MOTIVAÇÃO PARA O PROJETO

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1 USO EFICIENTE DO GÁS NATURAL NA INDÚSTRIA CERÂMICA Parceria IPT-Comgás Programa de P&D Equipe IPT Marco Antonio Paiva Ding Hua Marilin Mariano dos Santos Laiete Soto Messias Equipe Comgás Hudson Brito Luiz Antonio Andrade MOTIVAÇÃO PARA O PROJETO 1

2 MOTIVAÇÃO PARA O PROJETO Indústria cerâmica é responsável por cerca de 16 % do consumo de GN (área de concessão da Comgás) Interesse da Comgás em fortalecer parceria com o setor. OBJETIVOS DO TRABALHO 2

3 OBJETIVOS DO TRABALHO Proposição de medidas para elevar a eficiência energética (térmica) do processo. Estimar potenciais de redução de consumo de GN. CONSUMO DE ENERGIA NA INDÚSTRIA DE CERÂMICA DE REVESTIMENTO 3

4 CONSUMO DE ENERGIA NO PROCESSO + TÉRMICA + TÉRMICA + TÉRMICA CONSUMO TÍPICO DE ENERGIA TÉRMICA NO PROCESSO VIA SECA: 1 m 3 GN/m 2 piso CONSUMO DE ENERGIA EM VÁRIAS EMPRESAS 4

5 METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO METODOLOGIA Levantamento de informações Monitoramento do forno/secador - medição de variáveis: Temperaturas Pressão Composição de gases Produção Consumo de GN Simulação matemática do processo Proposição de medidas para redução de consumo Quantificação dos potenciais de redução de consumo 5

6 CARACTERIZAÇÃO DA EMPRESA CONSUMO DE ENERGIA TÉRMICA Consumo GN linha 2 Secador linha 2 30,1 % Forno linha 2 69,9 % 6

7 CARACTERIZAÇÃO DO FORNO FORNO ANALISADO 158 m 7

8 FLUXO DE GASES E PEÇAS CERÂMICAS Gases de combustão Peças cerâmicas Rolos CORTE TRANSVERSAL DO FORNO 8

9 COUNJUNTO DE QUEIMADORES Alimentação de ar de combustão quente dara queimadores superiores do lado oposto Queimadores canal superior Header principal de gás natural Header principal de ar de combustão aquecido Queimadores canal inferior Alimentação de ar de combustão quente dara queimadores inferiores do lado oposto DETALHE DE UM QUEIMADOR Gás natural Ar de combustão Queimador 9

10 AR DE RESFRIAMENTO COMO AR DE COMBUSTÃO Ar de combustão a 100 o C (entrada do ventilador) Tomada de ar frio para abatimento da temperatura do ar de resfriamento Ar de resfriamento aquecido a ser utilizado como ar de combustão LEVANTAMENTOS EXPERIMENTAIS 10

11 CURVA DE OPERAÇÃO DO QUEIMADOR (Entrada de GN) Vazão de GN - Queimador Triunfo (T=25 C) 6,00 5,00 Vazão mássica de GN (kg/h) 4,00 3,00 2,00 Dados IPT Dados SITI 1,00 0, Pressão do GN (mmca) CURVA DE OPERAÇÃO DO QUEIMADOR (Entrada de ar de combustão) Vazão de AR - Queimador SITI de kcal (Temp = 25 C) Vazão mássica de ar (kg/h) Vazão de ar IPT Vazão AR SITI Pressão do ar (mmh2o) 11

12 EXCESSO DE AR A partir das pressões medidas no queimador EXCESSO DE AR NOS QUEIMADORES 250% 200% EXCESSO QUEIMADOR SUPERIOR (%) EXCESSO QUEIMADOR INFERIOR (%) Excesso de ar Médio: 78 % Excesso de AR 150% 100% CONCORDA COM VAZÃO DE AR MEDIDA COM PITOT NA LINHA DE AR 50% 0% Módulo PROBLEMA DETECTADO NO CONTROLE DA VAZÃO DE AR Válvula manual para regulagem da vazão de ar de combustão 12

13 EXCESSO DE AR NO CANAL DE GASES 800% Excesso de ar no canal Excesso de ar (%) 700% 600% 500% 400% 300% 200% EXC CANAL SUP (%) EXC CANAL INF (%) OBSERVAÇÕES 1) Pouca infiltração de ar ao longo do forno. 2) Infiltração proveniente da zona de resfriamento. 3) Há uma certa discordância com excesso de ar medido nos queimadores 100% 0% Módulo SONDA DE AMOSTRAGEM DE GASES Sonda para coleta de gases do interior do forno Mangueiras para água de resfriamento Mangueiras para a amostra de gás 13

14 ANALISADOR DE GASES Indicador de temperatura Analisador de gases PRESSÃO DOS GASES NO CANAL 14

15 INFLUÊNCIA DA PRESSÃO NO DESEMPENHO DO FORNO Operação inadequada Operação adequada Fonte: Boschi, 2004 PERFIL DE PRESSÃO MEDIDO Pressão Interna do Forno 1 0,5 Pressão (mmca) ,5-1 -1,5 ZONA DE QUEIMA -2-2,5-3 QUEIMADORES LIGADOS P superior P inferior RAMPA 1-06 RAMPA 1-07 RAMPA 1-08 RAMPA 1-09 RAMPA 1-10 RAMPA 1-11 RAMPA 1-12 RAMPA 1-13 RAMPA 1-14 RAMPA 1-15 RAMPA 1-16 RAMPA 1-17 RAMPA 1-18 RAMPA ,5 Módulo individual 15

16 REGULAGEM DO FORNO PROBLEMA DE MEDIR TEMPERATURA COM O TERMOPAR 16

17 PIRÔMETRO DE SUCÇÃO MEDIÇÃO DE TEMPERATURA T pirômetro sucção // T termopar Temperatura no Forno (Medição via Pirômetro x Leitura dos termopares existentes para a aquisição de dados) MEDIÇÃO VIA PIRÔMETRO DE SUCÇÃO DA TEMPERATURA NO CANAL SUPERIOR 1000 Temperatura ( C) MEDIÇÃO VIA PIRÔMETRO DE SUCÇÃO DA TEMPERATURA NO CANAL INFERIOR LEITURA DO TERMOPAR DA AQUISIÇÃO DE DADOS EXISTENTE NO CANAL SUPERIOR LEITURA DO TERMOPAR DA AQUISIÇÃO DE DADOS EXISTENTE NO CANAL INFERIOR Módulo individual 17

18 CONSUMO DO FORNO Consumo específico forno Consumo específico total linha 0,606 m 3 GN / m 2 produto 0,868 m 3 GN / m 2 produto 1691 kj / kg produto 2419 kj / kg produto 404 kcal / kg produto 580 kcal / kg produto BALANÇO DE MASSA E ENERGIA DA ZONA DE QUEIMA DO FORNO 18

19 BALANÇO DE MASSA DA ZONA DE QUEIMA DO FORNO BALANÇO DE ENERGIA DA ZONA DE QUEIMA DO FORNO 19

20 BALANÇO DE ENERGIA DA ZONA DE QUEIMA DO FORNO BALANÇO DE ENERGIA FORNO ATÉ ZONA DE QUEIMA Energia térmica total fornecida: kw 100% 95,4% 90% 80% 70% 60% ENTRADAS 62,5% SAÍDAS 50% 40% 30% 20% 10% 4,6% 20,3% 9,9% 7,2% 0% Gás natural Ar combustão Chaminé Peças - calor sensível Peças - calor de reação Perdas superfícies aquecidas APROVEITAMENTO DO AR DE RESFRIAMENTO NA SECAGEM kg/h 301 o C kg/h 344 o C kg/h 326 o C kg/h kg/h 253 o C kg/h?? kg/h?? 344 o C Forno 1 Forno 2 Secador 1 Secador 2 20

21 ZONA DE RESFRIAMENTO Balanço de massa 464 o C kg/h 344 o C kg/h 261 o C kg/h 185 o C kg/h 77 o C kg/h Peças kg/h o C Ar de combustão Ar do resfriamento direto Ar do resf. indireto Ar resf. contracorrente Ar resf. final Peças kg/h 80 o C FORNO 2 Zona de resfriamento ZONA DE RESFRIAMENTO Balanço de energia APROVEITADO: 24,1 % 47,3 % 240 kw 520 kw kw 450 kw 450 kw Ar de combustão Ar do resfriamento direto Ar do resf. indireto Ar resf. contracorrente Ar resf. final kw 140 kw FORNO 2 Zona de resfriamento Líquido kw 21

22 BALANÇO DE MASSA SECADOR 2 Gases chaminé: Água evaporada: kg/h kg/h Gases: kg/h o 164 C Umidade relativa: 1,7% Ar quente recuperado: kg/h 253 o C Ar queimador: kg/h 25 o C GASES RECIRCULADOS Gás natural: 166 kg/h SECADOR 2 Peças úmidas: kg/h 25 o C Umidade: 11% Peças seca: kg/h 160 o C Umidade: 1,1 % BALANÇO DE ENERGIA SECADOR 2 Gases chaminé: Água evaporada: 917 kw kw Gases: 744 kw Ar quente recuperado: 316 kw GASES RECIRCULADOS Gás natural: kw SECADOR 2 Perdas paredes aquecidas: 403 kw Peças seca: 456 kw 22

23 BALANÇO DE ENERGIA SECADOR 2 BALANÇO DE ENERGIA SECADOR LINHA 2 Energia térmica total fornecida: kw 100% 90% 87,5% 80% 70% 60% ENTRADAS SAÍDAS 50% 40% 30% 20% 10% 12,5% 29,5% 18,1% 36,4% 16,0% 0% Gás natural Ar quente recuperado Chaminé Peças aquecidas Água evaporada Perdas SIMULAÇÃO MATEMÁTICA DO FORNO 23

24 SIMULAÇÃO MATEMÁTICA DO FORNO Para que? Avaliar consequências de ações sobre o forno. Ex.: alterando excesso de ar, o que ocorre? Como é feito? Equações que constituem a física do problema. Implantação através de um Programa de Simulação Matemática. SIMULAÇÃO MATEMÁTICA DO FORNO Células de simulação GN e ar de combustão Perdas de calor por superfícies aquecidas Poder calorífico do GN e entalpia do ar de combustão canal superior Gases saindo Gases entrando Entalpia dos gases saindo Entalpia dos gases entrando 2,1 m Entalpia das peças entrando Entalpia das peças saindo Poder calorífico do GN e entalpia do ar de combustão canal inferior 24

25 TRANSFERÊNCIA DE CALOR Radiação térmica TRANSFERÊNCIA DE CALOR PARA / DAS PAREDES DO FORNO TRANSFERÊNCIA DE CALOR DOS GASES/CHAMA Gases Paredes TRANSFERÊNCIA DE CALOR Radiação térmica TRANSFERÊNCIA DE CALOR PARA / DOS ROLETES TRANSFERÊNCIA DE CALOR PARA A PEÇA Roletes Piso cerâmico 25

26 Dados de entrada Variáveis calculadas PEÇAS FORNO VALORES MEDIDOS X VALORES CALCULADOS TEMPERATURAS medido AO LONGO DO FORNO Peças Tgases Tgases calculado queima sem / com Trolo calculado 800 Tgases,inf,med Tpeça,min T ( o C) 600 Tgases,inf Tgases,sup Trolo Tpeça,sup Gases Tgases,sup,med Tpeça Posição a partir da entrada (m) 26

27 FORNO CONSUMO MEDIDO X CONSUMO CALCULADO Consumo GN (m 3 ) Consumo GN (m 3 /m 2 peça) Medido 499 0,606 Calculado através de simulação 493 0,599 SIMULAÇÃO MATEMÁTICA DO SECADOR 27

28 SIMULAÇÃO MATEMÁTICA DO SECADOR Vazões e temperaturas SIMULAÇÃO MATEMÁTICA DO SECADOR Fluxos energéticos Gases chaminé: Água evaporada: 917 kw kw Gases: 744 kw Ar quente recuperado: 316 kw GASES RECIRCULADOS Gás natural: kw SECADOR 2 Perdas paredes aquecidas: 403 kw Peças seca: 456 kw 28

29 MEDIDAS DE OTIMIZAÇÃO ENERGÉTICA MEDIDAS DE OTIMIZAÇÃO ENERGÉTICA AVALIADAS REDUÇÃO DO EXCESSO DE AR DOS QUEIMADORES ELEVAÇÃO DE T AR COMB. ALONGAMENTO ZONA DE PRÉ-AQUECIMENTO (fornos novos)??? REDUZIR A VELOCIDADE DAS PEÇAS DIMINUIRIA CONSUMO ESPECÍFICO??? MAIOR APROVEITAMENTO DO AR DE RESFRIAMENTO NOS SECADORES SECADOR- Redução da vazão de gases de chaminé 29

30 REDUÇÃO DO EXCESSO DE AR DOS QUEIMADORES REDUÇÃO DO EXCESSO DE AR DOS QUEIMADORES Caso m 3 GN/ m 2 peça (calc.) kj / kg peça (calc.) kcal / kg peça (calc.) Base , , Excesso de ar: 20 % Consumo GN (kg/h) (calc.) Consumo GN (m 3 /h) (calc.) Excesso de ar (%) (dado entr.) T gases médio ( o C) (calc.) Consumo específico Redução de consumo (%) (calc.) , ,9 30

31 REDUÇÃO DO EXCESSO DE AR E O PERFIL DE TEMPERATURA DOS GASES TEMPERATURAS AO LONGO DO FORNO Peças queima sem / com SIMULAÇÃO FEITA COM EXCESSO DE AR DE 20 % T ( o C) Tgases,inf,med Trolo Tgases,sup Tpeça,sup Tpeça,min Gases 400 Tgases,inf 200 Tgases,sup,med Posição a partir da entrada (m) ELEVAÇÃO DE T AR COMB. 31

32 ELEVAÇÃO DE T AR COMB. Caso m 3 GN/ m 2 peça (calc.) kj / kg peça (calc.) kcal / kg peça (calc.) Base , , Excesso de ar: 20 % Excesso de ar: 20 % T ar : 400 o C Consumo GN (kg/h) (calc.) Consumo GN (m 3 /h) (calc.) Excesso de ar (%) (dado de entrada) T gases médio ( o C) (calc.) Consumo específico Redução de consumo (%) (calc.) , , , ,9 ALONGAMENTO ZONA DE PRÉ- AQUECIMENTO (fornos novos)??? 32

33 FORNO ANALISADO 158 m ALONGAMENTO ZONA DE PRÉ- AQUECIMENTO (fornos novos)??? T ( o C) TEMPERATURAS AO LONGO DO FORNO queima sem / com Linha tracejada: forno com região de pré-aquecimento aumentada em 16,8 m Linhas superiores: Tgases Linhas inferiores: Tpeça Problemas observados: -Perfis de T alterados -Não traz economia. -Forno teria que ser reprojetado Posição a partir da entrada (m) 33

34 REDUZIR A VELOCIDADE DAS PEÇAS DIMINUIRIA CONSUMO ESPECÍFICO??? REDUÇÃO DA VELOCIDADE DAS PEÇAS Caso Excesso de ar (%) Temperatura dos gases na saída do forno ( o C) Perdas por paredes aquecidas (%) Consumo escpecífico (m 3 GN / m 2 peça) Referência ,8 0,529 Com redução de 20 % da velocidade das peças ,3 0,529 34

35 MAIOR APROVEITAMENTO DO AR DE RESFRIAMENTO NOS SECADORES APROVEITAMENTO DO AR DE RESFRIAMENTO INDIRETO AR PASSÍVEL DE APROVEITAMENTO ADICIONAL 464 o C kg/h 344 o C kg/h 261 o C kg/h 185 o C kg/h 77 o C kg/h Peças kg/h o C Ar de combustão Ar do resfriamento direto Ar do resf. indireto Ar resf. contracorrente Ar resf. final Peças kg/h 80 o C FORNO 2 Zona de resfriamento 35

36 APROVEITAMENTO DO AR DE RESFRIAMENTO INDIRETO Gases chaminé: Água evaporada: kg/h kg/h Gases: kg/h o 164 C Umidade relativa: 1,7% Ar quente recuperado: kg/h 253 oc Ar queimador: kg/h 25 oc Ar quente ADICIONAL: kg/h 250 oc Gás natural: 117 kg/h GASES RECIRCULADOS kg/h 190 oc SECADOR 2 Peças úmidas: kg/h 25 oc Umidade: 11% Peças seca: kg/h 160 oc Umidade: 1,1 % APROVEITAMENTO DO AR DE RESFRIAMENTO INDIRETO Efeito da recuperação adicionar de ar de resfriamento sobre o consumo de GN no secador 35 Redução percentual de consumo de GN (%) Vazão adicional de ar recuperado (kg/h) 36

37 SECADOR Redução da vazão de gases de chaminé SIMULAÇÃO MATEMÁTICA DO SECADOR Vazões e temperaturas 37

38 SECADOR Redução da vazão de gases de chaminé SECADOR LINHA 2 Influência da diminuição dos gases na chaminé ,0% 190 Vazão de GN (kg/h) ,0% 15,0% 10,0% 5,0% Redução percentual de consumo (%) ,0% Vazão de gases na chaminé (kg/h) Valor atual SECADOR Redução da vazão de gases de chaminé SECADOR LINHA 2 Influência da diminuição dos gases na chaminé 5 500% 4 400% Umidade relativa (%) % 200% 100% Excesso de ar (%) 0 0% Vazão de gases na chaminé (kg/h) Valor atual 38

39 MEDIDAS QUANDO DA COMPRA DE NOVOS FORNOS MEDIDAS QUANDO DA COMPRA DE NOVOS FORNOS Qual a temperatura do ar de combustão a ser utilizada? Qual a largura do forno? Qual o comprimento da zona de pré-aquecimento? Qual é a adequação da zona de resfriamento para melhor aproveitamento energético (vazões e temperaturas)? Qual a instrumentação de controle e de monitoramento do forno? Entre os sistemas não usuais de monitoramento que poderiam ser instalados, pode-se citar os roletes postiços para acompanhamento da temperatura das peças ao longo do forno, conforme mencionado no corpo do relatório. 39

40 CONCLUSÕES CONCLUSÕES Muitas das medidas de otimização energética apontadas na literatura já estão implantadas. Consumo de GN tem peso considerável no custo do revestimento cerâmico O forno é o equipamento que mais consome energia térmica no processo. O forno estudado já é bastante eficiente 40

41 CONCLUSÕES Melhores oportunidades de redução de consumo de GN Redução excesso de ar queimadores Evitar infiltração de ar da zona de resfriamento Elevar Tar combustão Aproveitar mais o ar de resfriamento nos secadores Diminuir tiragem dos secadores Fornos novos: CONCLUSÕES Questionar fabricante quanto a questões abordadas no relatório. Mais instrumentação para controle energético. Possibilidades de desenvolvimentos futuros Regulagem secadores Estudo distribuição de Tpeças na largura do forno 41