Heat Processing

Revista Internacional para Fornos Industriais – Tratamento Térmico – Equipamentos

Publicado na HEAT PROCESSING Edição 2/2011

Eficiência de Energia em fornos de aquecimento –
Recuperação de calor com queimadores Regenerativos de Chama Plana

Dr.-Ing. Sabine Von Gersum, Elster GmbH, Lotte (Germany)

Dr.-Ing. Wolfgang Adler, Dipl.-Ing. Wolfgang Bender VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH, Düsseldorf (Germany)

O uso de regeneradores térmicos em fornos industriais produz maior economia nos custos do combustível e permite que combustíveis de maior valor como, por exemplo, o gás natural substitua o bio gás em função da economia. Além disso, queimadores de chama plana são freqüentemente usados para alcançar melhor qualidade de aquecimento. Um novo tipo de sistema de aquecimento que consiste de regeneradores tubulares e queimadores de chama plana tem sido desenvolvido para este propósito. O sistema foi inicialmente estudado em uma base experimental utilizando uma simulação numérica e então foi testado em condições de operação obtendo grande sucesso. A economia de combustível comparada com os atuais sistemas de recuperação de calor, utilizando o gás natural e gás de processo foi de 20 a 30%. Adicionalmente, devido as características construtivas do queimador e regenerador (baixa resistência ao fluxo dos gases), a perda de carga na capacidade máxima é de aproximadamente 20 mbar.

As elevadas temperaturas dos fumos em processos de alta temperatura significam que a maior parte da energia usada no processo é simplesmente desperdiçada. Uma idéia para minimizar estas perdas é utilizar um eficiente sistema de recuperação de energia, o qual é instalado no fluxo dos fumos e utiliza o calor (energia) contido nestes fumos para pré aquecer o ar de combustão. Em um sistema de queima no qual se utiliza o gás natural, o ar de combustão constitui algo em torno de 90% da massa do volume dos fumos. Daí surgiu à idéia de pré aquecer o ar de combustão. Em processo que é requerido menos ar para que ocorra a combustão do gás, a quantidade de calor recuperado será menor, como também o retorno para o processo. Quando utilizado gases com baixo P.C.I. (Poder calorífico inferior), como, por exemplo, gás de coqueria, também faz sentido em pré aquecer o ar de combustão utilizando calor contido nos fumos.

Geralmente os recuperadores centrais utilizados na indústria são fabricados principalmente com chapas de aço. Em processos de alta temperatura, os fumos saem do forno com temperaturas acima de 1.000°C. Geralmente os recuperadores, em função do material de sua fabricação não suportam estas temperaturas dos fumos, com isto os fumos são misturados com ar frio antes de alimentar o recuperador. Isto significa que o grande potencial dos gases aquecidos não é usado de forma eficiente. A maior parte da energia contida nestes fumos é simplesmente perdida em função deste processo.

Na Fig. 1 mostra exemplos de economia de combustível através de várias técnicas de recuperação de calor para um forno alimentado com natural com temperatura dos fumos a 1.200°C. Para obter o volume de aquecimento de 1 MW no processo, deve ser fornecido em torno de 3 MW de energia através da combustão do gás sem o sistema de recuperação de calor, enquanto que em um sistema com recuperação de calor, este numero cai para em torno de 2,2 MW. Quando utilizamos um sistema regenerativo, este valor cai para algo em torno de 1,5 MW. Alterando o sistema de recuperação de calor um forno existente de recuperativo para regenerativo, permitiria atingir uma economia adicional de até 30%.

Figura 1 - Economia de energia através do aquecimento do ar de combustão

Por exemplo, em fornos de aquecimento para forjarias ou laminadores, a matéria prima é aquecida a uma temperatura de aproximadamente 1.200°C. Uma produção anual de uma forjaria de médio porte é algo em torno de 30.000 t. Considerando a energia especifica entre 2,0 e 4,0 GJ/t para fornos de forjaria, isto significa que a taxa de consumo de energia é em torno de 100.000 GJ/a, considerando os custos apropriados do combustível (Tabela 1). Em grandes fornos laminadores, isto significa que somente os custos do combustível podem alcançar níveis de muitos milhões de Euros por ano. Estes sistemas permitem um potencial massivo de economia de combustível.

Tabela 1 -Características operacionais típicas de fornos de forjaria e laminação

Tabela 2 -Valor calórico e ar requerido de para gases combustíveis

Por um tempo considerável a recuperação de calor através regeneradores térmicos tem sido utilizada em diversos setores da indústria. E certamente não como uma nova tecnologia. Entretanto, devido ao período de amortização demasiadamente longo, tem havido pouco entusiasmo para este tipo de tecnologia nos setores de forjaria e laminação. Até a alguns anos atrás, devido as elevadas temperaturas para o pré aquecimento do ar, isto gerava aumento nas emissões de NOx e a incerteza com relação a durabilidade dos equipamentos, por isso não havia muitos queimadores disponíveis para este propósito. Recentemente com o grande aumento nos preços do combustível, a economia gerada pelos regeneradores vem melhorando cada vez mais. Testes operacionais têm demonstrado que o problema do NOx pode ser resolvido usando tecnologia existente e uma melhora satisfatória também pode ser atingida no tempo de vida útil dos equipamentos.

Desenvolvimento de um novo sistema de aquecimento para fornos

Freqüentemente os operadores de fornos têm solicitado queimadores de chama plana de forma a conseguir uma qualidade melhor no aquecimento dos produtos. Os queimadores de chama plana atualmente disponível no mercado possuem componentes internos através dos quais é produzido o efeito de torção no ar. Isto resulta em uma grande perda de carga. Em sistemas de combustão com ar de combustão pré aquecido através de um recuperador central, somente o queimador pode ter uma perda de carga superior a 40 mbar. Em um sistema regenerativo este valor seria quase o dobro. Conseqüentemente os investimentos e custos de operação aumentariam. Adicionalmente, os componentes internos que produzem o efeito de torção, geralmente não possuem grande durabilidade quando expostos a altas temperaturas que é o que ocorre em sistemas regenerativos. É por estas razões que não sem tem muito dados de queimadores de chama plana para uso com regeneradores térmicos.

Um novo queimador de chama plana foi desenvolvido, produzido e testado em condições de operação com a vantagem de não possuir componentes internos para produzir o efeito de torção. Este novo sistema de queimador regenerativo em conjunto com um regenerador compacto, combina os benefícios do pré aquecimento do ar de combustão através do regenerador com a tecnologia do queimador de chama plana. O interior do queimador de chama plana é feito de material cerâmico resistente ao calor. Isto significa que não há necessidade de ar de refrigeração ou purga. Quando está operando com o ar pré aquecido a 1.000°C, a perda de carga no corpo do queimador é de aproximadamente 15 mbar. Devido ao seu regenerador tubular, compacto e no formato de uma colméia, reduz consideravelmente a perda de carga. Este novo sistema tem sido testado em fornos de forjaria que operam com gás natural e gás de coqueria e vem sendo melhorado através de plataformas de simulações numéricas.

Teste operacional do sistema em fornos de forjaria

Queimadores regenerativos de chama plana foram montados em fornos de campânula e de vagoneta. Um destes fornos é alimentado com gás de coqueria. Os outros fornos são alimentados com gás natural. Estes combustíveis possuem diferentes valores calóricos e relação estequiométrica (Tabela 2). Na Fig 2 é mostrado um desenho esquemático do forno de forjaria onde foram montados 8 sistemas. Cada queimador possui seu próprio regenerador. Os fumos são extraídos do forno através dos queimadores e regeneradores. O sistema opera de forma intermitente. Enquanto alguns dos regeneradores pré aquecem o ar de combustão, os fumos são extraídos através dos outros regeneradores. O regenerador é carregado e descarregado alternadamente.

Figura 2 – Forno de Forjaria com 8 queimadores regenerativos

Na Fig. 3 é mostrado o sistema de aquecimento, que consiste do regenerador e queimador de chama plana. Os fumos passam através do queimador alimentam o acumulador de calor (regenerador). É neste momento que a energia contida nos fumos pré aquece o regenerador e então saem através da parte de baixo do regenerador a uma temperatura de aproximadamente 300ºC. O sistema de extração dos fumos é então revertido e o ar frio é introduzido na parte de baixo do regenerador. Este ar passa através do acumulador de calor que o pré aquece a uma temperatura de aproximadamente 1.000°C. O queimador então é alimentado com ar de combustão pré aquecido. Colméias cerâmicas são utilizadas como acumulador de calor.

Figura 3 -Nova tecnologia de aquecimento com queimador regenerador de chama plana

O queimador foi projetado para que a vazão de ar crie um efeito de torção o qual é forte o bastante para formar a chama plana no bloco refratário, não sendo necessários componentes internos para guiar o fluxo de ar. Devido a esta característica construtiva, este queimador tende a sofrer menor desgaste com relação ao fluxo dos gases.

Figura 4 -Queimadores de chama plana instalado no forno de vagoneta

A temperatura dos fumos é medida na parte inferior do regenerador. Se for excedido o valor limite, a sucção dos fumos é interrompida para prevenir que o sistema não seja danificado e também prevenir um sobreaquecimento dos componentes. Este queimador tem a possibilidade de instalação de um termopar entre o regenerador e queimador para controle da temperatura de pré aquecimento do ar de combustão.

Na Fig 4 é mostrado um exemplo de um forno de forjaria tipo vagoneta alimentado com gás natural com dez sistemas com capacidade de 300 kW, sendo que cada lado do forno possui cinco queimadores. O novo sistema de aquecimento com queimadores regenerativos está operando em torno de quatro anos. Com o forno operando a uma temperatura de 700°C, o ar de combustão é pré aquecido entre 500 e 550°C. Com o forno a uma temperatura de 1.260° C, o ar de combustão alcança valores de temperatura entre 1.000 e 1.100°C. O forno está operando na capacidade máxima com este range de temperatura. Em alguns momentos a capacidade do forno é reduzida para algo em torno de 20 a 30% da capacidade total. Sistemas convencionais de aquecimento sofrem consideravelmente com a queda de eficiência neste momento. Por outro lado, o novo sistema de aquecimento permite que a temperatura do ar de combustão seja mantida quase constantemente em torno de 900°C.

A economia de combustível alcançado no forno campânula equipado com quatro queimadores e sistemas regeneradores em cada lado do forno foram medidos em detalhes. Este forno está em operação a mais de cinco anos. Comparado este forno com o sistema regenerativo com um forno vizinho (com recuperador), a economia de combustível sobre todo o ciclo de aquecimento foi de até 30% (Fig. 5).

Figura 5 -Economia de energia atingida no forno campânula

Todos os sistemas de regeneradores também apresentaram características de baixa manutenção durante a fase de testes, não exigindo nenhuma parada para limpeza do regenerador.

Conclusão

O sistema de queimador regenerativo de chama plana é um novo sistema para processos de alta temperatura, o qual foi desenvolvido, construído e testado em condições de operação e combinações eficientes na recuperação de calor com os benefícios do queimador de chama plana. Durante os ensaios operacionais, foram obtidos resultados de economia de combustível na ordem de 20 a 30% quando comparado com sistemas convencionais de recuperação de calor. A baixa perda de carga através do corpo do queimador e regenerador, mesmo operando com o ar de combustão em altas temperaturas, contribuem consideravelmente para o baixo consumo de energia elétrica do motor do ventilador de ar de combustão. Foi demonstrada a fácil adequação dos sistemas para operação com gás natural ou gases de processos.

Com esta nova tecnologia de queimadores regenerativo de chama plana, com regenerador tubular, iremos aprimorar os sistemas de queima em fornos de forjaria e laminação e em outros sistemas de queima, também utilizando combustíveis alternativos.

Agradecimento

Os autores gostariam de agradecer por terem tido esta oportunidade de expressar a sua gratidão para:

• As industrias parceiras G. Grimm Edelstahlwerk GmbH & Co. KG, Kind & Co. Edelstahlwerk GmbH & Co KG and Saarsthal AG (operadores de fornos)
• Andritz Maerz (construtores de fornos) and R. Buchwald (produção do regenerador)
• Suporte financeiro foi fornecido por diversos projetos de pesquisa do Ministério Alemão do Governo Federal da Industria e Tecnologia bem como Projektträger Jülich, Benfeitor do projeto.