes.
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A remoção das cinzas é feita por baixo através das barras da grelha ou removendo-se as cinzas da grelha. São bastante utilizados em unidades pequenas e médias, com carvão até 12 t/h e em unidades maiores com bagaço de cana até aproximadamente 100 t/h.
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As vantagens deste equipamento é que não são necessários equipamentos sofisticados para pulverização do combustível sólido ou limpeza dos gases de combustão, contudo tem a desvantagem de ocupar muito volume da fornalha e exige manutenção constante da grelha.
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### 3.4 Chaminé
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A chaminé é uma estrutura cilíndrica localizada no topo da fornalha e 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:
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\[
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P_d = 0,35 * L_s * p' * (1/T_a * 1/T_{ga})
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\]
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Onde:
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- \( P_d \) = pressão draft, *mm H₂O*
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- \( L_s \) = altura da chaminé, *m*
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- \( p' \) = pressão atmosférica, *mbar*
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- \( T_a \) = temperatura ambiente, *K*
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- \( T_{ga} \) = temperatura média dos gases de escape, *K*
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Devido a perdas de calor a temperatura no topo da chaminé é de aproximadamente 80°C inferior à temperatura da sua base.
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### 3.5 Isolamento
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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.
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## 4. Referências
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[^1]: **Jenkins, Barrie; Mullinger, Peter.** [_Industrial and Process Furnaces: Principles, Design and Operation. Butterworth-Heinemann._](https://books.google.pt/books?hl=pt-PT&lr=&id=cGVkEAAAQBAJ&oi=fnd&pg=PP1&dq=Jenkins,+Barrie%3B+Mullinger,+Peter.**+%5B_Industrial+and+Process+Furnaces:+Principles,+Design+and+Operation.+Butterworth-Heinemann.&ots=NEjw4MUEYz&sig=RRKk-pWoJusKrSQLDBwEYWAH0v4&redir_esc=y#v=onepage&q=Jenkins%2C%20Barrie%3B%20Mullinger%2C%20Peter.**%20%5B_Industrial%20and%20Process%20Furnaces%3A%20Principles%2C%20Design%20and%20Operation.%20Butterworth-Heinemann.&f=false)
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[^2]: **J. Coulson & J Richardson.** [_An introduction to Chemical Engineering Design._](chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://sakura03.wordpress.com/wp-content/uploads/2012/03/chemical_engineering_design__fourth_edition__chemical_engineering_volume_6__coulson__amp__richardson__039_s_chemical_engineering_.pdf) Chemical Engineering Volume 6, Pergamon Press; 1st edition 1983.
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[^3]: **https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4710008/mod_folder/content/0/MaqTermicas_Fornalhas.pdf?forcedownload=1** (Acesso em 26-02-2020)
