¿Qué es el gas industrial?
Entre los usuarios industriales, el gas natural tiene una amplia gama de aplicaciones. Al igual que los clientes residenciales y comerciales, los usuarios industriales utilizan gas natural para calentar y enfriar sus fábricas y talleres. Pero se utilizan grandes cantidades de gas natural en calderas industriales, calentadores de agua, disolventes, secadores y otros equipos de fabricación. Para ingenieros y fabricantes, las aplicaciones industriales del gas natural son "inesperadas e imposibles".
Los usuarios de gas natural en Estados Unidos se dividen en decenas de categorías, pero la gran mayoría del gas natural se utiliza para generar calor y vapor. Se puede utilizar en la fundición, el procesamiento y la forja. metales y procesamiento y conformación de plásticos y vidrio, secado de papel, industria textil, industria de recubrimientos, embalaje exterior, fundición de vidrio y otros proyectos industriales. El gas natural también se utiliza como “materia prima industrial” o “materia prima” para producir materias primas químicas a partir del petróleo, como la gasolina.
Fabricación de acero y fundición de metales
Durante los últimos 20 años, la industria del acero ha comenzado a reciclar más chatarra, lo que representa aproximadamente el 40 % del tipo de productos de acero de EE. UU. Esta chatarra se funde en un horno de arco eléctrico, un proceso muy caro. Para aumentar la intensidad de la generación de calor, los trabajadores siderúrgicos utilizan hornos de oxidación de gas natural de alta temperatura, que pueden aumentar la eficiencia y el rendimiento de la fundición de chatarra. Este horno de "oxígeno-gas natural" (Fig. 7.11) también ayuda a eliminar los puntos fríos en el horno eléctrico. En la década de 1990, más de una cuarta parte de los hornos de arco eléctrico en los Estados Unidos utilizaban hornos de combustión de oxígeno y gas natural. Este tipo de horno también es muy utilizado en otras industrias como la fundición de vidrio.
Figura 7.11 Horno de oxígeno y gas natural (con permiso del Natural Gas Research Institute)
El gas natural también se utiliza como combustible adicional para los altos hornos en los que se funde el mineral de hierro Refinado en arrabio que puede producir acero. El coque (un subproducto del carbón) es el principal combustible de los altos hornos, pero cuando se inyecta una mezcla de gas natural y oxígeno en el alto horno, no se necesita mucho coque. La adición de gas natural reducirá el costo de la fabricación de hierro y aumentará la producción de los altos hornos.
El gas natural también se utiliza para fabricar acero, lo que puede mejorar la calidad de la fabricación de acero. Por ejemplo, cuando se descarga una barra de acero caliente de una cinta transportadora rodante en una planta siderúrgica, los extremos del acero se enfriarán más rápido que el centro. Durante el proceso de fabricación del acero, se utiliza gas natural para enfriar el acero. Este proceso se denomina calentamiento continuo de barras o "recocido". Asimismo, el uso de hornos de gas natural en hornos de recalentamiento de acero puede eliminar los puntos fríos de los productos de acero.
Los hornos especiales de gas natural también se utilizan en la industria de fundición de aluminio y en la fundición de otros metales no ferrosos. Para ahorrar energía, todos los fabricantes de aluminio de Estados Unidos utilizan hornos de gas natural "regenerativos". Dentro del horno, hay dos interruptores de palanca. El horno "apagado" obtiene calor del escape del horno "encendido" y lo utiliza para precalentar el aire en el horno, reduciendo así el consumo de combustible (Figura 7.12). Aproximadamente cada 20 segundos, esta acción se repite. Los hornos regenerativos también se utilizan ampliamente en otras industrias, como la fundición y el tratamiento térmico.
Figura 7.12 Horno de regeneración (con permiso de North American Manufacturing Company)
Tratamiento térmico
Casi todas las industrias manufactureras utilizan productos tratados térmicamente. En la producción industrial se utilizan muchos más hornos para el tratamiento térmico que para cualquier otro proceso de fabricación. De hecho, la proporción entre hornos de tratamiento térmico y otros hornos de proceso en Estados Unidos es aproximadamente de 3:1. El propósito del tratamiento térmico (refiriéndose al calentamiento y enfriamiento controlado artificialmente de metales o aleaciones) es impartir ciertas propiedades específicas al material que se procesa. Por ejemplo, el tratamiento térmico de los productos metálicos los hace más duros y resistentes al desgaste y previene la aparición de grietas.
El gas natural es un combustible tradicional excelente en equipos de tratamiento térmico. Además de calentar el producto, se utiliza gas natural para crear un "aire controlado" dentro del horno que protege el metal de la oxidación y mejora las reacciones químicas, mejorando así la calidad del producto. La gran mayoría de los hornos de tratamiento térmico están controlados por aire y muchos procesos utilizan hornos de gas natural regenerativo para mejorar la eficiencia del tratamiento térmico. Algunas plantas de tratamiento térmico más pequeñas utilizan hornos de gas natural incandescentes. Estas estufas calientan los productos mucho más rápido que las estufas eléctricas, son reciclables y tienen una eficiencia térmica relativamente alta. Los hornos incandescentes de gas natural pueden estar hechos de metal o cerámica y pueden usarse en la industria de tratamiento térmico en otras áreas industriales.
También hay un horno de tratamiento térmico que puede crear un ambiente interno de vacío para evitar que el metal se oxide. Si existen requisitos más altos para la calidad del producto, se pueden inyectar algunos productos químicos (como carbono o nitrógeno). el horno. El tratamiento térmico al vacío puede producir productos de mayor calidad que el método de aire controlado, pero el precio también es más alto. Aunque los hornos de vacío no son tan populares como los hornos controlados por aire, se están volviendo cada vez más populares. En el pasado, casi todos los hornos de tratamiento térmico al vacío se calentaban eléctricamente. A finales de la década de 1980, también se pusieron en uso los hornos de vacío de gas natural. Desde entonces, la tecnología de vacío de gas natural se ha desarrollado rápidamente para alcanzar las altas temperaturas (1900 ℉ o más de 1040 ℃) requeridas por muchos productos de tratamiento térmico.
Fabricación de vidrio
El gas natural es el principal combustible utilizado en la industria del vidrio. El vidrio se calienta a 2800 °F (1540 °C) en un horno gigante de gas natural que puede producir millones de toneladas de productos de vidrio por día. Estos hornos tienen dispositivos diseñados para absorber el calor de escape, que luego puede usarse para precalentar el aire de combustión. Muchos fabricantes de vidrio han instalado hornos de oxígeno y gas natural para mejorar la eficiencia de la producción. Sin embargo, debido a que el procesamiento del vidrio requiere temperaturas más altas, los hornos de fusión de vidrio producirán grandes cantidades de óxidos de nitrógeno. Aunque estos volátiles no se extienden en un área amplia, la industria del vidrio en el sur de California aún debe reducir estas emisiones de óxidos de nitrógeno.
La forma de lograr este requisito se denomina "puesta en escena rica en oxígeno" (Figura 7.13). El proceso de esta tecnología consiste en privar primero de oxígeno a la llama del horno (reducir su suministro de oxígeno), lo que puede evitar la formación de óxidos de nitrógeno. Luego, en operaciones posteriores, se inyecta aire enriquecido con oxígeno en el horno para quemar cualquier resto de combustible o monóxido de carbono. Se puede adaptar fácilmente un horno de vidrio a este tratamiento por etapas del aire enriquecido con oxígeno instalando algunos medidores de flujo de oxígeno e inyectores. La industria del gas natural ha desarrollado una nueva tecnología, la combustión por impulsos, que puede reducir aún más las emisiones de óxido de nitrógeno.
Figura 7.13 Procesamiento por etapas de aire enriquecido con oxígeno en un horno de fusión de vidrio (con permiso de Combustion Technology)
Las materias primas de vidrio o escamas de vidrio (cullet) también se procesan antes derritiéndose. Se puede precalentar. El precalentamiento reduce la cantidad de combustible y oxígeno necesarios durante todo el proceso de fusión. Este dispositivo absorbe el calor residual del horno de fusión y lo utiliza para precalentar el vidrio de 900 a 1100 °F (480 a 500 °C).
Una vez derretido el vidrio, también se puede utilizar gas natural para templar productos de vidrio. El templado es un paso de procesamiento clave en la producción de vidrio para aplicaciones arquitectónicas y automotrices. Convencionalmente, se utiliza calor radiante de electrones para recocer el vidrio. Recientemente, los investigadores han experimentado con el templado por calor convectivo con gas y han logrado excelentes resultados.
Secado y Procesamiento Industrial
El proceso de fabricación de muchos productos requiere secado, incluido el procesamiento de papel, pintura, textiles, plásticos e incluso algunas frutas. La tecnología de calentamiento electrónico por infrarrojos se ha utilizado ampliamente en el procesamiento de estos productos, pero los hornos infrarrojos de gas natural se han convertido recientemente en un fuerte competidor en este mercado. En la industria papelera se utilizan hornos infrarrojos de gas natural fabricados con cerámica y metal para secar revestimientos sobre papel y cartón. Actualmente, estas estufas se están instalando en líneas de producción de papel para mejorar la calidad de los productos de papel y superar los cuellos de botella en la producción. Al utilizar un horno infrarrojo de gas natural para precalentar el papel húmedo antes de que entre en una secadora convencional, puede aumentar el rendimiento, aumentar la velocidad y capacidad de funcionamiento de la secadora y mejorar la eficiencia del procesamiento. Además, se está desarrollando una nueva combinación de secador y calentador por infrarrojos de gas natural que se utilizará en maquinaria de fabricación de papel.
La calefacción por infrarrojos de gas natural también se utiliza en la fabricación automatizada para reparar la pintura de los automóviles. El uso de recubrimientos para automóviles está aumentando, reemplazando los líquidos solventes por materiales en polvo. El recubrimiento en polvo puede eliminar productos químicos fácilmente volátiles, pero requiere un control preciso del tiempo de funcionamiento y la temperatura para garantizar resultados perfectos. Antes de que el automóvil entre al horno de curado, el horno infrarrojo de gas natural puede "cementar" el recubrimiento en polvo en las áreas que necesitan ser reparadas. El precalentamiento con gas natural también permite que los coches pasen más rápidamente por el horno de curado, aumentando así la producción.
En la industria del plástico, los secadores eléctricos se utilizan para secar productos de plástico antes de darles forma, o para extruir y estirar plásticos hasta obtener productos finales, como nailon y poliéster. Recientemente, la industria del gas natural ha desarrollado e introducido una serie de secadores industriales diseñados para procesar resinas plásticas.
Estos secadores de plástico pueden procesar resinas que absorben o no absorben agua. Los secadores también se pueden utilizar para cambiar la estructura molecular del plástico de poliéster antes de prensarlo en latas de bebidas u otros productos.
Calderas y producción de vapor
Los productores utilizan el calor del vapor en una variedad de procesos industriales. Por ejemplo, en la producción de productos químicos, papel y en la industria farmacéutica se necesitan grandes cantidades de vapor. El vapor artificial se produce en grandes calderas industriales alimentadas con gas natural, petróleo, carbón, madera (troncos de árboles) o una mezcla de combustibles. Al igual que con otros procesos industriales, el aumento de los precios de la energía ha provocado mejoras en la eficiencia de las calderas y los cambios en la calidad del aire han comenzado a exigir que las calderas reduzcan sus emisiones.
Los fabricantes de calderas han podido cumplir estos requisitos mediante el desarrollo y la introducción de calderas alimentadas con gas natural, que son muy eficientes y producen niveles muy bajos de óxidos de nitrógeno volátiles (menos de 25/1.000.000). La potencia de estas calderas industriales puede alcanzar los 3000 CV (2240 kW). Al utilizar gas natural para complementar el carbón y otros combustibles primarios, se reducen significativamente los contaminantes del aire.
Procesamiento de alimentos
La industria procesadora de alimentos es una de las industrias manufactureras más grandes de Estados Unidos y una de las mayores consumidoras de energía. El consumo de gas natural en el procesamiento de alimentos proviene principalmente de calderas que generan vapor. Estos vapores tienen una gran demanda en esterilización, esterilización, enlatado, cocción, secado, envasado, limpieza de equipos y otros procesos de procesamiento. La industria de procesamiento de alimentos fue uno de los primeros grandes consumidores de energía en utilizar calderas de gas natural eficientes y de bajas emisiones.
La industria procesadora de alimentos también utiliza grandes cantidades de agua caliente en procesos como limpieza, blanqueo, formación de espuma y esterilización. El gas natural es uno de los combustibles industriales importantes utilizados por la industria alimentaria para calentar agua y otros líquidos. Se han desarrollado algunos calentadores de agua industriales extremadamente eficientes y especialmente diseñados para alimentos y otros entornos (Figura 7.14). Además, las plantas de alimentos utilizan gas natural para secar, cocinar y hornear, refrigerar, fabricar hielo y deshumidificar.
Figura 7.14 Calentador de agua de contacto directo (con permiso de QuikWater)
Calor y energía combinados
El gas natural también se usa ampliamente en la industria de generación de energía, y la caldera genera vapor también se puede utilizar para generar electricidad. Cuando la industria manufacturera no necesita vapor, la caldera no se apagará, pero seguirá funcionando. El vapor generado por la caldera se puede enviar a la turbina de vapor para generar electricidad. Algunas calderas industriales grandes pueden producir varios miles de kilovatios de electricidad.
En la década de 1980, las leyes federales de Estados Unidos alentaron a las autoridades públicas locales a comprar electricidad a los usuarios de gas natural, y muchos productores instalaron equipos de generación de energía "in situ" en sus fábricas y talleres. Estas instalaciones también suelen denominarse centrales eléctricas de "consumo in situ" o descentralizadas. Si se produce electricidad y calor (vapor o agua caliente) simultáneamente, se denomina "cogeneración". La combinación de calor y energía es más eficiente que la generación pura de electricidad porque el calor residual se puede recuperar y utilizar. La combinación de calor y electricidad también se conoce como "la combinación de calor y electricidad". En la década de 1970, esto se llamaba "sistema de energía total".
Los grandes usuarios industriales de gas natural fueron los primeros en utilizar la generación de energía y la cogeneración in situ, pero en los últimos años la industria del gas natural ha desarrollado unidades más pequeñas para usuarios industriales y comerciales más pequeños. Normalmente estos sistemas generan menos de 50MW. En sistemas de cogeneración más pequeños, se utiliza un motor alternativo en lugar de una turbina para generar electricidad, y se puede recuperar el calor extraído del motor junto con el flujo de calor radiante. La capacidad de generación de estas instalaciones no supera los 5MW.
Por lo general, estas instalaciones comerciales más pequeñas solo son económicamente viables si el usuario utiliza calor reciclado, como piscinas, lavanderías, calentadores de agua interiores o calefacción y aire acondicionado en edificios grandes (el reciclaje de calor es adecuado). para enfriadoras motorizadas de absorción). En estas circunstancias, la eficiencia general del sistema combinado de calor y electricidad puede alcanzar el 70%, cifra superior a la de los equipos convencionales que consumen energía. Aunque los sistemas combinados de calor y energía a pequeña escala han tenido una baja tasa de éxito en el mercado, este sistema no convencional para la industria de equipos eléctricos puede brindar una variedad de oportunidades para los usuarios comerciales y los usuarios de la industria de gas natural a pequeña escala, en plantas de distribución de gas natural. o centrales térmicas generan su propia electricidad en un sistema eléctrico conjunto.