El coste energético es el mayor gasto operativo de un horno de gas con hogar móvil. Para un horno de 5 MW que funciona 6000 horas al año con gas natural a 0,35 dólares por metro cúbico, la factura anual de gas ronda entre los 400 000 y los 500 000 dólares. Reducirla entre un 15 % y un 25 % supone un ahorro de entre 60 000 y 125 000 dólares anuales en el presupuesto operativo, suficiente para financiar una actualización completa del sistema de control en un plazo de dos a tres años.
MONTE INTELLIGENCE ha realizado auditorías energéticas en decenas de hornos de solera móvil. Hemos constatado que la mayoría de los hornos con más de cinco años de antigüedad presentan oportunidades de mejora de la eficiencia energética que los operadores desconocen. Este artículo explica nuestra metodología de auditoría y los hallazgos más comunes.
La auditoría energética comienza con un cálculo del balance térmico. Para un horno discontinuo que procesa una carga por ciclo, las entradas de calor son la energía de la combustión del combustible, el calor sensible del aire de combustión (si se precalienta) y el calor liberado por la oxidación de la carga (pequeño y generalmente ignorado). Las salidas de calor son el calor útil absorbido por la carga, el calor perdido en los gases de combustión, el calor perdido a través de las paredes y la puerta del horno, el calor perdido por infiltración de aire, el calor almacenado en la estructura del horno (liberado durante el enfriamiento pero perdido entre ciclos) y el calor perdido a través de aberturas, sellos y otras vías.
El calor útil —la energía que realmente calienta las piezas— se calcula a partir de la masa de la pieza, el calor específico y el aumento de temperatura. Para una carga de acero de 20 toneladas calentada de 20 °C a 850 °C con un calor específico promedio de 0,55 kJ/kg·K, el calor útil es de 20 000 × 0,55 × 830 = 9130 MJ, o aproximadamente 2536 kWh, lo que equivale aproximadamente a 260 metros cúbicos de gas natural.
El consumo total de gas del ciclo se mide mediante el contador de gas de la caldera. Si el contador indica un consumo de 520 metros cúbicos, la eficiencia de la caldera es del 50 % (260/520). Los 260 metros cúbicos restantes —aproximadamente 90 dólares de gas por ciclo— se pierden debido a las distintas vías de pérdida de calor. La auditoría identifica y cuantifica estas vías de pérdida para determinar dónde existen oportunidades de ahorro.
La pérdida de calor por gases de combustión suele ser la principal vía de pérdida, representando entre el 30 % y el 50 % del consumo total de gas. Los gases de combustión salen del horno a una temperatura cercana a la de funcionamiento del mismo (si el horno está a 1000 °C, los gases de combustión podrían estar entre 900 y 950 °C), transportando una gran cantidad de calor sensible. El contenido calorífico se puede calcular a partir del caudal, la temperatura y la composición de los gases de combustión.
La reducción de las pérdidas de gases de combustión implica dos estrategias: reducir el exceso de aire y recuperar el calor de los gases. El exceso de aire es el aire suministrado por encima del requerimiento estequiométrico para la combustión. Con un 50 % de exceso de aire (un ajuste común), el volumen de gases de combustión es aproximadamente un 30 % mayor que con un 10 % de exceso de aire, y este aire adicional debe calentarse desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de los gases de combustión. Reducir el exceso de aire del 50 % al 10 % puede mejorar la eficiencia del horno entre un 3 % y un 5 %. Esto requiere un control de ajuste de oxígeno en el quemador: un sensor lambda en el conducto de gases de combustión que proporciona información en tiempo real a la compuerta de aire de combustión.
La recuperación de calor residual utiliza un recuperador o regenerador para transferir el calor de los gases de combustión al aire de combustión. Precalentar el aire de combustión a 400 °C puede mejorar la eficiencia del horno entre un 15 % y un 25 %, ya que reduce la cantidad de combustible necesaria para alcanzar la temperatura de combustión. Los recuperadores —intercambiadores de calor gas-gas, generalmente de carcasa y tubos o de placas— son la tecnología más común y pueden lograr una eficacia de recuperación de calor del 50 % al 60 %. Los quemadores regenerativos, que utilizan lechos de medios cerámicos que absorben y liberan calor alternativamente, pueden lograr una recuperación del 80 % al 90 %, pero con un coste de inversión mayor.
La pérdida de calor a través de las paredes depende del espesor del material refractario, la conductividad térmica y la temperatura de la pared exterior. Para un horno que opera a 1000 °C con 300 mm de aislamiento de fibra cerámica (conductividad de 0,15 W/m·K a temperatura media), la pérdida de calor a través de las paredes es de aproximadamente 500 W por metro cuadrado. Para un horno con 100 metros cuadrados de superficie de pared, esto representa una pérdida continua de 50 kW, lo que equivale a unos 4,3 metros cúbicos de gas por hora, o aproximadamente 1,50 dólares por hora.
Medir la temperatura de la superficie exterior de la pared con un termómetro infrarrojo es una técnica de auditoría sencilla. Cualquier área de la pared que supere los 20 °C por encima del promedio indica una brecha en el aislamiento, un anclaje defectuoso o un punto caliente causado por la llama de un quemador interno que incide sobre la pared. Estos puntos calientes pueden repararse durante una parada programada reemplazando los módulos de aislamiento afectados.
Las fugas en puertas y sellos son la vía de pérdida más difícil de cuantificar y, a menudo, la más fácil de reparar. Un espacio de 3 mm alrededor del perímetro de una puerta de 4 metros por 3 metros tiene un área de aproximadamente 0,042 metros cuadrados. A una presión típica de horno de 10 Pa, la fuga de gas caliente a través de este espacio disipa una cantidad significativa de energía: aproximadamente 10-15 kW para un horno de 1000 °C. La solución consiste en reemplazar el sello de la puerta, un trabajo que requiere aproximadamente cuatro horas de un equipo de mantenimiento y cuesta unos cientos de dólares en materiales.
La infiltración de aire —el aire frío que se filtra al horno a través de huecos en la estructura, alrededor de la puerta, alrededor de los quemadores y a través de los orificios de inspección— es el ladrón de energía oculto. El aire infiltrado no solo disipa el calor (el aire frío que entra desplaza el gas caliente que debe salir), sino que también provoca la oxidación de la carga de trabajo y puede crear zonas de temperatura no uniformes. El análisis de la combustión proporciona evidencia indirecta de la infiltración de aire: si el contenido de oxígeno en los gases de combustión es mayor de lo esperado según los ajustes del quemador, el oxígeno adicional proviene de la infiltración.
El informe de auditoría debe incluir una lista priorizada de medidas de conservación de energía (MCE) con su costo estimado, ahorro estimado y período de recuperación simple. Las MCE típicas para un horno de hogar móvil, en orden creciente de período de recuperación, son: reparar los sellos de las puertas (recuperación <1 mes), ajustar la relación aire/gas del quemador (recuperación <3 meses), reparar los puntos calientes del material refractario (recuperación 3-6 meses), instalar un control de ajuste de oxígeno (recuperación 6-12 meses) e instalar un recuperador (recuperación 12-24 meses).
MONTE INTELLIGENCE ofrece servicios de auditoría energética que incluyen mediciones in situ, cálculo del balance térmico, identificación de medidas de conservación de energía (ECM) y apoyo para la implementación.
Para programar una auditoría energética de su horno de hogar móvil, póngase en contacto con helenxu@cnlymonte.com.
