A câmera foi projetada para detectar gases industriais, como metano, dióxido de enxofre e óxido nitroso, para melhorar as inspeções e reduzir a chance de falsas leituras. Apresentando um modo de alta sensibilidade (HSM) patenteado pela Flir, a tecnologia permite melhores recursos de detecção, acentuando o movimento para tornar as plumas de gás mais visíveis para o usuário. Também calibrada radiometricamente, mede a temperatura, tornando-a uma solução para monitorar os níveis do tanque e inspecionar os componentes que podem vir a superaquecer.

Projetada para combinar seus recursos de detecção de gás líder de mercado com uma plataforma de câmera de montagem fixa não refrigerada a quase metade do preço da plataforma de montagem fixa e refrigerada da FLIR Systems.

A GigE Vision e a GF77a compativeis com GeniCam incluem conectividade Wi-Fi, permitindo que as empresas controlem e transmitam dados térmicos radiométricos remotamente. Também é compatível com ONVIF e inclui acessórios ambientais para permitir que os clientes adaptem a câmera às suas necessidades diárias. A FLIR GF77a está disponível hoje para compra global em distribuidores autorizados da FLIR por menos da metade do preço, quando comparado às soluções existentes da FLIR Systems.

O metano, o segundo principal gás de efeito estufa relacionado com as atividades humanas, depois do dióxido de carbono (CO2), contribui com 20% do aquecimento atual. Pesquisa da Earth System Science Data realizada por 80 cientistas de 15 países mostra que 21% das emissões de metano se devem à exploração de carvão, petróleo e gás, dado que, desde sua extração até suas redes de distribuição, os vazamentos de metano são muito frequentes.

Detectar o vazamento de gases invisíveis a olho nu pode ser tarefa difícil para indústrias e a vedação indevida pode ocasionar danos graves não só para o aquecimento global mas também para a estrutura da indústria. Para auxiliar na detecção, a tecnologia das câmeras termográficas são aliadas ao tornarem visíveis o vazamento de gases industriais.
Através do calor e imagens infravermelho, câmeras termográficas capacidade de monitorar continuamente os vazamentos invisíveis e potencialmente perigosos de metano nas usinas de gás natural, energia renovável instalações de produção, plantas industriais e outros locais ao longo de uma cadeia de suprimento de gás natural.

Sobre a FLIR Systems, Inc.
Fundada em 1978, a FLIR Systems é uma empresa líder mundial em tecnologia industrial, focada em soluções de sensoriamento inteligente para aplicações de defesa, industriais e comerciais. A visão da FLIR Systems é ser “O sexto sentido do mundo, criando tecnologias para ajudar os profissionais a tomarem decisões mais informadas que salvam vidas e meios de subsistência”.

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1° Congresso Conformação Metálica reune segmento da metalurgia

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Este gás é produzido como subproduto no processo da transformação do carvão mineral em coque siderúrgico, processado em retortas, cujo objetivo é a retirada das frações voláteis do carvão de forma a obter o coque. Assim, com elevado teor de carbono, o coque será usado como elemento redutor do minério de ferro nos altos fornos. Este gás tem um poder calorífico inferior na faixa de 18.000 kJ/m³ ou 4.300 kcal/m³. Sua composição volumétrica média é [1] [4]:

•  Hidrogênio 52,0 – 63,0%
•  Metano 24,0 – 29,0%
•  Monóxido de carbono 6,0 – 7,8 %
• Hidrocarbonetos 2,2 – 3,8%
•  Dióxido de carbono 1,3 – 5,6%
• Oxigênio 0,1 – 0,5%
•  Nitrogênio 2,0 – 4,5%
•  Gás sulfídrico ~ 0,09%

“Suas principais aplicações são aquecimento de fornos de reaquecimento para laminação, panelas e “tundish” na própria siderúrgica, além da geração própria de energia elétrica.”

Apesar de ser um gás de poder calorífico médio, como o antigo gás de rua ou gás manufaturado reformado distribuído pela Comgás e pela CEG, o uso do gás de coqueria está geograficamente limitado à própria planta siderúrgica e sua vizinhança. Suas principais aplicações são aquecimento de fornos de reaquecimento para laminação, panelas e “tundish” na própria siderúrgica, além da geração própria de energia elétrica.

O gás de coqueria também costuma ser misturado aos outros gases siderúrgicos de poderes caloríficos inferiores de forma a enriquecê-los, possibilitando sua aplicação em processos que não aceitem um gás muito pobre.
Já o gás de alto forno (“blast furnace gas” ou “BFG” em inglês) é o gás siderúrgico que apresenta o poder calorífico inferior mais baixo, da ordem de 3.300 kJ/m³ ou 800 kcal/m³. Sua composição típica varia significativamente nas seguintes faixas [1] [3] [4]:

•  Monóxido de carbono 21 – 33%
• Hidrogênio 1,5 – 3,5%
• Nitrogênio 50 – 60%
•  Dióxido de carbono 8 – 23%
•  Gás sulfídrico ~ 2,7%

Como visto na sua composição, é um gás que possui um elevado teor de gases inertes, de 58 a 75%, o que justifica seu baixo poder calorífico. Além disso, o teor de monóxido de carbono é elevado o que o torna muito perigoso em caso de vazamento. Seu excedente deve, portanto, ser sempre queimado no “flare”.

A aplicação principal deste gás é a queima em “cowpers” e “glendons”, preaquecendo o ar de sopro do próprio alto forno. Os artifícios aplicados para se usar um gás de poder calorífico tão baixo são:

•  Misturar o gás de alto forno com gases de poderes caloríficos mais elevados como gás de coqueria, gás natural, GLP ou até mesmo biometano se disponível.
•  Enriquecer o ar de combustão com oxigênio (23 a 30%) ou até mesmo queimar o gás com elevado teor de oxigênio (acima de 92%), em um processo conhecido como oxi-queima.

E o último gás combustível siderúrgico a ser descrito é o gás de aciaria, também chamado de gás de conversor, BOFG (“bottom oxygen furnace gas”) ou “LD gas” (“Linz-Donawitz gas”). Seu poder calorífico inferior está por volta de 8.000 kJ/Nm³ ou 1.900 kcal/Nm³ [2]. Sua composição volumétrica média é [3] [4]:

•  Monóxido de carbono 55 – 60%
•  Gás carbônico: 12 – 18%
•  Nitrogênio: 15 – 21%
•  Hidrogênio: 0 – 3%
•  Oxigênio: 0,1 – 0,3%

Concluindo, fica clara a importância desses gases combustíveis no âmbito siderúrgico por suas múltiplas aplicações, muito embora sua distribuição por gasoduto fora das vizinhas da planta seja pouco viável economicamente, embora seu excedente seja queimado em “flares”.

Suas variações de composição e de poderes caloríficos, típicas desses gases, dependendo do processo, podem exigir misturas entre eles ou com gases externos como GN ou GLP, e equipamentos de análise contínua como calorímetros e Wobbímetros.

Referências

[1] Costa, F.C., Handbook of Combustion, volume 3, chapter 9, Fuel Gas Application in Industry, edited by Lackner, Winter and Agarwal, WILEY-VCH, Germany, 2010.
[2] Fonseca, M., Steelmaking Process Gases Utilization, ILVA – Roma 25.10.2017.
[3] Hou, Chen et alli, Firing blast furnace gas without support fuel in steel mill boilers, Energy Conversion and Management, Elsevier, 2011
[4] Turetta, L; Costa, E,; Costa, A., Estudo da influência do excesso de ar na composição de saída de fornalha siderúrgica real empregando conceitos termodinâmicos e modelagem matemática, Engevista, v.19, n.1, p. 109-121, UFF, 2017.

Nome do autor: Fernando Cörner da Costa

Doutor em Energia pela USP, Mestreem Engenharia de ProcessosQuímicos e Bioquímicos pela Mauá,Eng. de Segurança pela UERJe Eng. Mecânico pela PUC-RJ,consultor sênior da ULTRAGAZ.

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O procedimento para se otimizar a regulagem dos queimadores não é nada complexo. Primeiramente é necessário definir o objetivo da regulagem: priorizar a economia de combustível, minimizar as emissões ou gerar uma atmosfera específica (neutra, redutora ou oxidante) exigida pelo processo térmico. Cabe afirmar que nem sempre é possível atender à condição desejada com uma simples regulagem, pois atingir o objetivo também depende do projeto do queimador e do seu estado de conservação.

Para a regulagem de queimadores é necessário dispor de analisadores de produtos da combustão, existindo uma ampla gama disponível no mercado. Os mais comuns são os analisadores portáteis de células eletroquímicas que indicam os teores em base seca de oxigênio (%), dióxido de carbono (%), monóxido de carbono (% ou ppm) e óxidos de nitrogênio (ppm).

“Muitos analisadores informam a eficiência de combustão, cujas sondas dispõem ainda de sensores de temperatura.”

Os analisadores vêm acompanhados de sondas para coleta e condicionamento das amostras quando estão sendo analisados produtos da combustão razoavelmente limpos e temperaturas não muito elevadas. Casos especiais, como produtos da combustão com temperaturas elevadas, geralmente acima de 800°C, e elevados teores de materiais particulados exigem sistemas especiais de condicionamento da amostra para não danificar o analisador. Muitos analisadores informam a eficiência de combustão, cujas sondas dispõem ainda de sensores de temperatura.

Muitas vezes, a maior dificuldade é o posicionamento da sonda no ponto adequado à obtenção de uma amostra significativa dos produtos da combustão. O ponto ideal para a tomada da amostra dos gases, nem sempre acessível, seria após o final da chama em zona de pressão positiva de forma a evitar sua diluição com a infiltração de ar do ambiente externo que não participou da combustão. Já o ponto da tomada de temperatura para o cálculo da eficiência seria no plano transversal ao fluxo

de produtos da combustão, a partir do qual os gases não mais trocariam calor com o processo térmico.
Assim seria possível obter o que poderia se definir com “eficiência de combustão”, ou seja, a parcela do calor fornecido pelo combustível que seria absorvido pelo equipamento térmico. Note-se que devido às perdas térmicas do equipamento, apenas parte desse calor seria incorporado pelo produto.

Existem ainda analisadores que indicam a presença de partículas de carbono não queimado, onde o mais comum é o “smoke tester” conhecido como “bomba de fumaça”. O deslocamento de determinado volume dos produtos da combustão por êmbolo através de papel de filtro deixa uma impressão circular, cuja concentração pode ser estimada por comparação da sua cor com uma escala padrão (índice Bacharach), desde branca, passando por matizes de cinza progressivos até atingir a cor negra na intensidade mais elevada. Este analisador de fumaça deve ser usado principalmente quando se trata de combustíveis líquidos e sólidos, complementando a análise dos produtos da combustão.
Também é possível a utilização de processos analíticos de laboratório, mais utilizados quando a finalidade é a emissão de laudos para os órgãos ambientais. Porém os analisadores

portáteis apresentam maior versatilidade para uma imediata regulagem de queimadores.

Em linhas gerais, para se obter uma boa regulagem de queimadores é necessário: reduzir ao máximo o excesso de ar de combustão, desde que se mantenha os teores de frações não queimadas (monóxido de carbono – CO, hidrocarbonetos – HC e fuligem – C) dentro dos limites aceitáveis. Este excesso de ar se refere ao ar excedente que ultrapassa a necessidade de ar teórico para a queima do combustível, conhecido como ar estequiométrico.

As economias que podem ser obtidas com a regulagem de queimadores tornam-se mais significativas na medida em que a temperatura dos produtos da combustão, no ponto “P” onde deixem de trocar calor com o processo, seja mais elevada. Processos de baixa temperatura como caldeiras de vapor saturado e aquecedores de água apresentam um potencial muito mais baixo do que fornos de fusão e de tratamento térmico que não tenham recuperação de calor.

A Tabela 1 mostra os valores teóricos que podem ser obtidos, considerando-se apenas a redução do excesso de ar de combustão, desde que as perdas com as emissões de CO, HC e C se mantenham nos limites aceitáveis para cada combustível.

Os valores indicados na Tabela 1 servem apenas como exercício de referência, pois na prática existem outros fatores que influenciam nos resultados como a tecnologia do queimador, fator de carga e manutenção do sistema de queima.

Mas a conclusão, sem sombra de dúvida, indica a necessidade de se manter um programa contínuo de monitoramento da regulagem de queimadores de forma a minimizar o consumo de combustíveis e suas emissões para o meio ambiente, além dos ganhos em competitividade, notadamente em processos de média e alta temperatura.

Nome do Autor: Fernando Cörner da Costa

Doutor em Energia pela USP, Mestre em Engenharia de Processos Químicos e Bioquímicos pela Mauá, Eng. de Segurança pela UERJ e Eng. Mecânico pela PUC-RJ, consultor sênior da ULTRAGAZ.

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O Flare mede 12 metros de altura, tem diâmetro de ponteira de 14 polegadas e conta com 02 queimadores piloto que podem ser ignitados por alta energia (HEI – high energy ignition) e por gerador de frente de chama (FFG – front flame generator). Os pilotos são monitorados por sistema Flame Rod (detecção por ionização) e termopar mantendo a chama acesa mesmo em condições de chuvas e vendavais, onde simulamos ao vivo essas condições. A queima estequiométrica é garantida através do sistema de assistência a ar, garantindo a perfeita mistura de gás e ar com sistema smokeless (sem fumaça).

O Queimador ASVOTEC de grande porte modelo RS-630 (capacidade 6,3 milhões Kcal/h) é dedicado à queima de gases e óleos pesados, comumente para aplicações em geradores de gases quentes, fornalhas, fornos petroquímicos, fornos de aquecimento, aquecedores, entre outros. Este tipo de queimador é tipicamente utilizado em geradores de gases quentes para secagem de produtos como: fertilizantes, pós, grãos, entre outros.

A inauguração

O evento contou com a presença de empresas dos segmentos de óleo e gás, químico, petroquímico, imprensa, autoridades locais, consultores, bem como cientistas e acadêmicos de renomadas instituições.

Com um público de 40 pessoas, a ASVOTEC promoveu palestras técnicas sobre sistemas de combustão, além de apresentar as demais linhas de produtos da empresa, válvulas especiais, acoplamentos de tubulações, abraçadeiras de reparo e equipamentos sob encomenda.

A programação ainda incluiu visita à fábrica, onde o time comercial e técnico explanou a todos os presentes, os principais setores de toda cadeia produtiva, desde recebimento até a expedição dos equipamentos de todas as unidades de negócios, sendo: caldeiraria que compreende equipamentos sob encomenda (vasos de pressão, trocadores de calor, reatores de processo, colunas de destilação, condensadores, etc.), válvulas de grande porte (borboleta, gaveta, veneziana, dupla alavanca, ocular, etc.), combustão (flares ou tochas, fornos, incineradores, recuperadores de calor, queimadores, etc.) e acoplamentos especiais (para união e reparo de tubulações).

Por fim, os participantes tiveram a oportunidade de acessar a sala de controle do Flare, equipado com CLP que realiza todo o supervisório do sistema, bem como de participaram de um encontro de negócios ao longo do dia.

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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.

[our_team image=”” title=”Referências” subtitle=”” email=”” phone=”” facebook=”” twitter=”” linkedin=”” vcard=”” blockquote=”” style=”vertical” link=”” target=”” animate=””][/our_team]

[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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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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