Tecnologias emergentes de queimadores com ultrabaixo NOx para a indústria de tratamento térmico

Tecnologias emergentes de queimadores com ultrabaixo NOx para a indústria de tratamento térmico

O clima atual dos negócios que os produtores do mercado de tratamento térmico estão enfrentando nos EUA colocou uma enorme pressão sobre os fabricantes de equipamentos

Os clientes exigem produtos de maior qualidade a preços mais competitivos. A gestão requer melhoria contínua na produtividade, na qualidade e nos custos como um todo. Durante todo o tempo, o governo continua a exigir reduções nas emissões de NOx, com a possibilidade cada vez mais iminente de regulação também para as fábricas da “pegada de carbono”. Essas demandas deixam os produtores continuamente à procura de produtos mais eficazes que proporcionem melhorias para seus processos para atender a esses enormes desafios.

O setor de tratamento térmico é, particularmente, afetado por essas demandas. A exploração de um produto que atenda o maior número possível destes objetivos, com uma quantidade aceitável de investimento de capital, pode ser extremamente desafiador a e, muitas vezes, frustrante.

Há quase 80 anos no mercado global de metais, a Bloom Engineering tem uma compreensão destas necessidades da indústria. Este know-how industrial resultou de uma descoberta recente em tecnologia de um queimador com ultrabaixo NOx – o queimador Bloom SC1500-series (Fig. 1). Ao longo dos anos, a experiência da empresa levou a avanços contínuos em queimadores com ultrabaixo NOx. Na empresa com 1.000 metros quadrados de área de desenvolvimento, com sua sede corporativa nos EUA em Pittsburgh, PA (Fig. 2), são realizados testes de produtos, aprimoramento e desenvolvimento contínuo.

O queimador da série SC1500 utiliza um projeto de ultrabaixo NOx que aborda as crescentes regulamentações governamentais americanas sobre as emissões dos fornos e a demanda de uma melhor uniformidade de aquecimento para produtos de alta qualidade. As emissões de NOx deste queimador são inferiores a 20 ppm. Esta nova tecnologia também proporciona padrões de liberação de calor do queimador extremamente uniformes, que são capazes de alcançar os requisitos de homogeneidade de +/-5ºC ao longo do forno.

Este tipo de desempenho excede muitas das mais rigorosas especificações de uniformidade atuais, que muitas vezes são necessárias nos segmentos aeroespacial, médico, de óleo e gás e outros processos de produtos de alta qualidade. O queimador também é projetado para operar em proporções ar-combustível perto da estequiométrica, garantindo assim um consumo muito eficiente de combustível.

Evolução da Tecnologia

O queimador SC1500 é um projeto que utiliza a tecnologia de multiestágios desenvolvida a partir da incorporação da tecnologia de queimador de alta velocidade, Uni-Heat ®, com descobertas de laboratório para reduzir as emissões. O novo projeto foi desenvolvido por intermédio de significativos experimentos em laboratório combinados com modelagem CFD (Modelagem Computacional em Dinâmica de Fluidos) e respectivas análises para agilizar o processo de desenvolvimento (Fig. 3). Uma grande variedade de tecnologias para melhorar as emissões foi modelada e testada em várias combinações para alcançar o projeto final, o qual tem como objetivo melhorar significativamente as emissões e manter as características desejadas para fornecer um ótimo desempenho da combustão no tratamento térmico.

O projeto SC1500 inclui uma boa mistura e um padrão de combustão de alta velocidade. Ele minimiza o NOx, utilizando as mais recentes técnicas de estágios do ar associadas com a tecnologia de bocal de combustível de alto momento. O resultado é patenteado [1] como um queimador de emissão ultrabaixa de NOx com um perfil de liberação de calor da combustão uniforme.

Este perfil de temperatura de chama uniforme e com ultrabaixo NOx é melhor que todos os projetos anteriores. Este projeto, associado a adequados arranjos de queimadores e técnicas de controle, permite muitas aplicações com uma uniformidade de +/-5ºC. Isto não era possível no passado.

Projeto do Queimador

Este projeto de queimador inclui um programa com conexões únicas de ar e gás que permite um controle simples, tubulações e até mesmo atualizações nas instalações. Na fase primária da combustão, uma porção do ar de combustão do queimador se mistura com uma porção do combustível, criando uma ancoragem de chama estável. Isso permite que uma porção do calor seja liberada perto da parede do queimador. Na fase de combustão secundária, o restante do ar é introduzido através de portas de ar autossuficientes localizadas no bloco do queimador para fornecer um perfil de liberação de calor, da chama do queimador, uniforme e controlado. Esta disposição proporciona temperaturas extremamente uniformes em toda a câmara do forno (Fig. 4).

O corpo do queimador utiliza ferro fundido, que é confiável e durável, com conexões roscadas. O queimador inclui uma placa robusta de ferro fundido e um bloco de metal refratário. O material do bloco e o invólucro asseguram um projeto com vida longa, que é adequado para instalação em fornos refratários ou com fibras nas paredes.

O queimador padrão utiliza um projeto com entrada de gás de velocidade média (também está disponível um projeto opcional de alta velocidade para aplicações nas quais se faz necessário). O estado da arte dos projetos torna esta possibilidade de alta velocidade possível sem quaisquer efeitos prejudiciais sobre as emissões de NOx. Isso permite ao cliente “afinar” o desempenho do sistema do seu forno com a aplicação de um queimador com excelente agitação que otimizará a uniformidade do lote para aplicações de baixa temperatura.

Ignição, Estabilidade a Frio e Segurança

A ignição do queimador SC1500 pode ser simples, com uma ignição direta por faísca de baixa manutenção (Fig. 5), com pequenos queimadores piloto ou até mesmo com um maçarico. O corpo do queimador também tem supervisores da entrada da chama capazes de acomodar sensores UV ou tipo ionização (flame-rod). O dispositivo de ignição direta por faísca também pode ter uma dupla finalidade, servindo como um flame-rod / ignitor em muitas aplicações, o que reduz os custos do pacote de controle de chama, reduz a manutenção geral do sistema e aumenta a confiabilidade. Esta tecnologia fornece um sinal de chama confiável desde a inicialização do forno frio até a operação a quente.

O padrão de combustão (chama) é extremamente estável. Na maioria dos casos, o queimador pode ser operado com um mínimo de ar em excesso, mesmo com o forno frio. Além disso, as características de estabilidade do queimador permitem que a inicialização do forno frio ocorra sem a necessidade de válvulas / tubulações adicionais ou modos especiais de “startup”. Isto permite controles simplificados e mais seguros e eficientes da chama (Fig. 6).

Em algumas localidades, são encontrados níveis superiores de NOx durante os períodos de inicialização do forno, às tecnologias existentes para queimador emitem maior NOx na inicialização. Na maioria dos casos, no entanto, o queimador da série SC1500 elimina este problema, pois as emissões de ultrabaixo NOx são obtidas a partir da inicialização a frio e por todas as temperaturas de operação de um forno típico a quente.

Emissões e Controle

Historicamente, o desempenho do queimador limitava o controle do forno. Esta nova tecnologia já não representa tal impedimento devido às suas técnicas de controle muito flexíveis da relação ar-combustível e abertura do queimador. O padrão de combustão e o projeto do queimador são apropriados tanto para acendimento por pulso como para controle modulado. O queimador proporciona uma ignição segura com acendimento alto e também é capaz de ter uma abertura de acendimento de 10 para 1 (10% da taxa de queima do queimador nominal), mantendo boas características de chama e ultrabaixo NOx.

O queimador de mistura é tão eficiente que pode ser utilizado em aplicações nas quais o acendimento é feito em condições subestequiométricas, estequiométricas ou com elevado excesso de ar. O queimador normalmente opera com 5% de excesso de ar com controle de medição de fluxo de massa para a máxima eficiência. Estes parâmetros permitem o controle de combustão finito do sistema de combustão do forno.

Além disso, o padrão de combustão é tão estável e eficiente que, mesmo quando se opera em combustão próxima da estequiométrica, os níveis de emissões de monóxido de carbono (CO) do queimador não excedem a 20 ppm e permanecem frequentemente inferior a 10 ppm. Muitos projetos de queimadores existentes produzem emissões de CO superiores em fornos com temperaturas abaixo de 760ºC. Isto pode levar a níveis de CO considerados inseguros pela OSHA (Occupational Safety and Health Administration – Administração de Segurança e Saúde Ocupacional dos EUA) ao redor do forno e também cria problemas de odores que causam náuseas devido ao aldeído. Estas preocupações de segurança são evitadas com o projeto SC1500.

O queimador tem dois projetos de combustão de ar, a frio e a quente, para aqueles que procuram minimizar o consumo de combustível. Normalmente, o ar de combustão quente aumenta drasticamente as emissões de NOx. No entanto, como pode ser visto no gráfico de emissões (Fig. 7), este projeto minimiza tal efeito. No ar de combustão frio, o queimador proporciona emissões de NOx abaixo de 20 ppm, algo inovador. As emissões do ar quente também são muito baixas, mas variam de acordo com o pré-aquecimento do ar e com a temperatura do forno. Como mencionado anteriormente, um projeto de queimador de alta velocidade de agitação está disponível sem afetar negativamente as emissões de NOx.

Sumário

A Bloom retirou a barreira para as emissões alcançáveis de NOx nos fornos de hoje, criando um queimador exclusivamente projetado para as rigorosas necessidades dos tratadores térmico. Os queimadores Bloom SC1500-series proporcionam aos clientes um produto eficiente, com emissões ultrabaixas de NOx, ao mesmo tempo permitindo-lhes alcançar uniformidades superiores no forno de cerca de +/-5ºC.

Estas características de desempenho se adaptam para aplicações tanto de baixa quanto de alta temperatura de tratamento térmico, onde as especificações de uniformidade são justas e/ou as regulamentações locais limitam severamente as emissões dos fornos. Estes queimadores podem ajudar os produtores com fornos que operam a temperaturas de até 1371ºC. Esta tecnologia permite que o SC1500 beneficie quase todas as aplicações de tratamento térmico no mercado de hoje em dia (Fig. 8). Devido ao seu tamanho e controles simples, também é facilmente adaptado aos fornos já existentes. Estes queimadores foram instalados em diferentes aplicações de processos no Texas, Califórnia e em outros estados americanos onde as regulamentações locais reduziram as emissões de NOx permitidas.

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