Queimadores de Fornos de Reaquecimento: Tipos, Eficiência e Impacto Ambiental

Tipos de Queimadores em Fornos de Reaquecimento

Atualmente, a indústria siderúrgica enfrenta grandes desafios de redução contínua de emissões ambientais enquanto melhora a viabilidade econômica dos processos. Fornos de reaquecimento, devido ao seu alto consumo de energia, são uma área onde a atenção da indústria siderúrgica é necessária. Eles são equipamentos importantes que contribuem para a produtividade e eficiência energética da usina siderúrgica.

Fornos de reaquecimento modernos são fornos de viga caminhante, onde as vigas elevam o material de carga de aço (lingotes, blocos ou placas) dentro do forno e o movem para a próxima posição. O aquecimento nestes fornos é feito por queima direta do combustível tanto de cima quanto de baixo do material de carga de aço, usando queimadores de teto (para aquecer o teto que então irradia calor para o material de carga) e/ou queimadores de chama longa (paredes laterais e/ou parede frontal). Combustíveis comuns usados nos fornos de reaquecimento são gás misto de baixo poder calorífico (gás de alto-forno misturado com gás de coqueria e gás de conversor), gás de coqueria, óleo pesado, óleo combustível de baixo teor de enxofre (LSHS), ou gás natural.

Os parâmetros importantes para um forno de reaquecimento incluem o sistema de combustão consistindo do combustível usado, suprimento e condição tecnológica do ar de combustão, os queimadores e sua localização para distribuição adequada de calor, pré-aquecimento do ar de combustão e gás combustível, sistema de recuperação de calor residual, razão ar-combustível, controle de tiro do forno, sistema de escape do forno, e sistema de medição e controle de parâmetros do forno. O sistema de combustão do forno, além de suportar o nível de produtividade requerido do forno, garante utilização eficiente da entrada de calor, menores perdas de calor, recuperação eficiente de calor residual, dano mínimo aos refratários do forno, e menor geração de gases de efeito estufa, especialmente NOx. O sistema de combustão do forno também garante uma atmosfera do forno que minimiza a formação de carepa na superfície do aço.

Sistemas de recuperação de calor têm sido amplamente usados em usinas siderúrgicas para reduzir as perdas de calor dos gases de escape dos fornos de reaquecimento. Como a perda de calor dos gases de escape representa alta porcentagem de perda térmica, a eficiência do forno é melhorada e o consumo de combustível é reduzido pelo uso de sistema de recuperação de calor. Dois tipos de sistemas de recuperação de calor são normalmente empregados: sistema centralizado e sistema distribuído. O sistema centralizado de recuperação de calor pré-aquece o ar de combustão com um recuperador metálico pelo calor dos gases de escape e está atualmente em uso generalizado. No entanto, a temperatura máxima de ar pré-aquecido atingível por este método é de cerca de 600 °C com temperatura do forno de cerca de 1300 °C devido a limitações de temperatura do material. O sistema distribuído de recuperação de calor consiste em um sistema de queimador regenerativo do tipo comutação com o uso de bolas cerâmicas (geralmente alumina) como meio regenerativo. Ele fornece temperatura de ar pré-aquecido mais alta que a do sistema centralizado.

Os queimadores usados nos fornos de reaquecimento constituem um dos aspectos importantes que decidem a eficiência energética do forno de reaquecimento. Diferentes especificações de aço requerem diferentes perfis de temperatura no forno de reaquecimento. Portanto, para a distribuição adequada de calor dentro do forno, é importante que os queimadores tenham flexibilidade para que o pessoal operacional possa adaptar os parâmetros de combustão às diversas condições de processo. Os queimadores precisam ter razão de redução adequada, baixas capacidades de NOx e alta eficiência.

A disposição dos queimadores em um forno de reaquecimento também é muito importante para as características de aquecimento do forno. De acordo com a posição dos queimadores no forno, os arranjos são classificados em três métodos de aquecimento: (i) Uso de queimadores de fluxo axial na parede frontal, (ii) uso de queimadores laterais nas paredes laterais, e (iii) Uso de queimadores radiantes de chama plana no teto. Cada método de aquecimento tem suas próprias características. Um método de aquecimento particular ou uma combinação de métodos é adotado para um forno de reaquecimento para atender às condições locais na usina siderúrgica. Em usinas siderúrgicas onde múltiplos combustíveis estão disponíveis, os queimadores devem ter capacidade de utilização de múltiplos combustíveis.

O forno de reaquecimento deve ser projetado para garantir que, dentro de um determinado tempo, o material de carga de aço seja aquecido uniformemente a uma temperatura desejada com a quantidade mínima de combustível. Como o aquecimento é realizado com o uso de queimadores, o seguinte deve ser garantido para distribuição adequada de calor.

• A queima do forno de reaquecimento deve ser feita por queimadores localizados na extremidade de descarga do forno e localizados na parte superior e/ou inferior do material de carga de aço.
• A chama não deve tocar ou ser obstruída por qualquer objeto sólido. Qualquer obstrução faz com que as partículas de combustível se desatomizem, o que afeta a combustão e causa fumaça preta. Se a chama incidir no material de carga de aço, as perdas de carepa aumentam. Se a chama incidir nos refratários, produtos de combustão incompleta podem se depositar e reagir com os constituintes do refratário a altas temperaturas, causando danos aos refratários do forno.
• As chamas de diferentes queimadores devem estar livres umas das outras, pois chamas que se intersectam causam combustão incompleta. Também é desejável escalonar queimadores em lados opostos.
• A chama do queimador tem tendência a se mover livremente no espaço de combustão logo acima do material. Por esta razão, o eixo do queimador no forno não deve ser colocado paralelo ao soleira, mas em um ângulo ascendente. No entanto, a chama não deve atingir o teto do forno.
• Queimadores grandes produzem chamas mais longas, que geralmente são difíceis de conter dentro das paredes do forno. Portanto, um grande número de queimadores de menor capacidade são geralmente empregados para garantir melhor distribuição de calor dentro do forno e também aumentar a vida do forno.

Os queimadores usados nos fornos de reaquecimento são de chama longa ou chama plana.

Queimador de Chama Plana

Os queimadores de chama plana (QCP) são geralmente usados no teto do forno de reaquecimento. Devido a estes queimadores, a transferência de calor radiativo indireta ocorre. O calor da combustão do combustível é transferido para o material de carga de aço não apenas diretamente da chama, mas também através do revestimento refratário do teto do forno. A chama, que é normalmente não luminosa, é caracterizada por alta temperatura e emissividade relativamente baixa, correspondente à radiação seletiva de dióxido de carbono e vapor de água. Por falta de impacto da chama no material de carga de aço, os fornos aquecidos por QCP são conhecidos como fornos de aquecimento indireto.

Os queimadores são projetados para espalhar a chama sobre a superfície do teto em uma camada fina. Como a taxa de fluxo dos gases de combustão na direção do eixo do queimador é desprezível, a temperatura do teto refratário é aumentada devido à intensa transferência de calor da chama para o teto. Dessa forma, o teto refratário atua como a principal superfície radiante.

O uso de queimadores de chama plana é considerado apropriado e vantajoso quando o material de carga de aço no forno de reaquecimento tem uma grande superfície plana, possivelmente paralela ao teto do forno e quando a temperatura de aquecimento do material de carga de aço é acima de 900 °C. As seguintes são as principais vantagens e desvantagens dos fornos aquecidos por QCP:

• A distribuição de temperatura na câmara do forno QCP e no material de carga de aço é mais uniforme. Há controle satisfatório de temperatura das zonas individuais, permitindo atingir a produção necessária do forno.
• As taxas de aquecimento mais rápidas, devido ao QCP, diminuem o tempo de exposição do material de carga de aço a altas temperaturas. Portanto, a ocorrência de oxidação superficial ou fenômenos como descarburização e estrutura de grão grosso de aço é grandemente reduzida.
• Uma grande redução no consumo de combustível de até quase 40% pode ser alcançada seguindo uma diminuição de 100% a 50% na produção do forno.
• A mistura intensiva de combustível gasoso e ar de combustão garante combustão rápida e completa da mistura a baixo valor de excesso de ar.
• Uma desvantagem básica do aquecimento de teto é o risco de superaquecimento da superfície do material de carga de aço após uma mudança súbita na produção do forno.
• Uma taxa de aquecimento excessiva no início da câmara do forno pode induzir tensões térmicas indesejadas e deformações estruturais no material de carga de aço.

Queimadores de Chama Longa

Uma grande variedade de queimadores de chama longa de várias características e diferentes capacidades está disponível no mercado. Estes queimadores estão disponíveis em várias capacidades e para uso de diferentes combustíveis, como óleo, gás ou múltiplos combustíveis.

No forno de reaquecimento com queimadores de chama longa, como a maior parte do aquecimento do material de carga de aço ocorre por convecção, a recirculação dos produtos de combustão contribui substancialmente para a velocidade de aquecimento e uniformidade de temperatura. Os queimadores de chama longa produzem gases de alta velocidade que arrastam e recirculam os gases de combustão para atingir uniformidade de temperatura no forno com mínimo de excesso de ar.

Os queimadores na parede frontal do forno de reaquecimento são geralmente de chama mais longa, enquanto os da parede lateral são de chama variável mais curta. Os queimadores na parede frontal do forno de reaquecimento são normalmente do tipo de queima de fluxo axial e precisam de ampla faixa de ajuste. São queimadores de grande capacidade e têm limitação do comprimento por zona na direção do comprimento do forno. O fluxo de gases de queima dentro do forno é suave ao longo do comprimento do forno. As partes do nariz dos queimadores tornam a estrutura do forno complicada. Com estes queimadores há uniformidade de aquecimento ao longo da largura do forno, mas a temperatura tende a cair nas partes do nariz na direção do comprimento do forno. A operabilidade é relativamente boa, exceto ao redor dos queimadores na área inferior onde a temperatura é relativamente alta.

Os queimadores na parede lateral precisam de faixa estreita de ajustes. Estes queimadores também são de grande capacidade e têm limitação na direção da largura do forno. O fluxo de gases de queima tende a derivar, já que a direção dos queimadores é em ângulo reto com a direção do comprimento do forno. Como não há parte do nariz nestes queimadores, eles não complicam a estrutura do forno. Os queimadores têm boa uniformidade na direção do comprimento do forno, mas pobre uniformidade na direção da largura do forno. A operabilidade é relativamente boa com estes queimadores.

Queimadores Regenerativos e Recuperativos

Um queimador regenerativo é um sistema de recuperação de calor que recupera o calor residual do gás de escape do forno para aquecer o ar de combustão necessário para a queima do combustível no queimador. O uso de queimadores regenerativos para fornos de reaquecimento pode proporcionar economia significativa de energia.

Os queimadores regenerativos são projetados para recuperar o calor para o ar de entrada transferindo o calor do gás de escape para o ar de entrada que será usado na combustão. O queimador regenerativo tem dois conjuntos de queimadores, cada um com um regenerador e a válvula de reversão. O regenerador usa bolas cerâmicas (geralmente alumina) para coletar o calor. Enquanto o primeiro queimador regenerativo está queimando, o outro está exaurindo os gases do forno. O gás de escape passa pelo corpo do queimador regenerativo e transfere o calor para as bolas cerâmicas. Portanto, o calor do gás de escape é transferido para o ar de entrada, pois este passa pelas bolas cerâmicas aquecidas. A válvula de reversão define a direção do fluxo de ar que entra no cabeçote do queimador, o que faz a temperatura do ar de entrada ficar semelhante à temperatura de operação. Devido a uma alta temperatura de ar de combustão pré-aquecido, o queimador regenerativo pode economizar combustível e fazer a combustão com alta eficiência.

No caso de um queimador recuperativo, a estrutura do queimador é similar ao tubo trocador de calor por radiação que aquece o ar de entrada até temperatura mais alta (cerca de 750 °C) recuperando o calor do gás de escape para o ar de entrada. Portanto, o calor trocado no queimador pode melhorar a eficiência de combustão e economizar custo de combustível aproximadamente 25% a 30%.

O princípio do queimador regenerativo é mostrado na Fig. 1. O primeiro queimador está no modo de queima enquanto o segundo está no modo de exaustão. O primeiro queimador está queimando com ar de combustão quente soprando através de seu queimador. O segundo queimador está recebendo o gás de escape quente do forno para suas bolas cerâmicas a fim de manter o calor no queimador. Somente após passar seu calor, o gás de escape é liberado. Após um período de meio minuto a um minuto, o segundo queimador é comutado para modo de queima enquanto o primeiro começa a receber o gás de escape quente. Os modos de queima e recepção do queimador operam alternada e continuamente até o forno de reaquecimento ser parado. A alta temperatura de ar pré-aquecido torna o processo de combustão muito eficiente.

O princípio do queimador recuperativo também é mostrado na Fig. 1. A temperatura do ar de entrada é pré-aquecida antes da combustão no forno pela técnica de troca de calor. O gás de escape flui através do queimador equipado com um trocador de calor instalado dentro do queimador. O calor do gás de escape é trocado para o ar de entrada antes que ele flua para fora do queimador. O gás de escape percorre a área ao redor da parte externa do queimador e o calor é trocado dentro do queimador.

Fig. 1 Princípios dos sistemas de queimadores regenerativos e recuperativos

Queimadores Oxi-Combustível

Oxi-combustível refere-se à prática de substituir totalmente o ar como fonte de oxidante para combustão por oxigênio de grau industrial. A combustão oxi-combustível reduz ou elimina o nitrogênio no ar de combustão e reduz substancialmente o calor residual levado com o gás de escape. Os queimadores oxi-combustível podem ser usados em fornos de reaquecimento de alta temperatura onde a uniformidade de temperatura é crítica e emissões extremamente baixas de NOx são desejadas.

A vantagem geral de substituir ar por oxigênio de grau industrial é que o teor de nitrogênio presente no ar trazido ao processo de combustão 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 nos gases de escape.

Os benefícios de usar oxi-combustível comparado à combustão ar-combustível são: (i) consumo de energia reduzido, (ii) taxa de aquecimento aumentada resultando em maior produção sem aumento no ponto de ajuste de temperatura do forno, e (iii) emissões do forno reduzidas.

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.

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.