Tecnologias e Conceitos de Queimadores: Atendendo às Emissões

1º de setembro de 2022 | Por Jonathan Stoeger

Para atender às ousadas metas de sustentabilidade, novas tecnologias de queimadores e configurações de controle estão sendo desenvolvidas para ajudar a reduzir significativamente as emissões de NOx

Muitas empresas líderes do setor estabeleceram metas ousadas de sustentabilidade para redução de emissões e eficiência energética impulsionadas por fatores como mudança climática, o Acordo de Paris e vários regulamentos nacionais, estaduais e locais.

Nos EUA, a Califórnia sempre liderou o caminho na redução de emissões. Foi o primeiro estado a impor um padrão de emissões de 30 partes por milhão (ppm) para óxidos de nitrogênio (NOx), que posteriormente diminuiu para 15 ppm NOx e depois para apenas 9 ppm NOx. Agora, alguns condados da Califórnia estão impondo um requisito de 2 ppm de NOx em caldeiras industriais de tubos de água (IWT) maiores. Outros estados seguirão o exemplo com requisitos de emissões de NOx de 30 ppm ou ainda menores.

A indústria de caldeiras continua a introduzir tecnologias e soluções avançadas que reduzem as emissões de NOx e CO (Figura 1). Hoje, existem várias tecnologias de combustão e estilos de queima, dependendo da aplicação, combustível e tamanho da queima, que estão disponíveis para combustíveis tradicionais e renováveis. Essas ofertas mais recentes, juntamente com sistemas de controle avançados, garantem alta redução, uma relação combustível-ar consistente e repetibilidade na combustão.

FIGURA 1. Requisitos mais baixos de emissões de NOx e CO estão por vir, e as tecnologias de queimadores estão evoluindo para ajudar a atingir essas metas

Turndown é um conceito que é importante entender. Em relação aos sistemas de caldeiras, é uma proporção que identifica as configurações de fogo alto e fogo baixo de um sistema. Por exemplo, um queimador de 100 milhões de Btu/h com abertura de 10:1 atingirá o fogo alto a 100 milhões de Btu/h e o fogo baixo a 10 milhões de Btu/h. O principal benefício do alto turndown para um sistema de caldeira é a redução da ciclagem, o que reduz o consumo de energia e o estresse térmico de uma caldeira.

Ao reduzir o ciclo, menos combustível é necessário e menos emissões escapam para a atmosfera. Turndown é altamente dependente do projeto do queimador. Muitos sistemas de queimadores de alta rotação requerem um sistema de controle avançado - normalmente, eles envolvem posicionamento paralelo ou sistemas totalmente medidos.

O tipo de NOx mais reduzido com a tecnologia de queimadores é o NOx térmico. Isso pode ser alcançado diminuindo a temperatura da chama ou eliminando NOx imediato, alguns dos quais podem ser reduzidos otimizando a mistura ar-combustível no queimador. Existem diferentes tipos de tecnologias de queimadores e sistemas de combustão que podem ser implementados hoje, e cada um tem suas próprias características para reduzir NOx e aumentar a eficiência. Esses métodos incluem o seguinte:

O escalonamento de combustível injeta uma porção do combustível principal para misturar com os gases de combustão no forno antes da ignição (Figura 2). Assim, dilui o combustível com gases, principalmente N2 e H2O. Preparar o combustível dessa maneira faz com que ele acenda a chama principal e o volume diminui a quantidade de transferência de calor radiante do forno. Essa transferência de calor radiante ajuda a resfriar a chama. A combustão desses dois efeitos reduz a temperatura da chama, diminuindo assim a formação de NOx.

FIGURA 2. O estágio de combustível com indutores de gases de combustão envolve a injeção de uma parte do combustível principal no forno antes da ignição, que serve para diluir o combustível com gases, diminuindo efetivamente a temperatura da chama e inibindo a produção de NOx

Por trás do processo, alguns dos injetores de gás no lado externo do cabeçote de combustão (ou parte perfurada do cabeçote) possuem uma grade grande e única, chamados de injetores escalonados. Esses injetores direcionam os jatos de combustível para fora da chama principal de combustão.

Orifícios de injeção maiores produzem jatos maiores que viajam mais para dentro do próprio forno. Misturar mais lentamente antes de acender a chama principal produz um envelope de chama maior que ajuda a aumentar a transferência de calor radiante. Mais transferência de calor da caldeira para o forno e para a própria chama produz mais calor e aumenta as emissões de NOx.