Modernizar os queimadores é, muitas vezes, uma forma eficaz de alcançar melhorias de processo, como o aumento da produtividade, redução de consumo de combustível e/ou minimizar a formação de NOx e CO2. Umas das formas mais econômicas para efetuar uma atualização é através de adaptação de queimadores existentes com nova tecnologia
A reforma de queimadores em fornos de fusão de alumínio pode proporcionar uma melhor eficiência e melhores taxas de fusão. O outro principal impulsionador para modernização de queimadores (e assim reformar) é a crescente importância na redução de nível de emissões de NOx e CO2. Como os regulamentos se tornam mais rigorosos, as indústrias de alumínio continuarão a exigir tecnologia atualizada.
Retrofit Convencional
A maneira mais comum para melhorar um queimador de ar frio é fazer uma conversão para ar quente (geralmente acompanhado com redução nos níveis de emissões de NOx devido à atualização tecnológica). Naturalmente, é necessário avaliar todo o sistema de combustão (vazão, pressão, temperatura, etc) ao fazer qualquer tipo de modificações nos queimadores.
Ar Frio para Ar Quente Ultra Low NOx
Design
Os principais benefícios atingíveis a partir da conversão de queimador ar frio para ar quente é a redução na utilização de combustível pelo aumento da eficiência da combustão. Estes tipos de conversão poderiam exigir modificações significativas para os queimadores (embora modificações também poderiam ser mínimas). Desenvolvimentos recentes na atualização tecnológica, no geral, minimizaram a quantidade de trabalho necessário para modificar o queimador.
Porque a eficiência de combustão aumenta com temperaturas de pré-aquecimento de ar de combustão, a quantidade de combustível necessário diminui para a mesma necessidade de processo (a menos que a produtividade é parte da atualização também), necessitando, portanto, uma avaliação de todo o sistema de combustão.
Fig. 1 ilustra uma conversão típica de um queimador a ar frio para um queimador Ultra Low NOx com ar quente. Algumas modificações no queimador são necessárias. Veja na Fig. 1 os números correspondentes para as seguintes descrições.
1. Revestimento refratário do queimador é necessário se a nova temperatura do ar de combustão exceder à temperatura de projeto do queimador existente;
2. O bico de gás pode ser necessária de ser substituído por alguns motivos. Em primeiro lugar, seria necessário a substituição se o novo bico de combustível Ultra Low NOx exigir uma pressão superior ou um ângulo/tipo de pulverização tipo diferente. Em segundo lugar, o comprimento do bico de combustível pode ser necessário modificar para acomodar alterações do difusor de ar. Os materiais de construção do bico de combustível também devem ser avaliados para uma temperatura mais elevada do ar de combustão;
3. O bico de ar/difusor teria de ser substituído em TODOS os tipos de conversão Ultra Low NOx. Ar/gás estagiado e o desenho do bico de ar são fundamentais para minimizar picos de temperaturas de chama e as emissões de NOx;
4. A conexão de gás também pode precisar ser deslocada na parte de trás dos queimadores. Combustão assimétrica e gás estagiado são duas razões pelas quais o local de conexão pode precisar ser modificado, exigindo, assim, uma nova placa;
5. Em alguns casos, o diâmetro e o ângulo do bloco podem necessitar modificação. Densidade do bloco (Btu/in2 da área do bloco), a máxima carga térmica/capacidade em um determinado tamanho do bloco queimador, este deve ser o fator limitante em uma potencial conversão;
6. Alterações no bloco podem necessitar alargamento da abertura na parede do forno. Tais modificações são mais frequentemente necessárias quando estagiamento de ar ocorre no próprio bloco de queimador. Geralmente nos queimadores de pequenas capacidades;
7. Em alguns casos o corpo do queimador completamente novo também pode ser necessário dependendo das exigências do projeto interno do queimador e a configuração do queimador existente.
Performance
A Tabela 1 resume as emissões esperadas tanto para um queimador de ar frio como para queimador Ultra Low NOx a ar quente com uma expectativa de redução esperada nas emissões mostradas tanto em base g/kWh e kg/h. Porque a capacidade instalada necessária para o sistema de ar quente é inferior a um sistema de ar frio (para as mesmas necessidades de calor disponível), há um benefício mais significativo numa base kg/h.
Estudo de Caso
O caso seguinte de estudo na indústria de alumínio necessitou a conversão de queimadores de ar frio para queimadores de Ultra Low NOx em três aplicações únicas. A melhor tecnologia do queimador disponível foi utilizada para atender aos requisitos rigorosos.
Requerimentos:
• Um forno de fusão de alumínio, um forno de espera e dois fornos de homogeneização;
• Califórnia requer queimador Ultra Low NOx.
Desafios:
• Queimador Ultra Low NOx requerido em todos os pontos de operações;
• Garantia de emissões exigiu a utilização de controle de ar primário adicional pelo aumento da temperatura do forno.
Projeto:
• Queimadores Ultra Low NOx de ar quente com válvula direcionadora interna para fornos de fusão;
• Queimadores Ultra Low NOx de pequena capacidade para forno de homogeneização e de espera;
• Ajuste no campo para maximizar o sinal de chama e reduções de NOx em todos os pontos de operação.
Resultados:
• Tecnologia fornecida BACT (best available control technology – melhor tecnologia de controle disponível) NOx excedeu todas as expectativas do cliente em todos os casos;
• Limite máximo permitido não pode exceder 37 ppmvd@3%O2 (RECLAIM limite de concentração) agência SCAQMD na, Califórnia. O queimador Ultra Low NOx é considerado atingido na prática.
Retrofit Regenerativo
O benefício mais significante na redução de consumo do combustível pode ser adquirido com a conversão de queimadores de chama direta existentes para queimadores regenerativos.Com a evolução da tecnologia regenerativa, em muitos casos, as emissões de NOx também podem ser reduzida apesar do aumento da temperatura do ar de combustão.
Convencional para Regenerativo Ultra Low NOx
Um sistema regenerativo, quando comparado com sistema de ar frio, reduz os diâmetros das linhas de ar/gás e os respectivos equipamentos, enquanto um sistema de exaustão adicional é exigido. Restrições no duto de fumos, muitas vezes limitam o aumento da capacidade dos queimadores. Sistema regenerativo pode fornecer uma solução eficaz para este problema. Se um sistema de ar frio está sendo considerado para conversão para regenerativo, cerca de 90% dos equipamentos de ar e gás podem ser reutilizáveis, desde que estejam em condições aceitáveis. Válvulas de ciclagens adicionais são necessárias para ar, gás e exaustão. Equipamentos de ar de resfriamento, equipamentos de ar para partida e equipamentos de exaustão (incluindo exaustor) são também necessários.
Design
Modificando um forno a partir de um sistema de queimador convencional para um sistema regenerativo, fornece significativas melhorias térmicas e/ou de produção. Por causa de temperaturas de pré-aquecimento do ar muito elevadas, componentes regenerativos que são necessários para cada queimador, os queimadores existentes não podem ser reutilizados. Restrições de espaços também devem ser analisada para acomodar a caixa do regenerador adicional. Opções como casos da caixa do regenerador montado no teto do forno e duplo corpo de queimador regenerativo, às vezes são necessárias para instalações bem-sucedidas (Fig. 2).
Performance
Apesar de um aumento significativo da temperatura de pré-aquecimento do ar e eficiência térmica, as emissões de NOx esperadas em uma base g/kWh e kg/h podem ser melhoradas (Tabela 2).
Estudo de Caso
Forno de fusão de alumínio de carregamento contínuo tipo Sidewell representa uma excelente aplicação de queimadores regenerativos na indústria do alumínio. Queimadores regenerativos Ultra Low NOx podem ser justificados para todos os novos fornos de fusão de alumínio tipo Sidewell. Reforma será economicamente justificável em quase todos os casos para estes fornos devido à vantagem dramática de eficiência para o sistema regenerativo em processos contínuos em alta temperatura.
Estudo sobre um forno de fusão Sidewell a seguir demonstra a capacidade de adaptar queimadores regenerativos em um forno originalmente projetado para a operação com ar de combustão frio com limitações inerentes de espaço.
Requerimentos:
• Forno de fusão tipo Sidewell;
• Aumenta a taxa de fusão e economia de combustível.
Challenges:
• Área de banho longa e estreita;
• A localização da saída de fumos existente tornou impossível aumentar o tamanho do queimador;
• A localização do duto de fumos existente tornou impossível aumentar o duto de fumos devido ao corpo do queimador;
• Limitação de espaço.
Design:
• Desenvolvimento de queimador de corpo duplo.
Resultados:
• As expectativas do cliente atendidas;
• Aumento de produção prevista de 5.612 ton/ano, US$ 400.000 economia de combustível/ano e 1,1 tonelada/ por ano de redução de NOx.
A solução foi fornecer queimadores regenerativos de corpo duplo (uma caixa regeneradora com queimador corpo duplo). Esta forneceu cobertura superior do banho e comprimento de chama curta em comparação com um queimador padrão com potências idênticas (Fig. 3).
Conclusão
Reforma de equipamentos de combustão existente pode ser uma forma muito rentável para aumentar a produção, economizar combustível e reduzir as emissões. Avanços na tecnologia do queimador e reforma do queimador abriram o caminho para projetos de melhorias em uma variedade de aplicações em fornos existentes/configurações de queimadores.
Para mais informações: Matt Valancius, manager – marketing & strategy, Bloom Engineering Company, Pittsburgh – tel: +1 412-693-4202; e-mail: mvalancius@bloomeng.com; web: www.bloomeng.com/USA.
Tradução gentilmente cedida por Paulo Yamada, diretor da YMD Consultoria e Representação SS Ltda e representante da Bloom Engineering no Brasil; tel: +55 (11) 97148-3110; e-mail: pyamada@bloomeng.com; web: www.bloomeng.com.
