Recuperação de calor residual: aproveitamento do calor residual para descarbonizar cimento e aço

As indústrias do cimento e do aço são notoriamente difíceis de descarbonizar, mas as suas instalações de produção estão a gerar a solução: calor residual. Tobias Panse, da Siemens Energy, explica.

Poucos processos industriais geram tanto CO2 como a produção de cimento.

Ele pega calcário e o tritura, queima e moe usando uma enorme quantidade de energia até se tornar o pó que é o material de construção mais onipresente do mundo. No centro deste processo estão o pré-aquecedor e o forno rotativo, processando calcário moído e argila a temperaturas superiores a 1.300°C.

Isso é muito calor... mas em muitas fábricas de cimento, grande parte dele ainda desaparece através dos gases de combustão e da dissipação superficial – até 40%-45% do que é colocado. É aqui que entra a recuperação de calor residual (WHR). o calor residual do forno e de outras áreas da planta pode ser reutilizado, fornecendo até um terço das necessidades de energia da planta.

Na indústria, existem muitas aplicações para a recuperação de calor residual, incluindo geração de energia ou vapor de processo, aquecimento e resfriamento de ambientes ou aquecimento urbano. No entanto, tem sem dúvida o seu maior potencial em indústrias difíceis de reduzir, como a do cimento, do aço ou da petroquímica.

Mas ainda assim, muitas fábricas de cimento em todo o mundo não utilizam esta forma energeticamente eficiente para reduzir as suas emissões, apesar da necessidade de descarbonizar, mantendo ao mesmo tempo a eficiência energética e a rentabilidade.

Este artigo faz parte da série 'Perspectivas Energéticas Futuras', na qual especialistas da Siemens Energy partilham as suas ideias sobre como podemos avançar em direção a um sistema energético descarbonizado.

A indústria do cimento tem um trabalho difícil: é o terceiro maior consumidor de energia industrial e é responsável por cerca de 7% das emissões industriais de CO2 a nível mundial.

Embora esteja a fazer progressos na redução da sua pegada de carbono, serão necessárias ações mais agressivas para cumprir as metas intermédias de emissões e impulsionar uma transição energética bem-sucedida. E embora a RCQ não seja a única ferramenta para reduzir as emissões de CO2 na indústria do cimento – a captura de carbono é outra opção – é uma das medidas que compensa mais rapidamente.

Em 2021, a Associação Global de Cimento e Concreto (GCCA) publicou um roteiro formal para alcançar zero emissões líquidas de carbono até 2050.

O roteiro estabelece uma meta intermédia de redução das emissões de gases com efeito de estufa em 25% até 2030 – o que exigirá uma acção agressiva por parte dos produtores nos próximos dois a três anos.

Em geral, o melhor local para capturar o calor residual em uma fábrica de cimento são os fluxos de gases residuais e de combustão da torre do pré-aquecedor e do resfriador de clínquer. No entanto, não existe uma solução única para todos: para cada fábrica de cimento – tal como em outras indústrias difíceis de reduzir – as soluções WHR devem ser personalizadas. Isto ocorre porque a recuperação do calor residual depende de vários fatores: temperatura do calor residual, composição, capacidade do forno e teor de umidade da matéria-prima.

Portanto, é necessária uma análise detalhada antes de implementar qualquer solução.

Para determinar a forma mais eficiente de gerar energia a partir de WHR para cimento, bem como para plantas siderúrgicas e petroquímicas, a Siemens Energy conduziu vários estudos analisando diferentes opções técnicas.

Todos eles utilizam uma configuração semelhante: consistem em uma caldeira com líquido que é aquecido pelo calor residual até criar vapor quente, que então aciona uma turbina a vapor. Depois, o vapor flui para um condensador para esfriar antes de ser bombeado novamente pela caldeira.

O que mais diferencia essas opções é o meio utilizado. Nossos testes mostram que o método tradicional de ciclo de vapor superaquecido, com temperaturas mais altas e maior potência, é mais adequado à maioria das aplicações em fábricas de cimento e até mesmo em siderúrgicas.

No entanto, as alternativas não devem ser descartadas. Por exemplo, cada vez mais instalações também utilizam o Ciclo Rankine Orgânico (ORC), utilizando fluidos orgânicos. Sua principal vantagem é a alta eficiência para temperaturas mais baixas e não necessita de água.