Uso Sustentável de Vapor

Em 2006, a IEA (Agência Internacional de Energia), publicou alguns estudos de consumos mundiais de energia. Naquela altura, apontava na fabricação de produtos, um consumo mundial de energia elétrica, de origem fóssil de cerca 86,16 EJ/ano (86,16×018 J) e um consumo de energia nos sistemas de vapor de 32,75 EJ/ano. Evidenciou também nesses estudos que o potencial de poupança de energia nos sistemas de vapor era de 3,27 EJ/ano. Ou seja, quase tanto como a energia consumida nos sistemas de vapor da U.E. Não se encontraram números relativamente a Portugal, mas comparativamente com outros Países publicitados com alguma similaridade, o consumo de energia em vapor rondará 0,2 EJ/ano e por conseguinte um potencial de poupança de cerca 0,02 EJ/ano, ou 5,6 × 106 MWh/ano ou uma potência de 646 MW, mais do que a potência de cinco barragens Crestuma/Lever! Trata-se efetivamente de muita energia; interessa por isso perceber o onde e o porquê deste desperdício. De um modo muito modesto, pretende-se com este trabalho dar algum contributo neste sentido. Procurou-se evidenciar as possibilidades reais de os utilizadores de vapor de água na indústria reduzirem os consumos de energia associados à sua produção. Não estão em causa as diferentes formas de energia para a geração de vapor, sejam de origem fóssil ou renovável; interessou neste trabalho estudar o modo de como é manuseado o vapor na sua função de transporte de energia térmica, e de como este poderá ser melhorado na sua eficiência de cedência de calor, idealmente com menor consumo de energia. Com efeito, de que servirá se se optou por substituir o tipo de queima para uma mais sustentável se a jusante se continuarem a verificarem desperdícios, descarga exagerada nas purgas das caldeiras com perda de calor associada, emissões permanentes de vapor para a atmosfera em tanques de condensado, perdas por válvulas nos vedantes, purgadores avariados abertos, pressão de vapor exageradamente alta atendendo às temperaturas necessárias, “layouts” do sistema de distribuição mal desenhados, inexistência de registos de produção e consumos de vapor, etc. A base de organização deste estudo foi o ciclo de vapor: produção, distribuição, consumo e recuperação de condensado. Pareceu importante incluir também o tratamento de água, atendendo às implicações na transferência de calor das superfícies com incrustações. Na produção de vapor, verifica-se que os maiores problemas de perda de energia têm a ver com a falta de controlo, no excesso de ar e purgas das caldeiras em exagero. Na distribuição de vapor aborda-se o dimensionamento das tubagens, necessidade de purgas a v montante das válvulas de controlo, a redução de pressão com válvulas redutoras tradicionais; será de destacar a experiência americana no uso de micro turbinas para a redução de pressão com produção simultânea de eletricidade. Em Portugal não se conhecem instalações com esta opção. Fabricantes da República Checa e Áustria, têm tido sucesso em algumas dezenas de instalações de redução de pressão em diversos países europeus (UK, Alemanha, R. Checa, França, etc.). Para determinação de consumos de vapor, para projeto ou mesmo para estimativa em máquinas existentes, disponibiliza-se uma série de equações para os casos mais comuns. Dá-se especial relevo ao problema que se verifica numa grande percentagem de permutadores de calor, que é a estagnação de condensado - “stalled conditions”. Tenta-se também evidenciar as vantagens da recuperação de vapor de flash (infelizmente de pouca tradição em Portugal), e a aplicação de termocompressores. Finalmente aborda-se o benchmarking e monitorização, quer dos custos de vapor quer dos consumos específicos dos produtos. Esta abordagem é algo ligeira, por manifesta falta de estudos publicados. Como trabalhos práticos, foram efetuados levantamentos a instalações de vapor em diversos sectores de atividades; 1. ISEP - Laboratório de Química. Porto, 2. Prio Energy - Fábrica de Biocombustíveis. Porto de Aveiro. 3. Inapal Plásticos. Componentes de Automóvel. Leça do Balio, 4. Malhas Sonix. Tinturaria Têxtil. Barcelos, 5. Uma instalação de cartão canelado e uma instalação de alimentos derivados de soja. Também se inclui um estudo comparativo de custos de vapor usado nos hospitais: quando produzido por geradores de vapor com queima de combustível e quando é produzido por pequenos geradores elétricos. Os resultados estão resumidos em tabelas e conclui-se que se o potencial de poupança se aproxima do referido no início deste trabalho.

In 2006, the IEA (International Energy Agency) has published several studies concerning world energy consumption. At that time, manufacturing fossil electricity use was approximately 86.16 EJ/year (86.16 × 1018 J) and steam systems use 32.75 EJ/year. These studies also highlighted that the potential for energy saving in steam systems was 3.27 EJ/year, almost as much as the energy consumed in the EU steam systems. Data regarding Portugal was not found; however by comparison with other countries, advertised with some similarity, steam energy consumption was estimated to be around 0.2 EJ/year, with a savings potential of about 0.02 EJ/year, or 5.6 × 106 MWh/year or a 646 MW power, more than five “Crestuma /Lever” dam power. This is effectively a considerable amount of energy. It is crucial to realize where and why this energy is lost. In a very modest way, this report tries to give some contribution on this subject. One goal is to show realistic possibilities of industrial steam users to reduce energy consumption associated with its production. The different forms of energy for the steam generation, whether fossil or renewable, are not the focus of this project. Rather, it intends to shed some lights on how steam is handled on its thermal energy transport role and how this can be improved in their heat transfer efficiency, ideally with less energy consumption. In fact, what are the advantages if one chooses to replace the fuel type by a more sustainable one, if downstream, energy losses persists? Losses as excessive discharge in boilers blowdown, with associated heat loss, permanent steam emissions to the atmosphere, condensate tanks losses, defective valve seals, inadequate steam pressure related to desired temperatures, wrong steam distribution piping layout, lack of production and steam consumption records, etc. The present report was organized according to the steam cycle stages: production, distribution, consumption and condensate recovery. It was decided to include the water treatment theme in this study, due to its implications on heat transfer. Regarding steam generation, it turned out that the biggest energy losses are due to lack of control in excess air and to boilers blowdown. On the theme of steam distribution, it is discussed the pipe sizing, the need for condensate drain upstream of control valves, the pressure reducing valves and, highlighting the American experience, the use of micro turbines for pressure reduction with simultaneous production of electricity. In Portugal, there are no known installations with this option. Some micro turbines manufacturers from the Czech Republic and Austria have been successful in some dozens of pressure-reduction vii facilities in several European countries (UK, Germany, Czech R., France, etc.). To determination of steam consumption, on steam systems design or even to estimate of existing machines, this report propose a series of equations used to describe the most common cases. Moreover, it gives particular emphasis to the problem of condensate stall conditions, which affects a large percentage of heat exchangers. This report also tries to highlight the advantages of recovery from flash steam (unfortunately with little tradition in Portugal), and thermocompressors. Finally, it addresses the benchmarking and monitoring the steam costs and products specific consumption. However, this approach is somehow modest, due to manifest lack of published studies. The practical work consisted on surveys carried out in steam installations concerning several sectors of activities: 1. ISEP- chemistry laboratory, Porto; 2. Prio Energy-Biofuels Plant, Porto de Aveiro; 3. Inapal Plásticos- Automobile componentes, Leça do Balio; 4. Malhas Sonix- Dyeing Textile, BarceloS; 5. Installation of corrugated cardboard and other of soy-derived foods. A comparative study of steam costs for humidification, used in hospitals, either produced by steam generators with fuel burning or by small electric generators, was carried out. The obtained results are summarized in tables and it was possible to conclude that the potential savings are similar to those mentioned at the beginning of this work.