Melhorando a eficiência térmica na fusão de sucata de alumínio

Melhorando a eficiência térmica na fusão de sucata de alumínio

No clima empresarial de hoje, as empresas que operam os sistemas de processamento térmico na área de reciclagem devem se concentrar no aumento da produtividade, no aumento da qualidade do produto e na redução do impacto ambiental. A reciclagem da sucata de alumínio envolve a combustão como fonte de calor principal, assim, enfrentar esses desafios com o menor custo depende em grande parte da qualidade e integridade do sistema de combustão e da sua interação com a sucata

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

Referências


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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
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

2 Comentários

  1. Fernando Cörner disse:

    Senhores,
    No texto a unidade “BTU/polegada” não está correta. Provavelmente será BTU/libra.
    At.,
    Eng. Fernando Cörner da Costa.
    PhD em Processos Térmicos Industriais
    KRONA – Consultoria e Projetos Ltda.
    Mobile: +55 11 99171-1519
    Office: +55 11 3177-6577

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