Costul energiei este cea mai mare cheltuială de exploatare pentru un cuptor cu vatră tip bogie, alimentat cu gaz. Pentru un cuptor de 5 MW care funcționează 6000 de ore pe an cu gaz natural la 0,35 USD pe metru cub, factura anuală la gaz este de aproximativ 400.000 - 500.000 USD. Reducerea acestei sume cu 15-25% aduce înapoi în bugetul de exploatare 60.000 - 125.000 USD pe an - suficient pentru a plăti o modernizare completă a sistemelor de control în termen de doi până la trei ani.
MONTE INTELLIGENCE a efectuat audituri energetice pentru zeci de cuptoare cu vatră tip boghiu din domeniu. Am constatat că majoritatea cuptoarelor cu o vechime de peste cinci ani oferă oportunități de eficiență energetică de care operatorii nu sunt conștienți. Acest articol explică metodologia noastră de audit și cele mai frecvente constatări.
Auditul energetic începe cu un calcul al bilanțului termic. Pentru un cuptor discontinuu care procesează o singură sarcină pe ciclu, intrările de căldură sunt energia provenită din arderea combustibilului, căldura sensibilă a aerului de ardere (dacă este preîncălzit) și căldura eliberată prin oxidarea volumului de lucru (mică, de obicei ignorată). Ieșirile de căldură sunt căldura utilă absorbită de volumul de lucru, căldura pierdută în gazele de ardere, căldura pierdută prin pereții și ușa cuptorului, căldura pierdută prin infiltrarea aerului, căldura stocată în structura cuptorului (eliberată în timpul răcirii, dar pierdută între cicluri) și căldura pierdută prin deschideri, etanșări și alte căi de lucru.
Căldura utilă — energia care încălzește efectiv piesele de prelucrat — se calculează pe baza masei piesei de prelucrat, a căldurii specifice și a creșterii temperaturii. Pentru o încărcătură de oțel de 20 de tone încălzită de la 20°C la 850°C, cu o căldură specifică medie de 0,55 kJ/kg·K, căldura utilă este de 20.000 × 0,55 × 830 = 9.130 MJ, sau aproximativ 2536 kWh — aproximativ 260 de metri cubi de echivalent gaz natural.
Consumul total de gaz pentru ciclu este măsurat de contorul de gaz al cuptorului. Dacă contorul arată 520 de metri cubi consumați, eficiența cuptorului este 260/520 = 50%. Cei 260 de metri cubi rămași - aproximativ 90 USD de gaz per ciclu - se pierd pe diferite căi de pierdere a căldurii. Auditul identifică și cuantifică aceste căi de pierdere pentru a determina unde există oportunități de economisire.
Pierderea de căldură prin gazele de ardere este de obicei cea mai mare cale de pierdere, reprezentând 30-50% din consumul total de gaze. Gazele de ardere ies din cuptor la o temperatură apropiată de temperatura de funcționare a cuptorului - dacă cuptorul este la 1000°C, gazele de ardere ar putea fi la 900-950°C - transportând o cantitate mare de căldură sensibilă. Conținutul de căldură poate fi calculat pe baza debitului, temperaturii și compoziției gazelor de ardere.
Reducerea pierderilor de gaze arse implică două strategii: reducerea excesului de aer și recuperarea căldurii din gazele arse. Excesul de aer este aerul furnizat peste necesarul stoichiometric pentru ardere. La un exces de aer de 50% - o setare obișnuită - volumul de gaze arse este cu aproximativ 30% mai mare decât ar fi la un exces de aer de 10%, iar aerul suplimentar trebuie încălzit de la temperatura ambiantă la temperatura gazelor arse. Reducerea excesului de aer de la 50% la 10% poate îmbunătăți eficiența cuptorului cu 3-5%. Acest lucru necesită controlul oxigenului la arzător - un senzor lambda în conducta de gaze arse care oferă feedback în timp real clapetei de aer de ardere.
Recuperarea căldurii reziduale utilizează un recuperator sau un regenerator pentru a transfera căldura din gazele de ardere în aerul de ardere. Preîncălzirea aerului de ardere la 400°C poate îmbunătăți eficiența cuptorului cu 15-25%, deoarece aerul preîncălzit reduce cantitatea de combustibil necesară pentru a atinge temperatura de ardere. Recuperatoarele - schimbătoare de căldură gaz-gaz, de obicei de tip carcasă și tuburi sau plăci - sunt cea mai comună tehnologie și pot atinge o eficiență de recuperare a căldurii de 50-60%. Arzătoarele regenerative, care utilizează paturi ceramice care absorb și eliberează alternativ căldură, pot atinge o recuperare de 80-90%, dar la un cost de capital mai mare.
Pierderea de căldură prin pereți depinde de grosimea refractarului, de conductivitatea termică și de temperatura peretelui exterior. Pentru un cuptor care funcționează la 1000°C cu 300 mm de izolație din fibră ceramică (conductivitate 0,15 W/m·K la temperatură medie), pierderea de căldură prin pereți este de aproximativ 500 W pe metru pătrat. Pentru un cuptor cu o suprafață a peretelui de 100 de metri pătrați, aceasta reprezintă o pierdere continuă de 50 kW - aproximativ 4,3 metri cubi de gaz pe oră, sau aproximativ 1,50 USD pe oră.
Măsurarea temperaturii suprafeței peretelui exterior cu un termometru cu infraroșu este o tehnică simplă de audit. Orice zonă a peretelui care este cu peste 20°C peste medie indică o fisură în izolație, o ancoră defectă sau un punct fierbinte cauzat de flacăra internă a arzătorului care atinge peretele. Aceste puncte fierbinți pot fi reparate în timpul unei opriri programate prin înlocuirea modulelor de izolație afectate.
Scurgerile de la ușă și garnitură reprezintă cea mai dificil de cuantificat și adesea cea mai ușor de remediat. Un spațiu de 3 mm în jurul periferiei unei uși de 4 metri pe 3 metri are o suprafață de aproximativ 0,042 metri pătrați. La o presiune tipică a cuptorului de 10 Pa, scurgerea de gaz fierbinte prin acest spațiu transportă o energie semnificativă - aproximativ 10-15 kW pentru un cuptor de 1000°C. Remedierea este înlocuirea garniturii ușii - o lucrare care durează aproximativ patru ore pentru o echipă de întreținere și costă câteva sute de dolari în materiale.
Infiltrarea aerului — aerul rece care pătrunde în cuptor prin spațiile din structură, în jurul ușii, în jurul arzătorului și prin orificiile de inspecție — este hoțul ascuns de energie. Aerul infiltrat nu numai că transportă căldura (aerul rece care intră înlocuiește gazul fierbinte care trebuie să iasă), dar provoacă și oxidarea volumului de lucru și poate crea zone de temperatură neuniforme. Analiza combustiei oferă dovezi indirecte ale infiltrării aerului: dacă conținutul de oxigen din gazele de ardere este mai mare decât cel așteptat pe baza setărilor arzătorului, oxigenul suplimentar provine din infiltrare.
Raportul de audit trebuie să includă o listă prioritizată a măsurilor de conservare a energiei (ECM) cu costul estimat, economiile estimate și perioada simplă de recuperare a investiției. ECM-urile tipice pentru un cuptor cu vatră boghiu, în ordinea crescătoare a perioadei de recuperare a investiției, sunt: repararea garniturilor ușii (recuperare a investiției <1 lună), reglarea raportului aer/gaz al arzătorului (recuperare a investiției <3 luni), repararea punctelor fierbinți refractare (recuperare a investiției 3-6 luni), instalarea unui control al reglajului oxigenului (recuperare a investiției 6-12 luni) și instalarea unui recuperator (recuperare a investiției 12-24 luni).
MONTE INTELLIGENCE oferă servicii de audit energetic care includ măsurători la fața locului, calcularea bilanțului termic, identificarea ECM-urilor și asistență pentru implementare.
Pentru a programa un audit energetic pentru cuptorul dumneavoastră cu vatră tip bogie, contactați helenxu@cnlymonte.com.
