Seleção de queimador de forno de aquecimento industrial: tipos, eficiência e projetos de baixo NOx

Consideremos uma forjaria no leste da China que substituiu o antigo queimador do forno de aquecimento pela unidade importada mais barata disponível. Em três meses, os operadores estavam raspando o carbono do bocal e do conjunto do eletrodo toda semana, o forno precisava de mais vinte minutos para atingir a temperatura de imersão e o consumo de gás natural aumentou 11%. O queimador não estava com defeito. Era simplesmente o queimador errado para aquela fornalha.

Esse padrão se repete em plantas de todos os tamanhos. A seleção do queimador do forno de aquecimento é uma decisão de engenharia de processo, não uma compra de peças sobressalentes. O queimador controla o fluxo de combustível, o formato da chama e a distribuição de calor dentro do forno, e essas três variáveis ​​definem o limite máximo para a qualidade do produto e a economia de combustível. Este guia aborda como funcionam os queimadores de fornos de aquecimento industrial, como combiná-los com o forno, os modos de falha que impulsionam a maioria das chamadas de serviço e os ganhos de eficiência disponíveis em projetos modernos de baixo NOx e multicombustíveis.

Queimador de forno de aquecimento industrial para trabalho a quente de metal Este queimador faz parte de um sistema completo de forno de aquecimento com combustão de baixo NOx e recuperação de calor residual, suportando controle uniforme de temperatura para processos de forjamento e tratamento térmico. Ver Produto →

Como funciona um queimador de forno de aquecimento

O queimador de um forno de aquecimento tem quatro funções: medir o combustível, fornecer ar de combustão na proporção correta, acender a mistura e estabilizar a chama em todo o alcance de queima. Em um queimador a gás, o combustível entra pelo trem de gás e se mistura com o ar dentro do corpo do queimador ou na frente da chama. Num queimador de combustível líquido, o combustível deve primeiro ser atomizado em gotículas finas para que cada gota evapore e queime rapidamente. Os queimadores de combustível sólido transportam carvão pulverizado ou biomassa numa corrente de ar e suspendem as partículas na zona da chama.

A forma da chama é tão importante quanto a temperatura da chama. Uma chama curta e espessa irradia calor perto da parede; uma chama longa e preguiçosa transporta o calor para o interior da câmara. Se a chama colidir com a carga, você obterá superaquecimento localizado, incrustações e defeitos superficiais. Se a chama sair do queimador, você obterá pulsação, picos de CO e desperdício de combustível. É por isso que o mesmo modelo de queimador pode ter desempenho diferente em uma câmara de três metros e em uma câmara de nove metros.

Os queimadores industriais modernos também incluem supervisão de chama, eletrodos de ignição e ventiladores de ar de combustão, e fazem interface com um sistema de gerenciamento de queimador (BMS) para sequenciamento de inicialização e lógica de disparo. Quando o queimador faz parte de uma linha de processo maior, esses controles tornam-se tão importantes quanto a própria combustão.

Visão geral dos tipos de queimador

A escolha prática para um forno de aquecimento geralmente se resume a gás, combustível líquido, combustível sólido ou uma combinação de dois ou mais. Cada família possui hardware de manuseio de combustível e características de chama distintas.

Os queimadores a gás dominam o tratamento térmico e o forjamento porque a combustão é limpa e a abertura é generosa. Os queimadores de combustível líquido aparecem onde o fornecimento de gás é interrompido ou onde as fábricas compram petróleo pesado pelo preço. Os queimadores de combustível sólido estão limitados a grandes fornos e secadores que já possuem preparação de combustível. Queimadores multicombustíveis estão se tornando comuns em usinas que trocam de combustível para acompanhar os preços da energia ou a disponibilidade contratual de gás.

Critérios de seleção que importam

Comece com o processo, não com o queimador. Registre a faixa de taxa de queima do forno, o ciclo de trabalho (lote ou contínuo), o combustível disponível e o limite de emissão local. Em seguida, avalie as ofertas dos queimadores de acordo com estes seis critérios:

1. Tipo de combustível e tolerância de qualidade do combustível. A qualidade do gás varia com a composição do gasoduto; a qualidade do óleo varia com o enxofre e a viscosidade. Um queimador que tolera variações de combustível economiza tempo de inatividade.
2. Taxa de abertura de cama. Os fornos batch ficam ociosos entre as cargas e precisam de uma redução de pelo menos 10:1. Um forno contínuo pode trabalhar com 4:1 ou 5:1.
3. Geometria da chama. O comprimento e a largura da chama devem caber na câmara para que a chama não esfregue o teto ou colida com a carga.
4. Controle de proporção de ar. A ligação mecânica é simples, mas oscila; o ajuste de oxigênio mantém o ponto de ajuste e se paga com economia de combustível.
5. Conformidade com NOx e CO. Verifique se a licença local exige um projeto com baixo teor de NOx, não apenas o limite atual, mas também o provável limite futuro.
6. Acesso de serviço e peças de reposição. Bicos, eletrodos e detectores de chama se desgastam. Se o queimador forçar você a retirar o duto de ar para alcançá-los, o custo de manutenção aumentará rapidamente.

Acertar essas seis entradas no início é mais barato do que ajustar um gravador errado posteriormente. A modernização de um sistema de comprimento de chama ou proporção de ar diferente geralmente significa novo refratário, nova tubulação e semanas de interrupção do processo.

Por que os queimadores do forno de aquecimento falham em serviço

A maioria das falhas do queimador não é repentina. Eles são graduais e se manifestam através do aumento do consumo de combustível, fuligem ou problemas de ignição. Três modos de falha são responsáveis ​​pela maioria das chamadas de serviço.

Incrustação de carbono no bocal e no conjunto do eletrodo. Esta é a falha clássica dos queimadores de combustível líquido. Isso acontece quando a qualidade da atomização cai, geralmente porque a temperatura do combustível está muito baixa, o bico está superdimensionado para a taxa de disparo real ou o suprimento de ar de combustão caiu. A solução não é uma limpeza mais frequente; está corrigindo as configurações de atomização e ar para que o carbono pare de se formar.

Ignição intermitente. Um queimador que acende somente após uma batida ou repetidas tentativas indica que o sensor de chama está sujo, a folga do eletrodo se deslocou ou o transformador de ignição está fraco. Estes são diagnósticos de cinco minutos com o kit de teste certo, mas tornam-se caros quando tratados como uma falha do queimador e toda a unidade é substituída.

Ferrugem e corrosão do corpo do queimador. A umidade geralmente é a culpada: vazamentos nas vedações das portas do forno, condensação no duto de ar de combustão ou dreno desviado no trem de combustível. A ferrugem dentro do queimador distorce as passagens de ar e muda o formato da chama muito antes da falha do metal. Explicamos cada um desses modos de falha e a sequência de diagnóstico com mais detalhes em nosso artigo sobre por que os queimadores do forno de aquecimento falham .

Eficiência, emissões e design de baixo NOx

O excesso de ar é a maior alavanca de eficiência disponível para um operador de forno. Cada molécula de excesso de ar que entra no forno sai pela pilha carregando consigo calor. Com 50% de excesso de ar, a perda de gases de combustão de um forno operando perto de 900°C pode ser aproximadamente o dobro da perda com 10% de excesso de ar. O contrapeso é a combustão incompleta: muito pouco ar cria CO, fuligem e combustível não queimado. A janela de operação é estreita, razão pela qual o ajuste de oxigênio dos gases de combustão é uma atualização padrão em queimadores de fornos de aquecimento industrial. Um plano de eficiência completo deve combinar configuração do queimador, controle de pressão do forno e programação de carga, e reunimos as etapas práticas neste guia de eficiência do queimador do forno de aquecimento .

NOx é a segunda restrição. Na maioria dos fornos de aquecimento industrial, o NOx se forma a partir do nitrogênio no ar de combustão, reagindo à alta temperatura da chama. As duas respostas do projeto são o escalonamento, que atrasa parte do ar de combustão para que a temperatura máxima da chama caia, e a recirculação dos gases de combustão, que dilui a chama. Ambos reduzem o NOx sem sacrificar a liberação de calor. Para plantas sob um limite de emissões, escolher antecipadamente um queimador com baixo teor de NOx é muito mais barato do que adicionar redução seletiva catalítica ou não catalítica posteriormente, porque o equipamento a montante e os dutos já estão dimensionados para a chama.

Queimador de baixo NOx com recirculação de gases de combustão Projetado para manter as emissões de NOx abaixo de 30 mg/m³ usando combustão escalonada e FGR, este queimador atende às indústrias com emissões reguladas, ao mesmo tempo que reivindica alta eficiência e monitoramento inteligente por PLC. Ver Produto →

Combinando o queimador com o seu processo

O perfil operacional do forno determina quais características do queimador são mais importantes.

Os fornos de tratamento térmico funcionam em lotes longos e ficam ociosos entre eles. Eles precisam de ampla abertura, forte uniformidade de temperatura e uma chama limpa que não marque o trabalho. Um queimador de combustível a gás com controle de ar proporcional e chama longa é a resposta padrão. Os fornos de forjamento, por outro lado, liberam uma grande quantidade de calor em uma câmara pequena e precisam de uma chama compacta de alta intensidade que aqueça rapidamente sem colidir com o tarugo. Os fornos de fusão de alumínio precisam de combustão em baixa velocidade para limitar a oxidação do metal e a perda de fusão.

Queimador de gás de chama longa com bico Laval Um queimador de gás com bico Laval ajustável e sistema de turbulência para modelagem ampla de chama, voltado para aplicações em fornos rotativos de chama longa, como produção de baterias de níquel-ferro e lítio. Ver Produto →

A flexibilidade do combustível também está se tornando uma exigência comercial. As fábricas com tarifas de gás interrompíveis, ou aquelas com acesso ao gás de biomassa cativo, muitas vezes escolhem um queimador multicombustível para que a linha de produção continue a funcionar apesar dos picos de preços. As empresas que operam um queimador de forno de aquecimento padrão a gás natural podem mudar para óleo ou uma combinação de gás-óleo com um design multicombustível, adicionando segurança de fornecimento sem reduzir a classificação do forno.

Qualquer que seja a família de produtos avaliada, o método de seleção é o mesmo: defina primeiro a geometria do forno, o alcance de queima, o combustível e o limite de emissões e depois deixe a engenharia do queimador adequar a chama ao processo. Acerte esses insumos e o queimador do forno de aquecimento se tornará um burro de carga confiável, do tipo que é ignorado por anos porque nunca dá a ninguém um motivo para ligar.