Controle da combustão em fornos a gás natural: relação ar-combustível, excesso de ar e análise da combustão.
O controle da combustão é a área mais negligenciada na operação de fornos a gás. A maioria dos fornos a gás funciona com excesso de ar, desperdiçando combustível e reduzindo a eficiência. Um queimador bem regulado, com a proporção ar-combustível correta, proporciona uma economia de combustível de 5 a 15% e uma redução de 20 a 50% nas emissões de CO. A regulagem é simples, mas requer atenção aos detalhes e verificações regulares. Aqui está a estrutura que utilizo ao analisar o funcionamento de um forno a gás.
Noções básicas de química da combustão
O gás natural é composto principalmente de metano (CH4), com quantidades menores de etano, propano e gases nobres. A reação de combustão completa com oxigênio puro é:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Na prática, o ar de combustão é uma mistura de oxigênio (21%) e nitrogênio (79%). A relação ar-combustível estequiométrica para o gás natural é de 9,5 a 10,5 metros cúbicos de ar por metro cúbico de gás, dependendo da composição do gás. A relação ar-combustível real em uma fornalha é sempre maior que a estequiométrica, pois é necessário um excesso de ar para garantir a combustão completa.
O excesso de ar é o ar fornecido além da quantidade estequiométrica exigida. É expresso como uma porcentagem do ar estequiométrico. Por exemplo, 10% de excesso de ar significa que a relação ar-combustível real é 1,10 vezes a relação estequiométrica.
Por que o excesso de ar é importante
É necessário um certo excesso de ar para garantir a combustão completa. Com ar insuficiente, a combustão fica incompleta e os gases de escape contêm CO e hidrocarbonetos não queimados. O CO e os hidrocarbonetos não queimados representam combustível desperdiçado e um problema regulatório.
Com excesso de ar, este absorve o calor da chama e o transporta para o escapamento. A temperatura dos gases de escape aumenta e a eficiência do combustível diminui. O excesso de ar ideal é o menor valor que proporciona combustão completa com baixa emissão de CO.
Para queimadores a gás natural, o excesso de ar ideal é de 5 a 10% para queimadores de alta velocidade e de 10 a 20% para queimadores atmosféricos de baixa velocidade. As emissões de CO devem ser inferiores a 50 ppm (corrigidas para 3% de O2) na condição ideal.
Como o excesso de ar afeta a eficiência
A relação entre o excesso de ar e a eficiência é significativa. A redução do excesso de ar de 20% para 10% melhora a eficiência do combustível em 3 a 5%. A redução de 10% para 5% melhora a eficiência em mais 1 a 2%. Abaixo de 5% de excesso de ar, as emissões de CO aumentam rapidamente e o risco de combustão incompleta torna-se uma questão de segurança e qualidade.
Em um forno a gás de 5 MW funcionando 6.000 horas por ano, uma melhoria de 5% na eficiência economiza 250 kW de combustível, o que equivale a 1,5 milhão de kWh de gás natural por ano. A um preço de US$ 0,40 por metro cúbico, isso representa uma economia de US$ 150.000 a US$ 200.000 por ano em custos de combustível.
Procedimento de Análise de Combustão
A análise da combustão é feita com um analisador portátil de gases de combustão. O analisador mede o O2, CO, CO2, NO, NO2 e a temperatura nos gases de escape. A análise leva de 30 a 60 minutos por queimador, e o procedimento é o seguinte:
Ligue o forno e deixe-o atingir a temperatura de funcionamento.
2. Insira a sonda no fluxo de gases de escape próximo ao queimador.
3. Registre a composição dos gases de combustão na taxa de queima atual.
4. Ajuste a relação ar-combustível para que o O2 atinja o valor desejado.
5. Verifique se o CO está abaixo do limite (normalmente 50 ppm corrigido para 3% de O2).
6. Repita o processo para cada cadência de tiro dentro da faixa de operação.
A concentração alvo de O2 para um queimador regenerativo de alta velocidade é de 3 a 5% (o que equivale a 15 a 25% de excesso de ar). Para um queimador de baixo NOx com recirculação de gases de combustão (FGR), a concentração alvo de O2 é de 5 a 8%. O CO deve estar abaixo de 50 ppm na concentração alvo de O2.
Se o nível de CO estiver acima de 50 ppm na pressão de O2 alvo, o queimador precisa de manutenção. As causas mais comuns de alto nível de CO são: orifícios do queimador desgastados (substitua o queimador), orifícios do queimador sujos (limpe o queimador) e relação ar-combustível incorreta (recalibre o controlador de relação).
Problemas comuns de combustão
Problema 1: Excesso de ar muito alto. O sintoma é alto teor de O2 nos gases de escape (acima de 5% para um queimador de alta velocidade), alta temperatura dos gases de escape e baixa eficiência de combustível. A causa geralmente é uma relação ar-combustível desregulada, um registro de ar com vazamento ou um queimador desalinhado. A solução é reajustar a relação ar-combustível, reparar o registro ou realinhar o queimador.
Problema 2: Níveis elevados de CO. O sintoma é a presença de CO acima de 50 ppm no escapamento, fumaça no escapamento e possivelmente fuligem na carga. A causa geralmente é uma baixa relação ar-combustível (pouco ar), um queimador desgastado ou uma entrada de ar obstruída. A solução é aumentar a entrada de ar, substituir o queimador ou limpar a entrada de ar.
Problema 3: Níveis elevados de NOx. O sintoma é a presença de NO acima de 100 ppm nos gases de escape. A causa geralmente é uma alta taxa de combustão com recirculação insuficiente de gases de combustão, um queimador desalinhado ou uma configuração de excesso de ar muito alta. A solução é instalar ou ajustar o recirculador de gases de combustão, realinhar o queimador ou reduzir o excesso de ar.
Problema 4: Queima inconsistente. O sintoma é a flutuação da temperatura do forno, a flutuação do O2 nos gases de escape e o aquecimento irregular. A causa geralmente é um controlador de proporção desgastado, um registro de ar com vazamento ou uma pressão de gás instável. A solução é substituir o controlador, reparar o registro ou instalar um regulador de pressão de gás.
Sistemas de controle da relação ar-combustível
Os modernos sistemas de controle de fornos a gás utilizam um controlador de relação cruzada para manter a proporção ar-combustível no valor ideal em toda a faixa de potência de combustão. O projeto de relação cruzada interliga as válvulas de ar e gás, de modo que o ar esteja sempre ligeiramente à frente do gás (ou ligeiramente atrás, dependendo do tipo de queimador). Isso impede que o queimador fique com mistura pobre durante um aumento na potência de combustão ou com mistura rica durante uma redução.
O controlador de relação ar-combustível utiliza um medidor de fluxo de combustível (ou um sinal de pressão de gás) e um medidor de fluxo de ar para calcular a relação ar-combustível real. A relação calculada é comparada ao valor alvo, e o amortecedor de ar é modulado para manter o valor alvo. O controlador também possui uma entrada de ajuste fino proveniente do analisador de O2, que corrige a deriva a longo prazo na relação ar-combustível.
Um controlador de relação ar-combustível bem ajustado mantém a relação ar-combustível dentro de 2% do valor alvo em toda a faixa de disparo. Um controlador mal ajustado pode apresentar uma deriva de 10 a 20%, com consequentes perdas de eficiência e aumento das emissões.
Revisão anual do sistema de combustão
A MONTE INTELLIGENCE recomenda uma revisão anual do sistema de combustão em todas as instalações de fornos a gás. A revisão é realizada por um técnico especializado e inclui: análise da combustão em cada queimador em três taxas de queima (baixa, média e alta), calibração do controlador de proporção, inspeção do ignitor e da haste de chama, e inspeção do registro de ar e da válvula de gás. A revisão leva de 1 a 2 dias por forno, e a economia de energia típica é de 3 a 8% nos próximos 12 meses de operação.
O custo da manutenção preventiva é recuperado em 1 a 3 meses através da redução no consumo de combustível. A manutenção preventiva também identifica problemas no queimador e no sistema de controle que podem causar paradas não programadas se não forem corrigidos.
Fale com a MONTE INTELLIGENCE sobre otimização da combustão.
Para compradores interessados em otimizar a combustão de um forno a gás existente, a MONTE INTELLIGENCE Engineering pode agendar uma visita técnica e fornecer um relatório por escrito com os resultados dos testes e os ajustes recomendados. Visite [link]www.cnlymonte.com/products-gas-furnace.html Para obter as especificações do produto, entre em contato conosco. Para solicitar uma visita técnica, envie um e-mail para helenxu@cnlymonte.com com o assunto "Ajuste de combustão" e detalhes sobre o tipo de sua fornalha, modelo do queimador e custo atual do combustível.
