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Este Trabalho Técnico foi preparado para apresentação na Rio Oil & Gas Expo and Conference 2014, realizado no período de 15 a 18 de setembro de 2014, no Rio de Janeiro. Este Trabalho Técnico foi selecionado para apresentação pelo Comitê Técnico do evento, seguindo as informações contidas no trabalho completo submetido pelo(s) autor(es). Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões do Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis, Sócios e Representantes. É de conhecimento e aprovação do(s) autor(es) que este Trabalho Técnico seja publicado nos Anais da Rio Oil & Gas Expo and Conference 2014.
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1
Mestre, Engenheiro Químico - SCGÁS
2
Engenheiro Civil – SCGÁS
3
Mestre, Engenheiro Químico – SCGÁS
4
Engenheiro Eletricista – SCGÁS
5
Engenheiro de Produção Química – SCGÁS
6
Mestre, Engenheiro Mecânico – SCGÁS
AUMENTO DE EFICIÊNCIA TÉRMICA NA QUEIMA DE GÁS NATURAL EM FORNOS DE ALTA TEMPERATURA Jorge G. W. de Azevedo
1, André D. Ferraz
2, Antônio R. Machado Jr.
3Ivan C. C. da Rocha
4, Ricardo Konishi
5, Willian A. Lehmkuhl
6, Vicente
de Paulo Nicolau
7, Talita Sauter Possamai
8, Renato Oba
9, Andréa Trombini Nunes
10Resumo
Em processos térmicos industriais, como a produção de vidro cristal e de silicato de sódio, são utilizados fornos que operam a altas temperaturas. Nestes casos o gás combustível se reflete de modo substancial nos custos totais dos produtos, levando os assuntos relacionados à eficiência energética uma constante melhoria. Dentro deste contexto, foram realizados alguns estudos com o objetivo de se melhorar o desempenho térmico nestes processos. Através de coletas de dados e validação de simulações computacionais foram realizados os balanços térmicos dos fornos e recomendadas ações técnicas relacionadas ao pré-aquecimento de ar de combustão, isolamento térmico, trocadores de calor e posicionamento de queimadores. Os resultados mostraram que mais de 80 % da energia que entra nos fornos saem pela chaminé e até 18% são dissipados através das paredes e teto. Quanto à utilização de blindagem térmica, economias e até 50% podem ser obtidas em fornos de cristais. Não houve aumento significativo na temperatura do forno silicato de sódio quando queimador e chaminé mudaram de posição. Através de simulação numérica também foi possível prever ganhos com economia de gás natural de 18% no caso dos fornos de silicatos de sódio com o emprego de trocadores de calor modelados. No geral, o estudo mostrou que as simulações numéricas foram compatíveis com as medições realizadas. Este fato contribuiu para a previsão do comportamento dos processos sem a necessidade de haver paradas de produção ou a realização de mudanças na geometria dos fornos, permitindo um maior conhecimento quanto a tomadas de decisões na busca de ganhos por meio de eficiência energética.
Abstract
In some industrial processes such as lead crystals glasses and sodium silicates production fuel gas can reflect substantially in the products costs since high temperature are reached. In these cases issues related to energy efficiency are a permanent quest. Thus some studies were performed with the objective of improve the energy efficiency in high-temperature industrial processes. By data collection and a validated numerical simulation a thermal balance was developed. In the second step technical actions related to combustion air preheating, thermal insulation, heat exchangers and burners positioning were recommended. Regarding the results, the study showed that over 80 % of the energy entering the kilns comes straight up the chimney and up to 16 % are dissipated through the walls and ceiling. A low cost heat exchanger with flue gas cross flow tubes was modeled using numerical simulation. This equipment configuration resulted in an estimated efficiency up to 18% for the case of sodium silicate kiln. Finally, the computational model demonstrated that thermal insulation improvements can result losses decreasing in 50% in the
case of the lead crystals glasses kiln. There was no significant temperature increasing in sodium silicate kiln when burner and chimney have moved their position. Overall, the study showed that numerical simulations were compatible with the measurements made. This fact contributed to the prediction of the kilns behavior with no downtime or architectural changes and allowed a better knowledge in decision making about energy efficiency improvements.
1. Introdução
Certos processos industriais inorgânicos como na produção de vidro cristal e de silicato de sódio necessitam de temperaturas ao redor de 1.400 º C. Usualmente nestes casos emprega-se gás natural como energético para o fornecimento desta imensa quantidade de energia em fornos especialmente desenvolvidos. Nestes equipamentos as câmaras de combustão costumam apresentar dimensões reduzidas, ocasionando um baixo tempo de permanência dos gases de exaustão e queda na eficiência das trocas de calor. Pela natureza do processo há uma considerável participação da energia utilizada no custo final do produto. Estas perdas térmicas podem contribuir ainda mais para a oneração da atividade, reduzindo a viabilidade do empreendimento. Quanto às características dos materiais, Shreve e Brink Jr. (1997) comentam que o vidro cristal e o silicato de sódio são definidos como um líquido sub-resfriado, rígido e de alta viscosidade. No processo de produção do vidro cristal é utiliza-se sílica, álcalis e óxido de chumbo, conferindo um produto com alto índice de refração utilizado para fins decorativos e ópticos. Na produção dos silicatos de sódio utiliza-se areia como fonte de silício e carbonato de sódio como fundente, resultando em silicatos de composição variada cada qual com seu emprego específico. No caso dos equipamentos estudados os fornos de produção de cristal operam em processo de batelada, utilizando um queimador de gás natural direcionado a um cadinho no interior do forno onde ocorre a fusão e o cozimento das matérias primas. Os fornos de silicato de sódio operam de maneira contínua com alimentação da matéria prima inserida pela parte traseira do forno. Neste local há um impacto dos gases de combustão dos queimadores na pilha de material, que após atingida a temperatura de fusão, escoa pela parte posterior do forno. Os fornos de vidros cristais possuem uma blindagem de radiação e utilizam trocadores de calor para o pré-aquecimento do ar de combustão. O forno de silicato de sódio possui apenas uma tubulação de ar passando sobre o lado externo do teto do forno. De modo geral estes tipos de equipamentos operam com elevado excesso de ar quando comparados aos limites de 5 a 15% propostos por Bazzo (1995). As Figuras 1 e 2 apresentam as ilustrações dos fornos utilizados.
Figura 1 Forno de vidro cristal
Figura 2 Forno de silicato de sódio
2. Metodologia
O estudo foi realizado em duas empresas produtoras de vidro cristal denominados cliente A e B e uma produtora de silicato de sódio denominada cliente C todas situadas no estado de Santa Catarina. Foi efetuado como primeira fase do trabalho o levantamento de dados de operação e de geometria dos fornos, medições de temperatura e de escoamentos fluidodinâmicos, procedendo-se em seguida com a elaboração das simulações computacionais dos processos de produção. Na segunda fase foi realizada a validação das simulações e comentadas as ações técnicas relacionadas ao pré-aquecimento de ar de combustão, isolamento térmico, trocadores de calor e posicionamento de queimadores. Como metodologia de pesquisa foram utilizados alguns equipamentos para as obtenções dos dados tais como: termopares, câmeras infravermelhas, pirômetros, medidores de gás, anemômetros e tubos de Pitot. No caso das simulações foram empregados programas de alto desempenho de fluidodinâmica computacional (CFD). Nesta etapa foi assumido regime permanente de funcionamento dos equipamentos, considerando-se os fenômenos físicos de condução, convecção e radiação bem como os transportes de gases nas cavidades dos fornos. Com relação à combustão, a mesma foi fundamentada na solução da equação da conservação de espécies químicas, considerando-se o metano como gás predominante na composição do gás natural. A Equação 1 apresenta a reação fundamental de combustão utilizada no estudo.
CH4+2(O2 + 3,76N2) → CO2 + 2H2O + 7,52N2 (1) As Figuras1 e 2 apresentam respectivamente as imagens dos fornos de produção de vidro cristal e de silicato de sódio.
Figura 3 Forno de vidro cristal
Figura 4 Forno de silicato de sódio
3. Resultados
3.1. Medições e Cálculos
Através das medições efetuadas verificou-se que há um excesso de ar nos fornos de vidro cristal de até 113%.e de 12% para o caso do forno de silicato de sódio. Ambos os fornos apresentavam combustão completa do gás natural.
As temperaturas de pré-aquecimento do ar de combustão dos fornos de vidro cristal atingiram valores de 256ºC e 100ºC respectivamente para as empresas A e B. Infelizmente não foi possível calcular a eficiência do trocador de calor do cliente A devido a limitações de aquisição de dados, no caso do cliente B foi verificado uma eficiência de 8% para este tipo de equipamento. Quanto ao forno de silicato de sódio o pré-aquecimento do ar de combustão resume-se à passagem de uma tubulação de ar na parte superior do forno, resultando em uma temperatura de apenas 44ºC. Com relação ao balanço térmico dos equipamentos verificou-se que até 82% da energia que entra nos sistemas saem pelas chaminés dos fornos de vidro cristal e 18% podem deixar o equipamento através das paredes e do teto. Para o forno de silicato de sódio 70% da energia são perdidos pela chaminé e 12% pelas paredes e teto. A Tabela 1 apresenta os valores encontrados das variáveis nos diferentes equipamentos no decorrer do trabalho.
Tabela 1. Parâmetros encontrados por tipos de equipamentos e clientes
Parâmetro Processo de vidro cristal Processo de silicato de sódio
Cliente A * Cliente B* Cliente C
Energia que entra (kW) 204 111 1275
Temperatura de operação (ºC) 1.235 1.425 1.200
Temperatura de ar de combustão (ºC) 256 100 44
Excesso de ar (%) 97 113 12
Perdas térmicas pela chaminé (%) 67 82 70
Perdas térmicas pelas paredes e teto (%) 13 18 12
Eficiência do trocador de calor (%) -** 8 -***
* Valores dos fornos com blindagem térmica; **Valor desconhecido devido à falta de dados de entrada e de saída do trocador de calor; ***Valor desconhecido: o sistema de troca de calor limita-se a uma tubulação sobre o teto do forno
Foi verificado que nos fornos de cristais de vidro que possuíam blindagem térmica obtiveram uma economia de 50%
com relação às perdas pelas paredes e tetos quando comparados aos fornos sem blindagem.
3.2. Desenvolvimento de Modelo de Simulação Numérica
De posse dos dados e cálculos efetuados procedeu-se com o desenvolvimento de um modelo numérico e sua respectiva validação. Os resultados demonstraram uma concordância significativa quando comparados com os dados
Material fundido escoando do
forno
adquiridos em medições. As Figuras 5 e 6 trazem respectivamente os valores medidos e simulados no estudo dos fornos de vidro cristal e de silicato de sódio com relação às perdas térmicas.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Paredes Produto Gases
Quantidade de energia [%]
Experimental Numérico
Figura 5 Comparação das perdas energéticas dos fornos de vidro cristal
0 10 20 30 40 50 60 70
Paredes Produto Gases
Quantidade de energia [%]
Experimental Numérico
Figura 6 Comparação das perdas energéticas dos fornos de silicato de sódio 3.3. Simulações de Operações
Após a validação do modelo numérico foram realizadas algumas simulações com o intuito de se melhorar o desempenho dos equipamentos analisados.
3.3.1 Simulação de Pressão de Trabalho
Para o caso dos fornos de vidros cristais foram efetuados cálculos a fim de se conhecer os valores da pressão de trabalho (depressão) em função dos dados obtidos por meio das medições. A Tabela 2 apresenta a comparação entre os valores das perdas térmicas medidas e as pressões simuladas.
Tabela 2 Valores de perdas térmicas medidas e simuladas considerando-se as pressões de operação dos fornos
Perdas térmicas (%)
Valores Simulados
Exaustão 70,0 46,9 59,8 70,4
Os resultados das simulações correspondentes à pressão de -15 Pa foram os que mais se aproximaram dos valores de perdas térmicas obtidos através de medições.
3.3.2 Simulação de Camada Isolante Adicional
Para os fornos de silicato de sódio foram simulados os possíveis ganhos resultantes do aumento da camada de isolamento térmico. Para isto foram calculados três casos conforme segue: a) Isolamento 1: aumentando-se duas vezes a camada isolante; b) Isolamento 2: aumentando-se quatro vezes a camada isolante; c) Isolamento 3: aumentando-se oito vezes a camada isolante. A Figura 7 apresenta a comparação entre o caso padrão e os demais casos de isolamento em relação à energia despendida para cada parte do forno. Os termos “energia paredes”, “energia carga” e “energia gases” correspondem à energia perdida pelas paredes, à energia cedida para a carga e à energia perdida pelos gases na chaminé, respectivamente.
Figura 7 Balanço de energia em função da espessura do isolamento térmico
Com o isolamento aumentado, a perda de energia pelas paredes diminui, chegando a 4% a menos que o caso padrão para o maior isolamento. Essa energia não perdida pelas paredes é redistribuída dentro do forno, aproximadamente 35
% dela indo para a carga e o restante sendo descartado do forno pelos gases.
3.3.3 Simulação de Mudança no Ângulo de Queimador
Foram realizadas algumas simulações nos fornos de silicato de sódio com relação à inclinação do queimador adotando-se as seguintes configurações: a) caso 1 = condição padrão - ângulo zero; b) caso2 = inclinação de 30º e c) caso 3 = inclinação de 45º. A Figura 8 mostra as temperaturas atingidas na superfície da carga para cada caso.
Figura 8 Temperaturas atingidas na superfície da carga
Conforme se pode observar verificou-se através das simulações uma elevação de temperatura muito pequena na superfície da carga para o caso 2 o qual representa uma inclinação de 30º no queimador. Com relação à mudança de posicionamento da chaminé não foram percebidos ganhos energéticos consideráveis.
3.3.4 Simulação de Configuração de Trocador de Calor
A fim de buscar um melhor aproveitamento na recuperação de calor foi desenvolvido uma configuração de trocador de calor de tubos transversais por vias computacionais. As Figuras 10 e 11 representam o modelo de testado por simulações numéricas no decorrer do trabalho.
Figura 9 Visão lateral de trocador de calor de tubos transversais
Figura 10 Visão frontal de trocador de calor de tubos transversais
As figuras acima apresentam o esquema do trocador analisado numericamente acoplado na chaminé do forno. O equipamento apresenta 2 m de altura e 1,2 m de comprimento e 1,2 m de largura. Nenhum isolamento extra foi considerado na chaminé, apenas a própria parede de refratário. Para um trocador com 210 tubos atingiu-se uma eficiência estimada em 18%. A Tabela 3 demonstra os parâmetros analisados durante as simulações.
Parâmetros Característica/valor
Material dos tubos Cerâmica
Número de tubos 210
Eficiência estimada do trocador 18 %
Temperatura de entrada dos gases quentes 1200 ºC Temperatura de saída dos gases quentes 1000ºC Temperatura de entrada do ar frio 25 ºC
Temperatura de saída do ar frio 250 ºC
Perda de energia pelas paredes 15 %
3. Conclusões
O trabalho acima exposto quantificou as parcelas de energia que deixam os fornos de alta temperatura mediante balanço energético. Verificou-se que a maior parte da energia consumida nos fornos é perdida pelos gases de combustão, representando até 82% da energia que entra no sistema. Grande parte desta energia arrastada está relacionada às características geométricas dos fornos e pelo excesso de ar empregado cujos valores chegaram a 113%.
Através das paredes e teto são perdidos até 18% de energia, no entanto, este valor pode ser 50% maior se placas de blindagens térmicas não forem utilizadas. Os valores simulados foram validados quando comparados os dados calculados com os medidos. Isto possibilitou a modelagem de condições de trabalho quanto à pressão de operação, a qual foi estimada em -15pa e acréscimo de camada isolante. Verificou-se que se a espessura do material isolante for aumentada em 8 vezes ocorrerá uma redução de 4% na energia perdida pelas paredes. Não sendo economicamente justificada, em princípio, nenhuma alteração. Além do mais, esta energia recuperada tenderá a aumentar a temperatura do forno, ocasionando um maior desgaste nos refratários. Não foram percebidos ganhos consideráveis com relação à mudança no posicionamento do queimador e das chaminés dos fornos. Com relação ao trocador de calor modelado foi simulado um equipamento de baixo custo com tubos transversais ao fluxo de gases quentes, atingindo eficiências na ordem de18%.Em resumo, o trabalho demonstrou de uma forma geral que diante dos dados apurados as simulações numéricas mostraram-se compatíveis com as medições efetuadas. Este fato contribuiu fundamentalmente para a previsão dos comportamentos dos fornos frente às modificações simuladas sem paradas de produção ou altos investimentos financeiros.
4. Agradecimentos
Equipe Executora: Estimados Prof. Vicente de Paulo Nicolau, Dr. – Coordenador - vicente@emc.ufsc.br ; Enga. Talita Sauter Possamai, M.Sc – Pesquisadora - talita@labcet.ufsc.br; Eng. Renato Oba, M.Sc – Pesquisador – renatooba@labcet.ufsc.br e Enga. Andréa Trombini Nunes , M.Sc – UFSC
Labcet – Laboratório de Combustão e Engenharia de Sistemas Térmicos Departamento de Engenharia Mecânica – UFSC.
88040-900 – Florianópolis - SC.
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
5. Referências
BAZZO, E. Geração de Vapor. 2. Ed. Editora UFSC, 1995.
SHREVE, R. Norris; BRINCK JUNIOR, Joseph A.. Indústrias de Processos Químicos. 4. ed. Rio de Janeiro:
Guanabara Koogan S.a., 1997. 717 p. Tradução: Horácio Macedo.
