Melhorando a eficiência energética com a tecnologia de captura térmica

Os valores gastos com energia representam uma grande fração dos custos de operação de um forno industrial, sendo que a maioria deles utiliza gás natural como a sua fonte de calor. As empresas que operam sistemas de processamento térmico podem se manter no topo da competitividade com a utilização de combustível eficiente ao mesmo tempo em que minimizam as emissões de CO2 e de NOx. Um modelo de queimador em planilha Excel pode calcular as economias de combustível obtidas com a utilização da tecnologia de captura térmica para recuperar e retornar o calor ao processo

O pré-aquecimento do ar de combustão, seja utilizando gás combustível ou gás da chaminé, necessita de algum tipo de equipamento para recuperação do calor. De forma bastante comum, estes equipamentos são incorporados ao interior do queimador, fazendo com que seja mais fácil colocá-lo dentro de um forno já existente sem um sistema de tubulação para ar quente. Qualquer que seja o método, a ideia é capturar a energia térmica do gás da chaminé e transferi-la para o ar de combustão. Como o pré-aquecimento do ar melhora a operação e economiza combustível?

De quatro formas:

1. É necessário menos combustível para fornecer os produtos da combustão (POC – Products Of Combustion) para a temperatura do forno;

2. A temperatura do gás da chaminé (usada) e seu volume são menores, diminuindo, assim, as emissões de CO2;

3. A estrutura da chama pode ser controlada para minimizar as emissões de NOx;

4. A chama tem uma velocidade mais alta, melhorando, assim, a circulação do POC dentro do forno.

Nós falaremos dos dois primeiros pontos neste artigo e os outros dois serão assunto de um artigo futuro.

Potencial para Economia

As empresas com programas de gerenciamento de energia adotaram as melhores práticas para melhorar a eficiência energética dos seus sistemas. Essas práticas são familiares aos leitores da Industrial Heating – controle cuidadoso da relação ar/combustível, captação térmica, taxa de queima, pressão do forno, isolamentos melhores, entre outros [1]. Juntamente à certeza certeza de que os queimadores e os outros equipamentos da combustão estão operando em seu pico de eficiência, recuperando e reutilizando o calor residual (usado), podemos dizer que são as melhorias mais benéficas que você pode fazer [2].

Economia com Combustível

Vamos dar uma olhada nas possibilidades de economia de combustível para um forno a 982°C e com troca térmica de 500.000 BTU/hora (Unidade Térmica Britânica), com 15% de ar em excesso. O calor de combustão de entrada é o menor valor de aquecimento (LHV – Lower Heating Value) do combustível por m3, multiplicado pela taxa de fluxo. Um balanço térmico mostra que a troca térmica para a carga é de 212.120 BTU/hora. A Fig.1 mostra os resultados para a utilização do ar sem pré-aquecimento, enquanto a Fig.2 mostra os resultados para a utilização de ar pré-aquecido a 538°C. Sem pré-aquecimento, cerca de 49% do calor da combustão sai no gás de chaminé. Em contraste, somente 27% do calor da combustão é conduzido para a chaminé quando se utiliza o ar pré-aquecido.

Sem o ar pré-aquecido, o calor transferido para a carga é de 42% do calor da combustão. Com o ar pré-aquecido, são transferidos 75.160 BTU/hora de gás da chaminé de volta para o forno na forma de calor no ar de combustão, elevando a transferência de calor para a carga para 60% do calor da combustão. A economia de combustível é de 29%, sendo que somente 40% do ar vem do gás da chaminé e o restante é ar sem pré-aquecimento. Claramente, a utilização de ar frio para os processos de aquecimento é um desperdício de energia custoso [3].

Economia com o Gás da Chaminé

O pré-aquecimento do ar faz uma grande diferença nas propriedades do gás da chaminé. Vamos dar uma olhada para a mesma temperatura do forno de 982°C, com cinco temperaturas diferentes de pré-aquecimento do ar. A taxa de combustão é ajustada para fornecer um calor líquido disponível (NAH – net-available heat) de 257.120 BTU/hora para transferir 212.120 BTU/hora de calor para a carga. A Fig.3 mostra que a temperatura e a taxa de fluxo do gás da chaminé, ambas, diminuem com o aumento da temperatura de pré-aquecimento do ar. Na mesma faixa, a economia de combustível aumenta de 24 para 34% e a quantidade de gás que vai para a chaminé cai de 32 para 22% do calor de combustão.

O pré-aquecimento do ar tem um efeito multiplicador na economia de combustível, já que tanto a temperatura do gás quanto a taxa de fluxo diminuem com o ar pré-aquecido. Os resultados mostram que são necessários cerca de 1,9 BTU a menos de calor de combustão para cada BTU transferido do gás da chaminé para o queimador na forma de ar pré-aquecido. Além disso, são emitidos cerca de 3% a menos de CO2 para cada aumento de 40°C na temperatura de pré-aquecimento do ar.

Considerar tudo isto envolve bastante aritmética para o balanço térmico. Você pode evitar isto utilizando um modelo de queimador em Excel (AirPreheatCalc.xlsx), o qual você pode fazer o download em IndustrialHeating.com/APC. Modelos, com exemplos, mostram como calcular a eficiência térmica a partir do ar pré-aquecido. Os resultados podem substituir as múltiplas páginas com gráficos e tabelas encontradas nos handbooks típicos de combustão [4]. Como um exemplo, a Fig.4 mostra os resultados da planilha na economia de combustível para uma faixa de temperaturas de pré-aquecimento do ar para quatro temperaturas diferentes de POC.

Classificação dos Sistemas de Aquecimento por Combustão a Ar

Para o pré-aquecimento do ar é necessária a instalação de um trocador de calor capaz de transferir o ar aquecido do POC para o ar de combustão e um queimador capaz de utilizar este ar aquecido. A movimentação de calor de um fluido (o POC) para outro (ar) pode ser realizada de duas formas diferentes. Primeira, a transferência direta por meio de uma membrana condutiva: troca de calor recuperativa. Segunda, a transferência indireta pelo armazenamento e liberação do calor: troca de calor regenerativa. Estes equipamentos, na maioria das vezes, são feitos como parte do próprio queimador. Um recuperador opera de forma contínua, com um medidor de corrente do fluxo de gás por todo o trocador de calor. Um regenerador envolve o armazenamento e a extração do calor, de uma cama cerâmica, de forma alternada. A Fig.5 representa os dois tipos de trocadores de calor.

A Tabela 1 mostra as características gerais dos dois tipos de trocadores de calor [5]. Nós daremos mais detalhes em um artigo futuro e mostraremos como fazer os cálculos de eficiência térmica para cada um deles. Mostraremos também como a tecnologia dos queimadores evoluiu para tirar a melhor vantagem do potencial de economia de energia e das melhorias ambientais obteníveis pela utilização do ar de combustão aquecido.

Conclusões

Os resultados do modelo de queimador em Excel mostram que o ar de combustão pré-aquecido pode oferecer uma economia de combustível de até 40% para os queimadores recuperativos e de até 60% para os queimadores regenerativos, quando comparados com a utilização de ar sem pré-aquecimento. A escolha pelo recuperativo ou pelo regenerativo depende de diversos fatores, assim como indicado na Tabela 1. Os benefícios incluem:

• Aquecimentos mais rápidos (temperaturas de chama e taxas de aquecimento mais altas, utilizando queimadores de alta velocidade);

• Melhor eficiência (mais calor disponível por unidade de combustível);

• Redução na poluição (mínimo volume de exaustão, NOx menor);

• Economia (menos combustível utilizado e maior produtividade).

A utilização de um ou de outro é função da aplicação, com a seleção baseada nos custos do equipamento, instalação e manutenção. Entretanto, qualquer escolha fornecerá resultados benéficos.

O autor agradece a ajuda do Dave Toocheck, da Bloom Engineering; de Martin Schönfelder, da WS Thermal Process Technology; Dennis Quinn, da Fives North American Combustion; e de Jake Mattern, da Hauck Manufacturing, na preparação deste artigo. Bem como Chet Allen, da Eclipse, por fornecer o Eclipse Engineering Guide para a planilha de Excel.