A utilização de queimadores de captura térmica é o fator mais importante quando se pretende obter o máximo de energia de cada Real que você gastou com combustível. Entender o funcionamento destes dispositivos pode te ajudar a decidir qual deles, dentre os tipos existentes, é o mais adequado para a aplicação desejada. O modelo de queimador em Excel, presente no arquivo AirPreheatCalc2 e disponível para download, é uma boa ferramenta para calcular economias de energia em potencial. O presente artigo é uma continuação da discussão iniciada em Abril, com a matéria intitulada “Melhorando a Eficiência Energética com a Tecnologia de Captura Térmica”

Os leitores da Industrial Heating estão muito bem informados a respeito do potencial para economia de energia, proporcionado pelo uso de queimadores de captura térmica nas etapas de aquecimento em vários processos ^[1,2]. O calor líquido disponível (NAH, Net Available Heat) e o calor para carregamento (HTL, Heat to Load) são parâmetros frequentemente usados para indicar eficiência térmica ^[3]. As Equações [1] e [2] definem esses termos na forma de porcentagens com relação à velocidade de queima. O HTL corresponde ao NAH menos a perda de calor.

A Tabela 1 mostra resultados de balanço de calor para um queimador atuando a 500.000 BTU/hora (menor valor de aquecimento, ou Lower Heat Value, LHV), em um forno a 982°C. Com ar frio, os produtos de combustão (Products of Combustion, POC) retiram 47% do calor de combustão fora do conduto de gases e, portanto, o HTL por queimador é de 211.110 BTU/hora (42% da velocidade de queima). Alternando para um queimador de captura térmica para pré-aquecer o ar a 482°C, é recuperado calor suficiente para permitir uma velocidade de queima de 25% para o mesmo HTL. A temperatura do gás de chaminé cai para 326°C e seu fluxo para 45,02 Sm³/h (ou 1.590 scf/hora, Standard Cubic Feet, scf). Note o efeito multiplicador do ar pré-aquecido: o gás de chaminé apresenta temperatura e velocidade de escoamento mais baixas. A Fig. 1 e a Tabela 2 mostram as economias de fluido para uma faixa de temperaturas de pré-aquecimento do ar. Claramente, quanto maior a temperatura de pré-aquecimento maior a economia conseguida.

Existem outras formas de economizar energia ^[4], contudo, o pré-aquecimento do ar é normalmente a mais eficiente delas devido ao seu efeito multiplicador – todo BTU adicionado ao ar significa que menos 1,9 BTU de combustível é necessário, levando a uma correspondente diminuição na quantidade de CO₂ emitida no gás de chaminé.

O ganho em eficiência térmica, em comparação com o ar frio, pode ser calculado de duas maneiras: na primeira, considera-se que o combustível requerido é o mesmo para a carga de saída (ou seja, HTL constante, como mostrado pela Tabela 1 e pela Fig. 1); na segunda, obtém-se um aumento na saída a partir de uma mesma quantidade de combustível na entrada (isto é, maior HTL). A análise exposta neste artigo enfatiza o primeiro cenário – economia de energia a partir do decréscimo da velocidade de queima, mantendo-se o HTL constante.

Você pode verificar tudo isso quando utilizar o modelo do Excel (o arquivo AirPreheatCalc2.xlsx) que está disponível para download na versão online deste artigo (clique aqui para baixar). A planilha Basic permite que o usuário determine a temperatura de pré-aquecimento; a planilha Extended, por sua vez, calcula a temperatura de pré-aquecimento do ar com base nas especificações particulares de cada queimador, sendo 25 fatores diferentes para 3 tipos de configurações de queimadores. Os resultados obtidos com o modelo do Excel podem substituir os gráficos e tabelas encontrados nos handbooks sobre combustão ^[5]. O modelo do Excel também possui planilhas com especificações para queimadores disponíveis comercialmente (de queima direta) e documentação adicional sobre queimadores e práticas para melhorar a eficiência térmica.

Dispositivos de Captura Térmica

Os recuperadores operam constantemente com fluxo de contracorrente enquanto transferem calor diretamente através de uma membrana condutiva.

Os regeneradores, por sua vez, operam indiretamente ao alternarem seus leitos de armazenamento e de remoção de calor ^[6,7]. Os queimadores são classificados como autorrecuperativos ou autorregenerativos quando o trocador de calor é integrado ao projeto do queimador, sendo, então, mais eficientes e simples do que os dispositivos externos. Queimadores regenerativos são particularmente apropriados para aplicações em altas temperaturas (900-1288°C), com temperaturas de pré-aquecimento de ar variando de 50-80% daquelas dos produtos quentes de combustão (POC). Os queimadores com queima direta apresentam desvio de 10-20% dos POC para o conduto de gases, de forma a permitir que o forno mantenha a sua pressão interna e minimize os vazamentos de gás.

A Fig. 2 mostra o diagrama de um queimador autorrecuperativo ^[8,9]. A transferência de calor dos POC aquecidos para a membrana é feita por convecção; o mecanismo de transferência de calor através da membrana é a condução e, por fim, o calor é transferido para o ar por convecção, novamente. Um queimador autorregenerativo de queima direta utiliza dois leitos cerâmicos – um para armazenamento de calor e outro para liberação de calor.

Os POC que passam através do leito de armazenamento transferem calor para o meio, enquanto o ar de combustão é aquecido ao passar pelo leito de liberação de calor adjacente. Quando o leito de armazenamento encontra-se completamente aquecido, os fluidos de gás são revertidos e o leito de armazenamento se torna o leito de liberação ^[11]. A Fig. 3 mostra o diagrama de um queimador autorregenerativo em seu modo de liberação de calor.

O desempenho de um queimador pode ser descrito por sua efetividade em transferir calor de um POC para o ar. A Equação [3] define o fator relativo de pré-aquecimento do ar ε (ou seja, a figura de mérito do queimador). Valores de ε podem ser fornecidos pelos fabricantes dos queimadores.

O valor de ε igual a zero significa que não há pré-aquecimento do ar, enquanto o valor de 1 indica que o ar atingiu a mesma temperatura dos POC que entraram no trocador de calor. Os típicos queimadores autorrecuperativos apresentam valores de ε entre 0,5-0,6, enquanto os regeneradores podem adquirir valores de ε superiores a 0,9. Apesar da planilha Extended, no arquivo AirPreheatCalc2, tratar o parâmetro ε como uma variável independente, na verdade o mesmo depende da operação do queimador, mostrando-se ligeiramente menor em velocidades de queima mais altas.

A Fig. 4 mostra a eficiência dos queimadores (isto é, % NAH) em função da temperatura dos POC, para os dois tipos de queimadores e em comparação com o sistema de ar frio e com o máximo teórico pré-aquecimento do ar. As linhas da Fig. 4 foram ampliadas para indicar a variabilidade de ε com a velocidade de queima e outras variáveis do sistema.

Comparação entre Recuperadores e Regeneradores

A Tabela 3 compara, resumidamente, as vantagens e as desvantagens dos dois tipos de trocadores de calor. O que determina o uso de cada trocador de calor são fatores como o tipo de aplicação, os custos do dispositivo, sua instalação e sua manutenção. A Tabela 3, sozinha, não é suficiente para guiar a escolha do tipo de equipamento a ser comprado; para isso, é preciso contatar os vendedores para maiores informações, como a avaliação de desempenho contra custos e tempo de vida útil. Considerando-se que seja feita a escolha mais adequada para o tipo de aplicação e de empresa, os dois produtos vão fornecer resultados benéficos.

Controle Operacional dos Queimadores de Captura-Térmica

O pré-aquecimento do ar faz com que (i) a temperatura de chama se torne mais quente e (ii) diminui a velocidade de escoamento dos POC. A primeira provoca o aumento da concentração de espécies gasosas do tipo NOx, enquanto a segunda diminui a transferência de calor por convecção para a carga. Vamos aprender alguns métodos para resolver estas duas consequências indesejáveis.

O termo NOx se refere à mistura dos gases NO e NO₂, que é composta principalmente por NO. Estes gases participam da formação de smog (mistura de neblina e fumaça) e de ozônio e seus teores de emissão são limitados por regulamentos federais e estaduais, estabelecidos pela EPA (Environmental Protection Agency, nos EUA). Os principais fatores que influenciam as concentrações dos NOx nos produtos de combustão (POC) são temperatura e % de ar em excesso. Os POC mais quentes são formados na chama, que pode ter sua temperatura próxima da adiabática. A Fig. 5 ilustra o efeito dominante da temperatura.

O segundo problema mencionado aparece porque a quantidade de POC diminui com o pré-aquecimento do ar (Tabela 4). Isso reduz a velocidade de fluxo dos POC aquecidos, diminuindo também a taxa de transferência de calor para a carga, e pode dificultar a agitação do gás de cobertura. Como resultado, a qualidade do produto ou a taxa de produção podem ser prejudicadas caso partes da peça em tratamento não atinjam ou não consigam manter a temperatura desejada.

A questão dos NOx pode ser amenizada com a redução da temperatura de chama, seja pelo arrasto do gás de cobertura do forno ou pela criação de duas zonas de combustão, com diferentes razões ar/combustível ^[12]. Nas regiões em que a transferência de calor por convecção domina o processo, o problema do baixo fluxo dos POC pode ser solucionado por meio da alteração para uma alta velocidade de chama (queima pulsada), a fim de substituir a velocidade de queima modular ^[13].

Conclusões

Com o modelo de Excel AirPreheatCalc2 é possível validar que ocorre uma economia de energia de 60% ao se trabalhar com o ar pré-aquecido, em comparação com o ar frio ^[14]. A escolha do queimador a ser usado, se do tipo recuperativo ou regenerativo, depende dos fatores apresentados pela Tabela 3. Os benefícios de se trabalhar com estes queimadores são:

• Tempos de aquecimento mais rápidos (elevadas temperaturas de chama e taxas de transferência de calor, usando queimadores de alta velocidade);
• Maior eficiência (mais calor disponível por unidade de combustível);
• Diminuição da poluição (menores volumes de escapamento, menor quantidade de NOx);
• Economia de custo (menor quantidade de combustível é usada e a produtividade é maior).

O autor agradece a ajuda de Dennis Quinn, da Fives North American, e de Martin Schönfelder, da WS Thermal Process Technology, pela assistência técnica prestada durante a preparação deste artigo.

Para mais informações: Art Morris, cientista chefe, Thermart Software, Estados Unidos. Tel: +1 858-451-5791; email: thermart@att.net; web: www.thermart.net.

[1] Morris, Art, “Improving Energy Efficiency with Thermal Capture Technology,” Industrial Heating, April 2015, p. 35;
[2] Kelly, Brian, “Getting the Most Out of Your Combustion System,” Industrial Heating, June 2012, p. 35;
[3] Morris, Art, “Available Combustion Heat,” Industrial Heating, April 2013, p. 22;
[4] Morris, Art, “Improving Thermal Efficiency in Aluminum Scrap Melting,” Industrial Heating, Feb. 2014, p. 41;
[5] Reed, Richard J., “Heat Recovery,” North American Combustion Handbook, 3rd Edition, Volume I, North American Manufacturing Company, (2001), 69-76;
[6] Wuenning, J. G., “Clean and Efficient Gas Heating of Industrial Furnaces,” Industrial Heating, February 2013, p. 45;
[7] Wuenning, J. G., “Advanced Combustion System for A&P Lines,” Industrial Heating, February 2004, p. 33;
[8] Roberts, Jim, “Advancements in Self-Recuperative Burner Design,” Industrial Heating, April 2010, 2004, page 45;
[9] Mattern, Jake, and John Sultzbaugh, “Cost-Effective Solutions from Direct-Fired Self-Recuperative Burners,” Industrial Heating, April 2006, p. 65;
[10] Kaufman, J. S, and Josh Marino, “Regenerative Burners or Oxy-Fuel Burners for Your Furnace Upgrade,” Industrial Heating, June 2011, p. 41;
[11] Bloom Engineering, “How Regenerative Burners Work,” https://www.bloomeng.com/burner_types/regenerative-burners;
[12] Pisano, Stephen, “Emerging Ultra-Low-NOx Burner Technology for the Heat-Treat Industry,” Industrial Heating, August 2013, p. 61
[13] Curry, Dan, “The Basics of Pulse Firing,” Industrial Heating, October 2011, p. 73;
[14] Roberts, Jim, “Gas-Fired Crucible Melting Improvements Highlight Cooperation Between Suppliers, Energy Providers,” Industrial Heating, April 2015, 2004, page 31.

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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.

Para mais informações: Contate Art Morris, cientista chefe, Thermart Software; tel.: +1 858-451-5791; e-mail: thermart@att.net; web: www.thermart.net.

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A fabricação de alumínio envolve muita energia e cerca de um terço do custo de produção do alumínio a partir de minério está associado com a utilização de energia e com a conformidade ambiental. Ao longo dos últimos 40 anos, a indústria de alumínio primário reduziu a sua intensidade energética global em cerca de 60%. A alternativa à produção de alumínio primário a partir de minério é a recuperação a partir da sucata de alumínio. O lingote de alumínio secundário consome apenas cerca de 6% da energia necessária para produzir o alumínio primário. Além disso, para conseguir uma determinada produção de lingotes de alumínio reciclado é necessário somente cerca de 10% dos custos de capital com equipamento em comparação com as requeridas para a produção de alumínio primário. Qualquer processo que melhore a recuperação de sucata de alumínio está fazendo mudança na energia associada com a produção de alumínio de cerca de uma ordem de magnitude.

Os processadores de alumínio secundário têm enfrentado recentemente uma nova competição com a exportação da sucata de alumínio para a China. Para responder a este desafio, é necessário melhorar o processo de fusão e o sistema de combustão por meio da utilização de técnicas para reduzir a energia necessária para fundir a sucata e maximizar a recuperação do lingote a partir de sucata. Algumas das melhores técnicas práticas envolvem:

• Controle da relação ar/combustível;

• Pré-aquecimento da sucata;

• Pré-aquecimento do ar;

• Agitação do banho;

• Melhoria no isolamento e manutenção do forno;

• Redução nas perdas por oxidação;

• Redução na perda de calor.

O foco deste artigo está em mostrar como medir a economia de energia que pode advir com a adoção destas técnicas. A pasta de trabalho do Excel, para download, AlMeltCalc simula a taxa de produção e a economia de energia obtida pelas mudanças na combustão e na operação do forno. Você pode utilizar esta planilha para simular um forno existente e calcular quanta energia pode ser salva ao se fazer estas mudanças. Os resultados fornecem uma base para o cálculo do ROI (retorno de investimento) para cada alteração.

Processo de Reciclagem

A sucata de alumínio é processada para o retorno ao mercado em uma série de etapas: pré-processamento, fusão, adição de elementos de liga, refino e fundição. Dois tipos gerais de sucata estão disponíveis: sucata pronta de forno e sucata que exige algum pré-processamento. Diversos métodos são utilizados para fundir a sucata de alumínio. A maioria consiste em caixas com revestimentos refratários, as quais evoluíram a partir de projetos de fornos convencionais, utilizando sistemas de combustão com base em gás natural como combustível. Conforme a indústria de reciclagem amadureceu, as tecnologias pré-existentes foram adaptadas para uma melhor utilização da energia de combustão, produção de metais mais limpos e minimização da quantidade de perdas de alumínio por oxidação no forno.

O forno revérbero é o carro-chefe da indústria. No modo de batelada a sucata de alumínio mais leve é colocada na parte inferior do forno e coberta por uma camada de sucatas mais pesadas. É adicionado o fluxante e a fusão e o carregamento continuam até que o forno alcance a sua capacidade. Em seguida é retirada a escória do banho e feito o vazamento. O forno é completamente drenado para eliminar qualquer possibilidade de que a umidade da sucata seja adicionada ao fundido. A desvantagem do processo por batelada é que a presença do fluxante proporciona uma camada mais espessa de escória e acaba retendo mais alumínio metálico.

Uma versão mais versátil deste forno tem um reservatório lateral para o carregamento da sucata (Fig. 1). A sucata e o fluxo são adicionados neste reservatório e empurrados para dentro do banho principal, onde ocorre a maior parte da fusão. A sucata fundida escoa, deixando para trás a escória e o fluxante. Estes fornos produzem um banho mais limpo, com menos escórias e são capazes de operar de forma contínua por longos períodos.

Um forno de fusão com chaminé é outra variante do tradicional forno revérbero de fusão. Os gases da combustão saem do forno passando pela zona de carregamento de sucata, pré-aquecendo assim a sucata. Estes fornos têm eficiência energética muito maior do que os fornos revérberos convencionais.

A limpeza do fundido é um fator de grande importância na comercialização do produto fundido. A maioria das fundições filtra o alumínio líquido, utilizando blocos de cerâmica porosa, antes do vazamento para remover os últimos vestígios de fluxantes e óxidos da escória. O fundido pode ser desgaseificado para remoção do hidrogênio e pode, ainda, ser refinado por um tratamento com cloro.

Energia Necessária para a Fusão do Alumínio

A energia necessária para aquecer e fundir o alumínio precisa levar o alumínio sólido ao seu ponto de fusão de 661°C (1.221°F), fundindo o alumínio e aquecendo o alumínio líquido até a temperatura de vazamento desejada. A Equação 1 fornece o calor necessário para fundir o alumínio que está a temperatura ambiente (25°C; 77°F) até a sua temperatura de fusão (utilizando °F).

Btu/libra = 0,281(T fusão em °F) + 116 [1]

Desta forma, para o metal atingir a temperatura de vazamento de 743°C (1.370°F) são necessários 500 Btu/libra. Ainda assim, muitas fundições utilizam muito mais energia do que essa. Como pode ser isto?

Primeiro, os cálculos negligenciam as perdas de calor, as quais podem chegar a até 250 Btu/libra, que é tanto maior quanto menor o forno. Próximo, os fornos podem operar com uma pressão levemente negativa, causando perdas apreciáveis por vazamento de ar. Este ar necessitará de mais combustível sendo queimado para aquecê-lo até a temperatura de exaustão de 1150°C. E, finalmente, o operador pode aumentar a taxa de combustível para obter uma taxa de fusão mais elevada, aumentando assim as temperaturas dos gases de escape e do banho. Todos estes fatores contribuem para o aumento do consumo de energia específica em até mais de quatro vezes daquele obtido a partir da Equação 1. Neste caso, apenas cerca de 25% do calor de combustão é utilizado para o objetivo pretendido (Fig. 2).

O que pode ser feito para diminuir o consumo da energia específica? Algumas ações já foram mencionadas, mas quão efetivas elas são? Nós podemos calcular isso pela simulação de um forno de fusão de alumínio de forma a relacionar todas as variáveis do processo. Esta simulação está disponível para download da planilha em www.industrialheating.com/AlMeltCalc. Os cálculos estão disponíveis nas unidades SI e AES.

Simulando a Operação de um Forno de Fusão de Alumínio com Reservatório Lateral

Um forno de fusão revérbero com reservatório lateral típico (Fig. 1) consiste de diversos queimadores de chama dentro da câmara. Os reservatórios de carga e da bomba (quando presente) são anexados à parede quente do lado externo do forno. Ambos os reservatórios estão conectados um ao outro e com a câmara do forno por arcos. Isto permite a circulação do metal líquido dentro da câmara do forno.

As especificações para um forno deste tipo com capacidade de 110 toneladas são:

• 54 metros quadrados de área de banho, 780 mm de profundidade do banho;

• Taxa de fusão de 7 toneladas/hora;

• Taxa de queima do gás natural de 870 m3/h; ~1.000 Btu/scf;

• Perda de calor de 4,66×106 Btu/hora;

• Temperatura do gás da chaminé de 1171°C, produto da combustão (POC);

• Temperatura do banho de alumínio de 771°C;

• Ar oxidante frio em 6% de excesso acima do estequiométrico;

• Taxa de vazamento de ar de 420 m3/hora.

A planilha AlMeltCalc prevê que uma operação contínua de fusão de sucata de alumínio, em um caso de operação base, consome 1.970 Btu/libra, a qual é somente 28% da energia do combustível. Vamos ver formas de dobrar esta eficiência ou fazer até melhor.

Métodos para Melhorar a Eficiência Energética

Se você quer melhorar o desempenho do seu forno, você precisa saber como ele se comporta. O seu primeiro passo é medir o consumo de energia, juntamente aos fatores críticos que afetam o consumo de energia. Uma vez que você conheça as características do seu forno, compare-o com as referências de melhores práticas. As medições da temperatura do gás do forno no ponto em que o POC entra na combustão, o gradiente de temperatura no banho, as variações na relação ar-combustível, a pressão do forno e a taxa de fusão em Btu/libra derretida são todos fatores importantes. Você pode usar essas informações para melhorar a eficiência do forno e produzir melhores fundidos e isto não tem que levar 10 anos para se pagar.

O caso de operação base necessita de 1.970 Btu/libras, enquanto o objetivo da referência para fornos grandes com ar frio é de 1.900 Btu/libra para a operação de fusão estacionária. A Fig. 2 mostra que a maior parte do calor do forno é perdida pela chaminé como calor sensível no POC. Vamos olhar primeiro em como controlar a taxa de ar/combustível pode diminuir um pouco esta perda. Há dois princípios principais para o gerenciamento da combustão:

• Fornecer mais oxigênio do que o teoricamente necessário para assegurar que todo o combustível seja queimado;

• Não utilizar oxigênio demais.

O caso da operação base utiliza 6% de ar em excesso no queimador, mas os vazamentos trazem 250 cfm de ar adicionais. Se fosse para o forno operar com 3% de ar em excesso, com perda de metade desse ar, a energia para fusão cairia para 1.860 Btu/libra – uma melhora de 6%. Em um dia típico, com 20 horas de fusão, o forno fundiria 145 toneladas. Portanto, o controle do teor de oxigênio no forno pouparia cerca de 990 metros cúbicos de gás natural por dia. Assim, a primeira recomendação é para controlar a relação ar-combustível do queimador o mais perto da estequiométrica (talvez indo para controladores de fluxo de massa), certificando-se de que o amortecedor de combustão está posicionado em altas taxas de queima para dar uma ligeira pressão interna positiva ou, na melhor das hipóteses, uma pressão neutra. Outro benefício da redução da % de O2 no POC é que se forma menos escória.

Recuperando o Calor do Gás de Combustão

Mesmo com um melhor controle da relação ar-combustível, o gás da chaminé ainda captura mais de 53% do calor de combustão. Uma maneira de capturar uma parte dessa energia é aquecer a sucata com o gás da combustão. Alguns fornos têm essa capacidade embutida, enquanto outros podem exigir adaptações. O gás de combustão passa por dentro de uma chaminé acima do reservatório de carga e aquece a sucata à medida em que ele desce. Uma outra vantagem é a redução de perdas de calor por radiação na superfície do reservatório. O aquecimento da sucata a 427°C ao mesmo tempo em que ocorre o corte da perda de calor em 20% leva o consumo de energia para 1.370 Btu/libra, enquanto ainda funde com a taxa do caso base de 7 toneladas/hora.

Esta técnica pode não ser viável quando se funde sucata mais fina. Como uma alternativa, o gás de combustão pode ser utilizado para aquecer o ar da combustão. Uma forma é instalar um recuperador na chaminé, o que poderia levar o ar do queimador a 600°C (Fig. 3). Temperaturas ainda mais elevadas são possíveis utilizando queimadores com um recuperador interno. Utilizando o ar a 593°C, o consumo de energia cai para 1.300 Btu/libra, um decréscimo de 34% na energia consumida. Outra opção é utilizar queimadores regenerativos, que armazenam o gás de combustão em uma matriz cerâmica e, posteriormente, o solta para o ar que entra. Isto requer queimadores que operem em pares, um extrai o calor do gás de combustão, enquanto o outro faz o aquecimento do ar (Fig. 4). Esta técnica pode pré-aquecer o ar em temperaturas que se aproximam de 1.093°C. Para o ar do queimador a 1.038°C, a energia de fusão é, então, de apenas 1.006 Btu/libra. Quando adicionado a uma melhor relação ar-combustível e controle da pressão do forno, o consumo de energia é reduzido para a metade, com uma diminuição semelhante na produção de CO2 e NOX.

Conclusão

Os avanços nos projetos de queimadores combinados com boas práticas de operação e manutenção podem conduzir a uma redução de custos substancial, aumento de produtividade e menos perda de material. Como em qualquer processo, nenhum sistema ou combinação irá atuar como uma varinha mágica para obter os resultados mais satisfatórios. A pasta de trabalho disponível em www.industrialheating.com/AlMeltCalc lhe permite explorar vários caminhos para a economia de energia te ajudando a fazer boas escolhas para atender aos seus objetivos.

 Para mais informações, contate: Art Morris, cientista chefe, Thermart Software, tel.: 858-451-5791; e-mail: thermart@att.net; web: www.thermart.net

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1. Gershtein, V. Y.; Baukal, C. E.; Hewertson, R. J.; “Oxygen-Enrichment of Side Well Aluminum Furnaces,” Industrial Heating, May 2000, p.41

2. Curry, Dan, “The Basics of Pulse Firing,” Industrial Heating, October 2011, p. 73

3. Kaufman, Jared S.; Marino, Josh; “Regenerative Burners or Oxy-Fuel Burners for Your Furnace Upgrade,” Industrial Heating, June 2011, p. 41

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A Equação 1 mostra a reação de combustão do metano com menos ar do que o estequiométrico. O valor de X deve ser suficiente para que o calor da reação seja o bastante para manter a temperatura da câmara entre 1.000 e 1.400°C. A evolução do calor produzido para este fim representa o nome de “exotérmico” aplicado a esta classe de atmosferas [1,2].

A composição da mistura do gás de combustão pode ser calculada pelo balanço de material mais a constante de equilíbrio da Equação 2, a reação de deslocamento gás-água (WGS – water – gas shift):

Geração da Atmosfera Exotérmica

Um gerador de gás exotérmico queima o gás natural (GN) na presença de um catalisador para um estado de quase equilíbrio, consumindo, desse modo, todo o oxigênio e praticamente todo o CH4. O gás quente é temperado por resfriamento para remover a maior parte do vapor de água. A Fig. 1 ilustra o fluxograma. As atmosferas exotérmicas são classificadas como “pobres” quando produzidas em proporções de ar/GN entre cerca de 85% e 95% da estequiométrica, e “ricas” quando a proporção de ar/GN é entre cerca de 50% e 85% da estequiométrica.

Procedimento de Cálculo

O exemplo aqui é para uma atmosfera rica que está queimando metano com 57% de ar estequiométrico (ar/CH4 com razão molar de 5,43) a 1.120°C. O exogás é preparado pela condensação de água do gás quente a 20°C, e então utilizado para recozer um aço a 1.050°C. Aqui se está como calcular a composição da atmosfera do forno e a sua tendência a oxidar o aço.

Primeiro, utilize a base de dados FREED [3] para obter as equações de calor contido, ponto de orvalho, log Kequil e ?H0form das substâncias a 25°C. Este procedimento é o mesmo utilizado nas colunas anteriores “Conceitos de Combustão” [4,5].

Depois, escreva um balanço de material e estabeleça uma relação de equilíbrio. Há quatro incógnitas (M, D, Y e X), então, precisamos de quatro equações. A Equação 1 mostra a estequiometria: M + D = 1, W + Y = 2 e M + 2D + W = 2X = 0,21(5,43) = 1,14. A Equação 2 equilibra as quatro espécies de gás de acordo com o valor de Kequil para o WGS.

A planilha de trabalho ExoCalc, mostra como resolver estas quatro equações para encontrar a composição do gás aquecido a 1.120°C. Resfriando o gás a 20°C (pH2O = 0,0226 atm) são removidos 0,825 moles de água, reduzindo o valor de W para 0,146. O aquecimento do exogás no forno de tratamento térmico reequilibra o gás pelo WGS. A Tabela 1 mostra as composições do gás e do exogás no forno.

A Equação 3 expressa o potencial de oxidação do exogás (pressão parcial de oxigênio ou pO2). A Equação 4 mostra a tendência à oxidação pela pO2 de equilíbrio ferro/wustita. A Tabela 2 indica a situação de oxidação para o gás quente do queimador e as condições do exogás.

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[1] ASM Committee on Furnace Atmospheres, Furnace Atmospheres and Carbon Control, Metals Park, Ohio [1964].

[2] Neme´nyi, Rezso, Controlled Atmospheres for Heat Treatment, edited by G.H.J. Bennett; [translated from the Hungarian by B. Gebora], Pergamon Press, [1984].

[3] www.thermart.net.

[4] Arthur Morris, “Calculating the Heat of Combustion of Natural Gas,” Industrial Heating, September 2012.

[5] Arthur Morris, “Making a Heat Balance,” Industrial Heating, December 2012.

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Desenvolvendo o Modelo de Balanço do Sistema

Um balanço do sistema para este modelo necessita que sejam solucionados dois sistemas de equações – um para o balanço do material e um para o balanço térmico. O sistema de equações para o sistema do material contém 13 variáveis de fluxo diferentes mais 5 variáveis da composição do gás natural (GN). O sistema de equações geral para o processo de balanço térmico contém 2 valores para a perda de calor e outras 7 equações de balanço térmico que se conectam com as propriedades externas. Para este exemplo, os dados da planta para o caso base do fluxo de GN atual foram de 32 m3/min (à CNTP é de 29,32 m3/min). Todas as propriedades do fluxo do oxidante foram definidas, exceto o fluxo, o qual foi calculado pelas relações de balanço escrita como uma célula da fórmula. Células adicionais da fórmula calculam as propriedades de fluxo de todos os outros gases.

Utilizando o Modelo de Balanço do Sistema

Quando uma variável do processo é modificada, a parte do processo térmico do balanço do sistema não fecha. Ao se fazer o balanço do sistema é necessário modificar uma das variáveis do balanço do material até que o balanço térmico feche. Isto pode ser feito por tentativa e erro, mas é melhor utilizar a ferramenta Atingir Meta do Excel [3].

Suponha que o gás de combustão está enriquecido em 25% de O2 e que nós queremos encontrar o fluxo de GN necessário. Aplicamos a ferramenta Atingir Meta para procurar um fluxo de GN que conduza o processo térmico total a zero. O resultado é um fluxo de GN de 29,4 m3/min, o qual é 8% menor do que sem o enriquecimento em carbono. O fluxo de ar de combustão diminui em 23%, enquanto o fluxo de gás da chaminé diminui em 21%. Isto fecha o balanço do sistema, mas não o balanço térmico do queimador porque a temperatura do gás quente não é de 1800°C. Novamente utilizamos a ferramenta Atingir Meta para procurar pela temperatura de combustão do gás quente (fluxo #3 no fluxograma), a qual conduzirá o calor efetivo do queimador para zero. O resultado é 2039°C, ou cerca de 240°C mais alto do que para o caso base. O balanço do sistema revisado agora está pronto. Claramente, o enriquecimento em oxigênio diminui de forma significativa o consumo de combustível e o fluxo de gás da chaminé.

Visite www.industrialheating.com/SysBalCalc e explore as possibilidades.

Referências

1. Art Morris, “Making a Material Balance”, Industrial Heating, Nov. 2012
2. Art Morris, “Making a Heat Balance”, Industrial Heating, Dez. de 2012
3. Colaboradores do Wikipedia, “Goal seeking”, Wikipedia, the Free Encyclopedia, Novembro 2012. http://en.wikipedia.org/wiki/Goalseeking

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Há ao menos duas formas de se descrever o desempenho térmico de um forno. Utilizando a porcentagem de calor disponível [1], que indica a eficiência térmica, ou a temperatura de chama adiabática [2], que indica a intensidade de transferência de calor. Ambos os fatores podem ser utilizados para indicar a produtividade do forno.Os cálculos para o balanço do sistema com pré-aquecimento do ar são mais complexos do que para o enriquecimento por oxigênio devido à presença de um fluxo de reciclagem e da adição de um recuperador de calor. A ferramenta Atingir Meta do Excel (Excel´s Goal Seek) não é capaz de resolver o conjunto de equações para este exemplo. Em vez disso, vamos precisar utilizar a ferramenta Solver do Excel.

O calor de combustão inicialmente se mostra como um calor sensível aos produtos da combustão. A temperatura de chama adiabática (TCA) é a mais alta temperatura atingida pela chama antes que qualquer calor apreciável tenha sido transferido para a carga. O calor é transferido do gás de combustão para a carga principalmente por radiação, a qual é proporcional à quarta potência da temperatura [3].

Claramente, quanto mais alta a TCA, mais efetiva a chama será na transferência de calor para o conteúdo do forno. A TCA calculada nunca é atingida na prática, mas tem uma aproximação muito boa quando a combustão é rápida e a chama não colide diretamente no conteúdo ou paredes do forno. A TCA é utilizada principalmente para comparar mudanças na intensidade térmica para diferentes parâmetros de combustão (ou seja, tipo de combustível, % de ar em excesso, enriquecimento em oxigênio etc). Aqui, mostraremos como calcular a TCA para o metano (CH4) queimado com 40% de ar em excesso.

Procedimentos de Cálculo

A Fig. 1 mostra os três passos para calcular uma TCA. Por favor, faça o download da planilha AFT-Calc.xlsx, a qual tem detalhes deste exemplo e lida com diversos combustíveis e variáveis porcentagens de ar em excesso. O efeito do calor nos passos 1 e 2 são facilmente calculáveis utilizando-se as técnicas apresentadas nas colunas anteriores [4,5]. Entretanto, é necessário um procedimento diferente para o efeito do calor no passo 3. Para ilustrar, mostraremos o cálculo da TCA quando o ar entra a 38°C e o metano entra a 20°C.

A Tabela 1 mostra os dados relevantes de entalpia obtidos do FREED [6]. A Tabela 2 mostra a quantidade de reagentes e produtos [1]. Quando os reagentes entram com temperatura entre 0 e 100°C, podemos utilizar o Cp em vez das equações quadráticas de entalpia. Para o ar normal, Cp = 29,16 J/g.mol.°C, e para o CH4, o Cp = 36,0 J/g.mol.°C.

As Equações 1a e 1b mostram o efeito do calor no passo 1, e a Equação 2 é o DeltaH0comb para o metano (passo 2). A soma algébrica destes dois termos deve ser igual ao valor do passo 3 (+807.200 J), que é o HTCA – H25 do gás de combustão.

A equação de calor contido para cada espécie da Tabela 1 foi multiplicada pela quantidade de espécies (Tabela 2). A Equação 3 mostra a soma dos termos combinados a partir do zero. A fórmula quadrática [7] foi utilizada para calcular a TCA.

A planilha www.industrialheating.com/AFT-Calc.xlsx faz todos estes cálculos aritméticos e mais, e você pode customizá-la para a sua própria situação.

Equilíbrio da TCA Teórica x Real

A TCA calculada na Equação 3 é chamada de TCA teórica porque assume que os produtos da combustão são inteiramente CO2 e H2O. Acima de 1650°C, entretanto, há uma perda significativa na proporcionalidade deste equilíbrio de CO2 e H2O para outros gases, além da formação de NO (g). A planilha mostra a diferença entre a TCA teórica e a real. Este será assunto de um artigo posterior.

Referências

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[1] Arthur Morris, “Available Combustion Heat,” Industrial Heating, May 2013.

[2] Wikipedia contributors, “Adiabatic flame temperature,” Wikipedia, the Free Encyclopedia, March 2013 http://en.wikipedia.org/wiki/Adiabatic_flame_temperature.

[3] Wikipedia contributors, “Thermal radiation,” Wikipedia, the Free Encyclopedia, March 2013. http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_radiation.

[4] Arthur Morris, “Calculating the Heat of Combustion of Natural Gas,” Industrial Heating, September 2012.

[5] Arthur Morris, “Making a Heat Balance,” Industrial Heating, December 2012.

[6] www.thermart.net.

[7] Wikipedia contributors, “Quadratic equation,” Wikipedia, the Free Encyclopedia, March 2013. http://en.wikipedia.org/wiki/Quadratic_equation.

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Os cálculos para o balanço do sistema com pré-aquecimento do ar são mais complexos do que para o enriquecimento por oxigênio devido à presença de um fluxo de reciclagem e da adição de um recuperador de calor. A ferramenta Atingir Meta do Excel (Excel´s Goal Seek) não é capaz de resolver o conjunto de equações para este exemplo. Em vez disso, vamos precisar utilizar a ferramenta Solver do Excel.

Estratégia de Cálculo

A primeira tarefa é a de calcular a perda de calor do trocador de calor para o caso-base, que assumimos ser diretamente proporcional à temperatura do gás da chaminé resfriado. Fazemos isso por meio do cálculo do efeito do calor na queda de temperatura do processo 4 (no fluxograma) de 800°C para 700°C. A Tabela 1 da planilha AirPreHeat está para download em www.industrialheating.com/SysBalCalc2 e tem os detalhes deste cálculo. O efeito de calor é de -60.156 kJ/min, o que significa que a perda de calor deve ser de 60.156 kJ/min para fechar o equilíbrio térmico.

O operador pode elevar a temperatura do ar de combustão (Processo 1”, no fluxograma), aumentando o fluxo do Processo 1 a partir do zero (caso base) ao mesmo tempo que diminui o fluxo do Processo 1’. Ele também deve diminuir a taxa de fluxo do GN (Processo 2) e o fluxo de ar quente da combustão (Processo 1”) para manter uma condição estequiométrica de 118%. A perda de calor no trocador de calor diminuirá ao mesmo tempo em que a temperatura do gás quente de combustão (Processo 3) aumentará. Somente três dessas variáveis dependentes precisam ser resolvidas, porque as outras estão relacionadas por fórmulas simples entre as células. O usuário introduz uma temperatura de ar de combustão > de 25°C e utiliza o modelo da planilha de cálculo para encontrar: a taxa de fluxo de GN, a temperatura do gás quente no queimador e a temperatura do gás resfriado da chaminé. Todas as outras variáveis do processo serão ajustadas com base nas fórmulas das células.

A ferramenta Solver do Excel pode resolver vários conjuntos de equações não-lineares, por isso é perfeito para este exemplo. Se você nunca tiver utilizado o Solver antes, verifique se ele está instalado e consulte o seu guia do Excel para orientação de como utilizá-lo. Temos três conjuntos de equações de balanço de calor para resolver: sistema global, queimador e trocador de calor. O cenário do Solver é salvo na planilha AirPreHeat. Basta alterar a temperatura do ar pré-aquecimento para um valor > de 25°C, abrir o Solver e clicar no botão Solve. Este processo pode ser automatizado para a conveniência do operador.

Resultados

A Tabela 1 mostra os resultados dos cálculos efetuados para o caso-base e outras quatro temperaturas de pré-aquecimento do ar. Para o ar pré-aquecido a 300°C, o fluxo de GN diminuiu 27% em relação ao caso-base. A taxa de fluxo de ar real aumenta porque ele entra mais quente, mas o fluxo de ar a CNTP diminui conforme o esperado. Podemos agora comparar as economias de energia obtidas a partir de pré-aquecimento do ar contra o enriquecimento com oxigênio. Por exemplo, diminuindo 14% o fluxo GN é necessário uma temperatura de pré-aquecimento de ar de 150°C, ou ar enriquecido com 30% de O2.

Refêrencias

[1] Arthur Morris, “Making a System Balance, part 1”, Industrial Heating February 2013
[2] http://googl/tDat3
[3] http://googl/LeyzE
[4] http://googl/T3ZQp

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