1. História, situação atual e classificação dos fornos industriais
Fornos e fornos industriais, utilizados para processos como fundição, torrefação, sinterização, fusão e aquecimento, estão presentes na China desde a Dinastia Shang, com temperaturas de forno capazes de atingir 1200°C.
Durante o período da primavera e do outono, o desenvolvimento da tecnologia dos fornos levou à produção de ferro fundido.
Em 1794, o mundo viu a introdução de uma cúpula cilíndrica reta para fundição de ferro fundido.
Então, em 1864, Martin, da França, construiu o primeiro forno aberto para produção de aço movido a gás, baseado 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, fontes de energia suficientes estavam disponíveis, levando ao uso generalizado de fornos de resistência, fornos elétricos a arco e fornos de indução tubulares 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 experimentaram um rápido crescimento. Mais tarde, o forno de feixe de elétrons foi inventado, usando feixes de elétrons para impactar combustível sólido para aquecer e derreter materiais de alto ponto de fusão.
Actualmente, a China tem aproximadamente 130.000 fornos industriais, localizados principalmente nas indústrias metalúrgica, de materiais de construção, de maquinaria e química, que representam mais de 85% do número total de fornos.
O consumo anual de energia destes fornos é de 25% do consumo nacional de energia, com porções aproximadamente iguais atribuídas aos fornos a combustível e aos fornos eléctricos.
Existem vários desafios importantes enfrentados pelos fornos industriais na China, incluindo métodos de combustão desatualizados, alta intensidade de trabalho, poluição ambiental, requeima excessiva, baixa eficiência térmica e sistemas automáticos inadequados de monitoramento e controle.
Os fornos industriais podem ser classificados com base nas características do processo, temperatura de trabalho, características de operação térmica e sistema de trabalho.
Tipos comuns de fornos e 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 e fornos de calcinação, fornos e fornos de secagem, fornos de arco elétrico, fornos de indução para alta- fundição de temperatura, fornos de coque, incineradores e outros.
Tabela de códigos de classificação de fornos industriais
| Código | Categoria de forno industrial | Código | Categoria de forno industrial |
| 010 | Forno de fundição | 071 | Forno de carboneto de cálcio |
| 011 | Forno alto | 072 | Calcinador geral |
| 012 | Forno siderúrgico e misturador | 073 | Forno de leito fluidizado |
| 013 | Forno de fundição de ferroliga | 079 | Outros fornos químicos |
| 014 | Forno de fundição de metais não ferrosos | 080 | Forno de queima |
| 020 | Forno de fusão | 081 | Forno de cimento |
| 021 | Forno de fusão de aço | 082 | Forno de cal |
| 022 | Forno de fusão de metais não ferrosos | 083 | Forno refratário |
| 023 | Forno de fusão não metálico e forno de fundição | 084 | Forno cerâmico diário |
| 024 | Cúpula | 085 | Construção de forno cerâmico sanitário |
| 030 | Forno de aquecimento | 086 | Alvenaria |
| 031 | Forno de aquecimento contínuo de aço | 087 | Forno de queima de porcelana Tang |
| 032 | Forno de aquecimento de metais não ferrosos | 088 | Outros fornos de queima |
| 033 | Forno de aquecimento intermitente em aço | 090 | Forno de secagem (forno) |
| 034 | Poço de imersão | 091 | Forno de secagem de fundição (forno) |
| 035 | Forno de aquecimento não metálico | 092 | Forno de secagem de cimento (forno) |
| 039 | Outros fornos de aquecimento e retenção | 099 | Outros fornos de secagem (fornos) |
| 040 | Forno petroquímico | 100 | Forno de queima de fumaça (forno) |
| 041 | Forno tubular | 110 | Forno de arco |
| 042 | Reator de contato | 120 | Forno de indução (fundição em alta temperatura) |
| 043 | Fornalha de craqueamento | 130 | forno de coque |
| 049 | Outros fornos petroquímicos | 131 | Forno de coque a carvão |
| 050 | Forno de tratamento térmico (<1000 ℃) | 132 | Forno de coque a óleo |
| 051 | Forno de tratamento térmico de aço | 140 | Fornalha ardente de Chu |
| 052 | Forno de tratamento térmico de metais não ferrosos | 141 | Incinerador de resíduos sólidos |
| 053 | Forno de tratamento térmico não metálico | 142 | Forno de recuperação de álcalis |
| 054 | Outros fornos de tratamento térmico | 143 | Fogão doméstico Chu |
| 060 | Forno de sinterização (metalurgia negra) | 144 | Resíduos hospitalares Chu queimando forno |
| 061 | máquina de sinterização | 145 | Queimador de sonho a gás |
| 062 | Forno de eixo de pelotização, pelotização de correia | 149 | Outros queimadores de sonhos |
| 070 | Forno de trabalho químico | 190 | Outros fornos industriais |
2. Status de economia de energia dos fornos industriais
O consumo de energia dos fornos industriais é influenciado por numerosos factores, no entanto, os métodos primários actuais para a conservação de energia incluem a optimização do design, a melhoria do equipamento, a utilização do calor residual e a melhoria do controlo de monitorização e da gestão da produção.
1. Teste térmico
Na China, apesar da presença de tecnologias avançadas a nível mundial, muitos fornos industriais têm limitações. Isto está associado ao alto custo de substituição e a um aumento significativo no consumo de energia. Assim, a inovação científica e tecnológica é crucial.
Para alcançar a transformação técnica com economia de energia, métodos de testes científicos 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. Mede a eficiência térmica do forno industrial, levando à melhoria da eficiência térmica, à redução do consumo unitário e à determinação de diversos 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 formas e direções eficazes para a conservação de energia. Este é o objetivo principal do teste térmico.
No entanto, existem certos desafios associados aos métodos de teste térmico, tais como a complexidade dos testes e a dificuldade em simular com precisão condições de produção estáveis, o que pode resultar numa grande lacuna entre os resultados dos testes e o desempenho real.
Portanto, o desenvolvimento futuro da tecnologia de testes será um foco de pesquisa para especialistas e acadêmicos.
2. Estrutura do forno, materiais de construção do forno e tecnologia de combustão
Após a realização do teste, temos agora um entendimento preliminar do forno, que serve de base para sua transformação técnica.
Ao projetar o forno, é aconselhável adotar um novo forno que economize energia e que atenda ao máximo possível aos requisitos do processo de produção.
Durante o processo de projeto, fatores como tipo de forno, material, vedação, processo de transferência de calor (combustão) e distribuição de temperatura são normalmente levados em consideração.
De acordo com os dados disponíveis, as principais medidas de poupança de energia são as seguintes:
(1) O uso de um forno circular em vez de um forno tipo 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, forro do forno e 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 aumentando a área de troca de calor.
(2) A instalação de um ventilador no forno pode melhorar a transferência de calor por convecção. Isto é especialmente importante para pequenos fornos de aquecimento, 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 encurtar o tempo de aquecimento, acelerando o aumento da temperatura da peça de trabalho.
(3) A vedação do corpo do forno é crucial, 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, poderá ocorrer incêndio e vazamento, resultando em 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 controlar a atmosfera dentro do forno.
O aparecimento de produtos de fibra refratária criou oportunidades para resolver o problema de vedação do corpo do forno e conseguiu uma vedação suave.
(4) O forno de aquecimento com concreto refratário 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 do revestimento do forno.
Ao mesmo tempo que garante a resistência 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 diminuir a temperatura da parede do forno resultará em maior armazenamento de calor do revestimento, custos mais elevados e redução da 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. Este método de poupança de energia tem um efeito de 3% a 5% e é considerado um método avançado de poupança de energia para o futuro próximo.
(7) Diferentes queimadores são usados de acordo com diferentes condições de trabalho, como queimadores reguladores de chama, queimadores de chama plana, bicos de alta velocidade, queimadores de autopré-aquecimento, queimadores com baixo teor de óxido de nitrogênio e queimadores regenerativos recentemente desenvolvidos, fornecendo uma gama de avançados queimadores adequados ao uso de gás e diesel.
O uso correto de queimadores avançados e eficientes pode geralmente resultar em economias de energia superiores 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.
Queimadores de autopré-aquecimento, 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 energeticamente eficientes, combinados com ventiladores, bombas de óleo, válvulas, sistemas de deteção térmica e de controlo automático eficientes, pode melhorar significativamente a poupança de energia, dependendo do tipo de combustível.
As tecnologias convencionais de combustão com 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.
Destes, a combustão com ar em alta temperatura e a combustão enriquecida com oxigênio são as mais amplamente utilizadas.
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 dos gases de combustão através da recuperação regenerativa dos gases de combustão. Isto resulta em uma temperatura uniforme do forno de ≤± 5 ℃ e uma eficiência térmica de combustão de 80%.
Esta tecnologia tem diversas vantagens, como alta eficiência, economia de energia, proteção ambiental, baixa poluição, combustão estável, 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 existem alguns desafios a serem enfrentados, como a otimização dos sistemas de controle e regulação, a melhoria da relação entre os parâmetros térmicos e a estrutura de projeto, a qualidade do gás e do 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.
Esta 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, utilização abrangente e armazenamento de CO2 e SO2.
No entanto, o aumento do teor de oxigénio na combustão enriquecida com oxigénio também leva a um aumento acentuado da temperatura e ao aumento do NOx, o que limita a 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 categorizado em sete tipos: gás residual de alta temperatura, meio de resfriamento, vapor e água residuais, produtos e escória de alta temperatura, reações químicas, gás residual combustível e pressão residual de fluido de alta pressão.
De acordo com pesquisas, o calor residual total produzido por diversas indústrias varia de 17% a 67% do consumo total de combustível, sendo 60% provenientes de recursos térmicos residuais recicláveis.
Os gases de combustão são responsáveis por retirar de 30% a 70% do calor total fornecido pelos fornos a combustível.
Como tal, a recuperação e utilização do calor residual nos gases de combustão é crucial para a conservação de energia. Isto pode ser alcançado através de:
(1) Instalação de pré-aquecedores para pré-aquecer o ar e o combustível que suportam a combustão usando gases de combustão.
(2) Instalação de caldeiras de calor residual para gerar água quente ou vapor para produção ou fins domésticos.
(3) Usar gás de combustão como fonte de calor para fornos de baixa temperatura ou pré-aquecer peças frias ou cargas de fornos.
Na China, 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, trocadores de calor domésticos, como tipo jato, tipo radiação a jato e tipo mesa dupla, foram desenvolvidos sucessivamente para resolver a questão da recuperação de calor residual em aplicações de média e baixa temperatura. Estes desenvolvimentos resultaram em melhorias significativas na recuperação de calor residual dos gases de combustão a temperaturas inferiores a 100°C.
No entanto, a altas temperaturas, as limitações dos materiais dos permutadores de calor, incluindo a baixa vida útil, os elevados requisitos de manutenção e os elevados custos, ainda colocam desafios à promoção e utilização destes sistemas.
No início do século 21, a China desenvolveu um trocador de calor cerâmico, que possui 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. Este permutador de calor funciona colocando-o próximo da saída de fumos, onde as temperaturas são elevadas, sem expô-lo ao ar frio nem necessitar de protecção contra altas temperaturas.
Quando a temperatura do forno está entre 1250-1450°C, a temperatura de saída da chaminé deve ser de 1000-1300°C. O trocador de calor cerâmico é capaz de recuperar o calor residual até 450-750°C. O ar quente recuperado é então enviado de volta ao forno para ser misturado ao gás combustível para combustão, resultando em uma redução de 35% a 55% no uso de energia e uma redução correspondente nos custos de produção.
O trocador de calor cerâmico provou ser uma solução valiosa em casos onde os trocadores de calor metálicos são limitados pela corrosão e pela resistência a altas temperaturas. Suas vantagens incluem boa condutividade térmica, resistência a altas temperaturas, boa resistência à oxidação, resistência ao choque térmico, longa vida útil, baixos requisitos de manutenção, desempenho confiável e operação simples.
Os trocadores de calor cerâmicos são amplamente utilizados em uma variedade de indústrias, incluindo metalurgia, não ferrosos, refratários, químicos e materiais de construção, para recuperar calor residual de gases 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 folhas, 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 torcido de massa frita, vários trocadores de calor combinados, trocadores de calor de tubo de gás e trocadores de calor com armazenamento de calor.
Espera-se que o trocador de calor regenerativo seja a tendência de desenvolvimento técnico para o futuro, pois pode levar a economias de energia superiores a 30% quando a temperatura de emissão dos gases de escape após a utilização do calor for inferior a 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 em relação aos trocadores de calor tradicionais. A eficiência de troca de calor dos sistemas de recuperação de calor residual de tubos de calor pode atingir mais de 98%, o que é inatingível com trocadores de calor tradicionais. Além disso, esses sistemas são menores, com 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 grande quantidade de energia e geram resíduos significativos. O problema do coeficiente excessivo de excesso de ar também é comum.
Isto se deve em grande parte a métodos regulatórios desatualizados, à alta intensidade de trabalho dos trabalhadores e à dificuldade em manter condições ideais de combustão.
Melhorar o nível de detecção e controle térmico pode, portanto, resultar em economias de energia significativas.
A direção de desenvolvimento do controle automático de fornos industriais é em direção à tecnologia avançada de controle automático, particularmente sistemas de controle de microcomputadores.
Ao implementar um sistema de controle automático, a energia pode ser economizada por meio de coordenação e controle eficientes e precisos de sistemas relevantes, como controle preciso das principais variáveis do processo do forno de aquecimento, controle da cascata de temperatura e fluxo de combustível, controle da proporção de combustível e ar de combustão e controle de teor de oxigênio nos gases de combustão.
3. Conclusão
Concluindo, a indústria de fornos tem amplo espaço para crescimento e melhoria nas áreas de eficiência energética, técnicas de detecção térmica e utilização de calor residual nos próximos anos.
Embora o método tradicional de equilíbrio provavelmente continue sendo o método dominante para detecção térmica por enquanto, é importante buscar e desenvolver continuamente novos métodos.
Além disso, a transição dos combustíveis fósseis para fontes de energia limpas e renováveis como fonte de energia primária para fornos industriais e a redução das emissões tornar-se-ão uma área crucial de investigação no futuro.
