A tecnologia de pulverização é uma das maneiras mais eficazes para condicionar e resfriar gases. De fato, avanços recentes na tecnologia de atomização e a introdução de bicos atomizadores a ar de alta eficiência a tornam uma solução ainda melhor do que era há alguns anos. Usuários em uma ampla variedade de indústrias, incluindo a fabricação de cimento, estão vivenciando ganhos de eficiência, reduções no tempo de manutenção e menor consumo de energia com o uso destes novos bicos atomizadores a ar para resfriamento de gases.
Resfriamento evaporativo: duas opções
Historicamente, sistemas de resfriamento evaporativo para condicionamento de gases consistiram em múltiplos bicos de pulverização hidráulica de alta pressão, manifolds, bombas de alta pressão e controles básicos. Estes sistemas são eficazes e ainda estão em uso atualmente. No entanto, as fábricas que usam estes sistemas frequentemente sofrem com colagem, que é o acúmulo de particulados nas paredes e fundos dos dutos e torres, além do gotejamento dos bicos – todos os quais contribuem para altos custos de manutenção.
Estes sistemas também são caros para operar, uma vez que operam com pressões elevadas. Na última década, bicos atomizadores a ar tornaram-se mais sofisticados. Novas técnicas de atomização agora produzem pulverizações atomizadas que são compostas de gotas muito pequenas – significativamente menores do que aquelas produzidas por bicos hidráulicos de alta pressão, como mostra a ilustração abaixo.
A gota de um bico hidráulico é 107% maior do que o bico atomizador a ar. Ilustração na escala 50:1.
As gotas muito pequenas produzidas por bicos atomizadores a ar exigem pouco tempo de residência para evaporação completa. As pulverizações atomizadas também geram mais área de superfície por litro e permitem que o líquido reaja de forma mais completa com o fluxo de gás para absorção completa. O resultado? Evaporação rápida e completa sem colagem.
Além de melhor desempenho de resfriamento, sistemas que usam bicos atomizadores a ar oferecem diversos outros benefícios nas áreas de instalação, operação e manutenção.
Bicos atomizadores são superiores a bicos hidráulicos de alta pressão?
Diferenças de desempenho
Um exemplo hipotético ajudará a demonstrar as diferenças entre sistemas atomizadores hidráulicos e a ar. A Tabela 2 mostra as condições de operação em uma fábrica de cimento fictícia (presumindo que esta fábrica irá construir uma nova torre de resfriamento de gás para acomodar esta aplicação). Usando cálculos padrões de resfriamento de gás, a Tabela 3 mostra um resumo do requisito de tamanho de torre para cada método de resfriamento com base no desempenho de tamanho de gota Dmáx de cada tipo de bico.
Se bicos hidráulicos forem utilizados para resfriamento de gás:
• a torre precisará ser 45% mais alta e 26% mais larga.
• 10 lanças adicionais.
• a evaporação levará o dobro do tempo.
Claramente, um sistema usando bicos atomizadores a ar oferece melhores resultados a um custo consideravelmente menor.
Como bicos atomizadores a ar funcionam
Em termos bastante básicos, a atomização é o processo de gerar gotas. O processo começa ao forçar a passagem de um líquido por um bico. A energia potencial do líquido, em conjunto com a geometria do bico, faz com que o líquido surja como pequenos ligamentos. Estes ligamentos então se decompõem adicionalmente em “pedaços” muito pequenos ou gotas.
No entanto, nem todos os bicos atomizadores a ar são desenhados para aplicações críticas, como o resfriamento de gás. A maioria dos bicos atomizadores a ar é desenhada para uso geral e funcionam bem em uma ampla gama de aplicações. O próprio ar – volume alto e pressão alta — é a fonte primária de atomização nestes bicos.
Em aplicações de condicionamento de gás, os bicos atomizadores a ar devem oferecer um controle rigoroso de tamanho de gota e cobertura de pulverização. O objetivo é minimizar o Dmáx e obter uma pulverização finamente atomizada com D32 (também conhecido como Diâmetro Médio de Sauter, SMD) menor do que 80 mícrons a 95 L/min. Bicos que atingem esta gota muita pequena utilizam um processo de atomização em múltiplas etapas.
A figura abaixo mostra o princípio básico de funcionamento de um bico que usa um processo de três etapas para gerar gotas muito pequenas. Conforme mostrado, o ar e o líquido combinam-se através da guia de ar. A queda de pressão através do orifício de guia de ar proporciona a atomização primária do fluxo líquido.
Então, o fluxo concentrado atinge o alvo, forçando quebra mecânica adicional.
A tampa de ar do bico então age como uma câmara de mistura final. Conforme o líquido cruza diversos orifícios, uma queda de pressão adicional proporciona a
atomização final.
Dados do tamanho da gota
Conforme discutido, o controle rigoroso e o tamanho pequeno de gota são críticos na pulverização atomizada. Mas ao avaliar os dados de desempenho da pulverização, números que indicam o tamanho pequeno de gota não são o bastante.
É importante ter certeza do entendimento das técnicas de medição de tamanho de gota, tipo de analisador de tamanho de gota, análise de dados de amostragem e técnicas de relato sendo utilizados, pois todos estes têm uma forte influência nos resultados.
Para aplicações de condicionamento de gás, aqui estão as diretrizes de testes
de medição de tamanho de gota:
• Evite usar instrumentos de medição de tamanho de gota que dependam de fotografia de alta velocidade e/ou técnicas de dispersão de luz. Estes instrumentos podem não ser adequados para a medição de pulverizações de densidade elevada.
• Analisadores de Partícula por fase Doppler (PDPA) são tipicamente mais adequados para a medição de pulverizações de densidade elevada. Estes instrumentos são equipados com um laser de alta potência que pode ser usado para compensar o obscurecimento causado por pulverizações de densidade elevada. Além disso, estes instrumentos são capazes de medir tamanho e velocidade de gota para cada gota na pulverização.
• Relate a distribuição do tamanho de gota de forma conservadora. O Padrão E799-92 da ASTM permite que o Dmáx componha até 1% do volume. Procure padrões mais rigorosos como uma rede de segurança. Por exemplo, Dmáx menor que 0,20% é preferível.
• Relate informações em terminologia consistente com as definições no Padrão E1296-93 (1,3) da ASTM. Para aplicações de condicionamento de gás, certifique-se que no mínimo, informações sobre D32 (Diâmetro Médio de Sauter), Dmáx e Dmín sejam incluídas.
Sistemas de condicionamento de gás turnkey: últimos avanços
Os sistemas de condicionamento de gás para fabricação de cimento tipicamente foram configurados pela integração de componentes de uma variedade de fornecedores. Controles, bicos, bombas, compressores, reguladores, etc., geralmente se originam de diversos fabricantes. Recentemente, uma nova solução de sistema turnkey foi introduzida.
Este sistema contém um controle de pulverização próprio desenhado para otimizar o desempenho dos bicos de pulverização deste fabricante. O controlador do sistema monitora e ajusta o sistema de circuito fechado regulando o fluxo de líquido e ar para os bicos com base nas informações fornecidas por sensores de temperatura. Uma vez que o software do controlador foi escrito exclusivamente para bico de pulverização e controle de sistema de pulverização, ele oferece o mais alto nível de controle de temperatura, resposta e exatidão possível.
Economia de custos
Com os benefícios gerais que os bicos atomizadores a ar oferecem em comparação aos bicos hidráulicos já tratados, a Tabela 4 aborda mais um exemplo específico que mostra a instalação e as diferenças de custo operacional em
andamento de um sistema turnkey equipado com atomizador a ar versus bico hidráulico. A econômica total de instalação estimada de um sistema equipado com bicos atomizadores a ar é de 5% (aproximadamente US$ 25.000).
A economia operacional corresponde a:
• 50% menos eletricidade.
• 50% menos em peças de reposição.
• 75% menos em mão de obra/manutenção.
Estima-se a economia operacional anual de sistema equipado com bicos atomizadores a ar em aproximadamente US$ 16,000. Ao longo de cinco anos, a economia corresponderia a aproximadamente US$ 80,000.
Variedade de usos em fábrica
Dependendo do layout da fábrica, podem existir diversas localizações onde a pulverização atomizada para resfriamento de gás pode ser utilizada. Instalações comuns incluem: em duto, torres de resfriamento, resfriadores de clínquer, fornos e secadores rotativos. Os exemplos mostrados abaixo mostram como três fábricas de cimento estão utilizando a pulverização atomizada e os benefícios que estão obtendo.
Exemplo Nº 1: resfriamento de gás de forno rotativo
Uma fábrica na África está resfriando gases quando moinhos de bolas não estão em funcionamento. A temperatura do gás é reduzida de 361 ºC a 150 ºC para evitar o dano ao ESP. O aumento na umidade do gás também aumenta a eficiência de ESP pela melhoria na remoção de partículas.
Vide Dados Operacionais 1.
Exemplo Nº 2: resfriamento de gás de secador rotativo
O gás de clínquer é preparado para entrada no filtro de mangas por resfriamento no secador rotativo em uma fábrica na região sudeste dos EUA. O gás de clínquer está a 334ºC quando é liberado para o secador e a temperatura é reduzida para 132ºC antes de entrar no filtro de mangas. Como resultado, a eficiência do filtro de mangas é melhorada. Vide Dados Operacionais 2.
Exemplo Nº 3: resfriamento de gás em resfriador de clínquer
A redução da temperatura do gás de 426ºC para 148ºC no resfriador de clínquer em uma fábrica no Meio-Oeste dos EUA garante que os caros sacos de fibra de vidro no sistema de coleta de poeira não queimem (vide Dados Operacionais 3).
Para saber mais sobre as soluções de pulverização para resfriar e condicionar gases, entre em contato com os especialistas Spraying Systems. Nossos profissionais podem fazer uma análise e as melhores indicações para a sua operação.
Texto de Wes Bartell, William Hebden e Rudolf Schick,d da Spraying Systems Co, originalmente publicado na International Cement Review.
