Melhorar o desempenho de fornos

Introdução

Com fornos, os usuários esperam obter maior eficiência e redução de emissões, mas, muitas vezes, ficam desapontados. Dado o número de fornos em operação todos os dias e a sua importância na indústria de processo, quaisquer melhorias realizadas em toda a linha terão grandes impactos. Mais unidades podem atingir o seu potencial com algumas alterações simples nas práticas de trabalho e atualizações tecnológicas.

Os fornos estão instalados em vários tipos de indústrias. Qualquer processo de fabricação que necessite de calor, provavelmente, terá um. Portanto, os fornos representam o maior consumidor de energia da indústria. As refinarias são responsáveis por milhares de fornos e eles tendem a ser, particularmente, grandes. Como resultado, as melhorias de desempenho neste contexto proporcionam a melhor relação custo-benefício.

Três áreas tendem a dominar a discussão, envolvendo o projeto e operação do forno:

  1. Práticas operacionais e de segurança. Os fornos podem ser perigosos se não forem utilizados corretamente ou se os sistemas de segurança estiverem mal implementados.
  2. Eficiência. A quantidade de combustível necessária para aquecer um determinado volume de fluido de processo necessita ser minimizada.
  3. Emissões. Uma unidade em bom estado minimiza o volume e a natureza dos efluentes.

Este artigo irá analisar a forma como cada área afeta o desempenho dos fornos.

 

Práticas operacionais e de segurança

A operação segura de um forno ou gerador de vapor depende de pessoas conscienciosas e bem treinadas, trabalhando com equipamentos que usam sistemas de segurança atualizados. Nos últimos anos, as organizações de normalização atualizaram as práticas recomendadas, adicionando instruções de trabalho mais rigorosas e requisitos para instrumentação. Garantir que estas recomendações sejam implementadas e cumpridas é, particularmente, importante porque uma nova onda de trabalhadores menos experientes está sendo absorvida por muitas indústrias. As empresas não podem depender da experiência para compensar os mecanismos inadequados.

Os usuários precisam garantir que as instalações estejam em conformidade com as mais recentes normas da NFPA, incluindo NFPA 85, 86 e 87, além de outras normas que poderão aplicar-se, como FM 7605, API-556, OSHA 1910.110 PHA e ISA-TR84.00.05. Dependendo da aplicação e localização geográfica, pode haver requisitos adicionais específicos do setor ou locais, portanto, é importante consultar um especialista para garantir que nenhum item seja negligenciado.

A maioria dos fornos possui um sistema de desligamento de emergência, conhecido como “Burner Management System” (BMS), para regular a maioria dos procedimentos de partida, desligamento e segurança. O sistema de controle de combustão se conecta ao “Basic Process Control System” (BPCS) para gerenciar a taxa de calor e o fluxo de produtos durante a operação.

Estes dois sistemas transferem as operações um para o outro, dependendo das necessidades de processo.

 

Eficiência e emissões

Estas duas áreas precisam ser tratadas juntas porque uma depende da outra. Existem influências secundárias na eficiência como, por exemplo, uma camada de fuligem nos tubos, mas o gerenciamento da combustão tem o maior impacto direto sobre a eficiência e as emissões.

Embora haja uma miríade de variações de projetos de fornos, a configuração mais comum é um invólucro cilíndrico ou em forma de caixa forrado de bobinas de tubos transportando fluido de processo (Figura 1). Os fornos na parte inferior utilizam óleo ou gás natural e o ar é extraído através de tiragem natural para apoiar a combustão. O calor percorre o invólucro, transferindo-se para os tubos e fluido interno e, eventualmente, sai para a chaminé. Obter uma mistura ideal de ar e combustível é onde a maioria dos sistemas começa a apresentar problemas.

Figura 1. Embora os projetos específicos possam assumir formas diferentes, o projeto básico do forno utiliza queimadores para aquecer o fluido que flui nos tubos. Há diferentes condições de combustão nos vários níveis na unidade.

A combustão mais eficiente e mais limpa ocorre quando a relação de ar e combustível se encontram nas proporções estequiométricas ideais. Considerando esse cenário, para uma unidade operando a gás natural, uma molécula de metano e duas moléculas de oxigênio reagem para formar uma molécula de dióxido de carbono e duas de água.

Infelizmente, nem sempre é esse o caso. Sem o controle adequado, a mistura pode se tornar muito rica em combustível. Em casos extremos, o combustível não queimado pode ser, simplesmente, expelido para a chaminé. Normalmente, o efeito é mais sutil com oxigênio insuficiente, causando combustão incompleta. Como resultado, o monóxido de carbono e o hidrogênio vão para a atmosfera ou, pior, são misturados com o ar residual fora da câmara de combustão e queimam onde não é desejado. Em ambos os casos, o combustível desperdiçado e as emissões aumentam.

A maioria dos usuários operam os fornos com uma mistura pobre em combustível, permitindo uma superabundância de ar. Normalmente, isto garante uma combustão mais completa, mas também tem efeitos colaterais indesejados. O excesso de ar não só causa perda de eficiência, mas também promove a formação de compostos NOx. Em situações severas, muito excesso de ar pode causar uma extinção. Os fornos de baixo NOx estabelecem a combustão espalhando a mistura de combustível e ar, mas isto tende a reduzir o pico de temperatura e a eficiência da chama.

 

Controle de combustão

Controlar a quantidade de combustível não é um problema, mas uma vez que a maioria das unidades utilizam uma tiragem natural em vez de ar forçado, controlar a quantidade de ar é mais desafiadora. Para muitos projetos, a função deve ser amplamente autorregulada, dependendo da flutuação criada pela própria chama para extrair uma quantidade adequada de ar através da câmara de combustão. Um damper de combustão combinado com registros de ar pode ser útil para permitir algum grau de controle. No entanto, sem a instrumentação capaz de determinar a mistura real, os ajustes são, em grande parte, suposição.

Em uma situação ideal, um forno teria instrumentação capaz de trabalhar com o sistema de controle de combustão para monitorar o gás de exaustão, de forma que o controlador pudesse otimizar a vazão de ar para corresponder à taxa de combustível. Infelizmente, a maioria dos fornos sofrem de falta de instrumentação e o sistema de controle de combustão é muito rudimentar para realizar tal cálculo. Para piorar as coisas, é provável que não exista um mecanismo capaz de controlar a vazão de ar com precisão.

Muitas instalações terão uma espécie de sensor de O2. Normalmente, é uma sonda de óxido de zircônia montada na chaminé. O sensor deve ser aquecido a 500°C (ao menos) para operar. A sonda fornece uma leitura pontual, que pode pelo menos alertar sobre um desiquilíbrio sério no processo. No entanto, esta tecnologia pode sofrer interferência em um ambiente rico em combustível, uma vez que os elevados níveis de hidrogênio e monóxido de carbono podem mascarar a concentração real de oxigênio.

 

Melhor instrumentação melhora o funcionamento

O local mais eficaz para avaliar o desempenho da combustão é na seção radiante. No entanto, a temperatura é muito alta para a maioria das tecnologias. Neste ponto da unidade, a combustão deve estar completa independentemente da carga da unidade, mas as temperaturas podem chegar até 1200°C. Ainda assim é possível obter uma imagem precisa com um espectrômetro diodo laser sintonizável (TDLS). Esta tecnologia emite um feixe ao longo da seção radiante da unidade (Figura 2).

Figura 2. A combustão deve ser concluída na seção radiante de um forno. É possível obter uma imagem precisa do processo com base na composição do gás de exaustão.

O analisador pode ser configurado para medir oxigênio, monóxido de carbono, metano ou outros gases específicos. Na maioria dos casos, são utilizadas duas unidades e, ao trabalharem em conjunto, proporcionam um cenário completo da combustão. O sensor de oxigênio detecta condições de mistura pobre em combustível, e sensor de metano e de monóxido de carbono detectam condições ricas em combustível. Além disso, quando os analisadores são montados em um arranjo cruzado, ambos os sensores fazem uma leitura ao longo de toda a extensão do forno, de modo que uma distribuição desigual do gás não conta para a média do cálculo.

A tecnologia de espectrometria diodo laser sintonizável não é de contato e não tem peças móveis, por isso, é durável e fiável. Muitas instalações que datam de15 anos continuam a operar sem problemas. Ambas as medições não são afetadas por outros gases presentes na amostra, portanto, as condições anormais de processo não irão mascarar a medição crítica.

 

Assumindo o controle do processo

Conforme previamente mencionado, um forno é controlado por dois sistemas: “Burner Management System” e “Basic Process Control System” (Figura 3). O BMS lida com as funções de segurança e está sempre envolvido. Mesmo que uma unidade esteja operando continuamente por dias sem incidentes, ele permanece atento a problemas de extinção de incêndio, perda de pressão de combustível e outros

Figura 3. Quando os dados dos analisadores TDLS estão disponíveis, a combustão pode ser otimizada com controle em circuito fechado, minimizando o consumo de combustível e as emissões.

Overview dos componentes do “Burner Management System”

  • HIS
  • ENG
  • Vnet/IP
  • DCS
  • Sistemas instrumentados de segurança
  • Controle
  • Desligamento de emergência
  • Espectrômetro diodo laser sintonizável (TDLS)

 

O sistema de controle de combustão responde às necessidades do processo, regulando a vazão de combustível para atender ao requisito de aquecimento exigido pelo sistema de controle de processo básico. A tecnologia de espectrometria diodo laser sintonizável fornece informações críticas para ambos os sistemas.

O BPCS pode analisar os dados dos analisadores TDLS e utilizá-los para fechar o ciclo de razão combustível e ar. Quando o processo exige uma temperatura e fluxos específicos para o fluido de processo, ele pode ajustar a vazão de combustível para atingir esse ponto. Os dados dos analisadores TDLS podem verificar a vazão de ar para uma combustão completa e eficiente.

Com a espectrometria diodo laser sintonizável, o grau de precisão de controle normalmente é limitado pelo mecanismo de controle de vazão de ar. Os dados dos analisadores TDLS podem ser precisos, mas, frequentemente, os mecanismos para controlar a vazão de ar em um projeto de tiragem natural poderão estar limitados a controles operados manualmente, tais como um damper e registos de ar. A melhoria da eficiência e a redução das emissões podem ser enormes quando um cenário preciso do processo de combustão está disponível por meio de medições com analisadores de espectrometria diodo laser sintonizável adequadamente utilizados.

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