Recuperación Efectiva de Calor Residual para Operaciones Industriales Sostenibles

Recuperación de Calor Residual

El calor residual es el calor que se genera en un proceso debido a la combustión de combustible o a una reacción química y luego se descarga al entorno sin ser puesto en uso práctico. Las fuentes de calor residual incluyen gases de combustión calientes descargados a la atmósfera, gases de proceso, pérdidas conductivas, convectivas y radiativas de equipos y productos calientes que salen de diversos procesos industriales (coque caliente, metal caliente, acero líquido, y producto laminado en caliente, etc.), y transferencia de calor de superficies de equipos calientes (calor transferido a agua de refrigeración).

La recuperación de calor residual consiste en la captura y reutilización del calor residual de los procesos industriales para calefacción o para generar trabajo mecánico o eléctrico. Usos típicos incluyen precalentamiento de aire de combustión, precalentamiento de gas combustible, precalentamiento de agua de alimentación de caldera, precalentamiento de materias primas, generación de vapor de proceso, y producción de vapor para generación de energía, etc. La idea básica detrás de la recuperación de calor residual es intentar recuperar las máximas cantidades de calor en la planta y reutilizarlo tanto como sea posible, en lugar de simplemente liberarlo al entorno (aire o un río cercano).

Importancia y Potencial

El calor residual es intrínseco a todos los procesos de fabricación. Durante los procesos industriales de fabricación, alrededor del 20 % al 50 % de la energía consumida se pierde finalmente a través de calor residual contenido en corrientes de gases de escape calientes y líquidos, así como a través de conducción, convección y radiación desde la superficie de equipos calientes así como de productos calentados. La recuperación de calor residual es un enfoque alternativo valioso para mejoras en la eficiencia energética general de hornos industriales. La eficiencia energética que puede lograrse a través de la recuperación de calor residual normalmente está en el rango del 10 % al 50 %.

El hecho esencial no es la cantidad de calor, sino su valor. El mecanismo para recuperar el calor no utilizado depende de la temperatura de los fluidos de calor residual y la economía involucrada. Las tecnologías de recuperación de calor residual frecuentemente reducen los costos operativos de las instalaciones al aumentar su productividad energética. El calor residual capturado y reutilizado es un sustituto libre de emisiones para combustibles comprados costosos o electricidad.

La Fig. 1 muestra el flujo típico de energía sin y con recuperación de calor.

Fig. 1 Flujo típico de energía sin y con recuperación de calor

Tres componentes esenciales necesarios para la recuperación de calor residual son: (i) una fuente accesible de calor residual como escapes de combustión, escapes de proceso, gases calientes de hornos, agua de torre de refrigeración, etc., (ii) una tecnología de recuperación como regenerador, recuperador, economizador, caldera de calor residual, generador termoeléctrico, etc., y (iii) un uso para la energía recuperada como precalentamiento de agua de alimentación de caldera, materias primas y precalentamiento de aire de combustión, generación de vapor y/o energía eléctrica, y precalentamiento de gases de combustión de bajo poder calorífico como gas de alto horno, etc.

Equipos de Recuperación de Calor Residual

Hay varios equipos de recuperación de calor usados en una planta siderúrgica. Los principales se enumeran a continuación. Los intercambiadores de calor son los más comúnmente usados para transferir calor de gases de escape de combustión al aire de combustión que entra al horno. Dado que el aire de combustión precalentado entra al horno a una temperatura más alta, se necesita suministrar menos energía por el combustible. Las tecnologías típicas usadas para precalentamiento de aire se dan a continuación.

• Recuperadores — Los recuperadores recuperan calor residual de gases de escape en aplicaciones de temperatura media a alta. Los recuperadores pueden basarse en el principio de transferencia de calor por radiación, convección, o combinaciones. Se construyen con materiales metálicos o cerámicos. Los recuperadores metálicos se usan en aplicaciones con temperaturas por debajo de 1050 °C, mientras que la recuperación de calor a temperaturas más altas es más adecuada para recuperadores de tubos cerámicos que pueden operar con temperaturas del lado caliente de hasta 1500 °C y temperaturas del lado frío de aproximadamente 950 °C.
• Regeneradores — Los regeneradores constan de dos cámaras de «tablero de ajedrez» de ladrillos por donde fluyen alternativamente aire caliente y frío. A medida que los escapes de combustión pasan por una cámara, los ladrillos absorben calor del gas de combustión y aumenta su temperatura. Después de que los ladrillos recogen calor, el flujo se cambia para que el aire de combustión entrante pase por el tablero de ajedrez caliente, que transfiere calor al aire de combustión que entra al horno. Se usa un mínimo de dos cámaras para que mientras una absorbe calor de los gases de escape, la otra transfiere calor al aire de combustión. La dirección del flujo de aire se altera en un intervalo de tiempo fijo. Los regeneradores son especialmente adecuados para aplicaciones de alta temperatura con escapes sucios. Una desventaja mayor es el gran tamaño y costos de capital, significativamente mayores que los costos de recuperadores.
• Precalentadores de aire pasivos — Estos son dispositivos de recuperación de calor gas-gas para aplicaciones de temperatura baja a media donde se requiere prevenir la contaminación cruzada entre corrientes de gas. Los precalentadores pasivos suelen ser de dos tipos: (i) tipo placa y (ii) tipo heat pipe. El precalentador tipo placa consta de múltiples placas paralelas que crean canales separados para corrientes de gas caliente y frío. Los flujos caliente y frío alternan entre las placas y permiten áreas significativas para transferencia de calor. El intercambiador de calor heat pipe consta de varios tubos con extremos sellados. Cada tubo contiene una estructura de mecha capilar que facilita el movimiento del fluido de trabajo entre los extremos caliente y frío del tubo. Los gases calientes pasan sobre un extremo del heat pipe, causando que el fluido de trabajo dentro del tubo se evapore. Los gradientes de presión a lo largo del tubo hacen que el vapor caliente se mueva al otro extremo del tubo, donde el vapor se condensa y transfiere calor al gas frío. El condensado luego vuelve al lado caliente del tubo por acción capilar.
• Quemadores recuperativos o regenerativos — Quemadores que incorporan sistemas recuperativos o regenerativos son más simples y compactos en diseño y construcción que recuperadores o regeneradores independientes. Estos sistemas proporcionan mayor eficiencia energética comparados con quemadores que operan con aire ambiente. Un quemador autorrecuperativo incorpora superficies de intercambio de calor como parte del diseño del cuerpo del quemador para capturar energía del gas de escape que sale, que pasa de vuelta a través del cuerpo. Los quemadores autorregenerativos pasan gases de escape a través del cuerpo del quemador en una caja de medio refractario y operan en pares de manera similar a un regenerador. Típicamente, los sistemas de quemadores recuperativos tienen menos área de intercambio de calor y los sistemas de quemadores regenerativos menor masa que unidades independientes. Por tanto, su recuperación de energía es menor, pero sus menores costos y facilidad de adaptación los hacen una alternativa atractiva para recuperación de energía.
• Intercambiadores de calor de carcasa y tubos — Cuando el medio que contiene calor residual es un líquido o un vapor que calienta otro líquido, normalmente se usa el intercambiador de calor de carcasa y tubos ya que ambos caminos deben estar sellados para contener las presiones de sus respectivos fluidos. La carcasa contiene el haz de tubos, y generalmente deflectores internos, para dirigir el fluido en la carcasa sobre los tubos en múltiples pasadas. La carcasa es intrínsecamente más débil que el tubo, por lo que el fluido de mayor presión se circula en los tubos mientras que el fluido de menor presión fluye a través de la carcasa. Cuando un vapor contiene el calor residual, usualmente se condensa, cediendo su calor latente al líquido que se calienta. En esta aplicación, el vapor casi invariablemente se contiene dentro de la carcasa. Si se intenta lo contrario, la condensación de vapores dentro de tubos paralelos de pequeño diámetro causa inestabilidades de flujo. Los intercambiadores de tubo y carcasa están disponibles en una amplia gama de tamaños estándar con muchas combinaciones de materiales para tubos y carcasa.
• Intercambiador de calor de tubos aletados o economizador — El intercambiador de calor de tubos aletados se usa para recuperar calor de gases de escape de temperatura baja a media para calentar líquidos. Aplicaciones incluyen precalentamiento de agua de alimentación de caldera y líquidos de proceso calientes, etc. El tubo aletado consta de un tubo redondo con aletas adheridas que maximizan el área de superficie y tasas de transferencia de calor. El líquido fluye a través de los tubos y recibe calor de gases calientes fluyendo a través de los tubos. Un intercambiador de tubos aletados donde los gases de escape de caldera se usan para precalentamiento de agua de alimentación se refiere generalmente como economizador de caldera.
• Caldera de calor residual — La caldera de calor residual es una caldera de tubos de agua que usa gases de escape de temperatura media a alta para generar vapor. Las calderas de calor residual están disponibles en una variedad de capacidades permitiendo entradas de gas que van desde 30 a 25.000 m³/min. En casos donde el calor residual no es suficiente para producir niveles deseados de vapor, quemadores auxiliares o un postquemador suelen añadirse para obtener mayor producción de vapor. El vapor puede producirse para fines de proceso o para generación de energía. La generación de vapor sobrecalentado normalmente necesita la adición de un sobrecalentador externo a la caldera.
• Precalentamiento de carga — Se refiere al uso de calor residual que sale de un sistema para precalentar la carga que entra al sistema. El ejemplo más común es el precalentamiento de agua de alimentación de caldera, donde un economizador transfiere calor de gases de escape de combustión calientes al agua que entra a la caldera. Otras aplicaciones utilizan transferencia de calor directa entre gases de escape de combustión y materiales sólidos que entran a diferentes hornos.
• Bombas de calor — El calor residual a veces está disponible a una temperatura menor que el requisito potencial de carga. En tal caso se necesita mejora del calor residual. La mejora de calor residual se refiere a aumentar el nivel de energía de una corriente de calor residual para que pueda realizar una función útil que de otro modo se podría lograr. Esto se logra mediante el uso de bombas de calor o por compresión de vapor directa donde el calor residual está disponible en forma de vapor. La mayoría de las bombas de calor funcionan en el principio del ciclo de compresión de vapor. En este ciclo, la sustancia circulante está físicamente separada de la fuente (calor residual, con temperatura Tin) y usuario (calor a usar en el proceso, Tout) corrientes, y se reutiliza de forma cíclica, por lo que se llama bomba de calor de ciclo cerrado.

Beneficios de la Recuperación de Calor Residual

Los beneficios del calor residual se pueden clasificar ampliamente en dos categorías: (i) beneficios directos, (ii) beneficios indirectos.

• Los beneficios directos se reflejan en la reducción en el consumo de recursos y servicios públicos y también los costos operativos, ya que la recuperación de calor residual mejora la productividad energética del proceso y tiene un efecto directo en la eficiencia del proceso. En el escenario actual de cambio climático global, el mayor beneficio de la recuperación de calor residual es que es una fuente de energía libre de gases de efecto invernadero.
• Los beneficios indirectos de la recuperación de calor residual son la reducción de la contaminación ambiental, reducción en el consumo de energía para usos auxiliares y reducción en el tamaño de equipos. La recuperación de calor residual reduce el consumo de combustible, lo que conduce a reducción en el gas de escape producido. Esto resulta en reducción en el tamaño de equipos de todos los equipos de manejo de gas de combustible como ventiladores, chimeneas, conductos, quemadores, etc. La reducción en el tamaño de equipos da beneficios adicionales en forma de reducción en consumo de energía auxiliar como electricidad para ventiladores, bombas, etc.

Otros aspectos del sistema de recuperación de calor residual son que se necesita espacio adicional, capital y costos operativos que deben justificarse por los beneficios ganados en términos de calor recuperado.

Las tecnologías de recuperación de calor residual, aunque actualmente empleadas en diversos grados en muchos lugares en plantas siderúrgicas, enfrentan barreras técnicas y económicas que impiden sus aplicaciones más amplias. Aunque muchas de las tecnologías ya están bien desarrolladas para recuperación de calor residual (p. ej. recuperadores y regeneradores, etc.), aún existe el desafío de que estas tecnologías no siempre son económicas para una aplicación dada (p. ej. aplicación con corrientes de escape sucias).

Hay muchas barreras que impactan la economía y efectividad de equipos de recuperación de calor e impiden su instalación más amplia. Muchas de estas barreras están interrelacionadas, pero generalmente se pueden categorizar como relacionadas con costo, restricciones de temperatura, composición química, especificidades de aplicación, e inaccesibilidad/transportabilidad de fuentes de calor.

Las prácticas actuales adoptadas para la recuperación de calor residual muestran que el calor residual normalmente se recupera de fuentes de calor residual limpias, de alta temperatura, en sistemas de gran capacidad. Por tanto, hay oportunidades disponibles en optimizar sistemas existentes, desarrollar tecnologías para sistemas químicamente corrosivos, recuperar calor de fuentes de calor no fluidas, y recuperar calor residual de baja temperatura.

Aunque la economía a menudo limita la factibilidad de la recuperación de calor residual de baja temperatura, hay diversas aplicaciones donde el calor residual de baja calidad se ha recuperado rentablemente para uso en instalaciones industriales. Una gran cantidad de calor residual industrial está disponible solo en el rango de baja temperatura. Como ejemplo, sistemas de combustión como calderas frecuentemente usan tecnologías de recuperación que escapan gases en el rango de temperatura de 120 °C a 150 °C. Además, grandes cantidades de calor residual pueden encontrarse en agua de refrigeración industrial y aire de refrigeración. Una planta siderúrgica integrada en Japón ha instalado una planta de generación de energía con capacidad de 3,5 MW usando agua de refrigeración a solo 98 °C.

En el caso de gases de escape de combustión, se puede recuperar calor sustancial si el vapor de agua contenido en los gases se enfría a temperaturas más bajas. Límites mínimos de temperatura alrededor de 120 °C a 150 °C se emplean frecuentemente para prevenir que el agua en los gases de escape se condense y deposite sustancias corrosivas en la superficie del intercambiador de calor. Sin embargo, enfriar el gas de escape más podría aumentar significativamente la recuperación de calor al permitir que el calor latente de vaporización se recupere. Este calor latente comprende una porción significativa de la energía contenida en gases de escape. Tecnologías que pueden minimizar el ataque químico mientras enfrían gases de escape por debajo del punto de condensación pueden lograr aumentos significativos en eficiencia energética mediante la recuperación del calor latente de evaporación.

Actualmente, la recuperación de calor de baja temperatura enfrenta al menos tres desafíos: (i) corrosión de la superficie del intercambiador de calor, (ii) grandes superficies de intercambio de calor requeridas para transferencia de calor, y (iii) encontrar un uso para calor de baja temperatura.

Hay tecnologías disponibles que pueden enfriar gases por debajo de temperaturas de punto de rocío para recuperar calor residual de baja temperatura. Estas tecnologías incluyen economizadores profundos, recuperación de condensación por contacto indirecto, recuperación de condensación por contacto directo, y condensadores de membrana de transporte desarrollados recientemente. La comercialización de estas tecnologías ha sido limitada debido a altos costos y porque las instalaciones carecen de un uso final para el calor recuperado. Cuando las instalaciones carecen de un uso final para calor residual, algunas han encontrado otros medios para recuperación, incluyendo bombas de calor y generación de energía de baja temperatura. El uso de estas tecnologías también está frecuentemente limitado por restricciones económicas.