Análise de emissão de gases para otimização do desempenho de caldeiras

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Segundo o jornal O Globo (2021), 86% das emissões de dióxido de carbono vêm da queima de combustíveis fósseis para produção de energia e materiais. Apesar do número alarmante, 27% das indústrias brasileiras já assumiram compromisso com a neutralidade do carbono, com metas de redução de emissão desse gás. Essa mudança de atitude reflete positivamente de variadas maneiras, principalmente para o aumento de produtividade e qualidade do produto produzido. Além da parte operacional, a preocupação também reflete questões de ESG, ajudando a indústria a se adequar às normas exigidas pelos órgãos governamentais.

A indústria utiliza gases em variadas etapas do processo produtivo, principalmente na operação de caldeiras. Esse tipo de equipamento transforma a energia do combustível em energia térmica, aquecendo a água depositada em seus tanques e produzindo vapor. A fábrica utiliza o vapor em diversos processos industriais, como aquecimento e pasteurização, em caso de fábricas de laticínios. Para suprir tamanha demanda, existem diferentes tipos de caldeiras industriais, como:

• Flamotubulares: São caracterizadas por uma configuração em que os gases emitidos passam por dentro dos tubos, enquanto a água fica em tubulões. Elas são ideias para geração de vapor de até 30 ton/h, e conhecidas pela sua rápida adaptabilidade a mudanças de demanda de vapor. Também, conseguem utilizar diversos tipos de combustíveis, incluindo a biomassa;
• Aquatubulares: Nesse caso, a água circula na parte interna dos tubos, enquanto os gases resultantes da combustão ficam do lado externo. A indústria a utiliza para a geração de energia elétrica, pela sua capacidade de suportar alta pressão e gerar altas quantidades de vapor.
• Recuperação de calor: São projetadas para aproveitar o calor residual de processos industriais, como turbinas, motores e fornos. Esse calor gera vapor, que pode ser aplicado no aquecimento industrial, por exemplo.

Como a emissão de gases afeta o processo produtivo

Como dito, a caldeira é um equipamento que está presente em quase todos os setores da indústria de manufatura. Devido ao uso intenso, o foco dela é melhorar a eficiência das caldeiras ao utilizar fontes de combustíveis renováveis, como a biomassa, por exemplo. Eles emitem menos gases de efeito estufa e reduzem a pegada de carbono nas indústrias. Além disso, esses combustíveis possuem maior disponibilidade e baixo custo, pois o processo produtivo gera resíduos agrícolas naturalmente.

A diminuição da emissão de gases é indispensável, pois esses impactam nos produtos de diferentes maneiras, como:

• Indústria alimentícia: Aqui, a qualidade do vapor gerado pela caldeira é essencial. Gases contaminantes como nitrogênio (N) e dióxido de enxofre (SO₂) afetam a pureza do vapor, o que compromete a segurança e a qualidade dos alimentos processados;
• Indústria de bebidas: Contaminantes podem alterar o sabor e a qualidade das bebidas, além de não atender às normas de segurança alimentar;
• Setor têxtil: Em processos de tingimento e acabamento dos tecidos, os gases emitidos podem causar manchas ou alterações indesejadas nas cores;
• Papel e Celulose: Influenciam na eficiência do processo de secagem e na qualidade final do papel;
• Química: A presença de gases contaminantes interfere nas reações químicas, resultando em produtos de baixa qualidade ou até perigosos;
• Farmacêutico: A esterilização de equipamentos e produção de medicamentos requerem vapor puro. Gases contaminantes podem afetar inclusive a eficácia dos medicamentos;
• Indústria de metais: Gases ácidos como dióxido de enxofre (SO₂) causam a corrosão de equipamentos metálicos, além de afetar a pureza dos metais durante a fundição;

Como a indústria faz a análise de emissão de gases em uma caldeira

Devido sua influência tanto na produtividade quanto na qualidade do produto, indústrias buscar medir com exatidão quantidades e os tipos de gases emitidos pelas caldeiras.  Para isso, o primeiro passo é a instalação de analisadores de gás, sendo os de infravermelho (IR) e espectrometria de massa (SM) os mais usados. Após isso, tecnologias como o Hardware ST-One® fazem a leitura desses sensores, e armazenam as informações coletadas em um banco de dados. Medindo a composição dos gases, em tempo real, é possível explorar a análise de dados e ter novos insights para melhorar a performance das caldeiras. O último passo é realizar ajustes necessários nas caldeiras.

Cada tipo de gás indica algo sobre o processo produtivo. Nível inadequados de oxigênio (O₂) ajudam a determinar se há excesso ou falta de ar na combustão ou problemas na mistura de combustível-ar. Já o dióxido de carbono (CO₂) está relacionado à quantidade de combustível queimado, níveis altos desse gás indicam que a queima foi completa. O monóxido de carbono (CO) indica a eficiência da produção, pois esse é um subproduto perigoso proveniente combustão incompleta. O óxido de nitrogênio (NOX) é um poluente significativo, portanto sua medição é importante para avaliar o impacto ambiental. Por último, o dióxido de enxofre (SO₂) é relevante em caldeiras que utilizam combustíveis fósseis, sua alta presença indica uso de combustível de baixa qualidade.

O Potencial de Aquecimento Global (PAG) possui critérios para medir o impacto de cada gás de efeito estufa. Ele compara a capacidade de retenção de calor de um gás com o dióxido de carbono por um período específico. Nas indústrias, isso se enquadra em três categorias: Escopo 1 (produzidas diretamente pela empresa), Escopo 2 (gerado pela energia e demais recursos), Escopo 3 (resultantes de fontes indiretas na cadeia de suprimentos).

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Tipos de análise de emissão de gases nas caldeiras

A coleta de dados focada na emissão de gases em uma caldeira permite variados tipos de análise, como:

• Eficiência enérgica: Pode ser feita de duas maneiras: (I) O método direto contabiliza os fluxos enérgicos que entram e saem da caldeira, a partir da fórmula Eficiência = Energia Total Fornecida / Energia Útil produzida X 100. Já o (II) método das perdas (ou indireto) calcula a eficiência considerando todas as perdas de energia, como o calor perdido pelos gases de exaustão, perdas de radiação etc. Sua fórmula envolve todas as perdas para determinar a eficiência real.
• Manutenção preditiva: Manutenção programada, sem prejudicar o fluxo da linha de produção. Isso se dá devido a análise dos principais indicadores da caldeira. Por exemplo, se há um aumento nos níveis de CO, essa análise pode investigar se isso é devido a uma combustão incompleta ou problema no fornecimento de ar;
• Análise de conformidade: compara os dados de emissão com os limites regulamentares para garantir que a operação está dentro dos padrões legais. Isso evita multas e contribui para o desenvolvimento sustentável;
• Análise de gases de Exaustão: Mede a composição dos gases de exaustão para detectar níveis de poluentes. Ajuda identificar problemas na combustão e a necessidade de ajustes ou manutenção.
• Análise de combustão: Monitora a eficiência da combustão e identifica a presença de gases poluentes como CO e NOX. Possibilita ajustes na relação ar-combustível, controle da temperatura da chama, entre outros;
• Termografia: Detecta pontos quentes ou podem indicar problemas de isolamento ou ineficiência nas transferências de calor. Isso resulta em melhorias no isolamento, que reduzem a quantidade de combustível e, consequentemente, a emissão de gases.

Por que monitorar a emissão de gases?

Um dos maiores benefícios da análise de emissão de gases é o aumento de produtividade. Isso porque é possível utilizar somente a quantidade necessária de combustível para a combustão, realizar ajustes no maquinário e aumentar a qualidade do vapor produzido.

Além da questão operacional, a preocupação da indústria também reside em questões de ESG. Em 1994, a United Nations Framework Convention On Cimate Change estabeleceu metas para estabilizar a concentração de gases de efeito estufa no mundo. O intuito dessa ação era diminuir a mudança climática, o que levou à criação do Inventário de Emissões de Gases de Efeito Estufa (GEE). Ele copila dados de emissão direta e indireta, bem como os esforços para equilibrar a sua produção. Esse relatório ajuda a informar sobre a tomada de decisões acerca do uso de GEEs, a identificar futuras tendências e oportunidades, além de ser obrigatório.

A indústria manufatureira é responsável por elaborar esse documento. Além disso, ela deve seguir os padrões estabelecidos pelo GHG Protocol. As etapas que devem ser seguidas para a elaboração desse inventário são:

• Definir fronteiras: se divide entre organizacional (delimitação dos setores e as subsidiárias incluídos no documento) e operacional (atividades, processos e serviços).
• Definir os escopos: categorizados entre Escopo 1, 2 e 3, como explicado anteriormente;
• Definir o período: geralmente englobam 1 ano de operação, mas pode ser dividido em períodos menores, como trimestre e semestre;
• Coletar informações: mapear as informações disponíveis para calcular as emissões, o que pode ser feito com a ajuda de tecnologias específicas como a Solução ST-One™.
• Definir os próximos passos: é importante planejar ações baseadas nos resultados encontrados. Um exemplo disso é a redefinição de estratégias, como a implementação de um novo fluxo de destinação de resíduos;

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Ciência de dados e a diminuição de gases poluentes

Segundo o Boston Consulting Group(2023), o uso da Ciência de Dados tem o potencial de evitar a emissão de 2,6 a 5,3 gigatons de CO₂. Em um contexto global, isso representa uma redução de 5% a 10% das emissões previstas pelo Acordo de Paris.

Além disso, ela é uma importante aliada para aspectos relacionado à ESG (Environmental, Social and Governance). Na parte ambiental, além da redução de gases poluentes, age na otimização do uso de recursos naturais, como água e energia. Também, auxilia na implementação de sistemas de logística reversa, facilitando a reutilização de materiais e impactando na redução de custo.

Já no social, o uso dessa tecnologia para redução de poluentes melhora a saúde e a segurança dos colabores e das comunidades próximas às fábricas. Isso demonstra um compromisso com o bem-estar social.

Por último, na governança, o monitoramento de emissões demonstra transparência, o que melhora a reputação da indústria e aumenta a confiança de investidores. Além disso, é capaz de identificar riscos operacionais.

Em suma, a análise de emissão de gases das caldeiras é benéfica para a indústrias de várias formas. A ciência de dados permite identificar os diferentes gases produzidos, e analisar o nível de cada um para descobrir pontos de melhoria na caldeira. A partir disso, a indústria pode agir visando o aumento de produtividade, além de entrar em conformidade com leis de proteção ambiental. Saiba mais sobre nós.