A atualização do queimador na fábrica Simplot beneficia o desempenho, energia

Para reduzir o consumo de energia e os custos, a J.R. Simplot Company concluiu um projeto há vários anos que aumentou a eficiência do sistema de vapor em sua planta de processamento de batata em Caldwell, Idaho. O projeto foi baseado em uma avaliação, realizada usando o Steam System Assessment Tool (SSAT), por Bill Moir, um especialista qualificado da Steam Engineering Inc. O SSAT foi desenvolvido para as Melhores Práticas do Programa de Tecnologias Industriais do Departamento de Energia dos EUA (DOE). As melhorias da planta de Caldwell estão economizando 52.000 MMBtu e 526.000 quilowatts-hora anualmente. A economia de energia e custos de manutenção totalizam US $ 329.000 por ano. Como os custos totais do projeto foram de $ 373.000, o retorno simples é de menos de 14 meses. Medidas de eficiência semelhantes foram replicadas em outras instalações do Simplot, após análises conduzidas usando o SSAT. Essas melhorias na eficiência energética estão gerando uma economia de gás natural de 176.000 MMBtu por ano.

Histórico da empresa / planta
The J.R. Simplot Company é uma grande empresa de alimentos e agronegócio sediada em Boise, Idaho, com vendas anuais de cerca de US $ 3 bilhões. A empresa possui mais de 12.000 funcionários nos Estados Unidos, Canadá, China, México e Austrália. A atividade de negócios da Simplot inclui a produção de alimentos, fertilizantes, grama e produtos hortícolas; alimentação de gado; e outras empresas do agronegócio. A empresa mantém um programa contínuo de eficiência energética com foco no treinamento de funcionários. David Hawk, diretor de energia e recursos naturais, e Alan Christie, gerente de engenharia do Food Group da Simplot, trabalharam em estreita colaboração com o DOE, o Washington State University Energy Program e a Divisão de Energia de Recursos Hídricos de Idaho para aumentar a conscientização sobre a produtividade e benefícios financeiros do aumento da eficiência energética em sistemas industriais.

A instalação de Caldwell é uma das maiores da empresa; ela produz aproximadamente 270 milhões de libras de batatas fritas congeladas por ano. O local está equipado com três caldeiras de tubo de água a gás natural. Dois são avaliados para 70.000 libras por hora (lb / h), e o terceiro está classificado para 60.000. O vapor é gerado a 275 libras por polegada quadrada (psig) saturado. O vapor é importante para os processos de produção da planta porque apoia diretamente as tarefas de descasque, branqueamento e fritura da batata.

Visão geral do projeto
Em 2000, a Simplot contratou a Steam Engineering Inc. para analisar os sistemas de vapor em suas instalações de produção como parte de seu programa corporativo de eficiência energética. Na avaliação inicial no local de Caldwell, os analistas descobriram que a carga média de vapor da planta era de 90.000 lb / h, e os níveis de ar de combustão em excesso estavam em média 50 por cento. Além disso, o teor de oxigênio do gás de combustão chegava a 7,5 por cento. Todas as três caldeiras foram operadas em carga parcial para satisfazer a demanda de vapor de pico da planta de 140.000 lb / h. Os níveis de pico e de demanda média flutuavam constantemente porque o recipiente para descascar as batatas tinha que ser enchido rapidamente para evaporar a umidade nas batatas. A reutilização do condensado foi mínima; apenas o condensado de alta pressão dos trocadores de calor de óleo quente foi devolvido às caldeiras.

A conclusão inicial foi que a eficiência do sistema de vapor poderia ser dramaticamente melhorada instalando novos queimadores equipados com controles de posicionamento paralelo e adicionando um sistema de compensação de oxigênio de gás de combustão para reduzir a quantidade de ar em excesso necessária para uma combustão de qualidade.

Em 2002, quando o software SSAT foi lançado, Moir o usou para avaliar o sistema de vapor da planta de Caldwell. O modelo SSAT indicou economia potencial de gás natural de mais de 25.000 MMBtu anualmente se as caldeiras na instalação de Caldwell pudessem operar de forma consistente com um nível de oxigênio do gás de combustão de 3 por cento. Isso poderia ser realizado atualizando os queimadores e controles antigos e instalando sistemas de compensação de oxigênio de gás de combustão nas caldeiras, conforme indicado na análise anterior. Além disso, o modelo SSAT mostrou que as atualizações do sistema de condensado permitiriam que mais condensado fosse recuperado, que as caldeiras poderiam operar em níveis de ar de combustão em excesso de 10 por cento e que apenas duas caldeiras poderiam atender à carga de vapor da planta.

Implementação do Projeto
A administração da Simplot decidiu implementar as recomendações da Steam Engineering, com base na análise SSAT, primeiro nas instalações de Caldwell. Se o projeto Caldwell fosse bem-sucedido, medidas semelhantes seriam tomadas em outros locais do Simplot após avaliações baseadas no SSAT.

Para minimizar o tempo de inatividade da produção, os novos queimadores e controles foram instalados em duas caldeiras durante as paradas programadas da planta. Depois que os queimadores existentes foram removidos, novas placas frontais foram montadas em cada frente da caldeira antes que os novos queimadores pudessem ser instalados. Em seguida, novos ventiladores de ar de combustão, dutos de recirculação de gases de combustão, analisadores de oxigênio de gases de combustão e sistemas de controle de caldeira com sistemas de compensação de oxigênio foram instalados em cada caldeira. Depois que todas as melhorias foram concluídas, o pessoal da fábrica foi capaz de atender à carga de vapor da fábrica usando menos vapor e gás natural, sem diminuir a produção.

Resultados do Projeto
O projeto da planta de Caldwell aumentou significativamente a eficiência do sistema de vapor da planta. Como os novos queimadores são mais eficientes e recirculam melhor os gases de combustão, as caldeiras agora operam com um nível médio de oxigênio do gás de combustão de 3% ou menos. A carga máxima de vapor da planta é agora de 110.000 lb / h, e duas caldeiras são capazes de atender a essa carga, com níveis de ar de combustão em excesso de apenas 10 por cento. O projeto simplificou o processo de retorno do condensado, trazendo o condensado diretamente para o desaerador e permitindo que a pressão do desaerador flutuasse. Isso permitiu que a planta atingisse uma taxa de recuperação de condensado de 50 por cento e desligasse as cinco bombas de condensado da planta.

O projeto da planta de Caldwell reduziu o consumo anual de gás natural em 52.000 MMBtu (7,5 por cento do consumo anual anterior), para uma economia de custo de $ 279.000 por ano. A economia anual de eletricidade chega a 526.000 kWh, economizando outros $ 20.000 por ano, porque as bombas de condensado e o exaustor da caldeira na terceira caldeira estão desligados. Essas mudanças também estão economizando $ 30.000 em custos anuais de manutenção. A economia anual total do projeto é de $ 329.000. Como os custos totais do projeto foram de $ 373.000, o retorno simples é de menos de 14 meses. Além disso, a produção agora é mais confiável; nenhuma interrupção da caldeira foi relatada desde que o projeto foi concluído.

Desde a conclusão do projeto, a gestão da Simplot determinou o uso do SSAT para avaliar os sistemas de vapor em todas as suas instalações de produção. Até o momento, as medidas de eficiência baseadas na modelagem SSAT foram replicadas em outras oito instalações Simplot, resultando em uma economia anual de gás natural de 176.000 MMBtu. Além disso, o envolvimento da Simplot com a Western US Food Processing Efficiency Initiative (parte da State Technologies Advancement Collaborative) permitiu que a experiência desenvolvida nesses esforços fosse alavancada com outros esforços bem-sucedidos de eficiência energética para o benefício de outras empresas de processamento de alimentos no oeste Estados Unidos.

Figura 1. Conjunto de admissão de ar

Lições Aprendidas
Usar uma metodologia e ferramenta uniformes para avaliar e otimizar sistemas industriais de vapor pode gerar estratégias valiosas para melhorar o desempenho desses sistemas e economizar energia. Na planta Caldwell da J.R. Simplot, uma análise baseada em SSAT validou o potencial de economia de energia resultante de uma estratégia convencional para otimizar a eficiência do sistema de vapor. A análise SSAT também identificou benefícios adicionais dessa estratégia.

Na esteira do sucesso do projeto, a Simplot viu o SSAT como um tipo de ferramenta de "denominador comum" eficaz para avaliar oportunidades de melhorar todos os sistemas de vapor da empresa. A Administração, portanto, estabeleceu uma política corporativa para institucionalizar o uso do SSAT em todas as instalações do Simplot a vapor. Até o momento, o SSAT foi usado em outras oito instalações do Simplot, e as análises resultantes são atualizadas anualmente. Ferramentas e metodologias uniformes como essa podem ser facilmente adotadas em qualquer instalação industrial que utilize vapor.

Figura 2. Queimador e carcaça do queimador

Definição de eficiência de combustão
A eficiência da combustão é uma medida da eficácia com que o conteúdo de calor de um combustível é transferido para calor utilizável. A temperatura da chaminé e os níveis de oxigênio do gás de combustão são indicadores primários da eficiência da combustão. Operar uma caldeira com uma quantidade ideal de excesso de ar minimiza a perda de calor na pilha e melhora a eficiência da combustão. Na prática, as condições de combustão raramente são ideais; ar adicional ou “em excesso” deve ser fornecido para queimar o combustível completamente.

A quantidade correta de excesso de ar é determinada analisando os níveis de oxigênio dos gases de combustão. O excesso de ar inadequado resulta em combustível não queimado, enquanto o excesso de ar resulta em perda de calor - indicando menor eficiência de combustível em vapor da caldeira. As caldeiras a gás natural que operam com eficiência devem ter um nível de excesso de ar de 10 por cento. Quando a composição do combustível ou fluxos de vapor são altamente variáveis, um sistema de compensação de oxigênio on-line deve ser considerado. Um sistema de compensação de oxigênio fornece feedback para os controles do queimador para minimizar automaticamente o excesso de combustão

Ferramenta de avaliação do sistema Steam do DOE ITP BestPractices
BestPractices possui um conjunto de ferramentas para avaliar e identificar oportunidades de economia de energia em sistemas de vapor. A principal ferramenta relacionada ao Steam é a Steam System Assessment Tool (SSAT). O SSAT é um pacote de software que permite aos usuários modelar vários cenários de melhoria e estimar com precisão o potencial de energia e economia de custos de melhorias individualizadas do sistema de vapor. Esta e outras ferramentas de software relacionadas ao Steam podem ser obtidas no site da EERE (www.oit.doe.gov/bestpractices/software_tools.shtml) ou podem ser solicitadas no Centro de Informações da EERE ligando para 877-337-3463.

Para obter mais informações sobre o Programa de Tecnologias Industriais do Departamento de Energia dos EUA, visite http://www1.eere.energy.gov.