Amortizando mejoras de eficiencia energética en un horno industrial en 45 días

La eficiencia energética y sus enormes posibilidades en los procesos industriales no son fáciles de cuantificar y evaluar. Existen actuaciones que se amortizan muy rápidamente y otras que requieren un periodo de tiempo prolongado. Veamos en esta ocasión una aplicación de rápida amortización en hornos de proceso. Los datos que proporcionamos son como siempre objetivos y también mencionamos que proceden de estudios en los que los costes de la energía son mucho más bajos que los actuales, especialmente en Europa.

Las aplicaciones de calentamiento de procesos implicando retirada de solventes inflamables usan grandes cantidades de energía para mantener un límite de inflamabilidad inferior (LFL) seguro en el aire de salida. National Fire Protection Association (NFPA) requiere la retirada de cantidades significativas del aire de salida para mantener una concentración de solventes baja en vapor. Si el equipo de monitorización LFL se usa para asegurar concentraciones de vapor apropiadas, estas guías generales permiten menos retirada del aire de escape. El equipo de monitorización LFL puede mejorar la eficiencia del proceso de retirada del solvente y los requerimientos de energía de proceso inferior.

Los disolventes inflamables usados en los procesos de producción industrial típicamente se evaporan en los hornos industriales. Las temperaturas de los hornos más altas evaporan los vapores de los disolventes más rápidamente, permitiendo una producción más rápida. Debido a que los vapores son inflamables, el aire de escape se descarga (junto con el calor) para prevenir la acumulación de los vapores en el horno. Cuando las temperaturas de los hornos se incrementan, las plantas tienen que mantener ratios de ventilación más altos para reducir los niveles de concentración de vapor del disolvente y mantener el LFL respectivo.

Por ejemplo, los ratios de seguridad de ventilación de NFPA para hornos cargados por lotes operando por debajo de 250 ºF es 10:1 y xilol tiene un LFL de un 1 %.  Por lo tanto, es necesario añadir una ventilación de escape al vapor hasta que la concentración del disolvente alcanza 0,1 %, lo cual significa que la planta tiene en el escape 10 veces la cantidad de aire requerida por el proceso para cumplir el requerimiento NFPA. Si el proceso opera por encima de 250 ºF, el ratio de seguridad se eleva a 14:1, el LFL baja a 0,07 %, y la planta tiene 14 veces la cantidad de aire requerida para mantener el proceso inflamado.

La tasa no uniforme de vaporización del disolvente es una de las razones por las que LFLs son tan exigentes. La vaporización del disolvente es inherentemente no uniforme principalmente por las pérdidas de la pared y las características de carga, esto causa concentraciones periódicamente altas en el horno durante el proceso de vaporización. Como resultado, los ratios de ventilación se calculan usando las necesidades pico teóricas de ventilación basadas en las altas concentraciones de vapor que pueden acumularse durante los procesos de vaporización.

Equipos de monitoreo LFL

El equipo de monitoreo LFL puede reducir la energía usada en la retirada de solventes ajustando el ratio de ventilación de acuerdo con las fluctuaciones en las concentraciones de vapor. El equipo continuamente rastrea la tasa de extracción del disolvente en tiempo real y controla la tasa del aire de ventilación basada en necesidades reales, por lo tanto manteniendo un ratio seguro en todo el proceso. El equipo de monitoreo LFL puede emplear varias tecnologías, incluyendo sistemas catalíticos, sensores infrarrojos, sistemas de ionización y sensores de combustión. El equipo de monitoreo LFL tiene funciones de auto-control y usa un gas de ensayo calibrado para la auto-calibración. Debido a que el proceso de vaporización depende del aire de entrada y salida, la conexión del controlador LFL a un variador de velocidad ajustable en el ventilador del sistema de escape puede mejorar la eficiencia del proceso incluso más allá (también puede usarse un ajuste con trampilla).

Ejemplo

Los ratios de ventilación de seguridad son significativamente más bajos cuando se usa un equipo de monitoreo LFL respecto a cuando tales equipos están ausentes. Esto disminuye los requerimientos de energía para el proceso porque es necesario evacuar menos aire para mantener menos aire inflamable. Para un proceso de revestimiento en franjas continuo requiriendo 46 galones de xylol con una temperatura máxima del horno de 800 ºF y temperatura ambiente de 70 ºF, el ratio de ventilación de seguridad es 4:1 sin equipo de monitoreo LFL. Esto da como resultado unos requerimientos de gas de escape de 8.330 pies cúbicos por minuto y consumo energético de 6,7 MMBtu por hora. Con un coste de $8/MMBtu asumiendo operaciones en dos turnos, este proceso cuesta aproximadamente $214.000 al año. Instalando un equipo de monitoreo LFL se reduciría el ratio a 2:1, la mitad de los requerimientos de energía. El ahorro anual sería $107.000. Con un coste instalado de $12.500 para un controlador LFL, se obtiene un payback tan atractivo como de 1,5 meses.

Bibliografía:

·         Use Lower Flammable Limit Monitoring Equipment to Improve Process Oven Efficiency. Process Heating Tip Sheet 11 – October 2007. Industrial Technologies Program.  U.S. Department of Energy

·         Hans L. Melgaard, “Substantial Energy Savings are Often Realized by Monitoring Process Oven Exhausts,” Plant Engineering, November 1980

·         Improving Process Heating System Performance: A Sourcebook for Industry. U.S. Department of Energy and Industrial Heating Equipment Association.

Palabras clave: heat recovery technologies, Lower flamable limits (LFL)