O custo de energia é a maior despesa operacional individual para um forno a gás com soleira móvel. Para um forno de 5 MW operando 6.000 horas por ano com gás natural a US$ 0,35 por metro cúbico, a conta anual de gás gira em torno de US$ 400.000 a US$ 500.000. Reduzir esse valor em 15% a 25% significa economizar de US$ 60.000 a US$ 125.000 por ano no orçamento operacional — o suficiente para pagar por uma atualização completa do sistema de controle em dois ou três anos.
A MONTE INTELLIGENCE realizou auditorias energéticas em dezenas de fornos de soleira móvel em campo. Constatamos que a maioria dos fornos com mais de cinco anos apresenta oportunidades de melhoria na eficiência energética que os operadores desconhecem. Este artigo explica nossa metodologia de auditoria e as constatações mais comuns.
A auditoria energética começa com um cálculo do balanço térmico. Para um forno de lote que processa uma carga por ciclo, as entradas de calor são a energia da combustão do combustível, o calor sensível do ar de combustão (se pré-aquecido) e o calor liberado pela oxidação da carga (pequeno, geralmente ignorado). As saídas de calor são o calor útil absorvido pela carga, o calor perdido nos gases de combustão, o calor perdido através das paredes e da porta do forno, o calor perdido por infiltração de ar, o calor armazenado na estrutura do forno (liberado durante o resfriamento, mas perdido entre os ciclos) e o calor perdido através de aberturas, vedações e outras vias.
O calor útil — a energia que efetivamente aquece as peças — é calculado a partir da massa da peça, do calor específico e da elevação de temperatura. Para uma carga de 20 toneladas de aço aquecida de 20 °C a 850 °C com um calor específico médio de 0,55 kJ/kg·K, o calor útil é de 20.000 × 0,55 × 830 = 9.130 MJ, ou cerca de 2.536 kWh — o equivalente a aproximadamente 260 metros cúbicos de gás natural.
O consumo total de gás do ciclo é medido pelo medidor de gás da fornalha. Se o medidor indicar um consumo de 520 metros cúbicos, a eficiência da fornalha é de 260/520 = 50%. Os 260 metros cúbicos restantes — cerca de US$ 90 em gás por ciclo — são perdidos em diferentes caminhos de dissipação de calor. A auditoria identifica e quantifica esses caminhos de perda para determinar onde existem oportunidades de economia.
A perda de calor pelos gases de combustão é tipicamente a maior via de perda, representando de 30 a 50% do consumo total de gás. Os gases de combustão saem do forno a uma temperatura próxima à temperatura de operação do mesmo — se o forno estiver a 1000 °C, os gases de combustão podem estar a 900-950 °C — carregando consigo uma grande quantidade de calor sensível. O conteúdo de calor pode ser calculado a partir da vazão, temperatura e composição dos gases de combustão.
Reduzir as perdas de gases de combustão envolve duas estratégias: reduzir o excesso de ar e recuperar o calor desses gases. O excesso de ar é o ar fornecido acima da quantidade estequiométrica necessária para a combustão. Com 50% de excesso de ar — uma configuração comum — o volume dos gases de combustão é cerca de 30% maior do que seria com 10% de excesso de ar, e esse ar extra precisa ser aquecido da temperatura ambiente até a temperatura dos gases de combustão. Reduzir o excesso de ar de 50% para 10% pode melhorar a eficiência do forno em 3 a 5%. Isso requer o controle da mistura ar-combustível no queimador — um sensor lambda no duto de gases de combustão que fornece feedback em tempo real para o regulador de ar de combustão.
A recuperação de calor residual utiliza um recuperador ou regenerador para transferir calor dos gases de combustão para o ar de combustão. O pré-aquecimento do ar de combustão a 400 °C pode melhorar a eficiência do forno em 15 a 25%, pois o ar pré-aquecido reduz a quantidade de combustível necessária para atingir a temperatura de combustão. Os recuperadores — trocadores de calor gás-gás, geralmente do tipo casco e tubo ou de placas — são a tecnologia mais comum e podem atingir uma eficácia de recuperação de calor de 50 a 60%. Os queimadores regenerativos, que utilizam leitos de mídia cerâmica que absorvem e liberam calor alternadamente, podem atingir uma recuperação de 80 a 90%, mas com um custo de investimento mais elevado.
A perda de calor pelas paredes depende da espessura do refratário, da condutividade térmica e da temperatura da parede externa. Para um forno operando a 1000 °C com 300 mm de isolamento de fibra cerâmica (condutividade de 0,15 W/m·K à temperatura média), a perda de calor pelas paredes é de aproximadamente 500 W por metro quadrado. Para um forno com 100 metros quadrados de área de parede, isso corresponde a uma perda contínua de 50 kW — cerca de 4,3 metros cúbicos de gás por hora, ou aproximadamente US$ 1,50 por hora.
Medir a temperatura da superfície da parede externa com um termômetro infravermelho é uma técnica de auditoria simples. Qualquer área da parede com temperatura 20°C acima da média indica uma falha no isolamento, uma âncora defeituosa ou um ponto quente causado pela chama de um queimador interno atingindo a parede. Esses pontos quentes podem ser reparados durante uma parada programada, com a substituição dos módulos de isolamento afetados.
A infiltração pela porta e pela vedação é a via de perda mais difícil de quantificar e, muitas vezes, a mais fácil de corrigir. Uma fresta de 3 mm ao redor da periferia de uma porta de 4 metros por 3 metros tem uma área de aproximadamente 0,042 metros quadrados. Com uma pressão típica de forno de 10 Pa, o vazamento de gás quente por essa fresta carrega uma quantidade significativa de energia — aproximadamente 10-15 kW para um forno a 1000 °C. A solução é a substituição da vedação da porta — um trabalho que leva cerca de quatro horas para uma equipe de manutenção e custa algumas centenas de dólares em materiais.
A infiltração de ar — ar frio que entra na fornalha através de frestas na estrutura, ao redor da porta, ao redor das grelhas do queimador e através das aberturas de inspeção — é a ladra de energia oculta. O ar infiltrado não só carrega o calor (o ar frio que entra desloca o gás quente que precisa sair), como também causa a oxidação da carga e pode criar zonas de temperatura não uniforme. A análise da combustão fornece evidências indiretas de infiltração de ar: se o teor de oxigênio nos gases de combustão for maior do que o esperado com base nas configurações do queimador, o oxigênio extra provém da infiltração.
O relatório de auditoria deve incluir uma lista priorizada de medidas de conservação de energia (MCEs) com custo estimado, economia estimada e período de retorno do investimento simplificado. As MCEs típicas para um forno de soleira móvel, em ordem crescente de período de retorno do investimento, são: reparo das vedações da porta (retorno do investimento < 1 mês), ajuste da relação ar/gás do queimador (retorno do investimento < 3 meses), reparo de pontos quentes no refratário (retorno do investimento 3-6 meses), instalação de controle de ajuste de oxigênio (retorno do investimento 6-12 meses) e instalação de um recuperador (retorno do investimento 12-24 meses).
A MONTE INTELLIGENCE oferece serviços de auditoria energética que incluem medições no local, cálculo do balanço térmico, identificação de medidas de redução de energia (ECM) e suporte à implementação.
Para agendar uma auditoria energética para sua caldeira de lareira móvel, entre em contato com helenxu@cnlymonte.com.
