Recuperação Eficaz de Calor Residual para Operações Industriais Sustentáveis

Recuperação de Calor Residual

Calor residual é o calor gerado em um processo devido à combustão de combustível ou reação química e então descarregado no ambiente sem ser aproveitado para uso prático. Fontes de calor residual incluem gases de combustão quentes descarregados na atmosfera, gases de processo, perdas condutivas, convectivas e radiativas de equipamentos e produtos aquecidos deixando vários processos industriais (coque quente, ferro-gusa, aço líquido, produto laminado a quente, etc.), e transferência de calor de superfícies de equipamentos quentes (calor transferido para água de resfriamento).

A recuperação de calor residual consiste na captura e reutilização do calor residual dos processos industriais para aquecimento ou geração de trabalho mecânico ou elétrico. Usos típicos incluem pré-aquecimento de ar de combustão, pré-aquecimento de gás combustível, pré-aquecimento de água de alimentação de caldeira, pré-aquecimento de matéria-prima, geração de vapor de processo, e produção de vapor para geração de energia, etc. A ideia básica por trás da recuperação de calor residual é tentar recuperar quantidades máximas de calor na planta e reutilizá-lo o máximo possível, em vez de apenas liberá-lo no ambiente (ar ou rio próximo).

O calor residual é intrínseco a todos os processos de fabricação. Durante os processos industriais de fabricação, cerca de 20% a 50% da energia consumida é finalmente perdida via calor residual contido em correntes de gases de escape quentes e líquidos, bem como através de condução, convecção e radiação da superfície de equipamentos quentes, bem como dos produtos aquecidos. A recuperação de calor residual é uma abordagem alternativa valiosa para melhorias de eficiência energética geral de fornos industriais. A eficiência energética que pode ser alcançada através da recuperação de calor residual está normalmente na faixa de 10% a 50%.

O fato essencial não é a quantidade de calor, mas sim seu valor. O mecanismo para recuperar o calor não utilizado depende da temperatura dos fluidos de calor residual e da economia envolvida. As tecnologias de recuperação de calor residual frequentemente reduzem os custos operacionais das instalações ao aumentar sua produtividade energética. O calor residual capturado e reutilizado é um substituto livre de emissões para combustíveis comprados caros ou eletricidade.

A Fig. 1 mostra o fluxo de energia típico sem e com recuperação de calor.

Fig. 1 Fluxo de energia típico sem e com recuperação de calor

Três componentes essenciais necessários para recuperação de calor residual são: (i) uma fonte acessível de calor residual, como gases de escape de combustão, gases de escape de processo, gases quentes de fornos, água de torre de resfriamento, etc.; (ii) uma tecnologia de recuperação, como regenerador, recuperador, economizador, caldeira de calor residual, gerador termoelétrico, etc.; e (iii) um uso para a energia recuperada, como pré-aquecimento de água de alimentação de caldeira, matérias-primas e pré-aquecimento de ar de combustão, geração de vapor e/ou energia elétrica, e pré-aquecimento de gases de combustão de baixo poder calorífico, como gás de alto-forno, etc.

Equipamentos de Recuperação de Calor Residual

Existem vários equipamentos de recuperação de calor sendo usados em uma usina siderúrgica. Os principais são descritos abaixo. Trocadores de calor são os mais comumente usados para transferir calor de gases de escape de combustão para ar de combustão entrando no forno. Como o ar de combustão pré-aquecido entra no forno a uma temperatura mais alta, menos energia precisa ser suprida pelo combustível. Tecnologias típicas usadas para pré-aquecimento de ar são:

• Recuperadores – Recuperadores recuperam calor residual de gases de escape em aplicações de média a alta temperatura. Recuperadores podem basear-se no princípio de transferência de calor por radiação, convecção, ou combinações. São construídos em materiais metálicos ou cerâmicos. Recuperadores metálicos são usados em aplicações com temperaturas abaixo de 1050 °C, enquanto a recuperação de calor a temperaturas mais altas é mais adequada a recuperadores de tubos cerâmicos, que podem operar com temperaturas do lado quente de até 1500 °C e do lado frio de cerca de 950 °C.
• Regeneradores – Regeneradores consistem em duas câmaras de "alvenaria xadrez" por onde ar quente e frio fluem alternadamente. À medida que os gases de escape de combustão passam por uma câmara, os tijolos absorvem calor do gás de combustão e sua temperatura aumenta. Após os tijolos absorverem calor, o fluxo é invertido para que o ar de combustão de entrada passe pela alvenaria quente, que transfere calor ao ar de combustão entrando no forno. Um mínimo de duas câmaras é usado para que, enquanto uma absorve calor dos gases de escape, a outra transfere calor ao ar de combustão. A direção do fluxo de ar é alterada em intervalos de tempo fixos. Regeneradores são especialmente adequados para aplicações de alta temperatura com gases de escape sujos. Uma grande desvantagem é o grande tamanho e custos de capital, significativamente maiores que os custos de recuperadores.
• Pré-aquecedores de ar passivos – São dispositivos de recuperação de calor gás-gás para aplicações de baixa a média temperatura onde a contaminação cruzada entre correntes de gás deve ser evitada. Pré-aquecedores passivos são geralmente de dois tipos: (i) tipo placa e (ii) tipo heat pipe. O pré-aquecedor tipo placa consiste em múltiplas placas paralelas que criam canais separados para correntes de gás quente e frio. Fluxos quente e frio alternam entre as placas e permitem áreas significativas para transferência de calor. O trocador de calor heat pipe consiste em vários tubos com extremidades seladas. Cada tubo contém uma estrutura de pavio capilar que facilita o movimento do fluido de trabalho entre as extremidades quente e fria do tubo. Gases quentes passam sobre uma extremidade do heat pipe, causando a evaporação do fluido de trabalho dentro do tubo. Gradientes de pressão ao longo do tubo fazem o vapor quente mover-se para a outra extremidade do tubo, onde o vapor condensa e transfere calor para o gás frio. O condensado então cicla de volta para o lado quente do tubo via ação capilar.
• Queimadores recuperativos ou regenerativos – Queimadores que incorporam sistemas recuperativos ou regenerativos são mais simples e compactos em design e construção que recuperadores ou regeneradores autônomos. Estes sistemas fornecem maior eficiência energética comparados a queimadores operando com ar ambiente. Um queimador autorrecuperativo incorpora superfícies de troca de calor como parte do design do corpo do queimador para capturar energia do gás de escape que passa de volta pelo corpo. Queimadores autorregenerativos passam gases de escape pelo corpo do queimador em uma caixa de meio refratário e operam em pares de maneira similar a um regenerador. Tipicamente, sistemas de queimadores recuperativos têm menor área de troca de calor e sistemas de queimadores regenerativos menor massa que unidades autônomas. Portanto, sua recuperação de energia é menor, mas seus custos menores e facilidade de retrofit os tornam uma alternativa atraente para recuperação de energia.
• Trocadores de calor casco e tubo – Quando o meio contendo calor residual é um líquido ou vapor que aquece outro líquido, o trocador de calor casco e tubo é normalmente usado, já que ambos os caminhos devem ser vedados para conter as pressões de seus respectivos fluidos. O casco contém o feixe de tubos, e geralmente baffles internos, para direcionar o fluido no casco sobre os tubos em múltiplas passagens. O casco é inerentemente mais fraco que o tubo, então o fluido de maior pressão é circulado nos tubos enquanto o fluido de menor pressão flui pelo casco. Quando um vapor contém o calor residual, ele geralmente condensa, cedendo seu calor latente ao líquido sendo aquecido. Nesta aplicação, o vapor é quase invariavelmente contido dentro do casco. Se o inverso for tentado, a condensação de vapores dentro de tubos paralelos de pequeno diâmetro causa instabilidades de fluxo. Trocadores de calor tubo e casco estão disponíveis em uma ampla gama de tamanhos padrão com muitas combinações de materiais para tubos e cascos.
• Trocador de calor de tubo aletado ou economizador – Trocador de calor de tubo aletado é usado para recuperar calor de gases de escape de baixa a média temperatura para aquecimento de líquidos. Aplicações incluem pré-aquecimento de água de alimentação de caldeira e líquidos de processo quentes, etc. O tubo aletado consiste em um tubo redondo com aletas fixadas que maximizam a área de superfície e taxas de transferência de calor. Líquido flui pelos tubos e recebe calor de gases quentes fluindo através dos tubos. Um trocador de tubo aletado onde gases de escape de caldeira são usados para pré-aquecimento de água de alimentação é geralmente chamado de economizador de caldeira.
• Caldeira de calor residual – Caldeira de calor residual é uma caldeira de tubos d'água que usa gases de escape de média a alta temperatura para gerar vapor. Caldeiras de calor residual estão disponíveis em uma variedade de capacidades permitindo entradas de gás variando de 30 a 25.000 m³/min. Em casos onde o calor residual não é suficiente para produzir níveis desejados de vapor, queimadores auxiliares ou um pós-queimador são geralmente adicionados para obter maior produção de vapor. O vapor pode ser produzido para fins de processo ou para geração de energia. Geração de vapor superaquecido normalmente necessita adição de um superaquecedor externo à caldeira.
• Pré-aquecimento de carga – Refere-se ao uso de calor residual deixando um sistema para pré-aquecer a carga entrando no sistema. O exemplo mais comum é pré-aquecimento de água de alimentação de caldeira, onde um economizador transfere calor de gases de escape de combustão quentes para a água entrando na caldeira. Outras aplicações utilizam transferência direta de calor entre gases de escape de combustão e materiais sólidos entrando nos diferentes fornos.
• Bombas de calor – O calor residual às vezes está disponível a uma temperatura menor que a exigência de carga potencial. Nestes casos, a atualização de calor residual é necessária. Atualização de calor residual refere-se a aumentar o nível de energia de uma corrente de calor residual para que ela possa realizar função útil que de outra forma poderia ser alcançada. Isso é realizado através do uso de bombas de calor ou por compressão direta de vapor onde o calor residual está disponível na forma de vapor. A maioria das bombas de calor funciona no princípio do ciclo de compressão de vapor. Neste ciclo, a substância circulante é fisicamente separada da fonte (calor residual, com temperatura Tin) e do usuário (calor a ser usado no processo, Tout), e é reutilizada de forma cíclica, portanto chamada de bomba de calor de ciclo fechado.

Os benefícios do calor residual podem ser amplamente classificados em duas categorias: (i) benefícios diretos, (ii) benefícios indiretos.

• Benefícios diretos são refletidos pela redução no consumo de recursos e utilidades e também nos custos operacionais, pois a recuperação de calor residual melhora a produtividade energética do processo e tem efeito direto na eficiência do processo. No cenário atual de mudança climática global, o maior benefício da recuperação de calor residual é que é uma fonte de energia livre de gases de efeito estufa.
• Os benefícios indiretos da recuperação de calor residual são redução da poluição ambiental, redução no consumo de energia para usos auxiliares e redução no tamanho dos equipamentos. A recuperação de calor residual reduz o consumo de combustível, o que leva à redução no gás de escape produzido. Isso resulta em redução no tamanho dos equipamentos de todos os equipamentos de manuseio de gás de combustível, como ventiladores, chaminés, dutos, queimadores, etc. Redução no tamanho dos equipamentos dá benefícios adicionais na forma de redução no consumo de energia auxiliar, como eletricidade para ventiladores, bombas, etc.

Outros aspectos do sistema de recuperação de calor residual são a necessidade de espaço adicional, capital e custo operacional que precisam ser justificados pelos benefícios ganhos em termos de calor recuperado.

As tecnologias de recuperação de calor residual, embora atualmente empregadas em graus variados em muitos locais de usinas siderúrgicas, enfrentam barreiras técnicas e econômicas que impedem suas aplicações mais amplas. Embora muitas das tecnologias já estejam bem desenvolvidas para recuperação de calor residual (ex: recuperadores e regeneradores, etc.), ainda há o desafio de que estas tecnologias nem sempre são econômicas para uma dada aplicação (ex: aplicação com correntes de escape sujas).

Existem muitas barreiras que impactam a economia e eficácia dos equipamentos de recuperação de calor e impedem sua instalação mais ampla. Muitas destas barreiras são inter-relacionadas, mas podem geralmente ser categorizadas como relacionadas a custo, restrições de temperatura, composição química, especificidades de aplicação, e inacessibilidade/transportabilidade de fontes de calor.

Práticas atuais adotadas para recuperação de calor residual mostram que o calor residual é normalmente recuperado de fontes de calor residual limpas, de alta temperatura, em sistemas de grande capacidade. Portanto, há oportunidades disponíveis em otimizar sistemas existentes, desenvolver tecnologias para sistemas quimicamente corrosivos, recuperar calor de fontes de calor não fluidas, e recuperar calor residual de baixa temperatura.

Embora a economia frequentemente limite a viabilidade da recuperação de calor residual de baixa temperatura, existem várias aplicações onde calor residual de baixo grau foi recuperado de forma econômica para uso em instalações industriais. Grande quantidade de calor residual industrial está disponível apenas na faixa de baixa temperatura. Como exemplo, sistemas de combustão como caldeiras frequentemente usam tecnologias de recuperação que exaurem gases na faixa de temperatura de 120 °C a 150 °C. Além disso, grandes quantidades de calor residual podem ser encontradas em água de resfriamento industrial e ar de resfriamento. Uma usina siderúrgica integrada no Japão instalou uma usina de geração de energia com capacidade de 3,5 MW usando água de resfriamento a apenas 98 °C.

No caso de gases de escape de combustão, calor substancial pode ser recuperado se o vapor de água contido nos gases for resfriado a temperaturas mais baixas. Limites mínimos de temperatura em torno de 120 °C a 150 °C são frequentemente empregados para evitar que a água nos gases de escape condense e deponha substâncias corrosivas na superfície do trocador de calor. No entanto, resfriar o gás de escape ainda mais poderia aumentar significativamente a recuperação de calor ao permitir que o calor latente de vaporização seja recuperado. Este calor latente compreende uma porção significativa da energia contida nos gases de escape. Tecnologias que podem minimizar ataque químico enquanto resfriam gases de escape abaixo do ponto de condensação podem alcançar aumentos significativos na eficiência energética via recuperação do calor latente de evaporação.

Atualmente, a recuperação de calor de baixa temperatura enfrenta pelo menos três desafios: (i) corrosão da superfície do trocador de calor, (ii) grandes superfícies de troca de calor necessárias para transferência de calor, e (iii) encontrar um uso para calor de baixa temperatura.

Tecnologias estão disponíveis que podem resfriar gases abaixo das temperaturas de ponto de orvalho para recuperar calor residual de baixa temperatura. Estas tecnologias incluem economizadores profundos, recuperação de condensação por contato indireto, recuperação de condensação por contato direto, e condensadores de membrana de transporte recentemente desenvolvidos. A comercialização destas tecnologias tem sido limitada devido a altos custos e porque as instalações carecem de um uso final para o calor recuperado. Quando as instalações carecem de um uso final para calor residual, algumas encontraram outros meios para recuperação, incluindo bombas de calor e geração de energia de baixa temperatura. O uso destas tecnologias também é frequentemente limitado por restrições econômicas.