Eficiencia energética en los procesos térmicos industriales

Las tecnologías de procesos térmicos se utilizan en casi todas las actividades industriales, y el consumo energético de estas actuaciones son muy importantes. Es por eso que las técnicas para obtener mejoras en eficiencia energética de procesos deben ser analizadas en detalle en todoproductividad. Entre los artículos en los que hemos abordado hasta ahora el calor de los procesos, podemos destacar “Eficiencia energética en calderas de vapor”, pero ha llegado el momento de abordar de una forma más detallada el estudio de las tecnologías que pueden aplicarse para mejorar la eficiencia de los procesos industriales. Los procesos industriales que suponen un mayor consumo energético como consecuencia del calor de los procesos son la fabricación de acero, cemento y compuestos, y en productos de mayor valor añadido la fabricación de dispositivos electrónicos, chis, cosméticos, textiles e industria alimentaria. Según datos del Departamento de Energía de USA, el calentamiento de procesos es responsable del consumo del 17 % de la energía que se utiliza en la industria. A pesar de las mejoras tecnológicas de los últimos años, los procesos industriales no son aún eficientes en el uso del calor, es por ello previsible el incremento de actuaciones de mejora de eficiencia energética en los próximos años. En este artículo vamos a analizar algunas aplicaciones avanzadas utilizadas en la mejora del calentamiento de procesos industriales.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO INDUSTRIAL

Los sistemas de calentamiento de procesos industriales usualmente incluyen un dispositivo que genera o suministra calor; dispositivos de transferencia para hacer pasar el calor desde la fuente al producto; un sistema de contención en forma de horno, estufa, horno secador, calentador, etc; y por último un dispositivo de recuperación de calor. El sistema puede también incluir un buen número de otros sistemas de apoyo tales como sensores y controladores, manipuladores de materiales, suministro y control de la atmósfera de procesos, sistemas de seguridad, y equipos auxiliares. El calor se suministra normalmente por cuatro métodos: calentamiento a través de una llama, calentamiento de vapor, calentamiento mediante agua/aire/aceite caliente y calentamiento eléctrico. El calor se transmite directamente desde la fuente de calor, indirectamente a través de las paredes del horno, o a través de otros medios tales como ventiladores de recirculación o toberas de alimentación. Estas operaciones se realizan en un cerramiento con material refractario y revestimiento aislante. Las paredes, puertas y otras aberturas van selladas. Dependiendo del diseño y operaciones, entre el 10 y el 25 % del calor total suministrado se pierde a través del cerramiento. Los gases del equipo de calentamiento por llama pueden tener aún una gran parte de la entrada de calor total, que va del 20 al 70 %. Muchos hornos, particularmente los usados para operaciones de alta temperatura incluyen algún tipo de dispositivo para reciclar parte de este calor. Adicionalmente, el enfriamiento del agua de partes del horno o sistemas de soporte de carga pueden originar unas pérdidas de entre el 5 y el 20 % de la entrada de calor. Mediante sensores apropiadamente diseñados y sistemas de control, sistemas de manejo de materiales, y atmósferas de procesos y otros sistemas auxiliares, podemos obtener un ahorro sustancial de energía, que puede ir desde el 5 al 30 %. El equipo de proceso normalmente opera en un rango de temperatura de procesos que van desde 149 a 1650 ºC. Consecuentemente, el proceso consume una gran cantidad de energía. En realidad, los costes de energía del proceso representan entre el 2 y el 15 % del coste total de un producto. Y como la industria representa aproximadamente el 38 % del consumo energético de un país (datos para USA), podemos hacernos una idea de la enorme cantidad de energía requerida para los procesos de calentamiento. Respecto a los procesos industriales que utilizan calentamiento de procesos, las nueve operaciones genéricas son las siguientes: calentamiento de fluidos, tratamiento térmico, calcinación, secado, calentamiento de metales, fusión de metal y no metal, fundición/aglomeración, curación y termoformado.

TÉCNICAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LOS PROCESOS

La eficiencia térmica de estos procesos es aún insuficiente ya que varía en un rango del 15 al 80 % (en la generación de vapor la eficiencia varía del 65 al 80 %). Debido a los bajos niveles de eficiencia, el calentamiento de procesos ofrece oportunidades de ahorro de energía significativas, ya que el margen de mejora es grande y el retorno alto. Con el uso de tecnologías avanzadas y prácticas de operación, es posible conseguir interesantes reducciones en el consumo del proceso. Repasemos las tecnologías más interesantes:

A) SENSORES Y CONTROLES DEL PROCESO

(Advanced sensors that measure multiple emissions)

La calidad de un producto reproducible sometido a un proceso térmico depende de la capacidad para medir y controlar el proceso de manera efectiva. De esta forma se minimiza la variabilidad del producto. Este nivel de control requiere la utilización de sensores fiables y sistemas de control que puedan resistir condiciones ambientales adversas sin necesidad de recalibrado durante el mayor tiempo posible (al menos un año). Mejor aún, se necesitan sensores de bajo coste para controlar los parámetros importantes tales como la uniformidad de las propiedades de los materiales, temperaturas, flujo de calor, ratio aire/combustible, atmósferas del proceso (oxidación y reducción) emisiones, infiltraciones en el suelo, control del encendido y la llama, así como de la estabilidad de la llama. Cualquier estudio de mejora de procesos térmicos debe analizar en detalle las posibilidades que los controles y sensores pueden aportar a la actividad para conseguir los resultados deseados.

Las limitaciones técnicas a estas acciones son:

• Pocos sensores de medición directa apropiados para procesos térmicos.
• Menos aún que sean exactos, no intrusivos, de fácil uso y mantenimiento.
• Excesivos fallos e inexactitudes en termopares y otros sensores.
• Dificultades para controlar fiablemente parámetros críticos como temperatura, química y presión.
• Pocos controles inteligentes.
• Falta de dispositivos económicos para el de control del caudal.

B) RENDIMIENTO MEJORADO DE MATERIALES A ALTA TEMPERATURA 

(Improved performance of high temperature materials, including alloy composites).

El rendimiento de los materiales a altas temperaturas está siendo estudiado en diferentes disciplinas, por ejemplo la investigación aeroespacial. Los objetivos de todas estas investigaciones son incrementar la temperatura de operación y eficiencia de los nuevos materiales, mejorar su fiabilidad y reducir los costes de operación y unitarios. La capacidad para incrementar la eficiencia de los procesos térmicos queda severamente restringida por la disponibilidad de materiales resistentes a altas temperaturas, de alto rendimiento y competitivos en costes. Es necesario por ello estudiar las posibilidades que cada proceso puede requerir. El uso de materiales de alto rendimiento puede ayudar a diseñar equipos compactos, reducir energía y emisiones, y ofrecer bajos costes de operación y mantenimiento, incrementando consecuentemente la productividad. Las propiedades que deben analizarse en los materiales son la resistencia a la fluencia a altas temperaturas, choque térmico, resistencia a la corrosión, resistencia a la presión, formabilidad y variación en su maquinabilidad por áreas de aplicación. Hay un buen número de requerimientos comunes para muchas industrias, incluyendo revestimientos de larga duración, sensores, aislamiento, materiales estructurales para manejo de gases a altas temperaturas y fluidos corrosivos. La disponibilidad de materiales de alto rendimiento aceleraría el desarrollo de equipos para procesos térmicos. Las principales barreras a las que nos enfrentamos al seleccionar materiales son las siguientes:

• Falta de materiales de alta temperatura que sean maquinables a un coste razonable.
• Falta de materiales que a alta temperatura son resistentes al agrietamiento y a la fluencia.
• Falta de materiales de alto rendimiento, competitivos en costes, especialmente para el calentamiento de fluidos corrosivos.
• Resistencia y corrosión de componentes metálicos para la protección estructural y de sensores.
• Falta de revestimiento para operar a altas temperaturas.

C) MODELOS PREDICTIVOS DE PROCESOS TÉRMICOS 

(Predictive models of the process heating system)

El rendimiento de los procesos térmicos viene determinado por los diseños de componentes/equipos y por la integración de sistemas en operaciones de calentamiento de procesos complejas. Las herramientas de diseño asistido por ordenador ayudan a conseguir cumplir las especificaciones del proceso y a optimizar el rendimiento, mientras que la integración de las operaciones dentro de un sistema pueden contribuir a ganancias significativas de la productividad. Estas herramientas pueden también ayudar a reducir pérdidas de rendimiento y a mantener la calidad del producto deseada. Los fabricantes de componentes para procesos térmicos industriales están presentando continuamente nuevos productos, como por ejemplo equipos más pequeños, compactos e integrados. Los principales problemas que surgen al utilizar estas herramientas son los siguientes:

• No es fácil usar herramientas de diseño en aplicaciones térmicas complejas.
• La integración de elementos es limitada en los modelos y simulación.
• Faltan aún muchas herramientas de diseño para componentes de procesos térmicos.
• Dificultades para optimizar la velocidad del proceso y otros parámetros mientras se mantiene la seguridad.
• Aumenta la probabilidad de fallo en sistemas complejos.
• Insuficientes datos de lo adecuado de los modelos y su validación.
• Falta de modelos de control del flujo de procesos lo suficientemente precisos e integrados.
• Aumento de la sofisticación con las nuevas tecnologías de computación.

D) SISTEMAS DE GENERACIÓN DE CALOR 

(Heat generation systems)

En equipos de calentamiento de procesos, los sistemas de combustión pueden utilizar llamas o calentamiento eléctrico (inducción y resistencia). El calor se suministra a los materiales que están siendo procesados. En los sistemas que usan combustibles las mejoras pueden conseguirse optimizando la eficiencia térmica, los costes de operación, y el cumplimiento de las regulaciones sobre emisiones. Esta optimización depende de factores tales como el control del oxidante-combustible en todas las etapas de calentamiento, variabilidad de la mezcla de combustibles, el conseguir que la combustión sea completa, y el rendimiento del quemador en un amplio rango de operaciones. Con las tecnologías disponibles hoy en día, es difícil reducir las emisiones e incrementar la eficiencia de una forma efectiva en costes. Para los sistemas eléctricos, el rendimiento del sistema y los costes dependen de las pérdidas de potencia asociadas con la transmisión y distribución, pérdidas por enfriamiento del sistema (particularmente en el calentamiento por inducción), y fiabilidad del suministro de energía. La generación de calor más efectiva puede originar resultados consiguiendo un ahorre en costes significativo a través de eficiencia energética mejorada, productividad realzada, emisiones reducidas, y condiciones de trabajo más seguras. Las barreras existentes para implantar esta tecnología son:

• Dificultades para conseguir de una forma efectiva en costes cumplir con las necesidades de calentamiento indirecto a alta temperatura.
• Dificultades para prevenir fouling que se genera en usos de energía elevados.
• Falta de métodos de calentamiento para procesos específicos.
• Falta de comprensión de los procesos de combustión (mezcla turbulenta, propiedades/formación/carga del hollín).
• Falta de equipo de combustión para combustibles de bajo poder calorífico (por ejemplo, residuos).
• Falta de flexibilidad del combustible.
• Inadecuada tecnología de manejo de aire.

E) SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR (Heat transfer system)

El calor generado en un horno u otro proceso de calentamiento necesita ser transferido al material del producto a un ritmo controlado para cumplir los requerimientos de calentamiento. La transferencia de calor de tales sistemas de calentamiento es a menudo la principal causa de temperatura del producto no uniforme. El equipo debe transmitir el flujo de calor correcto y el proceso debe ser capaz de aceptar el calor sin afectar directamente la calidad del producto, todo a la vez que se mantiene un buen nivel de producción. La transferencia de calor desde la fuente de calor (ej. Radiación, convección, conducción, y/o combinación de varias) requiere coeficientes de transferencia de calor controlables y predecibles. El rendimiento es limitado por muchos factores, incluyendo la incapacidad para predecir la uniformidad de temperatura y or lo tanto controlar la transferencia de calor sin el equipo de calor y la carga. Esto es especialmente relevante para procesos que dictan diferentes formas o partes complejas. Las barreras con las que nos encontramos en esta tecnología son:

• Dificultad en alcanzar transferencia de calor.
• Dificultad en la aplicación de sistemas de convención directa e indirecta a alta temperatura.
• Dificultad en formular la contribución de de sistemas combinados de radiación y convección.
• Dificultad en maximizar el volumen de la “caja” de transferencia de calor, minimizando emisiones y optimizando transferencia de calor uniforme.

F) SISTEMAS DE CONTENCIÓN DE CALOR

(Heat containment systems)

La generación y transferencia de calor en procesos industriales requiere el uso de una “caja” que contenga el calor, mantenga la atmósfera deseada, asista en la transferencia de calor, reduzca las pérdidas de energía, y facilite el manejo de materiales. El diseño y mantenimiento de la caja tiene un impacto significativo en costes energéticos, emisiones, productividad, calidad en el producto y seguridad personal. El diseño apropiado, construcción, operación, y mantenimiento son importantes en la eficiencia del calentamiento de los procesos industriales. Las barreras que nos encontramos son:

• Falta de sellados a altas temperaturas resilientes.
• Falta de productos de aislamiento primarios de baja densidad y baja permeabilidad.

G) SISTEMAS DE RECUPERACIÓN DE CALOR 

(Heat recovery system)

Un gran porcentaje de la entrada de energía total a los sistemas de calentamiento puede recuperarse en forma de calor de los residuos. El calor de os residuos se produce de muchas formas, por ejemplo en forma de gases del equipo de combustión, agua de enfriamiento, correas, fijaciones, y en algunos casos, el producto en sí mismo. Los métodos de hoy para colectar, recuperar, y usar calor de los residuos a menudo no es justificable económicamente. Esto es especialmente verdad para el calor de baja temperatura que se obtiene (ej. Agua caliente o productos de humos d temperatura baja). Puede conseguirse un ahorro del coste de energía mediante sistemas de recuperación avanzados. En cualquier caso, estas técnicas ya pueden analizarse con antelación y calcular la tasa de retorno de la inversión. Las principales barreras a estas tecnologías son:

• Dificultades para capturar de forma rentable calor a baja temperatura mediante los intercambiadores de calor y tecnologías de almacenamiento existentes.
• Dificultades para capturar de forma efectiva en costes el calor de salida a alta temperatura.

H) SISTEMAS DE CONTROL DE LAS EMISIONES 

(Emissions control systems)

Durante los últimos treinta años, las emisiones generadas de NOx, CO2 y partículas han sido una gran preocupación en las operaciones de diseño y operación de equipos de procesado de calor. Los costes relacionados con los equipos de baja emisión o componentes (quemadores) han disminuido mucho y ha pueden conseguirse mejoras significativas impensables hace unos años. Sin embargo, el rendimiento d muchos sistemas aún necesita ser mejorado significativamente. Las principales barreras a estas tecnologías. Las principales barreras a estas tecnologías son:

• Dificultad para conseguir generar emisiones ultra-bajas de forma efectiva en costes.
• Dificultad para conseguir reducir las emisiones a bajo coste y al mismo tiempo incrementar la eficiencia.
• Dificultad para minimizar de forma simultánea todos los contaminantes.
• Dificultad para conseguir filtrar nitrógeno de forma efectivamente del aire ambiental procedente de los sistemas de combustión.

I) ENTRADAS AUXILIARES 

(Auxiliary inputs)

La calidad de óptima de productos y el rendimiento de los sistemas de calentamiento pueden ser influidos por la atmósfera del proceso (ej. Mezcla de gases), usada durante el proceso térmico en varias operaciones críticas. Estas atmósferas de protección utilizadas en diversos procesos so obtenidas usando mezclas de gases tales como N2, H2, Co2 y NH3. El equipo y métodos utilizados para usar estas atmósferas tienen un efecto significativo en la productividad y costes de operación. El uso de oxígeno relativamente puro para la combustión está siendo cada vez más común. La reducción de costes en la producción, almacenaje, mezcla, y control de estos gases se incrementará de forma eficiente, se reducirán las emisiones, y, además, mejorará la productividad y calidad del proceso. Las barreras a estas tecnologías son:

• Falta de oxígeno a bajo coste para mejorar la eficiencia térmica de los equipos de combustión.
• Falta de separación a bajo coste del hidrógeno del agua.
• Suministros insuficientes de energías y consumibles.

BIBLIOGRAFIA

• A Best Practices Steam Technical Brief Industrial Heat Pumps for Steam and Fuel Savings. U.S. Department of Energy. Energy Efficiency and Renewable Energy.
• Combustion – Combustion annual Report. Fiscal Year 2003. Industrial Technologies Program. U.S. Department of Energy. Energy Efficiency and Renewable Energy.
• Combustion – Research and development. Office of industrial technologies. Office of energy efficiency and reneawable energy. U.S. Department of Energy.
• Energy efficiency handbook. Council of Industrial Boiler Owners (CIBO).
• Energy efficiency planning and management guide. Canadian industry program for energy conservation.
• Francis, D.W., Towers, M.T, & Browne, T.D. Energy cost reduction in the pulp and paper industry – An energy benchmarking perspective. Canadian Industry Program for Energy Conservation. Natural Resources Canada.
• Green Book. American Council for an energy-efficient economy.
• High-Efficiency, Ultra-Low-Emission, Integrated Process Heater System. Industrial Technologies Program. U.S. Department of Energy. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy.
• Hydro, B.C. Guides to Energy Management (GEM) Series: Power Factor. Vancouver. B.C. 1999.
• Improving steam system performance. A sourcebook for industry. U.S. Department of Energy. Energy Efficiency and Renewable Energy
• Industrial Steam System Heat-Transfer Solutions. U.S. Department of Energy. Energy Efficiency and Renewable Energy.
• Innovative Financing for Energy Efficiency Projects. Industrial Energy Efficiency. Canadian Industry Program for Energy Conservation. CIPEC.
• Oland, C. B. Review of Orifice Plate Steam Traps. Oak Ridge National Laboratory. ORNL/TM-2000/353/R1.
• Roadmap for process heating technology. Priority research & development goals and near-term non-research goals to improve industrial process heating. Industrial Heating Equipment Association and U.S. Department of Energy Office of Industrial Technologies.

PALABRAS CLAVE: Process heating technologies, heat recovery device