Tecnologías Avanzadas de Recuperación de Calor Residual

Tecnologías de Recuperación de Calor Residual

El calor residual es la energía asociada con corrientes residuales de aire, gases de escape y/o productos de proceso que salen de un proceso y entran a la atmósfera. Es la energía que se genera en varios procesos y que no se pone en ningún uso práctico y se pierde o desperdicia en la atmósfera. Es la energía que se rechaza de un proceso a una temperatura lo suficientemente alta como para permitir la recuperación de alguna fracción de la energía para propósitos útiles de manera económica.

En la definición de calor residual, es implícito que las corrientes residuales que transportan el calor eventualmente se mezclan con el aire atmosférico o agua subterránea y que la energía contenida dentro de estas corrientes se vuelve indisponible como energía útil. La absorción de energía residual por el ambiente a menudo se denomina contaminación térmica.

La recuperación de calor residual puede realizarse a través de diferentes tecnologías de recuperación de calor residual (RCR) para proporcionar fuentes de energía valiosas y reducir el consumo energético total. Hay varias tecnologías RCR disponibles que pueden usarse para capturar y recuperar el calor residual.

Una cantidad considerable de energía usada en procesos industriales se desperdicia como calor en forma de gases de escape, corrientes de aire y líquidos/sólidos que salen del proceso. No es técnicamente y económicamente factible recuperar todo el calor residual. Un uso incrementado de tecnologías RCR también sirve para mitigar emisiones de gases de efecto invernadero (GEI).

Las tecnologías RCR consisten en capturar y transferir el calor residual de un proceso con un gas, líquido o sólido de vuelta al sistema como una fuente de energía extra. La fuente de energía puede usarse para crear calor adicional o para generar energía eléctrica y mecánica. El calor residual puede rechazarse a cualquier temperatura. Generalmente, cuanto más alta es la temperatura del calor residual, mayor es la calidad del calor residual y más fácil es la optimización del proceso RCR. Por tanto, es importante descubrir la cantidad máxima de calor recuperable del mayor potencial de un proceso y asegurar el logro de la máxima eficiencia de un sistema RCR.

Las fuentes de calor residual normalmente incluyen pérdida de calor transferida por conducción, convección y radiación desde los productos, equipos y procesos, y calor descargado de procesos de combustión. La pérdida de calor puede clasificarse en: (i) calor de alta temperatura; (ii) calor de temperatura media; y (iii) calor de baja temperatura. Las tecnologías RCR están disponibles para cada tipo de calor residual para lograr la eficiencia óptima de RCR.

La RCR de alta temperatura consiste en recuperar calor residual a temperaturas superiores a 400 °C; el rango de calor residual de temperatura media es de 100 °C a 400 °C; y el rango de calor residual de baja temperatura es para temperaturas inferiores a 100 °C. Generalmente, la mayor parte del calor residual en el rango de alta temperatura proviene de procesos de combustión directa; en el rango de temperatura media, de los escapes de unidades de combustión; y en el rango de baja temperatura, de partes, productos y equipos de unidades de proceso.

Dependiendo del tipo y fuente de calor residual y para justificar qué sistema de recuperación de calor residual puede usarse, es esencial examinar la cantidad y calidad de calor recuperable del proceso. Hay tres parámetros importantes usados en la cuantificación del calor residual. Estos parámetros son: (i) cantidad; (ii) calidad; y (iii) disponibilidad temporal.

La cantidad o el monto de calor residual disponible puede calcularse usando la ecuación Q = V x d x Cp x (T1-T2). Aquí, Q es el contenido de calor, V es el caudal de la sustancia que transporta el calor, d es la densidad de la sustancia, Cp es el calor específico de la sustancia, y (T1-T2) es la diferencia de temperatura de la sustancia entre la temperatura final más alta en la salida (T2) y la temperatura inicial en la entrada (T1) del sistema. La cantidad de calor residual disponible también puede expresarse en términos del flujo de entalpía de la corriente residual y se da por la ecuación H = m x h, donde H es la tasa total de entalpía de la corriente residual, m es el caudal másico de la corriente residual y h es la entalpía específica de la corriente residual.

La calidad puede expresarse aproximadamente en términos de la temperatura de la corriente residual. Cuanto más alta es la temperatura, más calor residual está disponible para la recuperación. La RCR de fuentes de temperatura más baja, como agua de enfriamiento de máquinas y condensadores, es generalmente algo más difícil, y típicamente implica el uso de bombas de calor para aumentar la temperatura a una temperatura adecuada para su recuperación.

La disponibilidad temporal es una medida de la disponibilidad de calor residual en los momentos en que se necesita. Igualar la disponibilidad del calor residual a la carga final es una consideración importante en la efectividad de la RCR. Por tanto, la utilidad del calor residual depende no solo de la cantidad disponible, sino también de si su calidad se ajusta a los requisitos de la carga potencial y si está disponible en los momentos en que se requiere (disponibilidad temporal).

La RCR y reutilización rentable implica la identificación de fuentes de calor residual de calidad, cantidad y disponibilidad temporal suficientes, y cargas de calefacción que puedan reutilizar el calor residual recuperado. Hay varios procesos en el rango de baja a media temperatura que pueden reutilizar calor residual. Estos procesos se usan en diferentes industrias. Por ejemplo, ciertas operaciones de destilación son ideales para sistemas de bomba de calor de circuito abierto que recomprimen mecánicamente el vapor de destilación "superior", que luego se permite condensar en el rehervidor donde vaporiza el producto "fondo" en la columna de destilación. Estas aplicaciones típicamente implican pequeñas diferencias de temperatura y a menudo son más rentables que usar combustión de combustible para calentar el rehervidor y una torre de enfriamiento para rechazar el calor en el destilado.

La evaluación de la factibilidad de RCR necesita la caracterización de la fuente de calor residual y la corriente a la que el calor va a ser transferido. Los parámetros importantes de la corriente de calor residual que deben determinarse incluyen: (i) cantidad de calor; (ii) temperatura/calidad del calor; (iii) composición; (iv) temperatura mínima permitida; y (v) horarios de operación, disponibilidad y otra logística. Estos parámetros permiten el análisis de la calidad y cantidad de la corriente y también proporcionan información sobre posibles limitaciones de materiales/diseño. Como ejemplo, la corrosión de los medios de transferencia de calor es una preocupación considerable en RCR, incluso cuando la calidad y cantidad de la corriente es aceptable.

Opciones y tecnologías RCR

Los enfoques para RCR incluyen: (i) transferencia de calor entre gases y/o líquidos; (ii) transferencia de calor a la carga que entra a hornos; (iii) generación de energía mecánica y/o eléctrica; o (iv) uso de calor residual con una bomba de calor para calefacción o refrigeración de instalaciones. La terminología para tecnologías RCR varía frecuentemente entre diferentes industrias. Las principales tecnologías RCR se describen a continuación.

Intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor se usan normalmente 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 debe suministrar menos energía por el combustible. Las tecnologías comunes usadas para precalentamiento de aire incluyen recuperadores, regeneradores de horno, regeneradores de quemador, regeneradores rotativos y precalentadores de aire pasivos.

Recuperador – Los recuperadores recuperan calor residual de gases de escape en aplicaciones de temperatura media a alta. Los recuperadores pueden basarse en radiación, convección, o combinaciones de ambos.

Un recuperador de radiación simple consiste en dos longitudes concéntricas de conductos. Los gases residuales calientes pasan por el conducto interno y la transferencia de calor es principalmente radiada a la pared y al aire frío entrante en la carcasa externa. El aire de la carcasa precalentado viaja luego a los quemadores del horno. El recuperador de tipo convectivo o de tubos (intercambiador de calor) hace pasar los gases calientes a través de tubos de diámetro relativamente pequeño contenidos en una carcasa mayor. El aire de combustión entrante entra en la carcasa y se desvía alrededor de los tubos, captando calor del gas residual. Otra alternativa es el recuperador combinado de radiación/convección. El sistema incluye una sección de radiación seguida por una sección de convección para maximizar la efectividad de la transferencia de calor.

Los recuperadores se construyen con materiales metálicos o cerámicos. Los recuperadores metálicos se usan en aplicaciones con temperaturas por debajo de 1100 °C, mientras que la recuperación de calor a temperaturas más altas es más adecuada para recuperadores de tubos cerámicos. Estos pueden operar con temperaturas del lado caliente tan altas como 1550 °C, y temperaturas del lado frío de alrededor de 1000 °C.

Regenerador – Los regeneradores son de dos tipos: (i) regeneradores de horno; y (ii) regeneradores rotativos o rueda de calor. En el caso de regenerador de horno, los hornos regenerativos consisten en dos cámaras de "tablero de ajedrez" de ladrillos a través de las cuales el flujo de aire caliente y frío alterna. A medida que los gases de escape de combustión pasan a través de una cámara, los ladrillos absorben calor del gas de combustión y hay un aumento de temperatura. El flujo de aire se ajusta luego para que el aire de combustión entrante pase a través del tablero de ajedrez caliente, que transfiere calor al aire de combustión que entra al horno. Se usan 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 alterna después de un intervalo de tiempo. Los regeneradores se usan más frecuentemente con hornos de coque, y se usaron históricamente con hornos de hogar abierto, usados anteriormente para la fabricación de acero. Los regeneradores también se usan para precalentar el aire caliente proporcionado a las estufas de alto horno usadas en la producción de hierro. Sin embargo, los regeneradores en estufas de alto horno no son una aplicación de recuperación de calor, sino simplemente el medio por el cual el calor liberado de la combustión de gas se transfiere al aire de la explosión caliente. Los sistemas regeneradores son especialmente adecuados para aplicaciones de alta temperatura con escapes sucios. Una desventaja principal de los regeneradores de horno es el gran tamaño y altos costos de capital.

En el caso de regeneradores rotativos, operan de manera similar a los regeneradores fijos en que la transferencia de calor se facilita almacenando calor en un medio poroso y alternando el flujo de gases calientes y fríos a través del regenerador. Los regeneradores rotativos también se denominan a veces precalentadores de aire y ruedas de calor. Usan un disco poroso rotativo colocado a través de dos tuberías paralelas, una conteniendo el gas residual caliente, la otra conteniendo gas frío. El disco, compuesto de un material de alta capacidad de calor, rota entre las dos tuberías y transfiere calor de la tubería de gas caliente a la tubería de gas frío. Las ruedas de calor generalmente se restringen a aplicaciones de baja y media temperatura debido al estrés térmico creado por altas temperaturas. Grandes diferencias de temperatura entre las dos tuberías pueden llevar a expansión diferencial y grandes deformaciones, comprometiendo la integridad de los sellos de aire de la rueda de tuberías. En algunos casos, se pueden usar ruedas cerámicas para aplicaciones de temperatura más alta. Otro desafío con las ruedas de calor es prevenir la contaminación cruzada entre las dos corrientes de gas, ya que los contaminantes pueden ser transportados en el material poroso de la rueda.

Una ventaja de la rueda de calor es que puede diseñarse para recuperar humedad así como calor de corrientes de gas limpias. Cuando se diseña con materiales higroscópicos, la humedad puede transferirse de una tubería a la otra. Esto hace que las ruedas de calor sean útiles particularmente en aplicaciones de aire acondicionado, donde el aire entrante caliente y húmedo transfiere calor y humedad al aire saliente frío. Además de su aplicación principal en sistemas de calefacción de espacios y aire acondicionado, las ruedas de calor también se usan en cierta medida en aplicaciones de temperatura media.

Precalentadores de aire pasivos – Los precalentadores de aire pasivos son equipos de recuperación de calor de gas a gas para usos de baja a media temperatura donde se debe prevenir la contaminación cruzada entre dos corrientes de gas. Los precalentadores pasivos pueden ser de dos tipos: (i) tipo placa; y (ii) heat pipe (tubo de calor).

El intercambiador de tipo placa consiste en 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 sustanciales para la transferencia de calor. Estos sistemas son menos susceptibles a la contaminación comparados con ruedas de calor, pero a menudo son más voluminosos, más costosos y más susceptibles a problemas de ensuciamiento.

El intercambiador de calor de heat pipe consiste en 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. En este intercambiador de calor, 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 causan 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 cicla de vuelta al lado caliente del tubo por acción capilar.

Quemadores regenerativos/recuperativos – Estos quemadores incorporan sistemas regenerativos o recuperativos. Son más simples y compactos en diseño y construcción que un horno regenerativo independiente o recuperadores. Estos sistemas proporcionan mayor eficiencia energética comparados con quemadores que operan con aire ambiente. Un quemador auto-recuperativo 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 auto-regenerativos pasan los gases de escape a través del cuerpo del quemador en una caja de medio refractario y operan en pares de manera similar a un horno regenerativo. 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 opción atractiva para la recuperación de energía.

Intercambiadores de calor de tubos aletados/economizadores – Los intercambiadores de calor de tubos aletados se usan para recuperar calor de gases de escape de baja a media temperatura para calentar líquidos. El tubo aletado consiste en un tubo redondo con aletas adheridas que maximizan el área de superficie y las 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 (WHB) es una caldera de tubos de agua que usa gases de escape de temperatura media a alta para generar vapor. Las WHB están disponibles en una variedad de capacidades, permitiendo entradas de gas de 1500 m³/hora a 1,5 millones m³/hora. En casos donde el calor residual no es suficiente para producir los niveles deseados de vapor, quemadores auxiliares o un post-quemador se añaden normalmente para alcanzar mayor producción de vapor. El vapor puede usarse para calefacción de proceso o para generación de energía. La generación de vapor sobrecalentado generalmente necesita la adición de un sobrecalentador externo al sistema.

Precalentamiento de carga

El precalentamiento de carga se refiere a cualquier esfuerzo por usar el 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 al horno.

Mientras que el precalentamiento de agua de alimentación de caldera es una práctica estándar, el precalentamiento de carga de material antes de la fusión en sistemas de fuego directo no es tan ampliamente usado. Esto se debe a una variedad de razones, incluyendo dificultades en el control de calidad del producto, problemas asociados con emisiones ambientales, y la mayor complejidad y costo de construir sistemas avanzados de carga de horno/recuperación de calor. No obstante, la recuperación de calor vía precalentamiento de carga ha recibido mayor atención en años recientes. Las tecnologías disponibles y barreras para diferentes hornos de precalentamiento de carga varían sustancialmente dependiendo del tipo de horno y carga en cuestión.

Opciones y tecnologías de recuperación de energía de baja temperatura

Si bien la economía a menudo limita la factibilidad de la RCR de baja temperatura, hay varias aplicaciones donde el calor residual de baja calidad se ha recuperado rentablemente para uso. Grandes cantidades de calor residual están disponibles en el rango de 40 °C a 200 °C y existen desafíos inherentes a su recuperación y uso que requieren una investigación separada y en profundidad de la RCR de baja temperatura.

La mayor parte del calor residual industrial está en el rango de baja temperatura. Por ejemplo, sistemas de combustión como calderas frecuentemente usan tecnologías de recuperación que expulsan gases a alrededor de 150 °C a 180 °C. Además, grandes cantidades de calor residual pueden encontrarse en agua de enfriamiento industrial y aire de enfriamiento. Por ejemplo, el enfriamiento de compresores de aire por sí solo representa una cantidad sustancial de calor residual por año. Una planta siderúrgica integrada (ISP) en Japón ha instalado con éxito una planta de generación de energía con capacidad de 3,5 MW usando agua de enfriamiento a solo 98 °C.

En el caso de gases de escape de combustión, se puede recuperar calor considerable si el vapor de agua contenido en los gases se enfría a temperaturas más bajas. Límites de temperatura mínima alrededor de 120 °C a 150 °C se emplean a menudo 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 chimenea más puede aumentar considerablemente la recuperación de calor al permitir que el calor latente de vaporización se recupere. El calor latente comprende una porción significativa de la energía contenida en gases de escape. Las tecnologías que pueden minimizar el ataque químico mientras enfrían los gases de escape por debajo del punto de condensación, pueden lograr aumentos sustanciales en la eficiencia energética vía recuperación del calor latente de evaporación. La Fig. 1 muestra la recuperación de energía con diferentes temperaturas de salida de chimenea. Si los gases se enfrían de 150 °C a 60 °C, hay un aumento de eficiencia del 3 %. Enfriar los gases aún más a 38 °C captura una porción del calor latente y puede proporcionar un aumento de eficiencia del 11 %.

Fig. 1 Recuperación de energía con diferentes temperaturas de salida de chimenea

Hay tres desafíos que enfrenta la recuperación de calor de baja temperatura. Estos desafíos son los siguientes.

• Hay corrosión de la superficie del intercambiador de calor. A medida que el vapor de agua contenido en el gas de escape se enfría, parte de él se condensa y deposita sólidos y líquidos corrosivos en la superficie del intercambiador de calor. El intercambiador de calor debe diseñarse para resistir la exposición a estos depósitos corrosivos. Esto generalmente necesita el uso de materiales avanzados, o el reemplazo frecuente de los componentes del intercambiador de calor, lo que a menudo es antieconómico.
• Se necesitan grandes superficies de intercambio de calor para la transferencia de calor. Las tasas de transferencia de calor son función de la conductividad térmica del material de intercambio de calor, la diferencia de temperatura entre las dos corrientes de fluido, y el área de superficie del intercambiador de calor. Dado que el calor residual de baja temperatura implica un gradiente de temperatura menor entre dos corrientes de fluido, se necesitan áreas de superficie mayores para la transferencia de calor. Esto limita la economía de los intercambiadores de calor.
• Hay necesidad de un requisito para el calor de baja temperatura. Recuperar calor en el rango de baja temperatura tiene sentido solo si hay una necesidad en la planta para el calor de baja temperatura. El uso final potencial es calefacción de proceso de baja temperatura. Otras opciones incluyen usar una bomba de calor para "mejorar" el calor a una temperatura más alta para servir una carga que requiera temperaturas más altas. Además, las tecnologías de generación de energía de baja temperatura están emergiendo lentamente.

Tecnologías de intercambio de calor de baja temperatura

Las tecnologías de intercambio de calor de baja temperatura están disponibles que pueden enfriar gases por debajo de temperaturas de punto de rocío para recuperar calor residual de baja temperatura. Las opciones tecnológicas incluyen economizadores profundos, recuperación de condensación por contacto indirecto, recuperación de condensación por contacto directo, y condensadores de membrana de transporte recientemente desarrollados. La comercialización de estas tecnologías es 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 el calor residual, se usan otros medios para la recuperación que incluyen bombas de calor y generación de energía de baja temperatura. Estas tecnologías también son frecuentemente limitadas por restricciones económicas.

Economizadores profundos – Los economizadores profundos están diseñados para enfriar el gas de escape a alrededor de 70 °C y resistir el condensado ácido depositando en su superficie. El diseño de los economizadores puede tener diferentes alternativas. Puede tener la instalación de una sección "desechable" en el extremo frío del economizador. Los tubos en el extremo frío se degradan con el tiempo y necesitan ser reemplazados muy a menudo. La frecuencia de reemplazos depende de la composición del gas de chimenea y el material de construcción. Una de las alternativas consiste en diseñar el economizador con tubos de acero inoxidable. El acero inoxidable puede resistir mejor los gases ácidos que el acero dulce típicamente usado en construcción. En otro diseño, usando acero al carbono para la mayor parte del intercambiador de calor, pero usando tubos de acero inoxidable en el extremo frío donde ocurren depósitos ácidos. El uso de intercambiadores de calor de tubos de vidrio (principalmente para aplicaciones gas-gas como precalentadores de aire) o materiales avanzados como Teflón pueden ser otras alternativas.

Recuperación de condensación por contacto indirecto – Las unidades de recuperación de condensación por contacto indirecto enfrían gases a alrededor de 40 °C. En este rango, el vapor de agua en los gases se condensa casi completamente. Los intercambiadores de contacto indirecto consisten en intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Pueden diseñarse con acero inoxidable, vidrio, Teflón u otros materiales avanzados.

Recuperación de condensación por contacto directo – La recuperación de condensación por contacto directo implica la mezcla directa de la corriente de proceso y fluido de enfriamiento. Dado que este tipo de recuperación no implica una pared separadora a través de la cual el calor debe transferirse, evita algunos de los desafíos de grandes superficies de transferencia de calor requeridas para unidades de recuperación de contacto indirecto. En este tipo de recuperación, a medida que los gases de chimenea entran en el intercambiador de calor, son enfriados por agua fría introducida en la parte superior de la unidad. La corriente de agua calentada sale a través de la parte inferior del intercambiador y proporciona calor a un sistema externo. Un desafío con la condensación de contacto directo es que el agua puede contaminarse por sustancias en el gas de chimenea.

Condensador de membrana de transporte – El condensador de membrana de transporte (TMC) es una tecnología en desarrollo para capturar agua (junto con el calor latente del agua) del vapor de agua en corrientes de escape de gas. El agua se extrae del gas de chimenea a temperaturas por encima del punto de rocío empleando condensación capilar y se recicla en el agua de alimentación de la caldera. Como en la recuperación de calor por contacto directo, el TMC extrae agua caliente directamente del gas de chimenea. Sin embargo, dado que el TMC recupera el agua a través del transporte por una membrana, el agua recuperada no se contamina como en la recuperación de contacto directo. La tecnología ha sido demostrada para corrientes de escape limpias en una caldera de gas natural. Sin embargo, el TMC requiere más desarrollo en materiales avanzados antes de que la implementación generalizada para corrientes residuales más sucias sea posible.

Bomba de calor o mejora de calor residual de baja temperatura – Las tecnologías de intercambio de calor mencionadas arriba implican flujo de energía "cuesta abajo" desde una alta temperatura a un uso final de baja temperatura. Esto puede colocar limitaciones en las oportunidades de recuperación de calor cuando la temperatura del calor residual está por debajo de la temperatura necesaria para una carga de calefacción dada. Como ejemplo, el calor residual puede estar disponible en forma de agua caliente a alrededor de 35 °C, mientras que se necesita agua caliente a alrededor de 85 °C. En tal caso, una bomba de calor puede proporcionar oportunidades para "mejorar" el calor a la temperatura de uso final deseada. Las bombas de calor usan entradas de energía externas para impulsar un ciclo que absorbe energía de una fuente de baja temperatura y la rechaza a una temperatura más alta. Dependiendo del diseño, las bombas de calor pueden servir dos funciones. Pueden mejorar el calor residual a una temperatura más alta, o usar el calor residual como entrada de energía para impulsar un sistema de enfriamiento por absorción. Las bombas de calor son más aplicables a corrientes de producto de baja temperatura encontradas en industrias de proceso.

Mejorar el calor puede ser económico en algunos casos dependiendo de la diferencia de temperatura requerida y los costos relativos de combustible y electricidad. Si una instalación tiene una carga de calor a una temperatura ligeramente superior a la fuente de calor residual, el calor a veces puede proporcionarse más eficientemente por una bomba de calor que si se obtuviera quemando combustible adicional. El coeficiente de rendimiento (COP) es una medida del rendimiento de la bomba de calor, determinado a partir de la salida de calor y la entrada de trabajo y dado por la ecuación COP = Q/W, donde Q es la salida de calor útil de la bomba de calor, y W es la entrada de trabajo.

Una consideración importante para determinar la factibilidad de las bombas de calor es la temperatura del calor residual y el ascenso deseado en la temperatura. El tipo de ciclo usado y el tipo de fluido de trabajo elegido influyen en las temperaturas a las que la bomba de calor puede recibir o rechazar calor, así como determinan el ascenso máximo en temperatura alcanzable. La eficiencia de una bomba de calor disminuye a medida que aumenta el ascenso deseado en la temperatura.

Ciclo de compresión cerrado – En el ciclo de compresión cerrado, una bomba de calor se usa para bajar la temperatura del agua de enfriamiento, mientras se usa el calor extraído para aumentar la temperatura del agua de proceso usada en otra parte de la planta. La bomba de calor consiste en evaporador, compresor, condensador y válvula de expansión. En el evaporador, la energía se transfiere de la fuente de calor residual al refrigerante. Luego el refrigerante entra en el compresor, donde su temperatura aumenta. El refrigerante sobrecalentado entra luego en el condensador y transfiere calor al sumidero de calor. Finalmente, el refrigerante se estrangula en una válvula de expansión antes de volver al evaporador.

Ciclo abierto de recompresión de vapor – El ciclo abierto de recompresión de vapor usa compresión para aumentar la presión (y consecuentemente la temperatura) del vapor residual. La recompresión de vapor mecánica usa un compresor mecánico, mientras que la recompresión de vapor térmica usa un eyector de vapor, y por tanto es impulsada por calor en lugar de mecánicamente.

Bombas de calor por absorción – Las bombas de calor por absorción son muy similares al ciclo de compresión cerrado, excepto que el compresor es reemplazado por un mecanismo de absorción más complejo, impulsado por calor. Dependiendo de las necesidades de la planta, el sistema puede configurarse de múltiples maneras. En un tipo, la bomba de calor puede usar una entrada de calor de baja y otra de alta temperatura para rechazar calor en un nivel intermedio (p. ej., mejorar el calor de baja temperatura). En otro tipo, la bomba de calor puede usar una entrada de temperatura media para rechazar calor en una corriente de baja temperatura y otra de alta temperatura. Esta segunda aplicación puede usarse para aire acondicionado y/o refrigeración.

Generación de energía

Generar energía a partir de calor residual típicamente implica usar el calor residual de calderas para crear energía mecánica que luego impulsa el generador eléctrico. Estos ciclos de energía están bien desarrollados. Sin embargo, se están desarrollando nuevas tecnologías que pueden generar electricidad directamente del calor, como la generación termoeléctrica y piezoeléctrica. Al considerar tecnologías de generación de energía para RCR, un factor importante a tener en cuenta son las limitaciones termodinámicas en la generación de energía a diferentes temperaturas. La eficiencia de la generación de energía depende fuertemente de la temperatura de la fuente de calor residual. En general, la generación de energía a partir de calor residual se ha limitado solo a fuentes de calor residual de temperatura media a alta. Sin embargo, avances en ciclos de energía alternativos pueden aumentar la factibilidad de generación a bajas temperaturas. Si bien la eficiencia máxima a estas temperaturas es menor, estos esquemas aún pueden ser económicos en la recuperación de grandes cantidades de energía de calor residual.

Los tres métodos para la generación de energía por el uso de energía mecánica se describen a continuación.

Ciclo Rankine de vapor – El sistema más frecuentemente usado para generación de energía a partir de calor residual implica usar el calor para generar vapor, que luego impulsa una turbina de vapor. El ciclo Rankine de vapor tradicional es la opción más eficiente para recuperación de calor residual de corrientes de escape con temperaturas superiores a 340 °C. A temperaturas de calor residual más bajas, los ciclos de vapor se vuelven menos rentables, ya que el vapor de baja presión necesita equipos más grandes. Además, el calor residual de baja temperatura no puede proporcionar energía suficiente para sobrecalentar el vapor, que es un requisito para prevenir la condensación de vapor y erosión de las palas de la turbina. Por tanto, las aplicaciones de recuperación de calor de baja temperatura son más adecuadas para el Ciclo Rankine Orgánico o ciclo Kalina, que usan fluidos con puntos de ebullición más bajos comparados con el vapor.

Ciclo Rankine Orgánico – El ciclo Rankine orgánico (ORC) opera de manera similar al ciclo Rankine de vapor, pero usa un fluido de trabajo orgánico en lugar de vapor. Las alternativas incluyen aceite de silicona, propano, halo-alcanos (p. ej., freones), isopentano, isobutano, p-xileno y tolueno, que tienen un punto de ebullición más bajo y mayor presión de vapor que el agua. Esto permite que el ORC opere con temperaturas de calor residual significativamente más bajas. El rango de temperatura más apropiado depende del fluido usado, ya que las propiedades termodinámicas de los fluidos influyen en la eficiencia del ciclo a varias temperaturas. En comparación con el vapor de agua, los fluidos tienen una masa molecular más alta, permitiendo diseños compactos, mayor flujo másico y mayores eficiencias de turbina. Sin embargo, dado que el ORC funciona a temperaturas más bajas, la eficiencia general es baja y depende de la temperatura del condensador y evaporador. Si bien la eficiencia es menor que una planta de energía de vapor de alta temperatura, es importante recordar que los ciclos de baja temperatura son inherentemente menos eficientes que los ciclos de alta temperatura. Los límites en la eficiencia pueden expresarse según la eficiencia de Carnot, que es la eficiencia máxima posible para un motor térmico operando entre dos temperaturas. Un motor de Carnot operando con una fuente de calor a 150 °C y rechazándola a 25 °C es solo alrededor del 30 % eficiente. En esta luz, una baja eficiencia en el rango de 10 % a 20 % en el caso de ORC es un porcentaje sustancial de la eficiencia teórica, especialmente en comparación con otras alternativas de baja temperatura, como la generación piezoeléctrica, que es solo del 1 % eficiente.

Aunque la economía de la RCR con ORC necesita analizarse cuidadosamente para cualquier aplicación dada, es una alternativa útil en aquellas industrias que no tienen uso interno para calor de proceso adicional o plantas vecinas que puedan hacer uso económico del calor.

Ciclo Kalina – El ciclo Kalina es una variación del ciclo Rankine, usando una mezcla de amoníaco y agua como fluido de trabajo. Una diferencia clave entre ciclos de fluido único y ciclos que usan fluidos binarios es el perfil de temperatura durante la ebullición y condensación. Para ciclos de fluido único, la temperatura permanece constante durante la ebullición. A medida que el calor se transfiere al medio de trabajo (agua), la temperatura del agua aumenta lentamente hasta la temperatura de ebullición, en la que la temperatura permanece constante hasta que toda el agua se ha evaporado. En contraste, una mezcla binaria de agua y amoníaco (cada uno con un punto de ebullición diferente) aumenta su temperatura durante la evaporación. Esto permite un mejor acoplamiento térmico con la fuente de calor residual y con el medio de enfriamiento en el condensador. Consecuentemente, estos sistemas logran una eficiencia energética considerablemente mayor. El ciclo fue inventado en la década de 1980.

Tecnologías de conversión eléctrica directa

Mientras que los ciclos de energía tradicionales implican usar calor para crear energía mecánica y finalmente energía eléctrica, se están desarrollando nuevas tecnologías que pueden generar electricidad directamente del calor. Estas incluyen tecnologías termoeléctrica, termoiónica y piezoeléctrica. Sin embargo, estas tecnologías están en etapa de desarrollo. Unas pocas han pasado algunas pruebas de prototipo en aplicaciones como recuperación de calor en vehículos automotrices.

Generación termoeléctrica – Los materiales termoeléctricos (TE) son sólidos semiconductores que permiten la generación directa de electricidad cuando se someten a una diferencia de temperatura. Esta tecnología se basa en un fenómeno conocido como el efecto Seebeck, que establece que cuando dos materiales semiconductores diferentes se someten a una fuente de calor y un sumidero de calor, se crea un voltaje entre los dos semiconductores. Inversamente, los materiales TE también pueden usarse para enfriamiento o calefacción aplicando electricidad a semiconductores disímiles. La tecnología termoeléctrica ha existido por mucho tiempo (el efecto termoeléctrico fue descubierto por primera vez en 1821), pero ha tenido uso limitado debido a bajas eficiencias y alto costo. La mayoría de los sistemas de generación TE en uso tienen eficiencias en el rango de 2 % a 5 %. Estos se han usado principalmente para alimentar instrumentos en naves espaciales o en ubicaciones muy remotas. Sin embargo, avances recientes en nanotecnología han permitido materiales TE avanzados que pueden alcanzar eficiencias de conversión del 15 % o superior.

En un estudio reciente, se ha concluido que los paquetes TE avanzados son apropiados en corrientes de escape de temperatura media a alta, alto caudal, donde las instalaciones tienen poco uso para el calor residual recuperado. Sin embargo, se necesita más trabajo de desarrollo en esta área. Métodos de producción de bajo costo y alto volumen para materiales TE necesitan desarrollarse para lograr este objetivo. Además, mantener una alta diferencia de temperatura a través de dispositivos TE delgados presenta un desafío de ingeniería significativo. Obtener altas tasas de transferencia de calor requiere avances en materiales de transferencia de calor y sistemas de intercambio de calor con altos coeficientes de transferencia de calor.

Generación de energía piezoeléctrica – La generación de energía piezoeléctrica (PEPG) es una opción para convertir calor residual de baja temperatura en el rango de 100 °C a 150 °C a energía eléctrica. La tecnología piezoeléctrica convierte energía mecánica en forma de vibraciones ambientales a energía eléctrica. Una membrana delgada piezoeléctrica puede aprovechar la expansión oscilatoria de gas para crear una salida de voltaje. Sin embargo, hay varios desafíos técnicos asociados con las tecnologías PEPG. Estos incluyen: (i) baja eficiencia (solo alrededor del 1 % eficiente); (ii) dificultades permanecen en obtener frecuencias oscilatorias lo suficientemente altas (los dispositivos actuales operan a alrededor de 100 Hz, y las frecuencias necesarias están cerca de 1.000 Hz); (iii) alta impedancia interna; (iv) dinámica de fluidos oscilatoria compleja dentro de la cámara líquido/vapor; (v) necesidad de fiabilidad y durabilidad a largo plazo; y (vi) altos costos.

Si bien la eficiencia de conversión de la tecnología PEPG es actualmente muy baja (1 %), puede haber perspectivas para usar PEPG en cascada, en cuyo caso las eficiencias pueden alcanzar alrededor del 10 %. Otros temas clave son los costos de fabricación de dispositivos piezoeléctricos, así como el diseño de intercambiadores de calor para facilitar tasas de transferencia de calor suficientes a través de una diferencia de temperatura relativamente baja.

Generación termoiónica – Los dispositivos termoiónicos operan de manera similar a los dispositivos termoeléctricos. Sin embargo, mientras que los dispositivos termoeléctricos operan según el efecto Seebeck, los dispositivos termoiónicos operan vía emisión termoiónica. En estos sistemas, una diferencia de temperatura impulsa el flujo de electrones a través de un vacío desde un metal a una superficie de óxido metálico. Una desventaja clave de esta tecnología es que está limitada a aplicaciones con altas temperaturas por encima de 1000 °C. Sin embargo, algún desarrollo ha permitido su uso en el rango de alrededor de 100 °C a 300 °C.

Generador termo-fotovoltaico – Los generadores termo-fotovoltaicos pueden usarse para convertir energía radiante en electricidad. Esta tecnología implica una fuente de calor, un emisor, un filtro de radiación y una célula fotovoltaica (FV) (como las usadas en paneles solares). A medida que el emisor se calienta, emite radiación electromagnética. La célula FV convierte esta radiación en energía eléctrica. El filtro se usa para pasar radiación en longitudes de onda que coinciden con la célula FV, mientras refleja la energía restante de vuelta al emisor. Esta tecnología puede permitir potencialmente nuevos métodos para RCR. Un pequeño número de sistemas prototipo se han construido para aplicaciones de quemadores pequeños y en una turbina de gas de helicóptero.

RCR e industria del hierro y acero

La industria del hierro y acero emplea varios hornos de alta temperatura para coque, sinter, metal caliente y producción de acero y representa un alto consumo de energía. Mientras que la recuperación de corrientes gaseosas limpias en la industria es común, los gases de escape fuertemente contaminados de horno de coque, alto horno (AH), horno de oxígeno básico (BOF) y horno de arco eléctrico (EAF) continúan presentando un desafío para la RCR económica. Las técnicas de recuperación de calor de estas corrientes gaseosas sucias están disponibles, sin embargo, la implementación ha sido limitada debido a altos costos de inversión de capital.

La industria siderúrgica ha logrado el mayor progreso en la reducción de su intensidad energética. Tal progreso se ha logrado por colada continua y optimización de la operación del AH, y también a través del reciclaje de acero y reemplazo de combustibles fósiles con gases subproductos reciclados (gas de horno de coque, gas de alto horno y gas de convertidor). La recuperación de calor residual in-situ se ha implementado donde sea posible, por ejemplo, recirculando gases de chimenea calientes dentro del horno donde fueron creados para reducir la demanda energética externa, o usando gases de chimenea calientes para precalentar aire de combustión o gas combustible. Tales mejoras de eficiencia energética aún dejan oportunidades de recuperación de calor residual, p. ej., para producir vapor para otras partes del proceso o para producir electricidad.

La RCR en el caso de plantas siderúrgicas se describe a continuación.

Producción de coque

La producción de coque es un material de carga esencial para la operación del AH. El coque se produce en hornos de coque, donde el carbón se calienta en una atmósfera limitada en oxígeno. Hay dos métodos para producir coque: (i) el proceso subproducto; y (ii) el proceso sin recuperación. En el proceso subproducto, los subproductos químicos (alquitrán crudo, amoníaco y aceites ligeros) en el gas de horno de coque (GHC) se recuperan, mientras que el GHC restante se limpia y recicla dentro de la planta siderúrgica. En el proceso sin recuperación, todo el GHC se quema en el proceso. El tipo de proceso más común sigue siendo el proceso subproducto y este se discute a continuación.

El proceso de coquización subproducto tiene dos áreas de pérdida de calor sensible: (i) GHC que se enfría en el proceso de limpieza de gas; y (ii) gas residual que sale del horno de coque. El proceso de coquización emplea varias cámaras de horno de coque separadas por conductos de calentamiento. GHC reciclado, y a veces otros gases como gas de AH, se usan como fuente de combustible en el conducto de calentamiento y suministran calor a la cámara del horno donde tiene lugar la carbonización del carbón. A medida que el carbón se carboniza en la cámara del horno, gas y humedad (representando alrededor del 8 % al 11 % del carbón cargado) se desprenden y salen a través de las tuberías. El GHC tiene un alto contenido calorífico que varía desde alrededor de 4000 kcal/m³ a 4400 kcal/m³ y, por tanto, puede reciclarse para uso como combustible después de someterse a un proceso de limpieza.

La temperatura del GHC crudo en la salida del horno varía de 650 °C a 1000 °C. En este punto, el gas GHC es una fuente de calor sensible. Sin embargo, el calor se desperdicia universalmente debido a la alta cantidad de alquitrán y otros materiales que pueden causar acumulación en superficies de intercambiadores de calor. Al salir del horno, el GHC se enfría por rociado de licor de amoníaco seguido por enfriadores primarios. Diferentes tecnologías se usan luego para eliminar alquitrán, compuestos de azufre, amoníaco y aceites ligeros. Después de la limpieza, el GHC se usa como combustible en toda la planta siderúrgica. En este arreglo, solo la energía química del GHC se recupera cuando se recicla, mientras que el calor sensible se desperdicia.

Mientras que la mayoría de las plantas siderúrgicas no emplean recuperación de calor del GHC, un nivel limitado de recuperación de calor del GHC es posible, como lo muestra el éxito de esta práctica en Japón. Las instalaciones de hornos de coque en Japón han aplicado con éxito la recuperación de calor mediante el uso de un medio de transferencia de calor de baja presión. En general, la temperatura mínima permitida para el GHC en el intercambiador de calor es alrededor de 450 °C. A temperaturas más bajas, el alquitrán se condensa y conduce a formación de hollín en la superficie del intercambiador de calor. El enfriamiento a 450 °C permite solo alrededor de un tercio del calor sensible ser recuperado. Sin embargo, es improbable que las ISPs en otros países vayan a perseguir nuevas tecnologías para recuperación de calor del gas de horno de coque crudo. Esto es ya que las ISPs enfrentan barreras de costo con la recuperación de calor de corrientes de escape sucias. Además, el proceso de coquización subproducto puede volverse irrelevante en años futuros. Es probable que las ISPs se muevan del proceso subproducto al proceso sin recuperación debido a consideraciones ambientales. En el proceso sin recuperación, el gas GHC se quema dentro del proceso, y una caldera de calor residual se usa para recuperar el calor sensible en los gases de escape.

Otra fuente de pérdida de calor sensible en hornos de coque son los gases residuales de la combustión de gases de combustible reciclados. Los gases de combustible reciclados se usan en el conducto de calentamiento, que es adyacente a la cámara del horno. La combustión de los gases de combustible genera gases de escape calientes que salen del conducto del horno y pasan a través de un regenerador para transferir calor al aire de combustión entrante y/o combustible. Los gases residuales salen del regenerador a temperaturas promediando alrededor de 200 °C. En algunas plantas, el contenido de calor de los gases residuales se recupera además por uso de un heat pipe o para precalentar la carga de carbón y reducir su contenido de humedad. En este caso, la temperatura de los gases de escape baja a alrededor de 60 °C.

Producción de sinter

La planta de sinterización consta de dos secciones principales: sección de sinterización y sección de enfriamiento de sinter. La recuperación de calor de ambas partes se ha desarrollado: (i) de gas de escape de la sección de sinterización; y (ii) de gas de enfriamiento de la sección de enfriamiento. Hay una gran diferencia de temperatura dependiendo de la posición de la sección. La temperatura promedio del gas en ambas secciones está en el nivel de 100 °C a 150 °C, demasiado baja para una recuperación de calor efectiva. La recuperación de calor debe limitarse a la zona de alta temperatura de gas, la parte final de la sección de sinterización y la parte primaria de la sección de enfriamiento, donde hay temperaturas de gas de 300 °C o superiores disponibles. Aunque la zona de recuperación de calor es limitada, el volumen de gas del proceso de sinterización es lo suficientemente grande para una recuperación de calor práctica.

El sistema de recuperación de energía de gas residual consiste en campana, captador de polvo, caldera de recuperación de calor, ventilador de circulación y desaireador. El gas de escape de la máquina de sinterización es corrosivo y contiene algunos polvos. La recuperación de calor generalmente se limita a la zona de alta temperatura de gas ya que la temperatura promedio agregada es baja para la recuperación de calor. Al mismo tiempo, debido a su corrosividad, la temperatura del gas después de la recuperación de calor debe mantenerse por encima del punto de rocío ácido del gas. El gas de enfriamiento es básicamente aire atmosférico que contiene algo de polvo. En el caso del enfriador de sinter, es lo mismo que la recuperación de calor de la máquina de sinterización. Debido a la distribución de temperatura del gas a lo largo del enfriador, la recuperación de calor se limita a la zona de alta temperatura de gas.

La recuperación de calor de gas de escape de la máquina de sinterización puede categorizarse en tipo de circulación y tipo sin circulación. En tipo de circulación, el gas después de la recuperación de calor se circula a la máquina de sinterización como gas de enfriamiento de reemplazo, mientras que en tipo sin circulación, el gas después de la recuperación de calor se lleva directamente a la instalación de tratamiento de gas. El tipo de circulación se adopta para mejorar la eficiencia de recuperación de calor.

En el caso de recuperación de calor del enfriador, el gas del enfriador es aire. El sistema de recuperación de calor del enfriador puede categorizarse como tipo de circulación y tipo sin circulación. En el caso de tipo sin circulación, después de la recuperación de calor de la zona de gas caliente, el gas de enfriamiento se libera a la atmósfera. En el caso de tipo de circulación, después de la recuperación de calor de la zona de gas caliente, el gas de enfriamiento se lleva al enfriador y se reutiliza para el enfriamiento de sinter. La temperatura del gas de enfriamiento sube por recirculación y consecuentemente resulta en mayor recuperación de calor. Por otro lado, la temperatura del gas de enfriamiento sube hasta el nivel de 180 °C, la capacidad de enfriamiento puede disminuir. La temperatura del sinter en la salida del enfriador es más alta alrededor de 30 °C en tipo de circulación. La diferencia de temperatura es lo suficientemente pequeña y no afecta la operación de la planta de sinterización. La energía recuperada aumenta en un 50 % en tipo de circulación comparado con tipo sin circulación. El consumo de energía del ventilador es mayor en el caso de tipo de circulación. Sin embargo, la energía recuperada es mucho mayor.

Producción de metal caliente en AH

El AH es una de las unidades principales en ISPs. Convierte mineral de hierro en metal caliente. Las materias primas se cargan desde la parte superior, incluyendo materiales que contienen hierro (mineral de hierro en bulto, sinter o pelotas), aditivos (fundente), y coque, mientras que aire caliente y combustibles suplementarios se inyectan a través de toberas en la parte inferior del horno. La carga baja a través del AH y se encuentra con una corriente ascendente de gases calientes. El aire caliente que entra al AH es proporcionado por varias estufas de aire caliente auxiliares. En la estufa de aire caliente, gas mezclado consistente en gas de AH (GAH) y GHC se combustiona. El calor de los gases de escape de la combustión se transfiere a un regenerador de tablero de ajedrez. Cuando el regenerador alcanza una temperatura apropiada, el flujo de aire se invierte y se fuerza aire frío a través del regenerador, que transfiere calor al aire frío. El aire calentado se inyecta luego en el horno. El sistema opera según los mismos principios que un regenerador usado para recuperación de calor. Sin embargo, en este caso, el regenerador no es una unidad de "recuperación de calor residual", sino más bien el mecanismo para transferir calor de la estufa al aire de explosión caliente. Las fuentes de calor residual de gas de escape en AH incluyen tanto los gases de escape de las estufas de aire caliente como el GAH que sale del AH.

Hay pérdida de calor sensible del GAH. Los nuevos AH se diseñan para transferencia de calor eficiente, resultando en gases calientes en la parte superior del AH en el rango de baja temperatura. El GAH se recupera para uso como combustible en calentamiento de aire de explosión, hornos de recalentamiento de laminación, calentamiento de horno de coque, producción de energía y generación de vapor. Dado que el GAH tiene bajo poder calorífico, a menudo se mezcla con GHC o gas de convertidor. El GAH debe limpiarse antes de poder usarse como combustible, y el calor sensible contenido en el gas rara vez se recupera. En algunos casos, el AH opera a una presión suficientemente alta (2,5 atm o superior) para usar económicamente una turbina de recuperación de presión superior (TRT) para la recuperación de la "energía de presión" del GAH. El gas debe limpiarse antes de entrar en la TRT, lo que generalmente se logra mediante limpieza húmeda, con el resultado de que el calor sensible del gas de escape se pierde. Una alternativa a la tecnología de limpieza húmeda es la limpieza en seco, en la que la temperatura del gas que entra en la TRT puede elevarse a alrededor de 120 °C. La tecnología TRT de tipo seco ya está funcionando en varios lugares. Sin embargo, es más costosa.

Otra oportunidad para RCR es de los gases de escape de combustión que salen de las estufas de aire caliente. Los gases están a temperaturas de alrededor de 250 °C. El gas de escape de la estufa de aire caliente es relativamente limpio y es más compatible con dispositivos de recuperación de calor, haciendo que la recuperación de calor de las estufas de aire caliente sea una práctica más común. El calor puede usarse para precalentar aire de combustión y/o gas combustible. Los intercambiadores de calor usados incluyen regeneradores rotativos, intercambiadores de calor de placas fijas y sistemas de medio térmico circulante.

Producción de acero líquido en BOF

El BOF usa oxígeno para oxidar impurezas en el metal caliente. La operación es semicontinua: metal caliente y chatarra se cargan al horno, se inyecta oxígeno, se añaden fundentes para controlar la erosión, y luego el metal se muestrea y se vacía. La temperatura requerida para fundir el metal es suministrada por la reacción de oxidación exotérmica y, por tanto, no se necesita fuente de calor externa.

Los gases de escape del BOF están a alta temperatura. Tienen una alta concentración de CO (monóxido de carbono). Como el GHC y GAH, los gases del BOF ofrecen oportunidades para la recuperación de energía química y calor sensible. Los desafíos para RCR incluyen altos costos de capital y los problemas sustanciales de mantenimiento resultantes de gases calientes y sucios. Los contaminantes incluyen óxidos de hierro, metales pesados, SOx, NOx y fluoruros.

Varios métodos comerciales para RCR están disponibles. Los dos métodos principales para recuperación de calor son "combustión abierta" y "combustión suprimida". En sistemas de combustión abierta, se introduce aire en el conducto de gas del BOF para combustar el CO. El calor generado se recupera con una caldera de calor residual. En el método de "combustión suprimida", se añade una falda a la boca del convertidor para reducir la infiltración de aire y la combustión del CO. El gas se limpia, recoge y usa como combustible. También es posible recuperar tanto el gas como el calor sensible vía un sistema combinado de caldera/recuperación de gas de combustión suprimida.

Producción de acero líquido por EAF

La industria siderúrgica ha experimentado un crecimiento significativo en la fabricación a partir de chatarra reciclada vía fundición eléctrica. El EAF y el horno de inducción son los dos tipos de hornos usados para fundir chatarra ferrosa para fundición eléctrica. De estos dos, el EAF es el horno prominente. El horno está revestido de refractario y típicamente cubierto por un techo retráctil, a través del cual se bajan electrodos de C. Los materiales de carga se bajan a través del techo. Fundentes y agentes de aleación también se añaden para ayudar a controlar la calidad del material. Los electrodos se bajan entonces a aproximadamente una pulgada sobre el metal, y la corriente proporciona calor para fundir la chatarra. Durante la operación del horno, se liberan varios gases y emisiones particuladas, incluyendo CO, SOx, NOx, óxidos metálicos, compuestos orgánicos volátiles (COV) y otros contaminantes. Las temperaturas de gases de escape en cargas pico pueden igualar desde 1.350 °C a 1.950 °C. Los gases de escape son responsables de pérdidas de alrededor del 20 % de la potencia de entrada. La mitad de estas pérdidas se deben a la energía química en los gases, mientras que la otra mitad es calor sensible. Adicionalmente, alrededor del 8 % al 10 % de la energía de entrada también se pierde en el agua de enfriamiento "chaqueta" del EAF.

El método más común para recuperación de calor es el precalentamiento de chatarra, que se ha usado ampliamente. El uso de gases de escape para precalentar chatarra puede ahorrar del 5 % al 10 % del consumo total de energía del EAF. Los diseños iniciales para precalentamiento de chatarra requerían tuberías de gases de escape al cucharón de carga. Algunos de los desafíos con estos sistemas incluyen la necesidad de transportar chatarra precalentada conteniendo materiales no metálicos semi-quemados (p. ej., plásticos), así como la evaporación de volátiles que crean problemas de olor y control ambiental. Alternativas al sistema de precalentamiento por cucharón incluyen el proceso Consteel, el horno de eje Fuchs y el horno de doble carcasa. Estos procesos se han instalado en varios lugares.

El proceso Consteel implica carga continua de chatarra y usa un transportador de chatarra, un sistema de alimentación y un precalentador. El precalentador es un túnel revestido de refractario donde los gases de escape fluyen en sentido opuesto al flujo de carga de chatarra. Se introduce aire en el precalentador para quemar el CO y CO2 y así se usa tanto la energía química como el calor sensible en el gas de escape. A veces se instala un post-quemador para quemar CO restante y otros compuestos. El horno de eje Fuchs implica un eje inmediatamente encima del techo del horno de arco. La carga se carga vía canastas en tres etapas. Las canastas están revestidas de refractario y diseñadas con un sello que previene la escape de humos. El calentamiento de chatarra es asistido adicionalmente por quemadores oxi-combustible auxiliares. Además, se instalan post-quemadores para combustar completamente todo el CO. Un beneficio adicional del sistema es que la carga actúa como filtro de polvo, capturando alrededor del 40 % del polvo y devolviéndolo al horno, permitiendo así ligeros aumentos en el rendimiento.

Los beneficios e inconvenientes de los sistemas de precalentamiento de chatarra dependen de la operación específica. En algunos casos, permite reducir el consumo de electricidad y aumentar la productividad. En otros casos, los sistemas de precalentamiento de chatarra son difíciles de mantener. A medida que los EAF se vuelven cada vez más eficientes y los tiempos de vaciado a vaciado se reducen, la manipulación de chatarra puede reducir la productividad y posiblemente crear demandas de mantenimiento onerosas. En un caso, los ahorros de energía permitidos por el precalentamiento de chatarra se reducen aproximadamente a la mitad cuando los tiempos de vaciado a vaciado se reducen en un tercio.

Calderas de planta de energía

Las calderas en ISPs normalmente usan GAH y GHC como combustible. La temperatura de gas de escape para las calderas varía con la edad de la caldera y los controles usados. Las temperaturas pueden ser bastante altas (340 °C a 450 °C), con contenido de O2 variando de 3 % a 7,5 %. El calor residual está en forma de gases limpios, libres de contaminación y no requiere acondicionamiento adicional. Las áreas de calor residual y recuperación de calderas y sistemas de vapor incluyen: (i) uso de gases de escape para precalentar GAH y GHC; (ii) uso de generación de energía de baja temperatura si es económicamente justificable; (iii) precalentamiento de agua de servicio o agua de río para uso en la planta, si es posible y requerido; y vapor de baja presión puede condensarse y reutilizarse para el sistema de agua de caldera en lugar de ventearse.

Horno de recalentamiento

El horno de recalentamiento es un equipo clave de los trenes de laminación en caliente. Su función es calentar continuamente lingotes, blooms o planchones de diferentes tamaños y calidades hasta 1.250 °C. La mayoría de los nuevos hornos de recalentamiento son "hornos de viga caminante" (WBF). En el WBF, el calentamiento se hace sobre y bajo los productos que se manipulan desde el lado de carga al lado de descarga por medio de vigas (patines) aisladas y refrigeradas. Un criterio clave de rendimiento para hornos de recalentamiento es la homogeneidad de calentamiento. El 20 % al 30 % de la energía de entrada se desperdicia típicamente dividido entre varias pérdidas térmicas: (i) la temperatura del gas de escape entre el recuperador de aire de combustión y la chimenea está a 250 °C a 300 °C con combustible de gas natural y más alta con combustible de menor poder calorífico; (ii) los sistemas de manipulación de producto dentro del horno con patines y sistema de post-enfriamiento; y (iii) pérdidas en paredes y puertas, difícilmente recuperables.

El agua se usa para enfriar constantemente el sistema de patines que está en contacto con una atmósfera muy caliente en el horno. Este circuito de agua típicamente entra a 40 °C y se calienta 15 °C antes de ser dirigido a un sistema de enfriamiento dedicado.

En varios lugares, la RCR se lleva a cabo en el sistema de enfriamiento de patines produciendo vapor cuando se necesita en la planta para otros propósitos. Por sí sola, esta instalación reduce las pérdidas a través del sistema de patines debido al uso de tubos de agua fría usados a temperatura más alta. Si el vapor no es necesario para la planta, entonces un ORC (adaptado para tales temperaturas alrededor de 200 °C) puede instalarse en el circuito de vapor para producir electricidad. Esta instalación tiene el beneficio de ser fácilmente y seguramente operable especialmente con alta variabilidad de las pérdidas debido a la temperatura constante aportada por el cambio de fase del agua. La mayor parte del tiempo, esta tecnología no se instala debido a largo período de retorno, y la energía contenida en gases de escape se desperdicia.

Un sistema de producción de electricidad es posible para recuperar energía de gases de escape. Dependiendo de la temperatura de la fuente de calor, ya sea un "ciclo agua-vapor" (con horno de baja eficiencia) o un ORC (con mejor eficiencia) están disponibles. Sin embargo, la mayor parte del tiempo esas tecnologías no se instalan debido a su largo período de retorno. Esta situación puede tener otra solución. Esta solución combina calor del circuito de enfriamiento de patines operado a mayor presión y temperatura para producir una mezcla de vapor y agua a alrededor de 215 °C en un circuito cerrado y calor de gases de escape. Las dos fuentes de calor se recuperan por separado gracias a bucles de fluido térmico orgánico y luego se combinan para formar una fuente de calor común.

La fluctuación de calor de los gases de escape (temperatura y volumen son modificados) en caso de variaciones de potencia del horno (producción o variaciones de producto) se equilibran debido a la temperatura constante del calor que viene del sistema de enfriamiento de patines. Así, la operación del sistema es fácil y hace la fuente de calor global más estable especialmente con altas fluctuaciones.

Es posible que la producción del horno de recalentamiento fluctúe en pocos minutos, lo que afecta el contenido de calor de los gases de escape que entran al sistema RCR. El ORC es un sistema bastante flexible que puede acomodar tales variaciones hasta cierto punto. Un ORC puede operar típicamente hasta el 30 % de su capacidad nominal, y se apaga automáticamente cuando la entrada de calor cae por debajo de ese umbral. Sin embargo, el aspecto económico se afecta ya que la producción de electricidad también disminuye.

Soluciones de almacenamiento de calor que pueden adaptarse a variaciones diarias están volviéndose disponibles para aplicaciones industriales y pueden usarse en combinación con un ORC para aplanar su producción. El aceite, por ejemplo, es un medio de almacenamiento de calor apropiado a ese nivel de temperatura. Los beneficios económicos deben evaluarse caso por caso.

Calor residual de corrientes sólidas

Además de las pérdidas de calor residual de gases de escape, las corrientes sólidas y el agua de enfriamiento son fuentes de pérdidas de calor sensible adicionales. Productos y subproductos sólidos con pérdidas de calor sensible significativas incluyen coque caliente, sinter caliente, escoria de AH, escoria de BOF, acero fundido y acero laminado en caliente. Aunque el calor de corrientes sólidas es a menudo más difícil de recuperar, las pérdidas de calor son altas. La pérdida de calor sensible del coque se recupera en algunas plantas mediante coquización en seco (CDQ) como alternativa a la coquización húmeda. La CDQ implica atrapar coque incandescente en un cubo especialmente diseñado, que se descarga en el recipiente CDQ. Un gas inerte como nitrógeno pasa sobre el coque y recupera su calor sensible. El gas caliente se pasa luego a través de una caldera de calor residual. El ahorro de energía está en el rango de 0,2 millones a 0,25 millones de kcal por tonelada de coque. También ha habido intentos de recuperar calor de otros flujos sólidos vía calderas de calor radiante. Esto no tuvo éxito para escoria de AH y BOF, pero se ha comercializado para recuperar calor de acero fundido en algunas ubicaciones en Japón y Alemania.

Otra opción para reducir las pérdidas de calor de acero fundido es la carga en caliente, en la que los productos fundidos se cargan al horno de recalentamiento mientras aún están calientes. La carga en caliente puede ahorrar alrededor de 0,12 millones de kcal por tonelada. La pérdida de calor sensible de acero laminado en caliente también puede recuperarse parcialmente usando enfriamiento por agua. Dado que la temperatura final del agua de enfriamiento es generalmente baja (alrededor de 80 °C), puede mejorarse para otras aplicaciones de calefacción con una bomba de calor.