Melhorando a eficiência energética com queimadores recuperativos e regenerativos

Melhorando a eficiência energética com queimadores recuperativos e regenerativos

Forno equipado com queimador experimental, atualmente em desenvolvimento

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.

formula1e2

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 abaixar). 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.

formula3

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.

 

Art Morris
Art Morris
Professor Emérito em Engenharia Metalúrgica no Departamento de Engenharia Metalúrgica da Universidade do Missouri, EUA, onde lecionou por 30 anos. Atualmente, Dr. Morris é cientista chefe da empresa Thermat Software, de San Diego, na Califórnia, EUA. Contribui regularmente com artigos sobre Sistemas de Combustão na revista Industrial Heating

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *