Eficiência energética de fornos industriais a gás

Eficiência energética de fornos industriais a gás

Nos últimos meses, devido à crise no setor industrial brasileiro, tivemos várias consultas sobre como reduzir o consumo de gás nos processos térmicos industriais. Em tempos de baixa produção este assunto fica ainda mais em pauta, pois o custo energético por peça ou quilo processado fica muito maior. Ou seja, é o pior dos cenários: vendas baixas e maior custo energético. Isso se deve ao fato dos equipamentos térmicos exigirem uma relevante quantidade de energia apenas para estarem aptos a produzir, ou seja, esta parcela do custo é cobrada independentemente da produção. Os fornos tipo batelada levam vantagem neste cenário, já que podem continuar produzindo em carga máxima, porém, menos lotes por mês. Por outro lado, os fornos contínuos, outrora extremamente eficientes, se tornam os esbanjadores de energia.

Quando falamos de eficiência energética total é importante lembrar que esta é composta de dois fatores: eficiência da combustão e eficiência do reator (forno). Ou seja, um forno ideal, 100% eficiente, teria os gases de combustão saindo da câmara a temperatura ambiente e nenhuma perda pelas paredes, aberturas, sistemas de transporte, etc. Neste caso, toda a energia gerada pela combustão do gás seria transferida única e exclusivamente para a carga. No mundo real isso é impossível e cabe a nós aproximarmos o valor da eficiência a 1 (100%).

A eficiência de combustão leva em consideração apenas duas variáveis: o quanto entra de combustível e o quanto sai de energia pela chaminé. Se estas variáveis foram analisadas individualmente, nota-se que esta eficiência é primeiramente determinada pela temperatura e vazão dos gases de exaustão, sendo a temperatura medida e a vazão dos gases determinada pelo tipo de combustível e pela vazão de ar de combustão fornecida. Importante notar que o pré-aquecimento do ar de combustão através dos gases de exaustão do forno levam a um considerável aumento na eficiência de combustão. É, portanto, aconselhável incorporar o pré-aquecimento de ar sempre que possível. Por exemplo: pré-aquecer o ar de combustão de 20 para 200ºC, aumenta a eficiência de combustão de 61,7% para 67,6% (considerando gases de exaustão a 700ºC, 10% de excesso de ar e gás natural como combustível). Isso equivale a uma economia de energia de 8,7%.

Para a avaliação da eficiência do reator (forno), por outro lado, o cálculo leva em consideração a energia que foi absorvida pela carga e a energia que é perdida pelas paredes, aberturas, sistemas de transporte, etc. Aqui é onde o problema da baixa produção tem grande influência. Por exemplo, um forno contínuo de processamento de aço com carga nominal de 2,5 t/h requer 400 kW para tratamento da carga e 700 kW para perdas. Em ritmo máximo, a eficiência do reator é de 36%. A 2/3 de produção a eficiência cai para 27%. E quando o ritmo é de apenas 1/3 de produção, a eficiência cai drasticamente para 16%. Ou seja, o custo energético mais do que dobrará.

Por ordem de prioridade, estas seriam as ações macros a serem consideradas para o aumento da eficiência energética total:

1. Otimizar os parâmetros do processo (sem investimentos);

2. Uso do calor desperdiçado para o mesmo processo (com investimentos);

3. Uso do calor desperdiçado na mesma planta;

4. Uso do calor desperdiçado em outros locais.

As alternativas acima geram uma grande lista de medidas que podem ser implementadas, as quais devem ser investigadas quanto à sua viabilidade e retorno sobre o investimento. Para exemplificar, listamos abaixo algumas medidas:

• Aumento da transferência de calor através do aumento das condições de radiação e convecção;

• Relação ar/gás ideal;

• Melhoria ou implantação de sistema de controle de pressão no forno e minimização de vazamentos;

• Redução das perdas pelas paredes e calor armazenado;

• Minimização do calor armazenado e/ou calor transportado para o ambiente devido a sistemas de movimentação tais como esteiras, correntes, vagonetas;

• Minimização das perdas causadas por gases de proteção em atmosferas controladas;

• Minimização das perdas devido a aberturas, portas, água de resfriamento, carregadores, etc.;

• Pré-aquecimento da carga;

• Pré-aquecimento do ar de combustão;

• Caldeira a partir dos gases de saída;

• Modelos computacionais;

• Queimadores a oxigênio;

• Otimização da distribuição da carga nas zonas do forno;

• Otimização do programa de produção;

• Minimização das paradas e de cargas parciais;

• Uso do calor desperdiçado para aquecimento dos tanques de desengraxe, etc.

Portanto, sugerimos fortemente que esta análise seja feita nos fornos industriais, começando pelos maiores e contínuos. O primeiro passo é a modelagem matemática do processo e poucos investimentos são necessários para tal. A partir daí, determinar o impacto e a viabilidade técnica e econômica das possíveis melhorias. Lembramos que estas ações podem ser feitas utilizando a metodologia da ISO 50001, trazendo o benefício da certificação para a organização.

Claudio H. Goldbach
Claudio H. Goldbach
Engenheiro Químico com pós em Gerenciamento Ambiental na Indústria, ambos pela UFPR. Atualmente, é Diretor da Perfil Térmico Aquecimento e Isolamento Industrial Ltda. e da Termia Technology Corporation

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