Combustão Oxi-Combustível e sua Aplicação em Fornos de Reaquecimento

Combustão de oxi-combustível e sua aplicação em fornos de reaquecimento

O reaquecimento do aço é um processo de uso intensivo de energia que requer distribuição uniforme de temperatura dentro dos fornos de reaquecimento. Historicamente, os recuperadores têm sido usados ​​para pré-aquecer o ar de combustão, economizando energia. As inovações mais recentes incluem o enriquecimento de oxigênio (O2) e o uso de queimadores regenerativos, que fornecem temperaturas de ar de pré-aquecimento mais altas do que os recuperadores. Esses processos apresentam limitações como deterioração do equipamento, diminuição da eficiência energética ao longo do tempo, altos custos de manutenção e aumento das emissões de NOx com o aumento da temperatura de pré-aquecimento do ar, a menos que sejam utilizados equipamentos especiais.

Três coisas são necessárias para iniciar e sustentar a combustão. Estes são combustível, oxigênio e energia suficiente para a ignição. A eficiência do processo de combustão é maior se o combustível e o oxigênio puderem se encontrar e reagir sem quaisquer restrições. Mas durante a prática de aquecimento, além da combustão eficiente, a transferência de calor também é de consideração prática.

O ar normal usado para combustão contém nitrogênio (N2) e argônio (Ar) além de oxigênio. Em um queimador de ar-combustível, a chama do queimador contém nitrogênio do ar de combustão. Uma quantidade significativa da energia do combustível é usada para aquecer esse nitrogênio. O nitrogênio quente sai pela chaminé, criando perdas de energia. Portanto, o ar não fornece condições ideais para a combustão, bem como para a transferência de calor. O calor absorvido pelo nitrogênio é desperdiçado ou deve ser recuperado para fins de conservação de energia. Atualmente, o melhor sistema de aquecimento de ar-combustível no forno de reaquecimento precisa de pelo menos 310 M Cal para uma tonelada de aço para atingir a temperatura certa do produto de aço para laminação.





Historicamente, o uso primário da combustão de oxi-combustível tem sido na soldagem e corte de metais, especialmente aço, uma vez que o oxi-combustível permite temperaturas de chama mais altas do que as que podem ser alcançadas com uma chama de ar-combustível. A introdução de uma tecnologia inovadora de queima de oxi-combustível (usando 100% de oxigênio) para o reaquecimento do aço é um fenômeno relativamente recente. O conceito de combustão oxi-combustível foi proposto em 1982 por Abraham no contexto de fornecer um gás de combustão rico em dióxido de carbono (CO2). Devido aos benefícios potenciais, o Laboratório Nacional de Argonne (ANL) realizou algumas atividades de pesquisa, incluindo um estudo técnico econômico e estudos em escala piloto sobre o assunto.

Oxi – combustível refere-se à prática de substituir totalmente o ar como fonte de oxidante para combustão por oxigênio de grau industrial. O oxigênio de grau industrial é definido como suprimento de oxigênio líquido vaporizado para um gás ou oxigênio gerado no local. O fornecimento de oxigênio líquido geralmente tem uma pureza de mais de 99,99%, enquanto a pureza do oxigênio gerado no local geralmente está na faixa de 90% a 93%. A vantagem de usar o oxigênio gerado no local é o custo mais baixo, pois o produto não precisa ser liquefeito ou transportado e é fornecido com menor pressão para minimizar o consumo de energia. Na siderurgia integrada, onde existe uma unidade de separação de ar para fabricação de aço, o oxigênio de alta pureza (99,99%) pode ser fornecido por tubulação da unidade de separação de ar.

Quando o gás nitrogênio é evitado com o uso de oxigênio de grau industrial, como no caso da combustão de oxi-combustível, não apenas a combustão em si é mais eficiente, mas também a transferência de calor. Oxi – a combustão do combustível influencia o processo de combustão de várias maneiras. O primeiro resultado óbvio é o aumento da eficiência térmica devido ao reduzido volume de gases de escape, resultado fundamental e válido para todos os tipos de queimadores de oxi-combustível. Além disso, a concentração dos produtos de combustão altamente radiantes, CO2 e H2O, é aumentada na atmosfera do forno. Para operações de aquecimento, esses dois fatores levam a uma taxa de aquecimento mais alta, economia de combustível, emissões de CO2 e NOx mais baixas e emissões de SOx mais baixas se o combustível contiver enxofre. A Figura 1 mostra os processos de combustão Oxi – combustível e ar – combustível.

Fig 1 Oxi – combustível e ar – processos de combustão de combustível

Oxi – a combustão do combustível difere da combustão do ar de várias maneiras, incluindo a redução da temperatura da chama e a ignição retardada da chama. Muitos dos efeitos da combustão de oxi-combustível podem ser explicados por diferenças nas propriedades do gás entre CO2 e N2, os principais gases diluentes em oxi-combustível e ar, respectivamente. O CO2 tem propriedades diferentes do N2 que influenciam tanto a transferência de calor quanto a cinética da reação de combustão. Essas diferenças são descritas abaixo.

• Densidade -O peso molecular do CO2 é 44, comparado a 28 do N2, portanto, a densidade do gás de combustão é maior na combustão de oxi-combustível.
• Capacidade de calor -A capacidade de calor de CO2 é maior que N2.
• Difusividade – A taxa de difusão de oxigênio no CO2 é 0,8 vezes maior que no N2.
• Propriedades radiativas dos gases do forno:-Oxi – a combustão do combustível tem níveis mais altos de CO2 e H2O, ambos com alto poder de emissão.

Comparado ao ar – combustível, oxi – combustível, resulta em um aquecimento muito mais eficiente e rápido do produto de aço. A eficiência térmica do oxi-combustível é de cerca de 80% em comparação com a eficiência do ar-combustível que é de cerca de 40% a 60%. Com o oxi-combustível há melhora na produtividade e diminuição no consumo de combustível para aquecer o produto siderúrgico até a temperatura desejada. O uso de oxi-combustível também melhora a uniformidade da temperatura e produz menos emissões para o meio ambiente.

A vantagem geral de substituir o ar por oxigênio de grau industrial é que o teor de nitrogênio trazido para o processo de combustão com ar é quase ou completamente eliminado. A redução do nitrogênio na combustão permite maior temperatura da chama e eficiência de combustão, pois o menor volume de gás de combustão reduz a quantidade de calor retirado da chama e perdido para o escapamento. Durante a combustão de oxi-combustível, é gerado um gás constituído principalmente por CO2 e água.

A transferência térmica por combustão de oxi-combustível é caracterizada por uma transferência localizada considerável devido à alta emissividade (concentrações consideráveis ​​de CO2 e H2O nas chamas) e volume de chama reduzido, levando primeiro a uma capacidade aprimorada de transferir sua energia para a carga e, em segundo lugar, a um ganho extra em eficiência energética.

Para operações de aquecimento contínuo, também é possível operar economicamente o forno de reaquecimento a uma temperatura mais alta no lado de entrada do forno. Isso aumenta ainda mais o rendimento possível do forno de reaquecimento. Observou-se que a eficiência energética da combustão oxi-combustível é equivalente ou até melhor do que os fornos de reaquecimento com equipamentos para ar de combustão altamente pré-aquecido. Assim, os benefícios do uso de oxi-combustível em comparação com a combustão de ar-combustível são os seguintes.

• O oxi-combustível resulta em aumentos substanciais no calor disponível (entrada total de energia menos energia perdida para a exaustão) em comparação com a combustão ar-combustível. O aumento do calor disponível está diretamente relacionado à redução do consumo de energia.
• Um aumento no calor disponível de combustão significa que menos calor é perdido para a exaustão e uma porcentagem maior da entrada total de energia é deixada para realizar trabalho no forno. Assim, quando o calor disponível aumenta, a quantidade total de energia necessária para realizar uma quantidade constante de trabalho diminui.
• O aumento da taxa de aquecimento resulta em maior produção. O limite prático para o aumento da produção depende da capacidade da carga de absorver calor e do tempo e temperatura em que a carga é exposta ao calor. A experiência de várias instalações de oxi-combustível é que o rendimento do produto pode ser aumentado na maioria das operações sem aumentar o ponto de ajuste da temperatura do forno, com exceção dos fornos de reaquecimento que já estão atendendo a um limite de rampa de temperatura definido. Além do aumento do calor disponível, a maior temperatura da chama do oxi-combustível e o potencial de radiação dos gases de combustão têm um impacto positivo na capacidade de aquecimento e na taxa de produção.
• Como a transferência de calor por radiação depende da diferença de temperatura da fonte para o receptor até a quarta potência, a combustão de oxi-combustível resulta em um grande aumento no potencial de radiação de chama para carga. Os produtos de combustão do oxi-combustível também são melhores fontes de transferência de calor radiante. Isso ocorre porque a maioria dos produtos de combustão de ar-combustível é nitrogênio, que não é um mecanismo eficiente de transferência de calor radiante como o dióxido de carbono e o vapor de água que compõem a maioria dos produtos de combustão de oxi-combustível.
• Emissões reduzidas do forno – O volume de exaustão é substancialmente menor com oxi-combustível. O volume total de exaustão com oxicombustível é geralmente 70% a 90% menor que o volume total de exaustão ar-combustível. O resultado mais óbvio do uso de oxi-combustível é que o consumo de combustível é reduzido. Com a redução do consumo de combustível a emissão de CO2 é menor em um determinado tempo ou por unidade de carga aquecida. Com a combustão de oxi-combustível, a pressão parcial de nitrogênio nos produtos de combustão é drasticamente reduzida, diminuindo o potencial de formação de NOx, mesmo em temperaturas de chama elevadas.
• A concentração de poluentes no gás de combustão é maior, facilitando a separação
• O gás de combustão é principalmente CO2, adequado para sequestro

Além dos benefícios mencionados acima, a opção de usar a combustão de oxi-combustível às vezes pode resultar em menor investimento de capital em comparação com outros métodos de melhoria da eficiência, como recuperadores ou equipamentos de controle de emissões. A combustão oxi-combustível permite que todos os tubos de instalação e trens de fluxo sejam compactos sem a necessidade de unidades de recuperação de calor recuperativas ou regenerativas. Também reduz drasticamente o tamanho físico dos queimadores, fornos e dutos de gases de combustão, além de não haver necessidade de ventiladores elétricos. Também são evitados os ventiladores de ar de combustão e os problemas de ruído de baixa frequência relacionados. Além disso, em alguns casos, a conversão para combustão oxi-combustível resultou em menor perda de escala devido ao melhor controle e menor tempo de aquecimento.

As chamas de oxi-combustível têm uma temperatura mais alta com menos volume e comprimento do que as chamas de ar-combustível. A característica de chama com oxi-combustível deve ser considerada ao projetar sistemas de queimadores de oxi-combustível para aplicações de reaquecimento de aço. Geralmente, o aquecimento do aço exige uma distribuição uniforme da temperatura, de modo que o superaquecimento ou subaquecimento localizado no produto seja evitado. O tipo e a colocação dos queimadores de oxi-combustível dependem do tipo de forno e da proximidade das chamas ao produto siderúrgico.

Embora forneça benefícios substanciais à eficiência, o baixo volume de produtos de combustão com oxi-combustível requer atenção especial ao projetar sistemas de controle de combustão. O controle adequado da taxa de combustão é fundamental para os processos de aquecimento do aço, pois os produtos da combustão compõem a atmosfera de aquecimento e, em última análise, afetam a taxa e o tipo de formação de incrustações. Em sistemas de combustão ar-combustível, o alto volume de nitrogênio trazido para o processo de combustão com ar fornece um amortecedor ou fator de segurança contra mudanças na relação ar/combustível. Com o oxi-combustível este amortecedor é quase completamente eliminado. Isso significa que uma mudança percentual na proporção de oxigênio para combustível com oxi-combustível terá um impacto maior na atmosfera do forno de aquecimento do que a mesma mudança com ar-combustível.

A mudança na atmosfera do forno com oxi-combustível não tem efeito prejudicial na formação de incrustações e, em alguns casos, provou ser um benefício. A pressão parcial mais alta de CO2 e H2O nos produtos de combustão fornece um mecanismo de transferência de calor mais eficiente, permitindo uma taxa de aquecimento aumentada, o que reduz o fator de tempo para a formação de incrustações. Além disso, a comparação de ar-combustível e oxi-combustível mostra que as características da formação de incrustações mudam com oxi-combustível. A escama formada na superfície do aço está em uma camada mais fina do que a formada com a queima de ar-combustível. Acredita-se que a razão para a mudança na característica de incrustação seja porque a atmosfera de oxi-combustível produz rapidamente uma camada de óxido fina e densa que evita mais oxidação e formação de incrustações.

Oxi sem chama – combustão de combustível

Nos últimos anos, a “combustão de oxi-combustível sem chama” tem sido empregada. A expressão comunica o aspecto visual do tipo de combustão, ou seja, a chama não é mais visualmente vista ou facilmente detectada pelo olho humano. Outra descrição pode ser que a combustão é “estendida” no tempo e no espaço – está espalhada em grandes volumes, e é por isso que às vezes é chamada de “combustão em volume”. Essa chama tem uma temperatura uniforme e mais baixa, mas contém a mesma quantidade de energia.

Na combustão de oxi-combustível sem chama, a chama é diluída pelos gases quentes do forno. Isso reduz a temperatura da chama para evitar a criação de NOx térmico e para obter um aquecimento mais homogêneo do aço.

No oxi-combustível sem chama, a mistura de combustível e oxidante reage uniformemente através do volume da chama, com a taxa controlada pelas pressões parciais dos reagentes e sua temperatura. Os queimadores de oxi-combustível sem chama dispersam efetivamente os gases de combustão por todo o forno, garantindo um aquecimento mais eficaz e uniforme do material mesmo com um número limitado de queimadores instalados – a chama dispersa ainda contém a mesma quantidade de energia, mas está espalhada por um volume maior . A temperatura de chama mais baixa está reduzindo substancialmente a baixa formação de NOx. A baixa emissão de NOx também é importante do ponto de vista do aquecimento global; O NO2 tem o chamado potencial de aquecimento global que é quase 300 vezes maior do que o CO2. Além disso, o uso de combustíveis de baixo poder calorífico é viável, o que tem sido enfatizado ultimamente, por exemplo, usando gás de alto-forno.

Os queimadores de oxi-combustível sempre foram potentes e compactos, e a nova geração de queimadores de oxi-combustível sem chama manteve seu design compacto para facilitar a troca de queimadores de oxi-combustível já instalados e para facilitar o retrofit de instalações de ar-combustível. Além disso, a combustão de oxi-combustível sem chama não apenas adiciona mais vantagens, mas abre para novas aplicações, todas suportando um impacto ambiental substancialmente reduzido.

Nas siderúrgicas onde já foi implementada a tecnologia de oxi-combustão, estão sendo obtidos os seguintes resultados.

• Melhoria na capacidade de produção do forno de reaquecimento até um nível de 50%
• Economia no consumo de combustível até um nível de 50%
• Diminuição das emissões de CO2 até um nível de 50%
• Menor quantidade de emissões de NOx
• Redução da perda de incrustação durante o reaquecimento
• Não há impacto negativo na qualidade da superfície do aço
• Há um impacto positivo na uniformidade da temperatura do aço
• É possível alcançar a curva de aquecimento ideal sugerida pelo sistema de controle com mais facilidade
• Há menos fumaça emanando da chaminé do forno, o que melhora muito o ambiente da planta.
  
  
  
  
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