Fornos industriais: Classificação, conservação de energia e controle da poluição

1. Histórico, situação atual e classificação dos fornos industriais

Fornos industriais e fornos, usados para processos como fundição, torrefação, sinterização, fusão e aquecimento, estão presentes na China desde a dinastia Shang, com temperaturas de forno que podem chegar a 1.200 °C.

Durante o período de primavera e outono, o desenvolvimento da tecnologia de fornos levou à produção de ferro fundido.

Em 1794, o mundo viu a introdução de uma cúpula cilíndrica reta para a fundição de ferro fundido.

Depois, em 1864, Martin, da França, construiu o primeiro forno de aço de lareira aberta alimentado por gás, com base no princípio do forno regenerativo desenvolvido pela Siemens, da Grã-Bretanha. Ao pré-aquecer o ar e o gás na câmara regenerativa, o forno conseguiu atingir a temperatura de 1600°C necessária para a produção de aço.

Na década de 1920, havia fontes de alimentação suficientes disponíveis, o que levou ao uso generalizado de fornos de resistência, fornos elétricos a arco e fornos de indução com núcleo na indústria. Ao mesmo tempo, a introdução de fornos mecanizados e automáticos melhorou a produtividade e as condições de trabalho.

Na década de 1950, os fornos de indução sem núcleo tiveram um rápido crescimento. Mais tarde, o forno de feixe de elétrons foi inventado, usando feixes de elétrons para impactar o combustível sólido para aquecer e derreter materiais com alto ponto de fusão.

Atualmente, a China tem aproximadamente 130.000 fornos industriais, localizados principalmente nos setores de metalurgia, materiais de construção, maquinário e produtos químicos, que representam mais de 85% do número total de fornos.

O consumo anual de energia desses fornos é de 25% do consumo nacional de energia, com porções aproximadamente iguais atribuídas a fornos a combustível e fornos elétricos.

Há vários desafios importantes enfrentados pelos fornos industriais na China, incluindo métodos de combustão ultrapassados, alta intensidade de mão de obra, poluição ambiental, requeima excessiva, baixa eficiência térmica e sistemas inadequados de monitoramento e controle automáticos.

Os fornos industriais podem ser classificados com base em características do processotemperatura de trabalho, características de operação térmica e sistema de trabalho.

Os tipos mais comuns de fornos industriais incluem fornos de fundição, fornos de fusão, fornos de aquecimento, fornos petroquímicos, fornos de tratamento térmico, fornos de sinterização, fornos de trabalho químico, fornos de calcinação e fornos, fornos de secagem e fornos, fornos de arco elétrico, fornos de indução para fundição de alta temperatura, fornos de coque, incineradores e outros.

Tabela de códigos de classificação de fornos industriais

2. Status de economia de energia de fornos industriais

O consumo de energia dos fornos industriais é influenciado por vários fatores; no entanto, os principais métodos atuais de conservação de energia incluem a otimização do projeto, o aprimoramento dos equipamentos, a utilização do calor residual e o aprimoramento do controle de monitoramento e do gerenciamento da produção.

1. Teste térmico

Na China, apesar da presença de tecnologias avançadas em nível global, muitos fornos industriais têm limitações. Isso está associado ao alto custo de substituição e a um aumento significativo no consumo de energia. Portanto, a inovação científica e tecnológica é fundamental.

Para obter uma transformação técnica com economia de energia, os métodos científicos de teste são essenciais. Esses métodos ajudam a obter uma compreensão abrangente do processo térmico de fornos industriais, analisar e diagnosticar quaisquer problemas e determinar a causa raiz.

Entre os métodos de teste térmico disponíveis, o teste de equilíbrio térmico é amplamente reconhecido. Ele mede a eficiência térmica do forno industrial, o que leva à melhoria da eficiência térmica, à redução do consumo da unidade e à determinação de vários indicadores de desempenho econômico e técnico da operação do forno.

Ao analisar as condições operacionais do forno de aquecimento, suas condições de trabalho podem ser ajustadas para atingir o estado operacional ideal, encontrando, assim, maneiras e orientações eficazes para a conservação de energia. Esse é o principal objetivo dos testes térmicos.

No entanto, há certos desafios associados aos métodos de teste térmico, como a complexidade do teste e a dificuldade de simular com precisão condições de produção estáveis, o que pode resultar em uma grande lacuna entre os resultados do teste e o desempenho real.

Portanto, o desenvolvimento futuro da tecnologia de teste será um foco de pesquisa para especialistas e acadêmicos.

2. Estrutura do forno, materiais de construção do forno e tecnologia de combustão

Depois de realizar o teste, agora temos uma compreensão preliminar do forno, que serve como base para sua transformação técnica.

Ao projetar o forno, é aconselhável adotar um novo forno de economia de energia que atenda ao máximo os requisitos do processo de produção.

Durante o processo de projeto, fatores como o tipo de forno, o material, a vedação, o processo de transferência de calor (combustão) e a distribuição de temperatura são normalmente levados em consideração.

De acordo com os dados disponíveis, a seguir estão as principais medidas de economia de energia:

(1) O uso de um forno circular em vez de um forno de caixa pode melhorar a transferência uniforme de calor para a peça de trabalho, reduzir a dissipação de calor da parede do forno e criar um sistema de troca de calor dentro do forno para facilitar a troca de calor entre os elementos de aquecimento, o revestimento do forno e a peça de trabalho.

Ao otimizar o espaço do forno e aumentar a área da parede interna, a eficiência da troca de calor pode ser melhorada com o aumento da área de troca de calor.

(2) A instalação de um ventilador no forno pode melhorar a transferência de calor por convecção. Isso é especialmente importante para fornos de aquecimento pequenos, pois o fluxo de ar de alta velocidade pode romper a camada limite estagnada do gás do forno na superfície da peça de trabalho e reduzir o tempo de aquecimento acelerando o aumento da temperatura da peça de trabalho.

(3) A vedação do corpo do forno é fundamental, incluindo a vedação de vários componentes que saem do forno, da carcaça do forno e da porta do forno.

Se o corpo do forno não for vedado adequadamente, haverá incêndio e vazamento, resultando em um desperdício significativo de energia, danos ao equipamento e condições ambientais desfavoráveis.

Portanto, a qualidade das peças e o consumo de energia são diretamente afetados pela vedação do corpo do forno. Além disso, a vedação também é crucial para o controle da atmosfera dentro do forno.

O surgimento de produtos de fibra refratária criou oportunidades para solucionar o problema de vedação do corpo do forno e obteve uma vedação suave.

(4) O forno de aquecimento com material refratário fundido como um todo tem alta resistência, integridade, boa estanqueidade e uma longa vida útil.

(5) Novos materiais de forno são utilizados para otimizar a estrutura de revestimento do forno.

Ao mesmo tempo em que garante a força estrutural e a resistência ao calor do forno, o revestimento do forno deve ter como objetivo melhorar a capacidade de isolamento e reduzir o armazenamento de calor. O simples aumento da espessura do revestimento para reduzir a temperatura da parede do forno resultará em maior armazenamento de calor do revestimento, maior custo e menor utilização da área inferior do forno.

A camada de isolamento é composta de fibra refratária e lã de rocha, e o revestimento do corpo do forno é feito de tijolo leve, o que reduz a perda de armazenamento de calor, melhora o isolamento térmico e diminui a perda de dissipação de calor da parede do forno.

(6) A aplicação de revestimento de alta temperatura e alta radiação na parede interna do forno aumenta a transferência de calor por radiação no forno, promovendo a utilização total da energia térmica. Esse método de economia de energia tem um efeito de 3% a 5% e é considerado um método avançado de economia de energia para o futuro próximo.

(7) Diferentes queimadores são usados de acordo com as diferentes condições de trabalho, como queimadores reguladores de chama, queimadores de chama plana, bicos de alta velocidade, queimadores de autoreaquecimento, queimadores de baixo teor de óxido de nitrogênio e os recém-desenvolvidos queimadores regenerativos, fornecendo uma gama de queimadores avançados para atender ao uso de gás e diesel.

O uso correto de queimadores avançados eficientes geralmente pode resultar em uma economia de energia superior a 5%. Os queimadores de chama plana são mais adequados para fornos de aquecimento, enquanto os queimadores de alta velocidade são adequados para vários fornos de tratamento térmico e fornos de aquecimento.

Os queimadores com preaquecimento automático, que combinam queimadores, trocadores de calor e dispositivos de exaustão de fumaça, são adequados para vários fornos industriais, como aquecimento, fusão e tratamento térmico.

(8) A seleção de dispositivos de combustão com eficiência energética, em conjunto com ventiladores, bombas de óleo, válvulas, detecção térmica e sistemas de controle automático eficientes, pode aumentar muito a economia de energia, dependendo do tipo de combustível.

As tecnologias convencionais de combustão para economia de energia incluem combustão de ar em alta temperatura, combustão enriquecida com oxigênio, emulsificação de óleo pesado, injeção de carvão pulverizado enriquecido com oxigênio para alto-forno e tratamento de magnetização de combustível de forno comum.

Entre eles, a combustão de ar em alta temperatura e a combustão enriquecida com oxigênio são os mais usados.

A tecnologia de combustão de ar de alta temperatura foi desenvolvida na década de 1990 e permite que o pré-aquecimento do ar atinja 95% da temperatura do gás de combustão por meio da recuperação regenerativa do gás de combustão. Isso resulta em uma temperatura uniforme do forno de ≤± 5 ℃ e uma eficiência térmica de combustão de 80%.

Essa tecnologia tem várias vantagens, como alta eficiência, economia de energia, proteção ambiental, baixa poluição, combustão estável, uma grande área de combustão, ampla adaptabilidade de combustível, fácil controle de combustão, investimento reduzido em equipamentos, maior vida útil do forno e fácil operação.

No entanto, ainda há alguns desafios a serem enfrentados, como a otimização dos sistemas de controle e regulagem, a melhoria da relação entre os parâmetros térmicos e a estrutura do projeto, a qualidade do gás e o regenerador, e a vida útil do regenerador e do forno de aquecimento regenerativo.

A tecnologia de combustão enriquecida com oxigênio envolve o uso de gases com concentrações de oxigênio superiores a 21% na combustão. O objetivo é desenvolver queimadores adequados para fornos industriais.

Essa tecnologia tem vários benefícios, como reduzir a perda de calor da exaustão do forno, aumentar a temperatura da chama, prolongar a vida útil do forno, aumentar a produção, reduzir o tamanho do equipamento, melhorar a limpeza da produção e facilitar a recuperação, a utilização abrangente e o armazenamento de CO2 e SO2.

No entanto, o aumento do teor de oxigênio na combustão enriquecida com oxigênio também leva a um aumento acentuado da temperatura e do NOx, o que limita sua adoção em vários campos. Ao projetar um forno industrial para usar ar enriquecido com oxigênio para combustão, é importante evitar campos de temperatura irregulares no forno.

3. Recuperação e utilização de calor residual

O calor residual pode ser classificado em sete tipos: gás residual de alta temperatura, meio de resfriamentoA pressão residual de um fluido de alta pressão, vapor e água residuais, produtos de alta temperatura e escória, reações químicas, gás residual combustível e pressão residual de um fluido de alta pressão.

De acordo com pesquisas, o calor residual total produzido por vários setores varia de 17% a 67% do consumo total de combustível, sendo que 60% são recursos recicláveis de calor residual.

O gás de combustão é responsável pela retirada de 30% a 70% do calor total fornecido pelos fornos a combustível.

Dessa forma, a recuperação e a utilização do calor residual no gás de combustão são cruciais para a conservação de energia. Isso pode ser alcançado por meio de:

(1) Instalação de pré-aquecedores para pré-aquecer o ar de apoio à combustão e o combustível usando gás de combustão.

(2) Instalação de caldeiras de calor residual para gerar água quente ou vapor para fins domésticos ou de produção.

(3) Uso de gás de combustão como fonte de calor para fornos de baixa temperatura ou pré-aquecimento de peças de trabalho frias ou cargas de forno.

Na China, os pré-aquecedores para ar pré-aquecido têm sido usados em fornos industriais desde a década de 1950, principalmente na forma de trocadores de calor tubulares, cilíndricos radiantes e de blocos de ferro fundido. No entanto, a eficiência da troca é baixa.

Na década de 1980, os trocadores de calor domésticos, como os do tipo jato, do tipo radiação a jato e do tipo mesa dupla, foram desenvolvidos sucessivamente para abordar a questão da recuperação de calor residual em aplicações de média e baixa temperatura. Esses desenvolvimentos resultaram em melhorias significativas na recuperação de calor residual do gás de combustão em temperaturas abaixo de 100°C.

No entanto, em altas temperaturas, as limitações dos materiais do trocador de calor, incluindo a baixa vida útil, os altos requisitos de manutenção e os altos custos, ainda representam desafios para a promoção e o uso desses sistemas.

No início do século XXI, a China desenvolveu um trocador de calor de cerâmica, que tem o mesmo processo de produção dos móveis de forno. As principais propriedades de aplicação dos materiais utilizados são a condutividade térmica e a resistência à oxidação. Esse trocador de calor funciona colocando-o próximo à saída da chaminé, onde as temperaturas são altas, sem expô-lo ao ar frio ou exigir proteção contra altas temperaturas.

Quando a temperatura do forno estiver entre 1.250 e 1.450 °C, a temperatura de saída da chaminé deverá ser de 1.000 a 1.300 °C. O trocador de calor de cerâmica é capaz de recuperar o calor residual até 450-750°C. O ar quente recuperado é então enviado de volta ao forno para se misturar com o gás combustível para combustão, resultando em uma redução de 35%-55% no uso de energia e uma diminuição correspondente nos custos de produção.

O trocador de calor de cerâmica provou ser uma solução valiosa nos casos em que os trocadores de calor de metal são limitados pela resistência à corrosão e a altas temperaturas. Suas vantagens incluem boa condutividade térmica, resistência a altas temperaturas, boa resistência à oxidação, resistência ao choque térmico, longa vida útil, baixa necessidade de manutenção, desempenho confiável e operação simples.

Os trocadores de calor de cerâmica são amplamente utilizados em diversos setores, incluindo metalurgia, materiais não ferrosos, refratários, químicos e de construção, para recuperar o calor residual do gás de combustão de alta temperatura. Outros tipos de trocadores de calor de alta eficiência que se tornaram populares na China incluem trocadores de calor de chapa, vários trocadores de calor a jato, trocadores de calor de tubo de inserção, trocadores de calor de tubo de ciclone, trocadores de calor de tubo de torção de massa frita, vários trocadores de calor combinados, trocadores de calor de tubo de gás e trocadores de calor de armazenamento de calor.

Espera-se que o trocador de calor regenerativo seja a tendência de desenvolvimento técnico para o futuro, pois ele pode levar a uma economia de energia de mais de 30% quando a temperatura de emissão do gás de escape após a utilização do calor estiver abaixo de 200°C.

O tubo de calor supercondutor é o principal componente de condução de calor dos sistemas de recuperação de calor residual e oferece vantagens sobre os trocadores de calor tradicionais. A eficiência da troca de calor dos sistemas de recuperação de calor residual do tubo de calor pode chegar a mais de 98%, o que é inatingível com os trocadores de calor tradicionais. Além disso, esses sistemas são menores, com um tamanho de apenas 1/3 do tamanho dos trocadores de calor comuns.

4. Detecção e controle térmico

Atualmente, os fornos industriais em nosso país consomem uma grande quantidade de energia e geram resíduos significativos. O problema do excesso de coeficiente de ar também é comum.

Isso se deve, em grande parte, a métodos regulatórios desatualizados, à alta intensidade de trabalho dos funcionários e à dificuldade de manter as condições ideais de combustão.

Melhorar o nível de detecção e controle térmico pode, portanto, resultar em economia significativa de energia.

A direção do desenvolvimento do controle automático de fornos industriais é em direção à tecnologia avançada de controle automático, especialmente os sistemas de controle por microcomputador.

Com a implementação de um sistema de controle automático, é possível economizar energia por meio da coordenação e do controle eficientes e precisos dos sistemas relevantes, como o controle preciso das principais variáveis do processo do forno de aquecimento, o controle em cascata da temperatura e do fluxo de combustível, o controle da proporção do combustível e do ar de combustão e o controle do teor de oxigênio do gás de combustão.

3. Conclusão

Em conclusão, o setor de fornos tem muito espaço para crescimento e aprimoramento nas áreas de eficiência energética, técnicas de detecção térmica e utilização de calor residual nos próximos anos.

Embora o método tradicional de balança provavelmente continue sendo o método dominante para a detecção térmica por enquanto, é importante buscar e desenvolver continuamente novos métodos.

Além disso, a transição de combustíveis fósseis para fontes de energia limpas e renováveis como fonte primária de energia para fornos industriais e a redução de emissões se tornarão uma área crucial de pesquisa no futuro.