Aumentando a Eficiência do Reaquecimento de Aço com Combustão Oxi-Combustível e Queimadores Regenerativos

Combustão Oxi-Combustível e sua Aplicação em Fornos de Reaquecimento

O reaquecimento de aço é um processo intensivo em energia que requer distribuição uniforme de temperatura dentro dos fornos de reaquecimento. Historicamente, recuperadores têm sido usados para pré-aquecer o ar de combustão, conservando energia. Inovações mais recentes incluem enriquecimento de oxigênio (O2) e o uso de queimadores regenerativos, que fornecem temperaturas de pré-aquecimento do ar mais altas que os recuperadores. Estes processos têm 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 equipamentos especiais sejam usados.

Três coisas são necessárias para o início e sustentação da combustão: combustível, oxigênio e energia suficiente para ignição. A eficiência do processo de combustão é máxima se combustível e oxigênio puderem se encontrar e reagir sem restrições. Mas durante a prática de aquecimento, além da combustão eficiente, a transferência de calor também é uma consideração prática.

O ar normal usado para combustão contém nitrogênio (N2) e argônio (Ar) além de oxigênio. Em um queimador ar-combustível, a chama do queimador contém nitrogênio do ar de combustão. Uma quantidade significativa da energia do combustível é usada para aquecer este nitrogênio. O nitrogênio quente sai pela chaminé, criando perdas de energia. Portanto, o ar não fornece condições ideais para combustão nem para transferência de calor. O calor absorvido pelo nitrogênio é desperdiçado ou deve ser recuperado para conservação de energia. Os melhores sistemas atuais de aquecimento ar-combustível em fornos de reaquecimento precisam de pelo menos 310 M Cal por tonelada de aço para atingir a temperatura correta do produto de aço para laminação.

Historicamente, o uso primário da combustão oxi-combustível tem sido em soldagem e corte de metais, especialmente aço, pois a oxi-combustível permite temperaturas de chama mais altas do que as alcançáveis com chama ar-combustível. A introdução de uma tecnologia inovadora de queimador oxi-combustível (usando 100% de oxigênio) para reaquecimento de aço é um fenômeno relativamente muito 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 Argonne (ANL) realizou algumas atividades de pesquisa, incluindo um estudo technoeconômico 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. Oxigênio de grau industrial é definido como suprimento de oxigênio líquido vaporizado a gás ou oxigênio gerado no local. O suprimento de oxigênio líquido geralmente tem pureza superior a 99,99%, enquanto a pureza do oxigênio gerado no local costuma estar na faixa de 90% a 93%. A vantagem de usar oxigênio gerado no local é o custo menor, pois o produto não precisa ser liquefeito ou transportado e é entregue a pressões mais baixas para minimizar o consumo de energia. Em usinas siderúrgicas integradas onde existe uma planta de separação de ar para fabricação de aço, oxigênio de alta pureza (99,99%) pode ser fornecido por tubulação a partir da planta de separação de ar.

Quando o gás nitrogênio é evitado com o uso de oxigênio de grau industrial, como no caso da combustão oxi-combustível, não apenas a própria combustão é mais eficiente, mas também a transferência de calor. A combustão oxi-combustível influencia o processo de combustão de várias maneiras. O primeiro resultado óbvio é o aumento da eficiência térmica devido ao volume reduzido de gás de escape, um resultado fundamental e válido para todos os tipos de queimadores oxi-combustível. Adicionalmente, 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, menores emissões de CO2 e NOx e menores emissões de SOx se o combustível contiver enxofre. A Fig. 1 mostra os processos de combustão oxi-combustível e ar-combustível.

Fig. 1 Processos de combustão oxi-combustível e ar-combustível

A combustão oxi-combustível difere da combustão com ar em muitos aspectos, incluindo temperatura de chama reduzida e ignição de chama retardada. Muitos dos efeitos da combustão oxi-combustível podem ser explicados por diferenças nas propriedades dos gases entre CO2 e N2, os principais gases diluentes na oxi-combustível e no ar, respectivamente. O CO2 tem propriedades diferentes do N2 que influenciam tanto a transferência de calor quanto a cinética da reação de combustão. Estas diferenças são descritas abaixo.

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

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

A vantagem geral de substituir ar por oxigênio de grau industrial é que o teor de nitrogênio trazido ao processo de combustão com ar é quase ou completamente eliminado. A redução de nitrogênio na combustão permite temperaturas de chama mais altas e eficiência de combustão, pois o menor volume de gás de combustão reduz a quantidade de calor retirada da chama e perdida no escape. Durante a combustão oxi-combustível, um gás consistindo principalmente de CO2 e água é gerado.

A transferência térmica por combustão oxi-combustível é caracterizada por 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 segundo 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 a vazão possível do forno de reaquecimento. Observou-se que a eficiência energética da combustão oxi-combustível é equivalente ou até melhor que a de fornos de reaquecimento com equipamento para ar de combustão altamente pré-aquecido. Assim, os benefícios de usar oxi-combustível comparado à combustão ar-combustível são os seguintes.

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

Além dos benefícios mencionados acima, a opção de usar combustão oxi-combustível às vezes pode resultar em menor investimento de capital comparado a outros métodos de melhoria de eficiência, como recuperadores ou equipamentos de controle de emissões. A combustão oxi-combustível permite que todas as tubulações e trens de fluxo de instalação sejam compactos, sem necessidade de unidades de recuperação de calor recuperativas ou regenerativas. Também reduz drasticamente o tamanho físico de queimadores, fornos e dutos de gás de escape, bem como elimina a necessidade de ventiladores elétricos. Sopradores de ar de combustão e problemas de ruído de baixa frequência relacionados também são evitados. Além disso, em alguns casos, a conversão para combustão oxi-combustível resultou em menor perda de carepa devido a melhor controle e tempo de aquecimento mais curto.

As chamas oxi-combustível têm temperatura mais alta com menos volume e comprimento que as chamas ar-combustível. A característica da chama com oxi-combustível precisa ser considerada ao projetar sistemas de queimadores oxi-combustível para aplicações de reaquecimento de aço. Geralmente, o aquecimento de aço exige distribuição uniforme de temperatura para que superaquecimento ou subaquecimento localizados no produto sejam evitados. O tipo e posicionamento dos queimadores oxi-combustível depende do tipo de forno e da proximidade das chamas ao produto de aço.

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 razão de combustão é crítico para processos de aquecimento de aço, pois os produtos de combustão compõem a atmosfera de aquecimento e impactam ultimamente a taxa e o tipo de formação de carepa. Em sistemas de combustão ar-combustível, o alto volume de nitrogênio trazido ao processo de combustão com ar fornece um amortecedor ou fator de segurança contra mudanças na razão ar-combustível. Com oxi-combustível, este amortecedor é quase completamente eliminado. Isso significa que uma mudança percentual na razão oxigênio-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 carepa e, em alguns casos, provou ser um benefício. A maior pressão parcial de CO2 e H2O nos produtos de combustão fornece um mecanismo de transferência de calor mais eficiente, permitindo taxa de aquecimento aumentada, o que reduz o fator tempo para formação de carepa. Além disso, a comparação entre ar-combustível e oxi-combustível mostra que as características de formação de carepa mudam com oxi-combustível. A carepa formada na superfície do aço está em uma camada mais fina do que a formada com queima ar-combustível. Acredita-se que a razão para a mudança na característica da carepa seja porque a atmosfera oxi-combustível produz rapidamente uma camada de óxido fina e densa que impede oxidação e formação de carepa adicionais.

Combustão Oxi-Combustível Sem Chama

Nos últimos anos, a "combustão 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 poderia ser que a combustão é "estendida" no tempo e no espaço – ela se espalha em grandes volumes, e por isso às vezes é chamada de "combustão volumétrica". Tal chama tem temperatura uniforme e mais baixa, mas contendo a mesma quantidade de energia.

Na combustão 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 alcançar aquecimento mais homogêneo do aço.

Na 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 oxi-combustível sem chama dispersam efetivamente os gases de combustão por todo o forno, garantindo 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 espalhada por um volume maior. A temperatura de chama mais baixa reduz substancialmente a formação de NOx. A baixa emissão de NOx também é importante do ponto de vista do aquecimento global; o NO2 tem um potencial de aquecimento global quase 300 vezes maior que o CO2. Além disso, o uso de combustíveis de baixo poder calorífico é viável, o que tem sido enfatizado lately, por exemplo, usando gás de topo de alto-forno.

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

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

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