150–180 °C ou mais
Ar de combustão em bagaço
Caldeira · Recuperação de calor para ar de combustão
Pré-aquecedor de ar (APH)
O pré-aquecedor de ar fecha o trem de recuperação de calor, transferindo o calor residual dos gases ao ar de combustão — e em bagaço a ~50 % de umidade ele é um equipamento de combustão, não só de eficiência: o ar quente a 150–180 °C ou mais é o que seca o combustível em suspensão e estabiliza a queima. Cada ~20 °C a menos na chaminé recupera cerca de 1 ponto percentual.
~50 % · PCI 7,2–7,5 MJ/kg
Umidade do bagaço conforme queimado
6–12 % da vazão
Vazamento típico do tipo regenerativo
≈ 100 kW contínuos
Custo do vazamento (base de projeto)
01 — Função e posição
O que o pré-aquecedor de ar faz, e por que combustível úmido não queima sem ele
O APH fecha o trem de recuperação de calor — e em bagaço ele é um equipamento de combustão, não só de eficiência.
O pré-aquecedor de ar (APH) fica por último no caminho dos gases, a jusante do economizador, e transfere o calor residual recuperável ao ar de combustão. A aritmética de eficiência é a mesma de qualquer superfície de back-end: cada ~20 °C de redução na temperatura da chaminé devolve cerca de 1 ponto percentual de eficiência da caldeira. Mas em biomassa de alta umidade o APH paga seu lugar duas vezes. O bagaço chega à grelha com ~50 % de umidade e PCI de apenas 7,2–7,5 MJ/kg; o ar quente a 150–180 °C ou mais é o que seca o combustível em suspensão, ancora a ignição na grelha e mantém a combustão estável quando a umidade do bagaço oscila — depois de chuva na lavoura, de uma parada de moenda, de cana de outra qualidade entrando no picador. Um APH subdimensionado ou vazando aparece primeiro como fornalha instável e carbono não queimado subindo, e só depois como calor perdido na chaminé.
O APH é especificado como parte do back-end completo, junto com os demais equipamentos de caldeira, porque sua temperatura de saída de gás define a condição de entrada do coletor de pó e do ventilador de tiragem induzida — a janela de 150–180 °C que um precipitador eletrostático quer ver em bagaço é fixada aqui.
02 — Seleção de tipo
Pré-aquecedor tubular ou regenerativo — qual tipo para qual serviço?
O tubular (recuperativo) tem vazamento ar-gás de projeto zero e passes retos limpáveis, o que serve ao gás de biomassa, sujo e erosivo; sua penalidade é o tamanho. O regenerativo (rotativo, tipo Ljungström) é compacto para porte de utility, mas vaza 6–12 % da vazão de gás pelos selos radiais e axiais — vazão que os ventiladores carregam para sempre.
O número do vazamento merece aritmética, não um dar de ombros. Tome a base recorrente de 60 t/h com ~210.000 Nm³/h de gases e um exaustor absorvendo da ordem de 300 kW. Um vazamento de selo de 10 % significa que o exaustor movimenta 10 % mais volume através de uma resistência fixa de circuito: a perda de carga sobe com o quadrado da vazão (×1,21) e a potência do ventilador com o cubo (×1,33) — aproximadamente 100 kW de potência absorvida contínua adicional, mais a margem do ventilador de ar forçado para empurrar, em primeiro lugar, o ar que vaza. Base de projeto — cálculo ilustrativo, não é garantia. Além do custo de potência, o vazamento dilui os gases antes do coletor de pó e distorce o controle de combustão baseado em O₂. Para a classe de 30–250 t/h a biomassa e usina que a Arrow atende, o tipo tubular é o padrão; regenerativos existentes são mantidos e revedados em vez de substituídos.
Num APH tubular, o gás normalmente passa por dentro de tubos verticais — limpáveis por sopradores de fuligem e acessíveis para retubagem — com o ar em fluxo cruzado por fora, em um a três passes. Em combustíveis de alta cinza valem as mesmas regras de erosão de qualquer feixe convectivo: a cinza volante de bagaço e casca de arroz é rica em sílica abrasiva (a de casca de arroz tem 85–90 % de sílica amorfa), então as velocidades de entrada de tubo são limitadas, as bocas recebem virolas ou luvas nos primeiros 150–300 mm, onde o impacto do jato concentra o desgaste, e o espelho superior é blindado.
03 — Temperatura de metal na extremidade fria
Por que a extremidade fria corrói com o gás ainda acima do orvalho ácido?
Porque a temperatura do metal do tubo não é a média entre gás e ar — é a média ponderada pelos coeficientes de película, Tm ≈ (hgTg + haTa)/(hg + ha), e o coeficiente do lado do ar puxa o metal para o ar frio. Gás a 150 °C sobre ar a 35 °C pode pôr o metal abaixo de um orvalho ácido de 120 °C.
O mecanismo: a resistência à troca de calor em cada lado da parede é desigual, e a temperatura da parede se acomoda mais perto do lado com coeficiente de película mais forte. No canto frio do APH — o gás mais frio encontrando o ar mais frio —, o coeficiente do fluxo cruzado de ar é comparável ou superior ao do lado do gás, e a ponderação arrasta a temperatura do metal bem abaixo da média aritmética. Avaliar o metal da extremidade fria pela média entre gás e ar — atalho comum — superestima-o em 15–30 °C e é a causa-raiz de muitas falhas "inexplicáveis".
Se essa temperatura de metal é segura depende do ponto de orvalho ácido, definido pelo enxofre do combustível: o SO₃ formado na fornalha combina-se com o vapor d'água dando ácido sulfúrico com orvalho em torno de 115–140 °C para óleo, carvão e queima mista, caindo em direção ao orvalho d'água (60–70 °C em gás úmido de biomassa) para combustíveis de enxofre quase nulo. Abaixo do orvalho, o ácido condensado consome aço carbono a milímetros por ano e cola a cinza em depósitos duros. Contramedidas, em ordem de preferência: manter o metal frio acima do orvalho (SCAH, bypass de ar ou elevação do ar de entrada de projeto); usar aço patinável de baixa liga ou tubo revestido no bloco frio; e fazer do bloco frio um módulo aparafusado, sacrificial e substituível separadamente.
04 — SCAH
SCAH: a pequena serpentina que falha primeiro — e como projetar uma que não falhe
A maioria das falhas de SCAH é falha de drenagem. O projeto térmico é a parte fácil.
O pré-aquecedor de ar a vapor (SCAH) aquece o ar frio de entrada com vapor auxiliar antes do APH principal, mantendo o metal da extremidade fria acima do orvalho ácido na partida, em baixa carga e no início de safra em manhãs frias. É um trocador pequeno com um histórico de falhas desproporcional — e as falhas são mecânicas, não térmicas.
O arranjo defeituoso clássico põe a entrada de vapor e a saída de condensado no mesmo lado, com passes de tubo que incluem um trecho ascendente. O condensado formado na serpentina não drena contra a subida; empoça no fundo do circuito. A cada admissão de vapor — cada partida, cada abertura de válvula de controle —, o vapor colapsa sobre a água subresfriada presa e acelera o tampão até ele atingir um coletor ou uma curva de retorno. A relação de Joukowsky dimensiona o golpe: Δp = ρ·a·Δv — um tampão de condensado freado de apenas 5 m/s (água, velocidade de onda ~1.300 m/s) gera um pico de ~65 bar, uma ordem de grandeza acima dos 6–16 barg de projeto de uma serpentina típica. Os picos repetidos, somados ao ciclo térmico de tubos parcialmente alagados, produzem trinca por fadiga de baixo ciclo exatamente onde a tensão se concentra: nas soldas dos bocais tubo-coletor. A serpentina então vaza vapor para a corrente de ar, e a planta descobre pela perda inexplicada de reposição do desaerador.
Os princípios de projeto da Arrow removem a armadilha em vez de blindar contra ela: tubos retos sem trechos ascendentes; caimento contínuo de 1:50 da entrada de vapor à saída de condensado, para que a serpentina seja autodrenante em qualquer estado de operação; entrada e saída em coletores opostos; controle de vapor por módulo, para que cada bloco veja vapor pleno ou nenhum, em vez de uma válvula estrangulada alagando vários módulos; quebra-vácuo para que o condensado nunca fique retido por colapso subatmosférico após um trip; remoção de condensado por bomba-purgador que funciona contra contrapressão em baixa pressão de vapor; e sequência automática de aquecimento que admite vapor lentamente com drenos abertos. São decisões de arranjo que não custam nada na prancheta e não se retrofitam barato depois.
05 — Envelope de serviço e materiais
Envelope típico, materiais e base de código
Valores de seleção são base de projeto; valores garantidos são declarados por projeto, em base declarada.
| Unidade | Capacidade da caldeira | Pressão de projeto | Temperatura | Material |
|---|---|---|---|---|
| APH tubular, bloco quente | 30–170 t/h | Tiragem gás/ar, casing ±5 kPa | Gás entrando a 250–400 °C | Tubo ERW aço carbono, classe SA 178 Gr A |
| APH tubular, bloco frio | 30–170 t/h | Tiragem gás/ar, casing ±5 kPa | Metal a 90–140 °C | Aço patinável de baixa liga (tipo Corten) ou tubo revestido |
| APH tubular, termelétrica a biomassa | 170–250 t/h | Tiragem gás/ar, casing ±5 kPa | Ar saindo a 150–220 °C | Aço carbono, bocas de tubo blindadas |
| Módulos SCAH | Todas as classes | Vapor 6–16 barg | Vapor ≤ 204 °C sat. | SA 192 / coletores SA 106 Gr B |
Casings, espelhos e juntas de expansão são projetados para as pressões transitórias do sistema de tiragem; as serpentinas SCAH são partes de pressão, projetadas, soldadas e testadas conforme prática ASME Seção I / ASME IX ou EN 12952, com prática JIS em plantas de código japonês — e, em caldeiras enquadradas na NR-13, com o data book de fabricação alimentando o prontuário da unidade, como detalhado em partes de pressão de caldeira. Classes de referência desta faixa de serviço incluem uma caldeira de usina de 170 t/h a bagaço na Tailândia, uma termelétrica a biomassa de 250 t/h e uma usina de 230 t/h na Colômbia — ver açúcar e bagaço para a interação do APH com o balanço de vapor da usina.
A Arrow Energy Co., Ltd. fabrica blocos tubulares de APH, feixes de reposição e módulos SCAH em sua fábrica de Samut Sakhon, Tailândia. A certificação ISO 9001:2015 (TÜV Rheinland) cobre peças de reposição, instalação e serviços de manutenção; a fabricação de partes de pressão segue prática ASME/JIS, com escopo de estampa de código declarado por projeto. O escopo de retrofit tipicamente combina o APH com o economizador, para que as duas superfícies dividam corretamente o calor disponível dos gases: o economizador leva o gás até a temperatura de entrada do APH que mantém a extremidade fria acima do orvalho — em vez de as duas serem dimensionadas isoladas, brigando pelos mesmos 40 °C.
FAQ
Perguntas de engenharia, respondidas
Pré-aquecedor tubular ou regenerativo: qual escolher?
Para a classe de 30–250 t/h a biomassa, o tubular é o padrão: vazamento ar-gás de projeto zero e passes retos limpáveis, adequados ao gás erosivo. O regenerativo rotativo é compacto para porte de utility, mas vaza 6–12 % da vazão pelos selos radiais e axiais — vazão que os ventiladores carregam para sempre.
Por que caldeira a bagaço precisa de ar quente a 150–180 °C?
Porque o bagaço chega à grelha com cerca de 50 % de umidade e PCI de apenas 7,2–7,5 MJ/kg. O ar quente seca o combustível em suspensão, ancora a ignição na grelha e mantém a combustão estável quando a umidade oscila após chuva ou parada de moenda. APH subdimensionado aparece primeiro como fornalha instável e carbono não queimado.
Quanto custa o vazamento de um pré-aquecedor regenerativo?
Na base de projeto de 60 t/h com ~210.000 Nm³/h e exaustor da ordem de 300 kW, um vazamento de 10 % eleva a perda de carga com o quadrado da vazão e a potência com o cubo — aproximadamente 100 kW contínuos adicionais, mais a margem do ventilador de ar forçado para empurrar o ar vazado.
Por que a extremidade fria corrói se o gás está acima do orvalho?
Porque a temperatura do metal não é a média entre gás e ar: é a média ponderada pelos coeficientes de película, e o lado do ar puxa o metal para baixo. Gás a 150 °C sobre ar a 35 °C pode pôr o metal abaixo de um orvalho de 120 °C. Avaliar pela média superestima o metal em 15–30 °C.
O que faz um SCAH falhar cedo — e como evitar?
Drenagem, não térmica: condensado preso em trechos ascendentes sofre golpe de aríete a cada admissão de vapor — uma coluna freada de 5 m/s gera pico de ~65 bar contra coils de 6–16 barg — e fadiga as soldas tubo-coletor. O projeto da Arrow usa tubos retos com caimento contínuo de 1:50 e controle de vapor por módulo.
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