EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM PROCESSOS DE FILTRAÇÃO DE
PARTICULADOS CERÂMICOS
Dr. Luciano Peske Ceron – luciano.ceron@pucrs.br
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Faculdade de Engenharia Av. Ipiranga 6681- Porto Alegre - RS - CEP: 90619-900
Resumo: Nas plantas industriais o consumo de energia representa uma parcela importante nos custos de produção. Os motivos vão desde características inerentes ao projeto, até instalações sem qualidade e aplicações inadequadas. Neste cenário, os motores elétricos têm papel determinante, pois tem um amplo uso na indústria por sua versatilidade e eficácia. Mas melhorias e inovações sempre são necessárias, devido a grande demanda em motores, que permitem boas oportunidades no mercado nacional. Neste sentido, o departamento de Service da WEG em parceria com a empresa Renner Têxtil, desenvolveu projeto para redução do consumo de energia elétrica no sistema de exaustão, através da aplicação de um motor de imãs permanentes acionado por inversor de frequência, utilizando um regulador eletrônico de pressão para o monitoramento do processo de filtração de particulados cerâmicos.
Palavras-chave: Controlador de Pressão, Eficiência Energética, Filtro de Mangas, Motor.
ENERGY EFFICIENCY IN CASES OF CERAMIC PARTICULATE
FILTRATION
Abstract: In industrial plants energy consumption is an important part of production costs. The reasons range from the inherent characteristics of the project, even without quality facilities and inadequate applications. In this scenario, the electric motors have a decisive role, as it has a wide use in the industry for its versatility and effectiveness. But improvements and innovations are always needed, due to great demand in engines, which offer good opportunities in the domestic market. In this sense, the department WEG Service in partnership with Renner Textil developed a project to reduce the consumption of electric energy in the exhaust system, through the application of a permanent magnet motor driven by a frequency inverter using an electronic regulator pressure for monitoring the filtration of particulate ceramic process.
1. INTRODUÇÃO
A produção cerâmica é feita, em sua maioria, por empresas de pequeno e médio porte, de capital nacional. As jazidas de argila, que produzem matérias-primas com qualidade e regularidade, constituem-se em unidades mineradoras e fornecedores à indústria de cerâmica vermelha ou também com unidade própria de extração. O Brasil dispõe de importantes jazidas de minerais industriais de uso cerâmico, cuja produção está concentrada principalmente nas regiões sudeste e sul, onde estão localizados os maiores polos cerâmicos do país (ANFACER, 2012).
Os principais impactos associados aos poluentes atmosféricos emitidos durante o processo de fabricação da cerâmica estão relacionados às atividades no transporte, recepção, manuseio, mistura de matérias-primas e uso de energéticos para a queima, como pode ser visto na Tabela 1. Vários fatores interferem na ocorrência das emissões como: falta de controle operacional e mão de obra desqualificada, tipo de combustível e forno utilizado (ANICER, 2013).
Tabela 1: Emissão e medidas mitigadoras nas etapas do processo de produção da cerâmica.
Etapa do processo Emissão Medidas Mitigadoras
Manuseio de
matérias-primas e insumos Poeiras fugitivas
• Adoção de sistemas de aspersão de água; • Implantação de barreiras vegetal para a
contenção de dispersão de material particulado (M.P.);
• Proteção de área de armazenamento; • Captura dos M.P. por aspersão.
Queima Emissão de gases e material particulado
• O uso de lenha reduz a taxa de emissão de todos os poluentes.
• Quando se utiliza combustível fóssil, as emissões são intensificadas devido à geração de SOx, sendo necessário a adoção de sistemas de controle;
• Uso de resíduos com: pó de serragem, cavaco, bagaço de cana, sabugo de milho, palha de café, e outros representam alternativas para redução de emissão de gases causadores de efeito estufa, durante o processo de queima.
A coloração da fumaça emitida é um bom parâmetro visual para análise do controle do processo, uma vez que fornos menos eficientes emitem maior quantidade de fumaça e material particulado. Em geral as emissões nos fornos cerâmicos apresentam coloração clara, exceto os minutos finais do processo de queima, devido à falta de oxigênio. Isto se deve à ineficiência do forno ou controle operacional, ocasionando uma utilização de combustível acima da necessidade (FEAM, 2012).
2. FILTRAÇÃO DE PARTICULADOS
As partículas sólidas ou líquidas emitidas por fontes de poluição do ar ou mesmo aquelas formadas na atmosfera, como as partículas são denominadas de material particulado e, quando suspensas no ar, são denominadas de aerossóis. As partículas de maior interesse para a saúde pública são as chamadas partículas inaláveis (CERON, 2009).
Segundo Souza e Chaves (2004) na atualidade há diversos equipamentos industriais que são destinados a efetuar a coleta e retenção dos materiais particulados, evitando que sejam liberados diretamente na atmosfera sem tratamento adequado, que são apresentados na Tabela 2.
Tabela 2: Principais equipamentos industriais e princípios de captura de particulados.
Equipamento Industrial Principio de Captura
Ciclone Ação por força centrífuga
Filtro cartucho Ação por impacto
Filtro de mangas Ação da força de gravidade e impacto Filtro eletrostático Ação de ionização e atração eletrostática Lavador centrífugo Ação por força centrífuga e tangencial usando água
Lavador de gases Ação por lavagem com água
Lavador tipo venturi Ação por lavagem com água
A filtração é a passagem de um gás “sujo” por um meio filtrante, que separa as partículas da corrente gasosa, formando uma camada de pó sobre a sua superfície. Essa camada de pó chamada de torta de filtração, com o decorrer da filtração, também passa a exercer o papel de superfície filtrante, mostrado na Figura 1. Com o passar do tempo à espessura da torta vai aumentando, assim como a perda de carga no filtro, até alcançar um valor de 150 mmH2O. Alcançado esse valor a torta de
pó deve ser removida da superfície do não tecido (TOMAZZONI, 2007).
Figura 1 - Filtração de particulados. Fonte: DIAS (2008, p. 34).
3. FILTRO DE MANGAS
Do latim filtru, o termo filtro significa feltro que é um elemento que deixa passar ou barrar determinado produto, elemento ou energia de acordo com o uso físico que se dá a este. Em mecânica e hidráulica - um filtro é qualquer peça de material poroso (papel, cerâmica, tela, têxtil, etc), que tenha pequenos orifícios, através dos quais se faz passar um líquido ou gás. No processo de filtração de gases são retiradas partículas sólidas dispersas do meio gasoso. Pode ser também um sistema que purifica, fazendo passarem fluídos por peças ou componentes de materiais porosos, como por um filtro de mangas, retendo os particulados indesejados no processo de filtração (DICKENSON, 1994).
O principio de funcionamento de um sistema de filtração de particulados, o ar é carregado de impurezas, entra no filtro pela moega inferior e movimenta-se para cima, já com velocidade reduzida. As partículas são retidas na parte externa das mangas, enquanto o ar atravessa as mesmas. O ar filtrado é expelido para a atmosfera ou retorna ao processo, conforme mostra a Figura 2 (RENNER TÊXTIL, 2001).
Figura 2 - Sistema de filtração de particulados. Fonte: RENNER TÊXTIL (2001). 4. MOTORES ELÉTRICOS
A continuidade no funcionamento de linhas de produção e a eficiência de processos industriais sempre serão assuntos considerados de interesse nas áreas de engenharia ao qual tal processo é pertinente. Dentro das possíveis variáveis que conduzem a estes aspectos, a eficiência energética tem se tornado mais e mais importante, por caracterizar boa prática de consumo de insumos, responsabilidade com o meio ambiente e por reverter diretamente na fatura de energia elétrica e indiretamente em outras fontes de custo do industriário (TISSOT, 2010).
Desta forma, o correto dimensionamento mecânico, correta especificação do grau em função das condições ambientes e o uso de técnicas de proteção adequadas para motores elétricos em sistemas de filtração de particulados resulta em maior vida útil do motor, e um melhor desempenho eletromecânico ao longo deste período. Essa melhoria no desempenho dos motores, além de garantir a continuidade do processo, pode também significar eficiência energética (TISSOT, 2010).
Dados da agência Nacional de Energia Elétrica, mostrados na Figura 3, informam que a indústria consome 46,74% do total de energia produzida no país (ANEEL, 2008). Já os fabricantes de máquinas elétricas estimam que 55% desta energia são consumidas por motores na indústria (VENERO; HIYODO, 2008).
Figura 3 - Distribuição do consumo de energia elétrica por setor. Fonte: ANEEL (2008).
O desenvolvimento de novo motor pela WEG foi para realizar o controle de pressão em sistemas de exaustão, através do motor Wmagnet. Este controle tornou-se possível devido ao motor possuir torque constante em toda faixa de rotação, sendo acionado por um inversor de frequência CFW-11, para manter o sistema de exaustão dentro das suas características operacionais ideais. O controle do sistema de exaustão foi monitorado por novo lançamento da Renner Têxtil, um regulador eletrônico de pressão Renner, modelo DPF-REG-20, desenvolvido especificamente para este tipo de motor, que modula a vazão de entrada no filtro e altera a necessidade de rotação do motor. Desta forma, minimiza a necessidade de energia elétrica em controles de filtros de mangas.
5. METODOLOGIA
O presente trabalho foi implantado na empresa Cardall Cardoso Industrial, localizada em Cocal do Sul/SC, em sistema de filtração de particulados cerâmicos no filtro marca Cardall, modelo FO-874, com temperatura dos gases em 180ºC (Figura 4).
No ventilador de aspiração do filtro de mangas, foi implantada a solução Wmagnet Systems de 125 CV - IV polos, controlado por inversor de frequência CFW-11 de 180 amperes e regulador eletrônico de pressão DPF-REG-20 da Renner, que opera por sinal 4-20 mA com grau de proteção IP65 para poeira e água, programável com comunicação digital a instrumentos PC e PLC.
As medições do consumo em kW/h foram realizadas com o Analisador de Energia RE6000, conforma a norma ABNT NBR 5410, em três modelos de motores. O primeiro no motor atual do filtro, um W22 Plus com 1785 rpm e outros dois motores Wmagnet, 1350 e 1280 rpm.
O tempo de operação para cada motor foi padrão com 7920 h de aplicação e a redução de CO2 foi conforme dados teóricos.
4. RESULTADOS
Medidas comparativas de consumo de energia apresentadas na Figura 5.
Figura 5 - Consumo médio de energia elétrica em kW/h.
A oscilação da depressão no sistema dá-se quando o forno está com ou sem material. Para este processo quando o forno está com material sua depressão fica em torno de 55 mmCA.
Os resultados técnicos e econômicos são apresentados em Tabela 3, para fins comparativos, considerando o valor do kW/h de R$ 0,19.
Tabela 3: Comparativo técnico e econômico dos resultados.
Comparando os gastos anuais do motor W22 Plus, houve uma redução de 46 kW no consumo de energia elétrica, devido à redução de rotação para manter a depressão do sistema constante em 55 mmCA.
A economia anual ficou em 365.770 kWh/ano de R$ 69.490,52.
O investimento inicial de R$ 34.709,08 teve retorno em 6 meses de aplicação. A redução de CO2 foi de 157 toneladas.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente estudo proporcionou melhorias no processo de filtração de particulados cerâmicos e ganhos com a variação de vazão do ventilador, em função da depressão do sistema controlada. Redução no consumo de ar comprimido e minimização na troca dos elementos filtrantes, devido o ajuste de tempo para o batimento das mangas.
Ocorreu economia no consumo de energia elétrica entre o sistema atual e o proposto, com variação de velocidade do motor elétrico de imãs permanentes e o retorno de investimento em 6 meses.
REFERÊNCIAS
ANICER - Associação Nacional da Indústria de Cerâmica. Disponível em <http://anicer.com.br> Acesso em: 15 mai. 2013.
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica. Atlas da Energia Elétrica. 3. ed, 2008.
ANFACER - Associação Nacional dos Fabricantes de Cerâmica para Revestimentos, Louças Sanitárias e Congêneres. Disponível em: <http://www.anfacer.org.br> Acesso em: 28 jul. 2012. CERON, L. P. Emissão de Pó. Meio Filtrante, Santo André, v. 8, n. 38, p.40-43, maio. 2009.
DIAS, T. A eficiência do filtro cartucho. Meio Filtrante, São Bernando do Campo, v. 5, n. 23, p. 23-26, 2006.
DICKENSON, C. Filters and Filtration Handbook. 3 ed. Oxford: Elsevier Advanced Technology, 1994.
FEAM - Fundação Estadual de Meio Ambiente. Plano de Ação para Adequação Ambiental e Energética das Indústrias de Cerâmica Vermelha do Estado de Minas Gerais. Minas Gerais: FEAM, 2012.
RENNER TÊXTIL. Manual Técnico de Fibras. 2. ed., Cachoeirinha: Renner Têxtil, 2001.
SOUZA, A. F.; CHAVES, A. L. Control of the Industrial Gas Polluting Waste. Technologia, v. 5, n. 2, p.83-106, 2004.
TISSOT, F. D. Uma análise da proteção contra sobrecarga em motores assíncronos. 2010. 66 f. Graduação (Faculdade de Engenharia Elétrica), UFRGS, Porto Alegre, 2010.
VENERO, D. M.; Hiyodo, S. A. Gestão de reparo de motores elétricos com foco em
