Ricardo Serfaty - Rede Nacional de Combustão

Índice
Estrutura Simplificada do Refino
Esquema de Refino
Fornos e Queimadores
Ricardo Serfaty
CENPES
Gerência de Equipamentos
Email rserfaty@petrobras.com.br
Principais Unidades de Processamento e respectivos
equipamentos sujeitos a chama
Futuras Unidades de Processamento
Apresentação de Casos x Solução ou Linha de Pesquisa
Desenvolvimentos Futuros
JUN/2007

Engenharia de
Equipamentos
Coordenação de
Empreendimentos
Cenpes/Engenharia Básica -
> Responsável pelos
Projetos das Unidades de
Processamento
Chegando a um total entre 250
e 300 fornos de processo
Estrutura Simplificada
DESTILAÇÃO
ATMOSFÉRICA
AB-RE
Sede
Refinarias
11 no Brasil
Refinarias no
Exterior
4
Unidade de
Xisto
1
Refinarias
Futuras
3
GLP
NAFTA PETROQ.
Q & D
ÓLEO COMBUST.
Unidades de
Fertilizantes
2
Nov/2005
Esquema de de Refino Simplificado (1/4) (1/4)
Petróleos Nacionais
Grande Produção de Óleo Combustível

DESTILAÇÃO
ATMOSFÉRICA
DESTILAÇÃO A
VÁCUO
Esquema de de Refino Simplificado (2/4) (2/4)
F C C
GÁS
GLP
NAFTA
PETROQ.
Q & D
GASOLINA
ÓLEO
COMBUST.
Esquema Típico de Refino – Foco em Gasolina
DESTILAÇÃO
ATMOSFÉRICA
DESTILAÇÃO A
VÁCUO
Esquema de de Refino Simplificado (3/4) (3/4)
COQUEAMENTO
F C C
GÁS
GLP
NAFTA
PETROQ.
Q & D
GASOLINA
ÓLEO
COMBUST.
COQUE
Redução de Óleo Combustível com Aumento
de Produção de Gás, GLP e Gasolina

DESTILAÇÃO
ATMOSFÉRICA
DESTILAÇÃO A
VÁCUO
Esquema de de Refino Simplificado (4/4)
F C C
GÁS
GLP
NAFTA
PETROQ.
Q & D
GASOLINA
ÓLEO
COMBUST.
COQUEAMENTO HIDROTRATAMENTO
COQUE
Redução de Óleo Combustível com Aumento de
Produção de Gás, GLP, Gasolina, Diesel e Querosene
Como são os fornos de refinaria típicos
seção de
convecção
seção de
radiação
Fornos de de Processo
arranjo típico de um forno caixa ou cabine

Queimadores para Fornos de de Processo
Esquema típico de Queimadores Convencionais
Queimador Dual
Queimador de Gás
Queimadores para Fornos de de Processo
Esquema típico de Queimadores Low NOx
Queimadores com
ar estagiado

Queimadores para Fornos de de Processo
Esquema típico de Queimadores Low NOx
Queimadores com gás estagiado
Queimadores para Fornos de de Processo
Esquema típico de Queimadores Ultra Low NOx

Principais Unidades de Processamento
Unidade de Destilação Atmosférica e a Vácuo
Forno tipo caixa

Principais Unidades de Processamento
Unidade de Coqueamento Retardado - UCR
Forno Double Fired
Forno tipo caixa
Principais Unidades de Processamento
Unidade de Coqueamento Retardado - UCR
Forno tipo cabine

Unidades de Hidrotramento HDT
Principais Unidades de Processamento
Forno cilíndrico com tubos verticais
arranjo típico de um forno
cilíndrico
Principais Unidades de Processamento
Unidades de Geração Gera Geração ão de Hidrogênio - UGH
Forno reformador com múltiplas fileiras com tubos verticais com catalisador

UGH Principais Unidades de Processamento
Unidades de Geração Gera Geração ão de Hidrogênio - UGH
Unidades de Fertilizantes
Principais Unidades de Processamento
arranjo geral do forno reformador da FAFEN –
múltiplas harpas verticais

Principais Unidades de Processamento
Unidades de Recuperação Recupera Recuperação ão de Enxofre - URE
Incinerador
Futuras Unidades de de Processamento
Projetos de Unidades Novas e
Modificação de Unidades Existentes
2012
Unidades de Tratamento
Hidrotratamento 8
Geração de Hidrogênio 8
Unidades de Destilação e Coqueamento Retardado
Destilação 9
Coqueamento Retardado 4
Unidades de Craqueamento Catalítico
Hidrocraqueamento Catalítico 4
FCC 6

PETRÓLE
O
Dest
Atm
Dest ATM
RAT
NL
NP
QUEROSENE
DIESEL
Produção de Petroquímicos
Básicos e Combustíveis
Marlim
Gás Natural
UDA
&
UDV
HDT
Nafta
HDT
Médios
HCC
Coque
RAT
H2
GOLK
Novas Refinarias
Refinaria do Nordeste
HDT
DIESEL (produto)
Médios dios
NL ISOM
Isomerização
Isomeriza ão
NP UGH
H2
NL
NL p/ Isomeriz ou
(produto)
NP
Coqueam
GOLK
Retard
GOPK
(óleo
HDT
NP (Dest Atm) Nafta
NL (Dest Atm)
NP (produto)
COQUE combustível)
Combustível Pesado
H2
RFT
CENPES
outros
COMPERJ
Complexo Petroquímico do Rio de Janeiro
Unidade de
Aromáticos
FCC
Petroquímico
Steam
Cracker
GLP
Diesel
Coque
Eteno
Benzeno
Propeno
p-Xileno
Produção de
Petroquímicos
de 2 a Geração
(downstreams)
PELBD
PEAD
EG
Estireno
Polipropileno
PTA

Impacto das Novas Unidades e Refinarias
• O número de fornos instalados até 2012 vai aumentar de 260
para aproximadamente 360 equipamentos
• Licenciamento de novas unidades requer negociação sobre
redução de emissão das unidades existentes – cálculo sobre
o inventário de emissão em certos casos
• Em alguns casos as novas unidades requerem valores de
emissão muito reduzidos para dar alguma manobra na
redução de emissão de unidades existentes
• Novos requisitos de qualidade dos produtos requerem muitas
novas unidades de HDTs – pesquisa em novas tecnologias
para geração de hidrogênio
MODIFICAÇÕES EM FORNOS EXISTENTES
ENVOLVENDO A
SUBSTITUIÇÃO DE QUEIMADORES
REGAP – 01-F-01
PROBLEMA : Inclinação de Chama

Geometria Original do Forno 01-F-01
Problema de Inclinação de Chama – Situação Original

Diagnóstico do Primeiro Fator
Geometria Original do Pleno
Má distribuição entre queimadores -
arranjo original em termos de vazão de ar
Vazão (kg/s)
0,950
0,900
0,850
0,800
0,750
0,700
0,650
Q.1 Q.2 Q.3 Q.4 Q.5 Q.6 Q.7 Q.8
Alterações Propostas para Ante Câmara e Pleno
Vazão (kg/s)
Comparação da Proposta x
Original em termos de
distribuição de vazão
0,950
0,900
0,850
0,800
0,750
0,700
0,650
Q.1 Q.2 Q.3 Q.4 Q.5 Q.6 Q.7 Q.8
Original Proposto
Após todas as modificações se
alcançou 7% de máxima variação

Caso Simulado com combustão - câmara inteira
Cortes Transversais nas chamas
Próximo aos queimadores Corte a 3.8 m altura
Introdução de Paredes Laterais aos Queimadores

Bico com 80 o Bico com 70 o
Modificação nos Queimadores
Bico com 60 o
Efetuando o Ajuste do ângulo do bico para otimizar o padrão da chama
Substituição de Queimadores para Low NOx
Estagiado Gás em Forno Existente
Viabilidade Física
e
Impacto sobre a Troca Térmica

Queimador Dual - Low NOx Estagiado Gás – permitindo
Queima de Óleo em sistema com pleno de Ar
Queimadores de maior diâmetro
Avaliação de Overlapping de chamas
Modificação dos Plenos Existentes

Avaliação de formato de chama em função da Proximidade
entre Queimadores, T gases e de parede
Região
central com
chamas mais
altas
Avaliação de
direção dos
jatos para
reduzir
interferência
entre
queimadores
perfil de temperatura (K) para a iso-superfície de 1500 ppm OH
Cuidados a serem tomados:
• Requer avaliação equipamento por equipamento
• Diâmetros maiores dos queimadores requer mudança do piso
do forno, dos plenos e dutos
• Avaliação das distâncias da chama à parede de tubos e teto –
requer maiores distâncias que os queimadores convencionais
• Dificuldade de prever impacto sobre a troca térmica em casos
com Lchama relativamente altos em relação a Hcamara
• Aumenta a possibilidade de incidência de chama devido a
menor quantidade de movimento da chama e interferência
entre chamas vizinhas

Crús ↑ N ↑ Amônia
Problema:
Levar Amônia e
Produtos Nitrogenados
a N2 com baixa
emissão de NOx
Solução Adotada:
Rich / Lean Approach
Conversor de Amônia
Destino de correntes
ricas em NH3
Conversor de Amônia
Ar de Re-oxida Re oxidação ão
Injeção Inje ão de Água gua ou
Vapor de Resfriamento
Cargas
Gás
AR
Zona de
Re-Oxida Re Oxidação ão
Zona de
Resfriamento
Zona
Redutora

Conversor de Amônia
Para evitar a formação de NOx combustível – atmosfera redutora (não
há oxigênio para todos – disputa pelo O2 leva a reações de oxidação
e redução simultaneamente) sob temperatura controlada – ZONA
DE REDUÇÃO
Para evitar formação de NOx Térmico – resfria-se o gás proveniente
da zona de redução acima da autoignição para garantir que ocorra a
reação de oxidação final e injeta-se ar em excesso para concluir a
oxidação sob temperaturas inferiores aos patamares de grande
geração de NOx (acima de 1350oC tipicamente)
Conversor de Amônia

Variação do Padrão de Chama em função da
variação da condição operacional
Queimadores de Chama Plana
Low NOx Estagiados gás
Chamas menos rígidas
Padrões de chama – forno tipo cabine – tubos contra
parede – queimadores para chama plana (em leque)

Uso de Queimadores de Chama Plana -
Downfire em Reformadores
Chamas trabalhando no sentido contrário ao do
empuxo e com menor rigidez
Neste reformador, os queimadores foram modificados
incluindo-se guias para as lanças e modificando-se os
orifícios de saída de gás
Este tipo de queimador foi abandonado para este tipo
de aplicação por todos os projetistas inclusive pela
Petrobras
Queimadores de Chama Plana Downfire

Diagnóstico de Combustão
Forte Influência na emissão de poluentes e/ou dano ao
equipamento devido a má operação de um único
queimador
Problema de se trabalhar em manifolds com Queimadores
Como se detectar que um determinado queimador está
com a chama fora do padrão ou que um determinado
queimador a óleo está gotejando
Trabalho conjunto do CENPES / REPLAN / IPT
Diagnóstico de Combustão
SISTEMA DE MONITORAÇÃO DE CHAMAS DE FORNOS
Monitoração individual dos queimadores;
Baseada em imagens digitalizadas;
Monitoração contínua;
Baseado em tratamento e processamento de imagens;
Diagnósticos automatizados;
Informação remotizada para operador de console
PROJETO EM FASE DE DESENVOLVIMENTO

Diagnóstico de Combustão
Sistema de Monitoração de Chamas
Frame Grabber
Placa A/D
Sinais de Pressão, Temperatura,
Analisadores de Espécies Químicas
Combustão de Líquidos
Óleos Ultraviscosos

Combustão de Líquidos
Principais Problemas (Gotejamento e Emissão de MP):
• Problemas na Atomização
• Fluido Auxiliar – vapor – requer grau de superaquecimento -
presença de condensado causa um spray intermitente com
gotejamento
• Óleo – requer controle de viscosidade e da relação vapor / óleo
para manter o tamanho médio de gota
• Manutenção e cuidado com os atomizadores e bicos – qualquer
imperfeição geométrica altera o filme e atomização
• Requer desenho adequado dos anéis de combustível e vapor, bem como
dos pontos de medição das variáveis de controle
• Detecção de chama é crítica
Combustão de Líquidos
Aspecto de uma chama de óleo combustível

Lança de Óleo
Lança de Óleo – Atomização com Fluido Auxiliar
– Atomizador do tipo câmara de mistura
vapor
óleo
Estação de Avaliação de Sprays - IPT
Avaliação do Tamanho de Gota x Condições Operacionais
Bocal nebulizador instalado na câmara de nebulização

Diâmetro médio de gota
D[3,2] [micron]
100
80
60
40
20
0
Estação de Avaliação de Sprays - IPT
Partenador em operação no interior da câmara
Caracterização do Spray
BOCAL NEBULIZADOR COM FLUIDO AUXILIAR
Vazão de óleo: 75 kg/h; visc. 20 cSt
Ar neb. / Óleo = 0,3
Ar neb. / Óleo = 0,5
Ar neb. / Óleo = 0,75
Ar neb. / Óleo = 1,0
Ar neb. / Óleo = 1,2
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Distância do eixo do bocal ( [mm]
Diâmetro médio de gota ao longo de uma seção transversal

Fração em volume
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Caracterização do Spray
BOCAL NEBULIZADOR COM FLUIDO AUXILIAR
Vazão de óleo: 75 kg/h; visc. 20 cSt
Ar neb. / Óleo = 0,3
Ar neb. / Óleo = 0,5
Ar neb. / Óleo = 0,75
Ar neb. / Óleo = 1,0
Ar neb. / Óleo = 1,2
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Distância do eixo do bocal [mm]
Distribuição de líquido na seção transversal do spray (partenador)
Combustão de Sólidos
Desenvolvimento de Tecnologia e
Avaliação de Parâmetros para Queima
de Coque Verde de Petróleo
Trabalho desenvolvido pela Petrobras / BR
Distribuidora / IPT / Cerâmica Jade

Possível Aplicação Futura:
– Termoelétricas a Coque Verde nas unidades da Petrobras
Aspectos da Combustão de CVP
Combustão de Coque Verde
– CVP - ↑↑ fonte energética alternativa em todo o mundo.
– Formas de emprego do CVP:
• queima por pulverização direta
• queima em grelhas fixas e móveis
• gaseificação e/ou queima utilizando-se:
– queimadores ciclônicos
– leitos fluidizados
– leito móvel descendente
Combustão de Coque Verde
– Principais Aspectos na Combustão de CVP
– Etapas do material sólido ao entrar numa zona de combustão:
• secagem
• pirólise
• combustão do resíduo carbonoso
– CVP ⇒↓baixos teores de voláteis e umidade ⇒ a combustão do
resíduo carbonoso é dominante
– CVP ⇒↓baixa reatividade ⇒ sugere uso ↓ menores diâmetros e
↑ dificuldade de ignição e estabilidade de chama
– ↑ teor de C e ↓ teor de cinzas ⇒↓consumo e ↓↓rejeitos

UTILIZAÇÃO DE COQUE VERDE DE PETRÓLEO EM GRELHA FIXA
FORNO QUADRADO
Alimentador contínuo de
coque verde de petróleo
Combustão de Coque Verde
Combustão de Coque Verde
FORNO BOLA
Queima em Grelha
com Ar Forçado

Combustão de Coque Verde
Desenvolvimento de Queimadores Ciclônico
z
r
Partículas entram com
alta velocidade
tangencial
Gases +
partículas muito
finas saem do
pescoço
Trabalho com o IPT
O 2
Partículas se
movem rumo
ao pescoço
Injeção de ar secundário +
partículas
CO 2 + CO
Partículas movendo-se no
interior da camada
Combustão de Coque Verde
Avaliação da combustão em Leito Fluidizado
Esquema do
aparato de
combustão de
coque em
leito
fluidizado
Ar de
freeboard
(21 %)
Alimentação
coque de petróleo
Ar fluidização
(72,7 %)
Partículas
finas saem da
camada e
escoam rumo
ao pescoço de
saída
Camada fina de
partículas em
suspensão junto à
parede
Ar ejetor
(6,3 %)

Desenvolvimentos Futuros
Desafios
Desenvolvimentos Futuros
• Investigação de Gaseificação por Leito Fluidizado e Flow
Entrainment para aumentar valor agregado de certas correntes
residuais ou rota para geração de hidrogênio e gás de síntese
• Avaliação experimental e via modelagem de chamas Low NOx
e ultra Low NOx para geração de algoritmo de predição de
envelope de chama e avaliação de transferência de calor
• Desenvolvimento de novas rotas de combustão / queimadores
Low NOx para queima de óleos com alto teor de N
• Desenvolvimento e Avaliação de queima de biocombustíveis
(biodiesel, bioQAV…) e subprodutos (glicerina bruta, retortas)

Obrigado pela atenção