Tecnologias Avançadas de Recuperação de Calor Residual

Calor residual é a energia associada a correntes de resíduo de ar, gases de escape e/ou produtos de processo que deixam um processo e entram na atmosfera. É a energia gerada em vários processos e que não é colocada em nenhum uso prático e é perdida ou desperdiçada na atmosfera. É a energia rejeitada de um processo a uma temperatura alta o suficiente para permitir a recuperação de alguma fração da energia para fins úteis de maneira econômica.

Na definição de calor residual, está implícito que as correntes de resíduo que transportam o calor eventualmente se misturam com o ar atmosférico ou água subterrânea e que a energia contida nestas correntes torna-se indisponível como energia útil. A absorção de energia residual pelo ambiente é frequentemente denominada poluição térmica.

A recuperação de calor residual pode ser conduzida através de diferentes tecnologias de recuperação de calor residual (RCR) para fornecer fontes de energia valiosas e reduzir o consumo geral de energia. Existem várias tecnologias RCR disponíveis que podem ser usadas para capturar e recuperar o calor residual.

Uma quantidade considerável de energia usada em processos industriais é desperdiçada como calor na forma de gases de escape, correntes de ar e líquidos/sólidos deixando o processo. Não é tecnicamente e economicamente viável recuperar todo o calor residual. O aumento do uso de tecnologias RCR também serve para mitigar emissões de gases de efeito estufa (GEE).

Tecnologias RCR consistem em capturar e transferir o calor residual de um processo com um gás, líquido ou sólido de volta ao sistema como uma fonte de energia extra. A fonte de energia pode ser usada para criar calor adicional ou para gerar energia elétrica e mecânica. O calor residual pode ser rejeitado a qualquer temperatura. Geralmente, quanto maior a temperatura do calor residual, maior a qualidade do calor residual e mais fácil a otimização do processo RCR. Portanto, é importante descobrir a quantidade máxima de calor recuperável do potencial mais alto de um processo e garantir o alcance da máxima eficiência de um sistema RCR.

Fontes e Classificação do Calor Residual

Fontes de calor residual normalmente incluem perda de calor transferida por condução, convecção e radiação dos produtos, equipamentos e processos e calor descarregado de processos de combustão. A perda de calor pode ser classificada em: (i) calor de alta temperatura, (ii) calor de média temperatura, e (iii) calor de baixa temperatura. Tecnologias RCR estão disponíveis para cada tipo de calor residual de modo a alcançar a eficiência ótima de RCR.

A RCR de alta temperatura consiste em recuperar calor residual a temperaturas superiores a 400 °C, a faixa de calor residual de média temperatura é de 100 °C a 400 °C e a faixa de calor residual de baixa temperatura é para temperaturas inferiores a 100 °C. Geralmente, a maior parte do calor residual na faixa de alta temperatura vem de processos de combustão direta, na faixa de média temperatura do escape de unidades de combustão, e na faixa de baixa temperatura de peças, produtos e equipamentos de unidades de processo.

Parâmetros de Quantificação do Calor Residual

Dependendo do tipo e fonte de calor residual e a fim de justificar qual sistema de recuperação de calor residual pode ser usado, é essencial examinar a quantidade e qualidade de calor recuperável do processo. Existem três parâmetros importantes usados na quantificação do calor residual: (i) quantidade, (ii) qualidade, e (iii) disponibilidade temporal.

A quantidade ou a quantidade de calor residual disponível pode ser calculada usando a equação Q = V × d × Cp × (T1-T2). Aqui, Q é o conteúdo de calor, V é a vazão da substância que transporta o calor, d é a densidade da substância, Cp é o calor específico da substância, e (T1-T2) é a diferença de temperatura da substância entre a temperatura final mais alta na saída (T2) e a temperatura inicial na entrada (T1) do sistema. A quantidade de calor residual disponível também pode ser expressa em termos do fluxo de entalpia da corrente de resíduo e é dada pela equação H = m × h, onde H é a taxa total de entalpia da corrente de resíduo, m é a vazão mássica da corrente de resíduo e h é a entalpia específica da corrente de resíduo.

A qualidade pode ser aproximadamente expressa em termos da temperatura da corrente de resíduo. Quanto maior a temperatura, mais calor residual está disponível para recuperação. RCR de fontes de temperatura mais baixa, como água de resfriamento de máquinas e condensadores, é geralmente um pouco mais difícil, e tipicamente envolve o uso de bombas de calor para aumentar a temperatura a uma temperatura adequada para sua recuperação.

A disponibilidade temporal é uma medida da disponibilidade de calor residual nos momentos em que é necessário. A correspondência da disponibilidade do calor residual à carga final é uma consideração importante na eficácia da RCR. Portanto, a utilidade do calor residual depende não apenas da quantidade disponível, mas também se sua qualidade atende aos requisitos da carga potencial e se está disponível nos momentos em que é necessária (disponibilidade temporal).

RCR e reutilização custo-efetivas envolvem a identificação de fontes de calor residual de qualidade, quantidade e disponibilidade temporal suficientes, e cargas de aquecimento que podem reutilizar o calor residual recuperado. Existem vários processos na faixa de baixa a média temperatura que podem reutilizar calor residual. Esses processos são usados em diferentes indústrias. Por exemplo, certas operações de destilação são ideais para sistemas de bomba de calor de circuito aberto que recomprimem mecanicamente o vapor de destilação 'superior', que então é permitido condensar no reaquecedor onde vaporiza o produto 'fundo' na coluna de destilação. Estas aplicações tipicamente envolvem pequenas diferenças de temperatura e são frequentemente mais custo-efetivas do que usar combustão de combustível para aquecer o reaquecedor e uma torre de resfriamento para rejeitar o calor no destilado.

A avaliação da viabilidade da RCR precisa de caracterização da fonte de calor residual e da corrente para a qual o calor vai ser transferido. Parâmetros importantes da corrente de calor residual que devem ser determinados incluem: (i) quantidade de calor, (ii) temperatura/qualidade do calor, (iii) composição, (iv) temperatura mínima permitida, e (v) cronogramas de operação, disponibilidade e outras logísticas. Estes parâmetros permitem a análise da qualidade e quantidade da corrente e também fornecem insights sobre possíveis limitações de materiais/projeto. Como exemplo, corrosão de meios de transferência de calor é de considerável preocupação na RCR, mesmo quando a qualidade e quantidade da corrente são aceitáveis.

Opções e Tecnologias de RCR

Abordagens para RCR incluem: (i) transferência de calor entre gases e/ou líquidos, (ii) transferência de calor para a carga entrando em fornos, (iii) geração de energia mecânica e/ou elétrica, ou (iv) uso de calor residual com bomba de calor para aquecimento ou resfriamento de instalações. A terminologia para tecnologias RCR varia frequentemente entre diferentes indústrias. As principais tecnologias RCR são descritas abaixo.

Trocadores de Calor

Trocadores de calor são normalmente 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 deve ser suprida pelo combustível. Tecnologias comuns usadas para pré-aquecimento de ar incluem recuperadores, regeneradores de forno, regeneradores de queimador, regeneradores rotativos e pré-aquecedores de ar passivos.

Recuperador

Recuperadores recuperam calor residual de gás de escape em aplicações de média a alta temperatura. Recuperadores podem ser baseados em radiação, convecção ou combinações das duas.

Um recuperador de radiação simples consiste em dois comprimentos concêntricos de dutos. Gases de resíduo quentes passam pelo duto interno e a transferência de calor é primariamente irradiada para a parede e para o ar frio de entrada na carcaça externa. O ar de carcaça pré-aquecido então viaja para os queimadores do forno. O recuperador do tipo convectivo ou de tubos (trocador de calor) passa os gases quentes através de tubos de diâmetro relativamente pequeno contidos em uma carcaça maior. O ar de combustão de entrada entra na carcaça e é desviado ao redor dos tubos, captando calor do gás de resíduo. Outra alternativa é o recuperador combinado radiação/convecção. O sistema inclui uma seção de radiação seguida por uma seção de convecção para maximizar a eficácia da transferência de calor.

Recuperadores são construídos de materiais metálicos ou cerâmicos. Recuperadores metálicos são usados em aplicações com temperaturas abaixo de 1100 °C, enquanto recuperação de calor a temperaturas mais altas é mais adequada para recuperadores de tubos cerâmicos. Estes podem operar com temperaturas do lado quente de até 1550 °C e temperaturas do lado frio de cerca de 1000 °C.

Regenerador

Regeneradores são de dois tipos: (i) regeneradores de forno, e (ii) regeneradores rotativos ou roda de calor. No caso de regenerador de forno, fornos regenerativos consistem em duas câmaras de trabalho de tijolos xadrez através das quais fluxos de ar quente e frio alternam. À medida que os gases de escape de combustão passam por uma câmara, os tijolos absorvem calor do gás de combustão e há aumento na temperatura. O fluxo de ar é então ajustado para que o ar de combustão de entrada passe pelo trabalho de xadrez quente, que transfere calor para o ar de combustão entrando no forno. Duas câmaras são usadas para que, enquanto uma absorve calor dos gases de escape, a outra transfere calor para o ar de combustão. A direção do fluxo de ar é alterada após um intervalo de tempo. Regeneradores são mais frequentemente usados com fornos de coque, e historicamente foram usados com fornos de cadinho aberto, usados anteriormente para siderurgia. Regeneradores também são usados para pré-aquecer o ar quente fornecido a foguetes de explosão usados na produção de ferro. No entanto, regeneradores em foguetes de explosão não são uma aplicação de recuperação de calor, mas simplesmente o meio pelo qual o calor liberado da combustão de gás é transferido para o ar de explosão quente. Sistemas de regenerador são especialmente adequados para aplicações de alta temperatura com escapes sujos. Uma grande desvantagem dos regeneradores de forno é o grande tamanho e altos custos de capital.

No caso de regeneradores rotativos, eles operam de forma similar aos regeneradores fixos, pois a transferência de calor é facilitada pelo armazenamento de calor em uma mídia porosa e pela alternância do fluxo de gases quentes e frios através do regenerador. Regeneradores rotativos também são às vezes referidos como pré-aquecedores de ar e rodas de calor. Eles usam um disco poroso rotativo colocado através de dois tubos paralelos, um contendo o gás de resíduo quente, o outro contendo gás frio. O disco, composto de um material de alta capacidade de calor, gira entre os dois tubos e transfere calor do tubo de gás quente para o tubo de gás frio. Rodas de calor são geralmente restritas a aplicações de baixa e média temperatura devido ao estresse térmico criado por altas temperaturas. Grandes diferenças de temperatura entre os dois tubos podem levar a expansão diferencial e grandes deformações, comprometendo a integridade das vedações de ar da roda de tubo. Em alguns casos, rodas cerâmicas podem ser usadas para aplicações de temperatura mais alta. Outro desafio com rodas de calor é prevenir contaminação cruzada entre as duas correntes de gás, pois contaminantes podem ser transportados no material poroso da roda.

Uma vantagem da roda de calor é que ela pode ser projetada para recuperar umidade além de calor de correntes de gás limpas. Quando projetada com materiais higroscópicos, a umidade pode ser transferida de um tubo para o outro. Isso torna as rodas de calor particularmente úteis em aplicações de ar condicionado, onde ar de entrada quente e úmido transfere calor e umidade para ar de saída frio. Além de sua aplicação principal em sistemas de aquecimento de ambientes e ar condicionado, rodas de calor também são usadas em menor extensão em aplicações de média temperatura.

Pré-aquecedores de Ar Passivos

Pré-aquecedores de ar passivos são equipamentos de recuperação de calor gás-gás para usos de baixa a média temperatura onde contaminação cruzada entre duas correntes de gás deve ser prevenida. Pré-aquecedores passivos podem ser de dois tipos: (i) tipo placa, e (ii) heat pipe (tubo de calor).

O trocador 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 substanciais para transferência de calor. Estes sistemas são menos suscetíveis a contaminação comparados a rodas de calor, mas são frequentemente mais volumosos, mais caros e mais suscetíveis a problemas de incrustação.

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. Neste trocador de calor, 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 Regenerativos/Recuperativos

Estes queimadores incorporam sistemas regenerativos ou recuperativos. Eles são mais simples e compactos no projeto e construção do que fornos regenerativos autônomos ou recuperadores. Estes sistemas fornecem maior eficiência energética comparados a queimadores operando com ar ambiente. Um queimador auto-recuperativo incorpora superfícies de troca de calor como parte do projeto do corpo do queimador a fim de capturar energia do gás de chaminé que sai, que passa de volta através do corpo. Queimadores auto-regenerativos passam gases de escape através do corpo do queimador em uma caixa de mídia refratária e operam em pares de maneira similar a um forno regenerativo. 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 mais baixos e facilidade de retrofit os tornam uma opção atraente para recuperação de energia.

Trocadores de Calor de Tubos Aletados/Economizadores

Trocadores de calor de tubos aletados são usados para recuperar calor de gases de escape de baixa a média temperatura para aquecimento de líquidos. O tubo aletado consiste em um tubo redondo com aletas anexadas que maximizam a área de superfície e as taxas de transferência de calor. Líquido flui através dos tubos e recebe calor de gases quentes fluindo através dos tubos. Um trocador de aletado, onde gases de escape de caldeira são usados para pré-aquecimento de água de alimentação, é geralmente referido como 'economizador' de caldeira.

Caldeira de Calor Residual

Caldeira de calor residual (CCR) é uma caldeira de tubos de água que usa gases de escape de média a alta temperatura para gerar vapor. CCRs estão disponíveis em uma variedade de capacidades, permitindo entradas de gás de 1500 m³/hora a 1,5 milhão m³/hora. Nos casos em que o calor residual não é suficiente para produzir níveis desejados de vapor, queimadores auxiliares ou um pós-queimador é normalmente adicionado para atingir maior produção de vapor. O vapor pode ser usado para aquecimento de processo ou para geração de energia. Geração de vapor superaquecido geralmente precisa de adição de um superaquecedor externo ao sistema.

Pré-aquecimento de Carga

Pré-aquecimento de carga refere-se a quaisquer esforços para usar calor residual saindo de 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 no forno.

Embora o pré-aquecimento de água de alimentação de caldeira seja uma prática padrão, o pré-aquecimento de carga de material antes da fusão em sistemas de fogo direto não é tão amplamente usado. Isso se deve a uma variedade de razões, incluindo dificuldades no controle de qualidade do produto, questões associadas a emissões ambientais, e a complexidade e custo aumentados de construção de sistemas avançados de carregamento de forno/recuperação de calor. No entanto, a recuperação de calor via pré-aquecimento de carga recebeu atenção aumentada nos últimos anos. As tecnologias disponíveis e barreiras para diferentes fornos de pré-aquecimento de carga variam substancialmente dependendo do tipo de forno e carga em questão.

Opções e Tecnologias de Recuperação de Energia de Baixa Temperatura

Embora a economia frequentemente limite a viabilidade da RCR de baixa temperatura, existem várias aplicações onde calor residual de baixo grau foi custo-efetivamente recuperado para uso. Grandes quantidades de calor residual estão disponíveis na faixa de 40 °C a 200 °C e há desafios inerentes à sua recuperação e uso que requerem investigação separada e aprofundada de RCR de baixa temperatura.

A maior parte do calor residual industrial está na faixa de baixa temperatura. Por exemplo, sistemas de combustão como caldeiras frequentemente usam tecnologias de recuperação que escapam gases a cerca de 150 °C a 180 °C. Além disso, grandes quantidades de calor residual podem ser encontradas em água de resfriamento industrial e ar de resfriamento. Por exemplo, resfriamento de compressores de ar sozinhos responde por quantidade substancial de calor residual por ano. Uma usina siderúrgica integrada (USI) no Japão instalou com sucesso 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 considerável 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 prevenir a água nos gases de escape de condensar e depositar substâncias corrosivas na superfície do trocador de calor. No entanto, resfriar o gás de chaminé ainda mais pode aumentar consideravelmente a recuperação de calor permitindo que o calor latente de vaporização seja recuperado. O 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 substanciais em eficiência energética via recuperação do calor latente de evaporação. A Figura 1 mostra a recuperação de energia com diferentes temperaturas de saída da chaminé. Se gases são resfriados de 150 °C a 60 °C, há um aumento de 3% na eficiência. Resfriar gases ainda mais a 38 °C captura uma porção do calor latente e pode proporcionar um aumento de 11% na eficiência.

Desafios da Recuperação de Calor de Baixa Temperatura

Existem três desafios enfrentados pela recuperação de calor de baixa temperatura:

• Corrosão da superfície do trocador de calor. À medida que o vapor de água contido no gás de escape resfria, parte dele condensa e deposita sólidos e líquidos corrosivos na superfície do trocador de calor. O trocador de calor deve ser projetado para resistir à exposição a estes depósitos corrosivos. Isso geralmente precisa de uso de materiais avançados, ou substituição frequente dos componentes do trocador de calor, o que é frequentemente anti-econômico.
• Grandes superfícies de troca de calor são necessárias para transferência de calor. As taxas de transferência de calor são função da condutividade térmica do material de troca de calor, da diferença de temperatura entre as duas correntes de fluido e da área de superfície do trocador de calor. Como o calor residual de baixa temperatura envolve um gradiente de temperatura menor entre duas correntes de fluido, áreas de superfície maiores são necessárias para transferência de calor. Isso limita a economia dos trocadores de calor.
• Necessidade de um requisito para o calor de baixa temperatura. Recuperar calor na faixa de baixa temperatura só faz sentido se houver necessidade na planta para o calor de baixa temperatura. Uso final potencial é aquecimento de processo de baixa temperatura. Outras opções incluem usar uma bomba de calor para 'atualizar' o calor a uma temperatura mais alta para servir uma carga exigindo temperaturas mais altas. Além disso, tecnologias de geração de energia de baixa temperatura estão surgindo lentamente.

Tecnologias de Troca de Calor de Baixa Temperatura

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

Economizadores Profundos

Economizadores profundos são projetados para resfriar gás de escape a cerca de 70 °C e resistir ao condensado ácido depositando em sua superfície. O projeto dos economizadores pode ter diferentes alternativas. Pode ter instalação de uma seção 'descartável' na extremidade fria do economizador. Os tubos na extremidade fria degradam com o tempo e precisam ser substituídos muito frequentemente. A frequência de substituições depende da composição do gás de chaminé e do material de construção. Uma das alternativas consiste em projetar o economizador com tubos de aço inoxidável. Aço inoxidável pode resistir a gases ácidos melhor que o aço carbono tipicamente usado na construção. Em outro projeto, usando aço carbono para a maior parte do trocador de calor, mas usando tubos de aço inoxidável na extremidade fria onde depósitos ácidos ocorrem. O uso de trocadores de calor de tubos de vidro (principalmente para aplicações gás-gás como pré-aquecedores de ar) ou materiais avançados como Teflon podem ser outras alternativas.

Recuperação de Condensação de Contato Indireto

Unidades de recuperação de condensação de contato indireto resfriam gases a cerca de 40 °C. Nesta faixa, o vapor de água nos gases condensa quase completamente. Trocadores de contato indireto consistem em trocadores de calor de casco e tubos. Podem ser projetados com aço inoxidável, vidro, Teflon ou outros materiais avançados.

Recuperação de Condensação de Contato Direto

Recuperação de condensação de contato direto envolve mistura direta da corrente de processo e fluido de resfriamento. Como este tipo de recuperação não envolve uma parede separadora através da qual o calor deve ser transferido, evita alguns dos desafios de grandes superfícies de transferência de calor requeridas para unidades de recuperação de contato indireto. Neste tipo de recuperação, à medida que gases de chaminé entram no trocador de calor, são resfriados por água fria introduzida no topo da unidade. A corrente de água aquecida sai pela parte inferior do trocador e fornece calor a um sistema externo. Um desafio com condensação de contato direto é que a água pode ser contaminada por substâncias no gás de chaminé.

Condensador de Membrana de Transporte

Condensador de membrana de transporte (CMT) é uma tecnologia em desenvolvimento para capturar água (junto com o calor latente da água) do vapor de água em correntes de gás de escape. Água é extraída do gás de chaminé a temperaturas acima do ponto de orvalho empregando condensação capilar e reciclada na água de alimentação da caldeira. Como na recuperação de calor de contato direto, o CMT extrai água quente diretamente do gás de chaminé. No entanto, como o CMT recupera a água via transporte através de uma membrana, a água recuperada não se contamina como na recuperação de contato direto. A tecnologia foi demonstrada para correntes de escape limpas em caldeira a gás natural. No entanto, CMT requer desenvolvimento adicional em materiais avançados antes de implementação generalizada para correntes de resíduo mais sujas ser possível.

Bomba de Calor ou Atualização de Calor Residual de Baixa Temperatura

Tecnologias de troca de calor mencionadas acima envolvem fluxo de energia 'ladeira abaixo' de uma alta temperatura para um uso final de baixa temperatura. Isso pode colocar limitações em oportunidades de recuperação de calor quando a temperatura do calor residual está abaixo da temperatura necessária para uma dada carga de aquecimento. Como exemplo, calor residual pode estar disponível na forma de água quente a cerca de 35 °C, enquanto água quente a cerca de 85 °C é necessária. Em tal caso, uma bomba de calor pode fornecer oportunidades para 'atualizar' o calor à temperatura de uso final desejada. Bombas de calor usam entradas de energia externas para impulsionar um ciclo que absorve energia de uma fonte de baixa temperatura e a rejeita a uma temperatura mais alta. Dependendo do projeto, bombas de calor podem servir duas funções. Elas podem tanto atualizar calor residual a uma temperatura mais alta, ou usar calor residual como entrada de energia para impulsionar um sistema de resfriamento por absorção. Bombas de calor são mais aplicáveis a correntes de produto de baixa temperatura encontradas em indústrias de processo.

Atualizar calor pode ser econômico em alguns casos dependendo do diferencial de temperatura requerido e dos custos relativos de combustível e eletricidade. Se uma instalação tem uma carga de calor a uma temperatura ligeiramente mais alta que a fonte de calor residual, o calor às vezes pode ser fornecido mais eficientemente por uma bomba de calor do que se obtido queimando combustível adicional. O coeficiente de desempenho (COP) é uma medida do desempenho da bomba de calor, determinado a partir da saída de calor e entrada de trabalho e dado pela equação COP = Q/W, onde Q é a saída de calor útil da bomba de calor, e W é a entrada de trabalho.

Uma consideração importante na determinação da viabilidade de bombas de calor é a temperatura do calor residual e o levantamento desejado na temperatura. O tipo de ciclo usado e o tipo de fluido de trabalho escolhido influenciam as temperaturas nas quais a bomba de calor pode receber ou rejeitar calor, bem como determinam o levantamento máximo de temperatura alcançável. A eficiência de uma bomba de calor diminui à medida que o levantamento desejado na temperatura aumenta.

Ciclo de Compressão Fechado

No ciclo de compressão fechado, uma bomba de calor é usada para baixar a temperatura da água de resfriamento, enquanto usa o calor extraído para aumentar a temperatura da água de processo usada em outra parte da planta. A bomba de calor consiste em evaporador, compressor, condensador e válvula de expansão. No evaporador, energia é transferida da fonte de calor residual para o refrigerante. Então o refrigerante entra no compressor, onde sua temperatura aumenta. Refrigerante superaquecido então entra no condensador e transfere calor para o dissipador de calor. Finalmente, o refrigerante é estrangulado em uma válvula de expansão antes de retornar ao evaporador.

Ciclo Aberto de Recompressão de Vapor

O ciclo aberto de recompressão de vapor usa compressão para aumentar a pressão (e consequentemente a temperatura) do vapor residual. Recompressão de vapor mecânica usa um compressor mecânico, enquanto recompressão de vapor térmica usa um ejetor de vapor, e portanto é acionada por calor em vez de mecanicamente.

Bombas de Calor por Absorção

Bombas de calor por absorção são muito similares ao ciclo de compressão fechado, exceto que o compressor é substituído por um mecanismo de absorção mais complexo, acionado por calor. Dependendo das necessidades da planta, o sistema pode ser configurado de várias maneiras. Em um tipo, a bomba de calor pode usar uma entrada de calor de temperatura mais baixa e uma mais alta para rejeitar calor em um nível intermediário (ex: atualizar o calor de baixa temperatura). Em outro tipo, a bomba de calor pode usar uma entrada de temperatura média para rejeitar calor em uma corrente de temperatura mais baixa e uma de temperatura mais alta. Esta segunda aplicação pode ser usada para ar condicionado e/ou refrigeração.

Geração de Energia

Gerar energia a partir de calor residual tipicamente envolve usar o calor residual de caldeiras para criar energia mecânica que então aciona o gerador elétrico. Estes ciclos de potência são bem desenvolvidos. No entanto, novas tecnologias estão sendo desenvolvidas que podem gerar eletricidade diretamente do calor, como geração termoelétrica e piezoelétrica. Ao considerar tecnologias de geração de energia para RCR, um fator importante a manter em mente é as limitações termodinâmicas na geração de energia a diferentes temperaturas. A eficiência da geração de energia é fortemente dependente da temperatura da fonte de calor residual. Em geral, a geração de energia a partir de calor residual tem sido limitada apenas a fontes de calor residual de média a alta temperatura. No entanto, avanços em ciclos de potência alternativos podem aumentar a viabilidade de geração a baixas temperaturas. Embora a eficiência máxima nestas temperaturas seja menor, estes esquemas ainda podem ser econômicos na recuperação de grandes quantidades de energia de calor residual.

Ciclo Rankine a Vapor

O sistema mais frequentemente usado para geração de energia a partir de calor residual envolve usar o calor para gerar vapor, que então aciona uma turbina a vapor. O ciclo Rankine a vapor tradicional é a opção mais eficiente para recuperação de calor residual de correntes de escape com temperaturas acima de 340 °C. A temperaturas de calor residual mais baixas, ciclos a vapor tornam-se menos custo-efetivos, pois vapor de baixa pressão precisa de equipamentos maiores. Além disso, calor residual de baixa temperatura não pode fornecer energia suficiente para superaquecer o vapor, que é um requisito para prevenir condensação de vapor e erosão das pás da turbina. Portanto, aplicações de recuperação de calor de baixa temperatura são mais adequadas para o Ciclo Rankine Orgânico ou ciclo Kalina, que usam fluidos com pontos de ebulição mais baixos comparados ao vapor.

Ciclo Rankine Orgânico

O ciclo Rankine orgânico (CRO) opera similar ao ciclo Rankine a vapor, mas usa um fluido de trabalho orgânico em vez de vapor. Alternativas incluem óleo de silicone, propano, halo-alcanos (ex: freons), iso-pentano, iso-butano, p-xileno e tolueno, que têm ponto de ebulição mais baixo e pressão de vapor mais alta que a água. Isso permite que o CRO opere com temperaturas de calor residual significativamente mais baixas. A faixa de temperatura mais apropriada depende do fluido usado, pois as propriedades termodinâmicas dos fluidos influenciam a eficiência do ciclo em várias temperaturas. Em comparação com vapor de água, os fluidos têm massa molecular mais alta, permitindo projetos compactos, maior vazão mássica e maiores eficiências de turbina. No entanto, como o CRO funciona a temperaturas mais baixas, a eficiência geral é baixa e depende da temperatura do condensador e evaporador. Embora a eficiência seja menor que uma usina de energia a vapor de alta temperatura, é importante lembrar que ciclos de baixa temperatura são inerentemente menos eficientes que ciclos de alta temperatura. Limites de eficiência podem ser expressos de acordo com a eficiência de Carnot, que é a eficiência máxima possível para uma máquina térmica operando entre duas temperaturas. Um motor de Carnot operando com fonte de calor a 150 °C e rejeitando a 25 °C é apenas cerca de 30% eficiente. Neste sentido, uma baixa eficiência na faixa de 10% a 20% no caso de CRO é uma porcentagem substancial da eficiência teórica, especialmente em comparação com outras alternativas de baixa temperatura, como geração piezoelétrica, que são apenas 1% eficientes.

Embora a economia do CRO, recuperação de calor precise ser cuidadosamente analisada para qualquer aplicação dada, é uma alternativa útil naquelas indústrias que não têm uso interno para calor de processo adicional ou plantas vizinhas que podem fazer uso econômico do calor.

Ciclo Kalina

O ciclo Kalina é uma variação do ciclo Rankine, usando uma mistura de amônia e água como fluido de trabalho. Uma diferença chave entre ciclos de fluido único e ciclos que usam fluidos binários é o perfil de temperatura durante ebulição e condensação. Para ciclos de fluido único, a temperatura permanece constante durante ebulição. À medida que calor é transferido para o meio de trabalho (água), a temperatura da água aumenta lentamente até a temperatura de ebulição, ponto em que a temperatura permanece constante até que toda a água tenha evaporado. Em contraste, uma mistura binária de água e amônia (cada uma com ponto de ebulição diferente) aumenta sua temperatura durante evaporação. Isso permite melhor correspondência térmica com a fonte de calor residual e com o meio de resfriamento no condensador. Consequentemente, estes sistemas alcançam eficiência energética consideravelmente maior. O ciclo foi inventado na década de 1980.

Tecnologias de Conversão Elétrica Direta

Enquanto ciclos de potência tradicionais envolvem usar calor para criar energia mecânica e finalmente energia elétrica, novas tecnologias estão sendo desenvolvidas que podem gerar eletricidade diretamente do calor. Estas incluem tecnologias termoelétrica, termiônica e piezoelétrica. No entanto, estas tecnologias estão em estágio de desenvolvimento. Algumas passaram por testes de protótipo em aplicações como recuperação de calor em veículos automotivos.

Geração Termoelétrica

Materiais termoelétricos (TE) são sólidos semicondutores que permitem geração direta de eletricidade quando submetidos a um diferencial de temperatura. Esta tecnologia baseia-se em um fenômeno conhecido como efeito Seebeck, que afirma que quando dois materiais semicondutores diferentes são submetidos a uma fonte de calor e dissipador de calor, uma tensão é criada entre os dois semicondutores. Inversamente, materiais TE também podem ser usados para resfriamento ou aquecimento aplicando eletricidade a semicondutores dissimilares. A tecnologia termoelétrica existe há muito tempo (o efeito termoelétrico foi descoberto pela primeira vez em 1821), mas tem visto uso limitado devido a baixas eficiências e alto custo. A maioria dos sistemas de geração TE em uso tem eficiências na faixa de 2% a 5%. Estes têm sido usados principalmente para alimentar instrumentos em espaçonaves ou em locais muito remotos. No entanto, avanços recentes em nanotecnologia permitiram materiais TE avançados que podem alcançar eficiências de conversão de 15% ou mais.

Em um estudo recente, concluiu-se que pacotes TE avançados são apropriados em correntes de escape de média a alta temperatura, alta vazão, onde instalações têm pouco uso para calor residual recuperado. No entanto, mais trabalho de desenvolvimento é necessário nesta área. Métodos de produção de baixo custo e alto volume para materiais TE precisam ser desenvolvidos para atingir este objetivo. Além disso, manter um alto diferencial de temperatura através de dispositivos TE finos apresenta um desafio significativo de engenharia. Obter altas taxas de transferência de calor requer avanços em materiais de transferência de calor e sistemas de troca de calor com altos coeficientes de transferência de calor.

Geração de Energia Piezoelétrica

Geração de energia piezoelétrica (GEP) é uma opção para converter calor residual de baixa temperatura na faixa de 100 °C a 150 °C em energia elétrica. A tecnologia piezoelétrica converte energia mecânica na forma de vibrações ambientais em energia elétrica. Uma membrana fina piezoelétrica pode aproveitar a expansão oscilatória de gás para criar uma saída de tensão. No entanto, existem vários desafios técnicos associados às tecnologias GEP. Estes incluem: (i) baixa eficiência (apenas cerca de 1% eficiente), (ii) dificuldades permanecem em obter frequências oscilatórias altas o suficiente (dispositivos atuais operam em cerca de 100 Hz, e frequências necessárias estão próximas a 1.000 Hz), (iii) alta impedância interna, (iv) dinâmica de fluido oscilatória complexa dentro da câmara líquido/vapor, (v) necessidade de confiabilidade e durabilidade de longo prazo, e (vi) altos custos.

Embora a eficiência de conversão da tecnologia GEP seja atualmente muito baixa (1%), pode haver perspectivas para usar GEP em cascata, no qual caso eficiências podem atingir cerca de 10%. Outras questões-chave são os custos de fabricação de dispositivos piezoelétricos, bem como o projeto de trocadores de calor para facilitar taxas de transferência de calor suficientes através de uma diferença de temperatura relativamente baixa.

Geração Termiônica

Dispositivos termiônicos operam de forma similar a dispositivos termoelétricos. No entanto, enquanto dispositivos termoelétricos operam de acordo com o efeito Seebeck, dispositivos termiônicos operam via emissão termiônica. Nestes sistemas, uma diferença de temperatura impulsiona o fluxo de elétrons através de vácuo de um metal para uma superfície de óxido metálico. Uma desvantagem chave desta tecnologia é que ela é limitada a aplicações com aplicação de eletricidade a semicondutores dissimilares. A tecnologia termoelétrica existe há muito tempo para temperaturas acima de 1.000 °C. No entanto, algum desenvolvimento permitiu seu uso na faixa de cerca de 100 °C a 300 °C.

Gerador Termofotovoltaico

Geradores termofotovoltaicos podem ser usados para converter energia radiante em eletricidade. Esta tecnologia envolve uma fonte de calor, um emissor, um filtro de radiação e uma célula fotovoltaica (FV) (como as usadas em painéis solares). À medida que o emissor é aquecido, ele emite radiação eletromagnética. A célula FV converte esta radiação em energia elétrica. O filtro é usado para passar radiação em comprimentos de onda que correspondem à célula FV, enquanto reflete a energia restante de volta ao emissor. Esta tecnologia pode potencialmente permitir novos métodos para RCR. Um pequeno número de sistemas de protótipo foi construído para aplicações de queimador pequeno e em uma turbina a gás de helicóptero.

RCR e Indústria de Ferro e Aço

A indústria de ferro e aço emprega vários fornos de alta temperatura para produção de coque, sinter, ferro-gusa e aço e responde por alto consumo de energia. Embora a recuperação de correntes gasosas limpas na indústria seja comum, gases de escape fortemente contaminados de forno de coque, alto-forno (AF), conversor a oxigênio básico (BOF) e forno a arco elétrico (FAE) continuam a apresentar um desafio para RCR econômico. Técnicas de recuperação de calor destes gases sujos estão disponíveis, ainda a implementação tem sido limitada devido a altos custos de investimento de capital.

A indústria do aço fez o maior progresso na redução de sua intensidade energética. Tal progresso foi alcançado por lingotamento contínuo e otimização da operação do AF, e também através de reciclagem de aço e substituição de combustíveis fósseis por gases de subproduto reciclados (gás de forno de coque, gás de alto-forno e gás de conversor). Recuperação de calor residual in-situ foi implementada onde possível, por exemplo, recirculando gases de chaminé quentes dentro do forno onde foram criados para reduzir demanda de energia externa, ou usando gases de chaminé quentes para pré-aquecer ar de combustão ou gás de combustível. Tais melhorias de eficiência energética ainda deixam oportunidades residuais de recuperação de calor residual, ex: produzir vapor para outras partes do processo ou produzir eletricidade.

Produção de Coque

A produção de coque é material de carga essencial para operação do AF. Coque é produzido em fornos de coque, onde carvão é aquecido em atmosfera limitada de oxigênio. Existem dois métodos para produzir coque: (i) o processo de subproduto, e (ii) o processo sem recuperação. No processo de subproduto, subprodutos químicos (alcatrão bruto, amônia e óleos leves) no gás de forno de coque (GFC) são recuperados, enquanto o GFC restante é limpo e reciclado dentro da usina siderúrgica. No processo sem recuperação, todo o GFC é queimado no processo. O tipo mais comum de processo ainda é o processo de subproduto e este é discutido abaixo.

O processo de coqueificação por subproduto tem duas áreas de perda de calor sensível: (i) GFC que é resfriado no processo de limpeza de gás, e (ii) gás de resíduo deixando o forno de coque. O processo de coqueificação emprega várias câmaras de forno de coque separadas por canais de aquecimento. GFC reciclado, e às vezes outros gases como gás de AF, são usados como fonte de combustível no canal de aquecimento e fornecem calor à câmara do forno onde a carbonização do carvão ocorre. À medida que o carvão é carbonizado na câmara do forno, gás e umidade (respondendo por cerca de 8% a 11% do carvão carregado) são liberados e saem através dos tubos. O GFC tem alto conteúdo de calor variando de cerca de 4000 kcal/m³ a 4400 kcal/m³ e, portanto, pode ser reciclado para uso como combustível após passar por processo de limpeza.

A temperatura do GFC bruto na saída do forno varia de 650 °C a 1000 °C. Neste ponto, o gás GFC é uma fonte de calor sensível. No entanto, o calor é universalmente desperdiçado devido à alta quantidade de alcatrão e outros materiais que podem causar acúmulo nas superfícies do trocador de calor. Ao deixar o forno, o GFC é resfriado por aspersão de licor de amônia seguido por resfriadores primários. Diferentes tecnologias são então usadas para remover alcatrão, compostos de enxofre, amônia e óleos leves. Após a limpeza, o GFC é usado como combustível em toda a usina siderúrgica. Neste arranjo, apenas a energia química do GFC é recuperada quando reciclado, enquanto o calor sensível é desperdiçado.

Embora a maioria das usinas siderúrgicas não empregue recuperação de calor do GFC, um nível limitado de recuperação de calor do GFC é possível, como mostrado pelo sucesso desta prática no Japão. Instalações de forno de coque no Japão aplicaram com sucesso recuperação de calor através do uso de um meio de transferência de calor de baixa pressão. Em geral, a temperatura mínima permitida para o GFC no trocador de calor é de cerca de 450 °C. A temperaturas mais baixas, alcatrão condensa e leva a formação de fuligem na superfície do trocador de calor. Resfriar a 450 °C permite apenas cerca de um terço do calor sensível ser recuperado. No entanto, é improvável que USIs em outros países busquem novas tecnologias para recuperação de calor de gás bruto de forno de coque. Isso é porque USIs enfrentam barreiras de custo com recuperação de calor de correntes de escape sujas. Além disso, o processo de coqueificação por subproduto pode se tornar irrelevante em anos futuros. É provável que USIs se afastem do processo de subproduto para o processo sem recuperação devido a considerações ambientais. No processo sem recuperação, o gás GFC é queimado dentro do processo, e uma CCR é usada para recuperar o calor sensível nos gases de escape.

Outra fonte de perda de calor sensível em fornos de coque são os gases de resíduo da combustão de gases de combustível reciclados. Os gases de combustível reciclados são usados no canal de aquecimento, adjacente à câmara do forno. A combustão dos gases de combustível gera gases de escape quentes que deixam o canal do forno e passam através de um regenerador para transferir calor para ar de combustão de entrada e/ou combustível. Gases de resíduo deixam o regenerador a temperaturas médias de cerca de 200 °C. Em algumas plantas, o conteúdo de calor dos gases de resíduo é ainda mais recuperado pelo uso de heat pipe ou para pré-aquecer carga de carvão e reduzir seu teor de umidade. Neste caso, a temperatura dos gases de escape cai para cerca de 60 °C.

Produção de Sinter

Planta de sinterização consiste em duas seções principais, seção de sinterização e seção de resfriamento de sinter. Recuperação de calor de ambas as partes foi desenvolvida: (i) de gás de escape da seção de sinterização, e (ii) de gás de resfriamento da seção de resfriamento. Há grande diferença de temperatura dependendo da posição da seção. Temperatura média do gás em ambas as seções está no nível de 100 °C a 150 °C, muito baixa para recuperação de calor eficaz. Recuperação de calor deve ser limitada à zona de alta temperatura do gás, parte final da seção de sinterização e parte primária da seção de resfriamento, onde temperaturas de gás de 300 °C ou mais estão disponíveis. Embora a zona de recuperação de calor seja limitada, o volume de gás do processo de sinterização é grande o suficiente para recuperação de calor prática.

O sistema de recuperação de energia de gás de resíduo consiste de capuz, coletor de poeira, caldeira de recuperação de calor, ventilador de circulação e desaireador. Gás de escape da máquina de sinterização é corrosivo contendo algumas poeiras. Recuperação de calor é geralmente limitada à zona de alta temperatura do gás, pois a temperatura média agregada é baixa para recuperação de calor. Ao mesmo tempo, devido à sua corrosividade, a temperatura do gás após recuperação de calor deve ser mantida acima do ponto de orvalho ácido do gás. Gás de resfriamento é basicamente ar atmosférico contendo algumas poeiras. No caso de resfriador de sinter, é o mesmo que recuperação de calor da máquina de sinterização. Devido à distribuição de temperatura do gás junto com o resfriador, a recuperação de calor é limitada à zona de alta temperatura do gás.

Recuperação de calor de gás de escape da máquina de sinterização pode ser categorizada em tipo de circulação e tipo não circulação. No tipo de circulação, gás após recuperação de calor é circulado para a máquina de sinterização como substituição de gás de resfriamento, enquanto no tipo não circulação, o gás após recuperação de calor é levado diretamente à instalação de tratamento de gás. Tipo de circulação é adotado para melhorar eficiência de recuperação de calor.

No caso de recuperação de calor do resfriador, o gás do resfriador é ar. O sistema de recuperação de calor do resfriador pode ser categorizado como tipo de circulação e tipo não circulação. No caso de tipo não circulação, após recuperação de calor da zona de gás quente, gás de resfriamento é liberado para a atmosfera. No caso de tipo circulação, após recuperação de calor da zona de gás quente, gás de resfriamento é levado ao resfriador e reutilizado para resfriamento de sinter. Temperatura do gás de resfriamento sobe através de recirculação e consequentemente resulta em maior recuperação de calor. Por outro lado, a temperatura do gás de resfriamento sobe até o nível de 180 °C, a capacidade de resfriamento pode diminuir. Temperatura do sinter na saída do resfriador é mais alta cerca de 30 °C no tipo circulação. Diferença de temperatura é pequena o suficiente e não afeta operação da planta de sinter. Energia recuperada aumenta em 50% no tipo circulação comparado ao tipo não circulação. Consumo de energia do ventilador é maior no caso de tipo circulação. No entanto, potência recuperada é muito maior.

Produção de Ferro-Gusa no AF

O AF é uma das principais unidades em USIs. Ele converte minério de ferro em ferro-gusa. Matérias-primas são carregadas do topo, incluindo materiais contendo ferro (minério de ferro em bloco, sinter, ou pelotas), aditivos (fundente), e coque, enquanto ar quente e combustíveis suplementares são injetados através de tubos de vento no fundo do forno. A carga desce através do AF e encontra uma corrente ascendente de gases quentes. O ar quente entrando no AF é fornecido por vários foguetes de explosão auxiliares. No foguete de explosão, gás misto consistindo de gás de AF (GAF) e GFC são combustados. O calor dos gases de escape da combustão é transferido para um trabalho de xadrez de regenerador. Quando o regenerador atinge uma temperatura apropriada, o fluxo de ar é invertido e ar frio é forçado através do regenerador, que transfere calor para o ar frio. O ar aquecido é então injetado no forno. O sistema opera de acordo com os mesmos princípios de um regenerador usado para recuperação de calor. No entanto, neste caso, o regenerador não é uma unidade de 'recuperação de calor residual', mas sim o mecanismo para transferir calor do foguete para o ar quente de explosão. Fontes de calor residual de gás de escape no AF incluem tanto os gases de escape dos foguetes de explosão quanto o GAF deixando o AF.

Há perda de calor sensível do GAF. Novos AFs são projetados para transferência de calor eficiente, resultando em gases quentes no topo do AF na faixa de baixa temperatura. O GAF é recuperado para uso como combustível em aquecimento de ar de explosão, fornos de reaquecimento de laminadores, aquecimento de forno de coque, produção de energia e geração de vapor. Como o GAF tem baixo valor calórico, é frequentemente misturado com GFC ou gás de conversor. O GAF deve ser limpo antes de poder ser usado como combustível, e o calor sensível contido no gás é raramente recuperado. Em alguns casos, o AF opera a uma pressão suficientemente alta (2,5 atm ou superior) para usar economicamente uma turbina de recuperação de pressão de topo (TRT) para recuperação da 'energia de pressão' do GAF. O gás deve ser limpo antes de entrar no TRT, o que é geralmente realizado via limpeza úmida, com o resultado de que o calor sensível do gás de escape é perdido. Uma alternativa à tecnologia de limpeza úmida é limpeza a seco, na qual a temperatura do gás entrando no TRT pode ser elevada a cerca de 120 °C. Tecnologia TRT a seco já está funcionando em vários lugares. No entanto, é mais cara.

Outra oportunidade para RCR é dos gases de escape de combustão deixando foguetes de explosão. Os gases estão a temperaturas de cerca de 250 °C. O gás de escape do foguete de explosão é relativamente limpo e mais compatível com dispositivos de recuperação de calor, tornando a recuperação de calor de foguetes de explosão uma prática mais comum. O calor pode ser usado para pré-aquecer ar de combustão e/ou gás de combustível. Trocadores de calor usados incluem regeneradores rotativos, trocadores de calor de placas fixas e sistemas de meio térmico circulante.

Produção de Aço Líquido no BOF

O BOF usa oxigênio para oxidar impurezas no ferro-gusa. Operação é semi-contínua: ferro-gusa e sucata são carregados no forno, oxigênio é injetado, fundentes são adicionados para controlar erosão, e então o metal é amostrado e vazado. A temperatura necessária para fundir o metal é suprida pela reação de oxidação exotérmica e, portanto, nenhuma fonte de calor externa é necessária.

Os gases de escape do BOF estão a uma alta temperatura. Tem alta concentração de CO (monóxido de carbono). Como GFC e GAF, gases do BOF oferecem oportunidades para recuperação de energia química e calor sensível. Desafios para RCR incluem altos custos de capital e problemas substanciais de manutenção resultantes de gases quentes e sujos. Contaminantes incluem óxidos de ferro, metais pesados, SOx, NOx e fluoretos.

Vários métodos comerciais para RCR estão disponíveis. Os dois principais métodos para recuperação de calor são 'combustão aberta' e 'combustão suprimida'. Em sistemas de combustão aberta, ar é introduzido no duto de gás do BOF para combustar o CO. O calor gerado é recuperado com uma caldeira de calor residual. No método de 'combustão suprimida', uma saia é adicionada à boca do conversor para reduzir infiltração de ar e combustão do CO. O gás é então limpo, coletado e usado como combustível. Também é possível recuperar tanto o gás quanto o calor sensível via sistema combinado de caldeira/recuperação de gás de combustão suprimida.

Produção de Aço Líquido por FAE

A indústria do aço experimentou crescimento significativo na fabricação a partir de sucata reciclada via fusão elétrica. FAE e forno de indução são os dois tipos de fornos usados para fundir sucata ferrosa para fusão elétrica. Destes dois, FAE é o forno proeminente. O forno é revestido de refratário e tipicamente coberto por um teto retrátil, através do qual eletrodos de C são abaixados. Materiais de carga são baixados através do teto. Fundentes e agentes de liga também são adicionados para ajudar a controlar a qualidade do material. Os eletrodos são então abaixados a cerca de uma polegada acima do metal, e a corrente fornece calor para fundir a sucata. Durante a operação do forno, vários gases e emissões particuladas são liberados, incluindo CO, SOx, NOx, óxidos metálicos, compostos orgânicos voláteis (COV) e outros poluentes. Temperaturas de gases de escape em cargas de pico podem igualar de 1.350 °C a 1.950 °C. Gases de escape são responsáveis por perdas de cerca de 20% da entrada de potência. Metade destas perdas é devida à energia química nos gases, enquanto a outra metade é calor sensível. Adicionalmente, cerca de 8% a 10% da entrada de energia também é perdida para a 'jaqueta' de água de resfriamento do FAE.

O método mais comum para recuperação de calor é pré-aquecimento de sucata, que tem sido amplamente usado. O uso de gases de escape para pré-aquecer sucata pode economizar de 5% a 10% do consumo total de energia do FAE. Projetos iniciais para pré-aquecimento de sucata requeriam tubulação de gases de escape para o cesto de carga. Alguns dos desafios com estes sistemas incluem a necessidade de transportar sucata pré-aquecida contendo materiais não sucata semi-queimados (ex: plásticos), bem como a evaporação de voláteis que criam odor e problemas de controle ambiental. Alternativas ao sistema de pré-aquecimento por cesto incluem o processo Consteel, forno de eixo Fuchs e forno de duas câmaras (Twin shell). Estes processos foram instalados em vários lugares.

O processo Consteel envolve carga contínua de sucata e usa um transportador de sucata, um sistema de alimentação e um pré-aquecedor. O pré-aquecedor é um túnel revestido de refratário onde gases de escape fluem oposto ao fluxo de carga de sucata. Ar é introduzido no pré-aquecedor para queimar CO e CO2 e assim tanto a energia química quanto o calor sensível no gás de escape é usado. Um pós-queimador é às vezes instalado para queimar CO restante e outros compostos. O forno de eixo Fuchs envolve um eixo imediatamente acima do teto do forno a arco. A carga é carregada via cestos em três estágios. Os cestos são revestidos de refratário e projetados com uma vedação que previne escape de fumos. Aquecimento de sucata é ainda assistido por queimadores oxi-combustível auxiliares. Além disso, pós-queimadores são instalados para combustar completamente todo o CO. Um benefício adicional do sistema é que a carga atua como filtro de poeira, capturando cerca de 40% da poeira e retornando-a ao forno, permitindo assim ligeiros aumentos no rendimento.

Os benefícios e desvantagens dos sistemas de pré-aquecimento de sucata dependem da operação específica. Em alguns casos, permite consumo reduzido de eletricidade e produtividade aumentada. Em outros casos, sistemas de pré-aquecimento de sucata são difíceis de manter. À medida que FAEs se tornam cada vez mais eficientes e tempos toque-a-toque são reduzidos, manuseio de sucata pode reduzir produtividade e possivelmente criar demandas de manutenção onerosas. Em um caso, a economia de energia permitida pelo pré-aquecimento de sucata é reduzida em cerca de metade quando tempos toque-a-toque são reduzidos em um terço.

Caldeiras de Usina de Energia

Caldeiras em USIs normalmente usam GAF e GFC como combustível. A temperatura do gás de escape para as caldeiras varia com a idade da caldeira e os controles usados. Temperaturas podem ser bastante altas (340 °C a 450 °C), com teor de O2 variando de 3% a 7,5%. O calor residual está na forma de gases limpos, livres de contaminação e não requer condicionamento adicional. As áreas de calor residual e recuperação de caldeiras e sistemas de vapor incluem: (i) uso de gases de escape para pré-aquecer GAF e GFC, (ii) uso de geração de energia de baixa temperatura se economicamente justificável, (iii) pré-aquecimento de água de serviço ou água de rio para uso na planta, se possível e requerido, e vapor de baixa pressão pode ser condensado e reutilizado para o sistema de água da caldeira em vez de ventilar.

Forno de Reaquecimento

Forno de reaquecimento é um equipamento chave dos laminadores a quente. Sua função é aquecer continuamente tarugos, placas ou blocos de diferentes tamanhos e graus até 1.250 °C. A maioria dos novos fornos de reaquecimento são 'fornos de viga caminhante' (FVC). No FVC, o aquecimento é feito sobre e sob os produtos que são manuseados do lado de carga para lado de descarga por meio de vigas isoladas e resfriadas (skids). Um critério chave de desempenho para fornos de reaquecimento é homogeneidade de aquecimento. 20% a 30% da entrada de energia é tipicamente desperdiçada dividida entre várias perdas térmicas: (i) a temperatura do gás de escape entre o recuperador de ar de combustão e a chaminé está a 250 °C a 300 °C com combustível gás natural e mais alta com combustível de menor valor calórico, (ii) os sistemas de manuseio de produto dentro do forno com skids e sistema de pós-resfriamento, e (iii) perdas de paredes e portas, dificilmente recuperáveis.

Água é usada para resfriar constantemente o sistema de skids que está em contato com uma atmosfera muito quente no forno. Este loop de água tipicamente entra a 40 °C e é aquecido em 15 °C antes de ser direcionado a um sistema de resfriamento dedicado.

Em vários lugares, RCR é realizada no sistema de resfriamento de skids produzindo vapor quando necessário na planta para outros propósitos. Por si só, esta instalação reduz perdas através do sistema de skids devido ao uso de tubos de água fria usados a temperatura mais alta. Se vapor não é necessário pela planta, então um CRO (adaptado para tais temperaturas em torno de 200 °C) pode ser instalado no circuito de vapor para produzir eletricidade. Esta instalação tem o benefício de ser facilmente e seguramente operável, especialmente com alta variabilidade das perdas devido à temperatura constante trazida pela mudança de fase da água. Na maioria das vezes, esta tecnologia não é instalada por causa do longo payback, e a energia contida nos gases de escape é desperdiçada.

Um sistema de produção de eletricidade é possível para recuperar energia de gases de escape. Dependendo da temperatura da fonte de calor, ou um 'ciclo água-vapor' (com forno de baixa eficiência) ou um CRO (com melhor eficiência) estão disponíveis. No entanto, na maioria das vezes, estas tecnologias não são instaladas por causa de seu longo payback. Esta situação pode ter outra solução. Esta solução combina calor do loop de resfriamento de skids operado a pressão e temperatura mais altas de modo a produzir uma mistura de vapor e água a cerca de 215 °C em circuito fechado e calor de gases de escape. As duas fontes de calor são recuperadas separadamente graças a loops de fluido térmico orgânico e então combinadas para formar uma fonte de calor comum.

A flutuação de calor dos gases de escape (temperatura e volume são modificados) no caso de variações de potência do forno (produção ou variações de produto) são balanceadas devido à temperatura constante do calor vindo do sistema de resfriamento de skids. Assim, a operação do sistema é fácil e torna a fonte de calor global mais estável, especialmente com altas flutuações.

É possível que a produção do forno de reaquecimento flutue em poucos minutos, o que afeta o conteúdo de calor dos gases de escape entrando no sistema RCR. O CRO é um sistema bastante flexível que pode acomodar tais variações até certo ponto. Um CRO pode tipicamente operar até 30% de sua capacidade nominal, e desliga automaticamente quando a entrada de calor vai abaixo desse limite. No entanto, o aspecto econômico é afetado pois a produção de eletricidade também diminui.

Soluções de armazenamento de calor que podem ser adaptadas a variações diárias estão se tornando disponíveis para aplicações industriais e podem ser usadas em combinação com um CRO para nivelar sua produção. Óleo, por exemplo, é meio de armazenamento de calor apropriado naquele nível de temperatura. Benefícios econômicos precisam ser avaliados caso a caso.

Calor Residual de Correntes Sólidas

Além das perdas de calor residual de gases de escape, correntes sólidas e água de resfriamento são fontes de perdas adicionais de calor sensível. Produtos sólidos e subprodutos com perdas significativas de calor residual incluem coque quente, sinter quente, escória de AF, escória de BOF, aço fundido e aço laminado a quente. Embora o calor de correntes sólidas seja frequentemente mais difícil de recuperar, as perdas de calor são altas. A perda de calor sensível do coque é recuperada em algumas plantas por resfriamento a seco de coque (CDQ) como alternativa ao resfriamento úmido. CDQ envolve pegar coque incandescente em um balde especialmente projetado, que é descarregado no vaso CDQ. Um gás inerte como nitrogênio passa sobre o coque e recupera seu calor sensível. O gás quente é então passado através de uma caldeira de calor residual. Economia de energia está na faixa de 0,2 milhão a 0,25 milhão kcal por tonelada de coque. Também houve tentativas de recuperar calor de outros fluxos sólidos via caldeiras de calor radiante. Isso foi mal sucedido para escória de AF e BOF, mas foi comercializado para recuperação de calor de aço fundido em alguns locais no Japão e Alemanha.

Outra opção para reduzir perdas de calor de aço fundido é carregamento a quente, no qual produtos fundidos são carregados no forno de reaquecimento enquanto ainda quentes. Carregamento a quente pode economizar cerca de 0,12 milhão kcal por tonelada. Perda de calor sensível de aço laminado a quente também pode ser parcialmente recuperada usando resfriamento a água. Como a temperatura final da água de resfriamento é geralmente baixa (cerca de 80 °C), ela pode ser atualizada para outras aplicações de aquecimento com uma bomba de calor.