Otimizando Sistemas de Combustão para Fornos de Reaquecimento Eficientes

Sistema de Combustão de Forno de Reaquecimento

A função principal de um forno de reaquecimento é elevar a temperatura de semiacabados de aço (tarugos, lingotes, placas ou redondos) tipicamente entre 1000 °C e 1250 °C, até que estejam plásticos o suficiente para serem laminados à seção, tamanho ou forma desejada no laminador a quente. O forno de reaquecimento também deve atender a requisitos e objetivos específicos em termos de taxas de aquecimento por razões metalúrgicas e de produtividade. No forno, há fluxo contínuo de material aquecido à temperatura desejada enquanto viaja pelo forno.

Operações de laminação a quente requerem semiacabados reaquecidos de alta qualidade ao menor custo possível e na taxa de produção ótima do laminador. Fornos de reaquecimento usados para aquecer semiacabados em laminador a quente consomem grande quantidade de energia e simultaneamente geram grande quantidade de poluentes. Por isso, há necessidade de buscar formas de redução de consumo de energia e poluentes e, consequentemente, custos. Isso pode ser feito melhorando a eficiência de combustível dos fornos de reaquecimento.

Parâmetros Importantes do Sistema de Combustão

O sistema de combustão do forno de reaquecimento tem grande influência tanto na qualidade do semiacabado reaquecido quanto na quantidade de combustível necessária. As expectativas importantes de um forno de reaquecimento hoje não são apenas menor emissão de poluentes e consumo de energia, mas também melhor qualidade do produto de aço aquecido, confiabilidade, temperatura uniforme, fluxo de calor e segurança de equipamentos e pessoal. Todos são fatores-chave com efeito considerável no sistema de combustão.

As três coisas básicas requeridas para iniciar e sustentar combustão são: (i) combustível, (ii) oxigênio, e (iii) energia suficiente para ignição. O processo de combustão é mais eficiente se combustível e oxigênio podem se encontrar e reagir sem restrições. Contudo, em aplicações práticas de aquecimento não é suficiente considerar apenas combustão eficiente, mas aspectos de transferência de calor também devem ser considerados. Os seguintes são parâmetros importantes para sistema de combustão no forno de reaquecimento:

• Quantidade de calor requerida a ser impartida ao material de carga.
• Geração de calor dentro do forno requerido não só para aquecer o material de carga mas também para superar todas as perdas de calor.
• Transferência de parte do calor disponível dos gases do forno para a superfície do material de carga em aquecimento.
• Equalização da temperatura dentro do material de carga.
• Perdas de calor do forno através de portas e paredes.
• Calor carregado pelos gases de exaustão.
• Emissões de poluentes (ex.: NOx) causadas pelos gases de exaustão.

Ar consistindo de oxigênio diluído com 78% nitrogênio e 1% argônio não proporciona condições ótimas para combustão e transferência de calor. O nitrogênio no ar é aquecido durante o processo de combustão e para evitar perda de energia transferida ao nitrogênio torna-se necessário recuperar essa energia para economizar combustível.

Calor é transferido para superfície de produto sólido por convecção, condução e radiação. Transferência de calor dentro do produto é por condução apenas. Isso implica que a superfície do produto, que muda com o tempo quando aquecido, dimensões e material dos semiacabados são importantes, bem como dimensões internas do forno.

Para aquecimento eficiente e uniforme, a composição do gás e padrão de fluxo dentro do forno são importantes. Uma estratégia tradicional de aquecimento não otimizada pode parecer suficiente sob condições de estado estacionário, mas não proporciona qualidade e desempenho de custo ótimos quando há interrupções na produção, variação nos graus ou dimensões do produto, ou variação nas temperaturas alvo de saída. Na situação atual, uma solução é necessária para entregar a mais alta qualidade e menor custo de aquecimento sob todas as condições com impacto mínimo no meio ambiente.

Hoje, devido ao aquecimento global, regulamentações ambientais rigorosas requerem minimização do consumo específico de combustível enquanto simultaneamente reduzem poluentes incluindo óxidos de nitrogênio (NOx). Metas conflitantes de consumo mínimo de energia e descarga de poluentes enquanto se atende ao requisito de produção fornecem desafio tanto a operadores quanto a fornecedores de equipamentos para usar toda tecnologia disponível para projetar sistemas de combustão energeticamente eficientes e ambientalmente compatíveis nos fornos de reaquecimento.

Com projetos convencionais de queimadores, essas duas metas são frequentemente conflitantes. Contudo, usando tecnologia mais recente e projetos de queimadores com técnicas de combustão de chama difusa, altos níveis de eficiência via ar de combustão pré-aquecido com correspondentes baixas emissões de NOx estão sendo alcançados.

Estrutura do Forno e Zonas

Existem muitos tipos de fornos de reaquecimento em operação nas usinas. A estrutura consiste de várias zonas. Fornos são normalmente projetados com múltiplas zonas de aquecimento: (i) zona de pré-aquecimento, (ii) zonas de aquecimento, e (iii) zonas de equalização (soaking). Os semiacabados são alimentados na zona de pré-aquecimento e movidos lentamente através das zonas de aquecimento e equalização sequencialmente. As peças são aquecidas à temperatura alvo aproximadamente nas zonas de pré-aquecimento e aquecimento e são equalizadas na zona de equalização para reter temperatura uniforme através das peças, que são principalmente aquecidas por transferência de calor radiante do gás circundante. Cada zona tem propósito diferente e tipicamente têm controles de queimadores independentes, embora os produtos de combustão movam-se através das zonas anteriores para sair pela chaminé. A razão ar-combustível é tipicamente definida com intenção de produzir nível desejado de oxigênio em excesso no gás de chaminé. O objetivo é garantir que todo combustível seja combustado dentro do forno, mas ao mesmo tempo evitar ar de combustão excessivo que reduz eficiência de aquecimento.

A construção multi-zona dos fornos torna a otimização de combustão muito difícil devido a interação entre zonas, requisitos de produto constantemente mudando, mudança de velocidade de extração, e o ato de extrair as barras. Existem muitos problemas que podem causar deriva no resultado final:

• Medição imprecisa de gás ou ar
• Mudanças na umidade do ar
• Quantidades significativas de combustível ou oxigênio migrando de outra zona do forno
• No caso de ar pré-aquecido via recuperadores: (i) vazamentos em tubulações ou recuperadores, (ii) fatores de correção de temperatura fora de calibração, (iii) variações sazonais
• Desgaste ou dano a válvulas e atuadores
• Vazamentos no forno

Baseado em capacidades dos queimadores e níveis desejados de oxigênio em excesso, razões estequiométricas fixas são requeridas para cada zona. As razões podem diferir de zona para zona por duas razões:

• O oxigênio em excesso desejado pode ser diferente para cada zona devido à relação entre nível de oxigênio, temperatura e formação de carepa.
• Estequiometria pode precisar ser ajustada para diferentes taxas de redução dos queimadores devido às capacidades de mistura dos queimadores.

Normalmente, o operador não sabe se o oxigênio está no ponto de ajuste desejado por falta de feedback de processo em tempo real. As consequências de operar forno com esse nível de incerteza podem ser significativas. Considerando reações dos queimadores e produtos teóricos de combustão, há possibilidades quando a estequiometria varia do ponto de ajuste. Se o nível real de oxigênio no gás de chaminé excede o ponto de ajuste, eficiência é reduzida adicionando custos desnecessários de combustível. Se o nível real é menor que o ponto de ajuste, níveis de monóxido de carbono aumentam criando condição operacional insegura e eficiência reduzida devido a combustível não queimado saindo do forno. Além, controladores de razão ar-combustível nos fornos ajustam continuamente seus pontos de ajuste para atender demandas mutáveis do forno e assim o estado de oxidação também está sempre mudando. Na prática, o forno experimenta algum grau de combustão incompleta. Vários problemas contribuem para má mistura:

• Eficiência do queimador
• Turndown (faixa de modulação)
• Velocidades de ar e combustível não compatíveis
• Controle de razão fora de ajuste
• Vazamentos no forno

Combustão incompleta devido a má mistura pode resultar na coexistência de monóxido de carbono e oxigênio. Na prática é comum ter ambos presentes. Portanto, operação ótima de forno de reaquecimento requer dados de produtos de combustão em tempo real com sensores adequados.

Recuperadores e Novas Tecnologias

Um recuperador é normalmente usado nos fornos de reaquecimento como unidade de recuperação de calor residual para atingir alta eficiência térmica e conservação de energia. O calor residual recuperado é usado para pré-aquecer o ar de combustão, que é então alimentado a um queimador. O ar pré-aquecido resulta em conservação de energia e bom desempenho de combustão. Contudo, desvantagens incluíam incorporar sistema de recuperação de calor residual em grande escala. Além, a temperatura do ar pré-aquecido é normalmente apenas cerca de 600 °C a 700 °C no máximo.

Dois grandes desenvolvimentos na área de reaquecimento de semiacabados no passado recente: (i) combustão com ar de alta temperatura, e (ii) combustão oxi-combustível.

Combustão com Ar de Alta Temperatura (HiTAC)

Tecnologia HiTAC (High Temperature Air Combustion) utiliza ar pré-aquecido acima de 1000 °C. A adoção dessa tecnologia em forno de reaquecimento permite à usina contribuir grandemente para redução simultânea no consumo de energia e emissões de dióxido de carbono e óxidos de nitrogênio. Utilização de HiTAC também resulta em redução no tamanho físico do forno comparado ao tipo tradicional.

O conceito básico do HiTAC é que a combinação de máxima recuperação de calor residual por regenerador de alto ciclo e mistura controlada de ar de combustão altamente pré-aquecido com gases queimados resulta em chamas uniformes e de temperatura relativamente baixa.

O queimador regenerativo usado no HiTAC tem características únicas de combustão. Estas resultam em chama eficiente e limpa com perfil de temperatura e fluxo de calor uniforme. Essas propriedades resultam em taxa de produção melhorada e melhor qualidade do produto e ambiente muito mais brando para componentes do forno. HiTAC pode resultar em custos operacionais reduzidos.

HiTAC fornece estabilidade de chama significativamente maior em todas as misturas combustível-ar (incluindo misturas muito pobres), maior transferência de calor, e baixa perda de calor pela chaminé (calor residual). O método proporciona meio de recircular calor do lado de alta temperatura (gás queimado) de volta à mistura não queimada usando método apropriado de troca de calor. O pré-aquecimento dá entalpia adicional à mistura não queimada sem diluição pelos produtos de combustão.

Com HiTAC há características de chama significativamente diferentes, estabilidade de chama, emissões reduzidas, e economias significativas de energia. A cor da chama é muito diferente do azul ou amarelo usual. Sob certas condições, chama azul-esverdeada e verde foi observada usando combustíveis hidrocarbonetos típicos. Em contraste, oxidação sem chama (ou incolor) do combustível também foi observada.

Principais características do HiTAC:

• Combustão de hidrocarbonetos com temperaturas de pré-aquecimento de ar muito altas usando regenerador no queimador.
• Calor sensível dos produtos de exaustão usado para aquecer ar de combustão (temperatura maior que 1000 °C). Tecnologia tenta ter pré-aquecimento de ar próximo à temperatura alvo do forno.
• Temperaturas de gás de exaustão em torno de 150 °C a 200 °C.
• Extrai a maior parte da energia do combustível para o processo de aquecimento.
• Economia de combustível entre 50% (substituindo ar frio) e 30% (substituindo ar de recuperadores).
• Distribuição de calor muito uniforme no forno.
• Geração de NOx muito baixa.

No queimador regenerativo, há configuração em par com cada queimador ciclando entre queima e exaustão. O ar de combustão cicla entre dois conjuntos de caminhos no queimador. Entra por um conjunto e capta calor do material regenerador no queimador. Os gases de combustão saem pelo outro conjunto e aquecem o material regenerador a alta temperatura. No próximo ciclo, ar de combustão e produtos de combustão trocam caminhos.

O conceito do HiTAC é ilustrado na Fig. 1 e comparado com o de forno de reaquecimento convencional. Chamas de temperatura extremamente alta são geralmente geradas em fornos, se combustão direta entre combustível e ar fresco de alta temperatura ocorre. Como resultado da geometria modificada do forno, não só extinção de chamas base ocorre pelo movimento de cisalhamento de ar de entrada de alta velocidade, mas também diluição do ar com gás queimado (BH) deve ocorrer antes da combustão separando entradas de combustível e ar. Nota-se que são condições em que combustão ordinária não pode ser sustentada com ar de temperatura ambiente. Além, o combustível injetado separadamente no forno também arrasta gás queimado no forno, e algumas mudanças no combustível, como pirólise, decomposição e vaporização de combustível líquido, se houver, durante esse período de preparação. Reações de combustão fracas podem ocorrer entre combustível e produto arrastado (B*F) e a combustão principal segue na zona de mistura de combustível e ar diluído com grande quantidade de gás queimado (B*F*BH). A mudança de chama devido a baixa concentração de oxigênio causada pela alta taxa de reciclagem de gás queimado provavelmente resulta em zona de reação alargada, onde reações relativamente lentas podem ocorrer. Em combustão estabelecida sem ar pré-aquecido, combustão direta entre combustível e ar fresco (F*A) ocorre na vizinhança do queimador. Após, alguma combustão em condição diluída com gases queimados pode seguir na porção downstream da chama devido ao arraste de gás queimado recirculado pelo ar de combustão entrante. Combustão (F*A) na vizinhança do queimador mostra temperatura máxima no forno, e a maior parte dos óxidos nítricos emitidos são formados lá. Contudo, combustão nessa região é essencial para sustentar combustão no forno, e chama inteira não pode existir se extinção ocorre nessa porção.

Fig. 1 Conceito de mistura e combustão com tecnologia HiTAC

Apesar do uso de ar altamente pré-aquecido, a temperatura média e pico instantâneo é consideravelmente menor no HiTAC que na combustão ordinária.

Sistema de Combustão Oxi-Combustível

Oxi-combustível refere-se à prática de substituir totalmente o ar como fonte de agente oxidante para combustão por oxigênio, que pode ser produzido por tecnologia criogênica ou de adsorção. A vantagem geral de substituir ar por oxigênio é que a quantidade de nitrogênio trazida ao processo de combustão com ar é quase ou completamente eliminada. Redução de nitrogênio na combustão permite maior temperatura de chama e eficiência de combustão, já que menor volume do gás de combustão reduz quantidade de calor tirada da chama e perdida para exaustão. Vantagens do uso de oxi-combustível comparado a combustão ar-combustível:

• Redução no consumo de energia
• Taxa de aquecimento melhorada resultando em maior produção (sem aumento no ponto de ajuste de temperatura do forno)
• Redução nas emissões do forno

Além das vantagens acima, uso de combustão oxi-combustível pode às vezes resultar em menor investimento de capital comparado a outros métodos de melhoria de eficiência como recuperadores ou equipamentos de controle de emissões. Combustão oxi-combustível também pode resultar em menor perda de carepa devido a melhor controle e menor tempo de aquecimento.

Comparado a ar-combustível, combustão oxi-combustível tem pressão parcial muito maior quanto aos dois produtos de combustão, CO₂ e H₂O. Isso melhora taxa de transferência de calor. Como gases de exaustão não são diluídos com nitrogênio, a fase gasosa toma parte mais ativa no processo de transferência de calor, não só porque condutividade térmica e capacidade de calor de CO₂ e H₂O são maiores, mas também porque ambos são gases radiantes de três átomos com alta capacidade.

O padrão de fluxo em forno oxi-combustível é vantajoso comparado a ar-combustível. Volume de gás de exaustão é reduzido em 70% a 80% porque não há nitrogênio e por economia de combustível. Assim, tempo de residência do gás é maior, com mais tempo para transferir calor ao produto. O produto é imerso em fluido gasoso de exaustão consistindo de CO₂ e H₂O, ou seja, ambiente úmido com maior capacidade de transferir calor.

Comparando forno oxi-combustível com forno ar-combustível, ambos no mesmo ponto de ajuste de temperatura do forno, o material atinge valor de ponto de ajuste mais rápido no forno oxi-combustível. Isso é devido às propriedades do gás.

Com combustão oxi-combustível há aumento substancial no calor disponível comparado a combustão ar-combustível. O aumento no calor disponível está diretamente relacionado a reduções no consumo de energia e aumentos na vazão do forno.

Um aumento no calor disponível de combustão significa que menos calor é perdido para exaustão e maior porcentagem da energia total de entrada fica para fazer o trabalho no forno. Assim, quando calor disponível aumenta, a quantidade de energia total de entrada requerida para fazer quantidade constante de trabalho é reduzida.

A economia de energia varia dependendo do tipo de combustível, razão de combustão existente e temperatura do ar de combustão. Outros fatores como redução no tamanho do porto de chaminé e perda por radiação podem impactar taxas reais de redução de energia com oxi-combustível. Outro impacto do aumento de eficiência de combustão com oxi-combustível é a capacidade de aumentar taxa de aquecimento e obter maior vazão do forno.

Temperatura de chama oxi-combustível é geralmente 500 °C a 800 °C maior que temperatura de chama ar-combustível. Como transferência de calor por radiação depende da diferença de temperatura da fonte ao receptor à quarta potência, combustão oxi-combustível resulta em grande aumento no potencial de radiação chama-material. Os produtos de combustão do oxi-combustível também são melhores fontes de transferência de calor radiante. Isso porque a maior parte do produto de combustão ar-combustível é nitrogênio, que não é tão eficiente mecanismo de transferência de calor radiante quanto dióxido de carbono e vapor d'água que compõem a maior parte dos produtos de combustão oxi-combustível.

Em alguns casos, produção do forno é limitada pela quantidade de emissões gasosas permitidas a sair do forno. Combustão oxi-combustível também pode ser meio para reduzir emissões do forno e permitir maior capacidade de produção dentro de limite de emissão permitido.

O volume de gases de exaustão é substancialmente menor com oxi-combustível. Volume total de exaustão com oxi-combustível é geralmente 70% a 90% menor que volume total de exaustão ar-combustível. Em muitos casos, a redução do volume de exaustão sozinha pode ser benéfica, especialmente onde equipamento de controle de poluição existente é limitado e/ou onde emissões de particulados são preocupação. Resultado mais importante com combustão oxi-combustível é menor emissão de certos constituintes do gás de exaustão. Resultado mais óbvio do uso de oxi-combustível é redução no consumo de combustível. Com redução no consumo, emissão de CO₂ é menor em dado tempo ou por unidade de material semiacabado aquecido. Embora geração de CO₂ não seja preocupação maior atualmente, aquecimento global e mudança climática indicam que condições mais rigorosas de emissão de CO₂ podem ser fator no futuro próximo. Preocupação mais imediata de muitos operadores é emissão de NOx. Com combustão oxi-combustível, a pressão parcial de nitrogênio nos produtos de combustão é drasticamente reduzida, diminuindo potencial de formação de NOx mesmo a temperatura de chama elevada. Muitos fatores impactam taxa de emissão de NOx de fornos oxi-combustível. Pureza do produto de oxigênio é um fator. Contudo, fator principal na minimização de emissões de NOx oxi-combustível é controle de pressão do forno. Vazamento de ar secundário combinado com alta temperatura de chama oxi-combustível pode reduzir muito o impacto da combustão oxi-combustível como técnica de controle de NOx.

Chamas oxi-combustível têm temperatura mais alta com menos volume e comprimento que chamas ar-combustível. Característica da chama com oxi-combustível precisa ser considerada ao projetar sistemas de queimadores oxi-combustível para aplicação de reaquecimento de materiais de aço. Geralmente, reaquecimento de aço requer distribuição uniforme de temperatura para que superaquecimento ou subaquecimento localizados no produto reaquecido sejam evitados. Tipo e colocação de queimadores oxi-combustível dependem do tipo de forno de reaquecimento e proximidade das chamas aos semiacabados.

Recirculação dos produtos de combustão promove movimento de gases na câmara de aquecimento, minimizando diferenças de temperatura. Também, recirculação de gases de combustão na chama oxi-combustível reduz temperatura de pico da chama e promove perfil de radiação de chama mais uniforme para proteger produto mais próximo do queimador de superaquecimento. Existem vários projetos de queimadores oxi-combustível disponíveis para obter efeito de recirculação incluindo bico patenteado junto com outros projetos que utilizam momento da chama oxi-combustível para produzir recirculação de gás.

Embora proporcionando benefícios substanciais à eficiência, o baixo volume de produtos de combustão com combustão oxi-combustível precisa de atenção especial ao projetar sistemas de controle de combustão. Controle adequado da razão de combustão é crítico para processo de reaquecimento, pois produtos de combustão compõem a atmosfera de aquecimento e impactam finalmente taxa e tipo de formação de carepa. Em sistemas de combustão ar-combustível, o alto volume de nitrogênio trazido ao processo com ar fornece amortecedor ou fator de segurança contra mudanças na razão ar-combustível. Com oxi-combustível, esse amortecedor é quase completamente eliminado. Isso significa que mudança percentual na razão oxigênio-combustível com oxi-combustível terá impacto maior na atmosfera do forno que mesma mudança com ar-combustível.

Bom controle de atmosfera do forno com oxi-combustível precisa de nível mais alto de precisão para sistema de controle que com ar-combustível. Compensação de vazão mássica é geralmente requerida para atender precisão necessária para manter boa atmosfera do forno com oxi-combustível. Outra variável importante para controle de combustão oxi-combustível envolve sistemas de exaustão e controle de pressão do forno.

Volume de gás de exaustão com combustão oxi-combustível reduz na faixa de 10% a 30% do volume de exaustão ar-combustível dependendo dos ganhos de eficiência térmica. Isso significa que projetos existentes usados para controlar pressão do forno com ar-combustível na maioria dos casos não são adequados para manter bom controle de pressão ao converter para oxi-combustível. Especificamente, faixa de controle de instrumentação de controle de pressão com porto de chaminé maior e tamanhos de dampers usados com ar-combustível reduz a ponto de ser ineficaz com volume de exaustão oxi-combustível. Portanto, é necessário reduzir tamanho do porto de chaminé ao converter para oxi-combustível ou compensar menor volume de exaustão ao projetar novas instalações de forno de reaquecimento. Falta de bom controle de pressão do forno pode resultar em vazamento de ar terciário que pode fornecer fonte de nitrogênio para formação adicional de NOx, minimizando ou eliminando potencial de redução de emissões. Vazamento de ar no forno também influencia atmosfera do forno e introduz complicações para controle de qualidade superficial do aço.

A taxa e tipo de formação de carepa é consideração importante para operações de forno de reaquecimento de aço independentemente do tipo de sistema de combustão. Além do tipo de liga do aço, atmosfera do forno junto com taxa de aquecimento são os principais fatores governando formação de carepa. Bom controle de razão de combustão e pressão do forno é requerido para manter controle sobre formação de carepa e qualidade superficial do aço. Contudo, atmosfera produzida por combustão oxi-combustível é diferente da atmosfera com ar-combustível mesmo sob condições ideais.