CAPÍTULO 3 COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO

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CAPÍTULO 3

COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO

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PORQUE CONHECER ESTE ASSUNTO ?

Devemos conhecer os combustíveis e as técnicas de combustão para

poder utilizar os combustíveis de uma maneira racional, aproveitando

melhor a energia gerada nesta queima evitando assim o desperdício de

dinheiro e contribuindo com o meio ambiente

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COMBUSTÃO

É a combinação química da substância que queima

(COMBUSTÍVEL), com o oxigênio do ar (COMBURENTE),

acompanhada de uma liberação de calor

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FATORES QUE INFLUENCIAM A COMBUSTÃO

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Ausência de

combustível

NÃO EXISTIRÁ COMBUSTÃO NA:

Ausência de

Comburente (ar)

Ausência de

temperatura

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COMBUSTÍVEL

É qualquer substância, natural ou artificial que se

apresenta no estado físico sólido, líquido ou gasoso capaz

de reagir com o oxigênio do ar, liberando calor e luz

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COMBUSTÍVEIS INDUSTRIAIS

Para que uma substância seja considerada um combustível industrial é necessário:

- Disponibilidade (existe em grande quantidade)?

- Baixo custo (preço acessível no local de consumo)

- Aplicabilidade (tecnologia associada ao seu uso deve estar disponível)

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COMPOSIÇÃO DO COMBUSTÍVEL

(água, nitrogênio e cinzas)

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COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS

- Foram amplamente utilizados nas indústrias do Brasil;

- Fácil transporte, armazenamento e operação;

- São basicamente derivados do petróleo;

- São amplamente utilizados nas indústrias fora do Brasil;

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PROCESSOS DE REFINO

Torre de

destilação

a vácuo

Torre de

craqueamento

catalítico

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ÓLEO COMBUSTÍVEL

É a fração de petróleo mais utilizada para aquecimento industrial pelo seu baixo

custo;

O óleo combustível Brasileiro tem as seguintes especificações:

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COMBUSTÍVEIS GASOSOS

Tem aumentado seu uso na industria (energia mais limpa e mais eficiente);

Inconveniente está no transporte deste combustível aos centros consumidores

GÁS LIQUEFEITO DE PETRÓLEO

Aplicado em processo aonde a limpeza é fundamental

- fornos alimentícios , metalurgia, cerâmica fina.

Para efeitos de cálculo tem-se:

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GÁS NATURAL

Gás contido no poço de petróleo;

Quando a quantidade de gás produzido é pequena ou o centro consumidor

está distante, o gás é queimado localmente;

GÁS MANUFATURADO

Gás obtido a partir de outro combustível (carvão mineral, nafta, lenha);

Gás de lenha com 15 a 22 % de umidade

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS

Os principais combustíveis sólidos são: LENHA e CARVÃO MINERAL

CARVÃO MINERAL

- Encontrado principalmente na região Sul: RS, SC e PR

- Utilizado em centrais TERMELÉTRICAS e INDUSTRIA DE CIMENTO

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CARVÃO SENDO TRANSPORTADO PELO RIO

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DEPÓSITO DE CARVÃO MINERAL EM UMA CENTRAL TERMELÉTRICA

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COMPOSIÇÃO DOS CARVÕES LATINO AMERICANOS

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COMPOSIÇÃO DOS CARVÕES NACIONAIS

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LENHA

- Amplamente usada no Brasil (aplicações domésticas e industriais);

- Usadas em caldeiras de pequeno porte;

- Baixo teor de cinzas, ausência de enxofre e umidade variável;

Teor de umidade

para lenhas usadas

em caldeiras

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BIOMASSA

- Bagaço da cana é usado nas usinas de açúcar e álcool;

- Não é todo consumido pela industria;

- O bagaço é queimado diretamente com 50 % de umidade.

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COMBURENTE

- Elemento fundamental para combustão;

- É o AR ATMOSFÉRICO - OXIGÊNIO

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COMPOSIÇÃO DO AR ATMOSFÉRICO

NITROGÊNIO – OXIGÊNIO – VAPOR DE ÁGUA – DIÓXIDO DE

CARBONO – ARGÔNIO – NEÔNIO – OUTROS GASES

Para fins práticos de combustão

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TEMPERATURA DE COMBUSTÃO

Todo o combustível começa a queimar em uma temperatura mínima chamada:

“PONTO DE INFLAMAÇÃO”

Para a Lenha o ponto de inflamação é de 300 ºC

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REAÇÕES QUÍMICAS BÁSICAS DA COMBUSTÃO

Elementos combustíveis

Reações químicas notáveis

nas fornalhas

C + ½ O2 CO

H2 + ½ O2 H2 O

C + O2 CO2

S + O2 SO2

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TODAS AS REAÇÕES QUÍMICAS VISTAS SÃO EXOTÉRMICAS

LIBERAM CALORCALOR DE

COMBUSTÃO

(Kcal ou kJ)

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PODER CALORÍFICO

É a quantidade de calor liberada pela combustão completa

de uma unidade de massa de um combustível

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PODER CALORÍFICO SUPERIOR (PCS)

É o poder calorífico apresentado por um combustível, englobando

o calor consumido na vaporização da água, tanto a existente no

combustível, quanto aquela formada durante o processo de

combustão

PODER CALORÍFICO INFERIOR (PCI)

É o poder calorífico apresentado por um combustível, sem

englobar o calor consumido pela vaporização da água existente

no combustível e daquela formada durante o processo de

combustão

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Nos cálculos de combustão é utilizado sempre o PCI

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DETERMINAÇÃO DO PCI

Para combustíveis sólidos

Onde:

C = teor de carbono (kg de carbono/kg de combustível);

H = teor de hidrogênio (kg de hidrogênio/kg de combustível);

S = teor de enxofre (kg de enxofre/kg de combustível);

W = teor de umidade (kg de umidade/kg de combustível)

d = densidade do óleo combustível

HWSO

HCPci .9600.22008

.34100.8140

(Kcal/kg)

Para óleos combustíveis

).210012400( 2dPci (Kcal/kg)

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EXERCÍCIOS

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FATORES QUE INFLUENCIAM A VELOCIDADE DA COMBUSTÃO

Estado físico do combustível

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Temperatura do combustível

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Área específica do combustível

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Existência de não queimáveis no combustível

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Volume do ar de combustão

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Características da fornalha (câmara de combustão)

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CÁLCULO DA COMBUSTÃO

1kg (C) + 2,667 kg (O2) 3,667 kg (CO2) + 8140 kcal/kg carbono

1kg (C) + 1,333 kg (O2) 2,333 kg (CO) + 2450 kcal/kg carbono

1kg (S) + 1kg (O2) 2 kg (SO2) + 2200 kcal/kg de enxofre

1kg (H2) + 8 kg (O2) 9 kg (H2 O) + 34100 kcal/kg hidrogênio

Combustão completa de 1 kg de carbono

Combustão incompleta de 1 kg de carbono

Combustão completa de 1kg de hidrogênio

Combustão completa de 1kg de enxofre

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OBSERVAÇÃO IMPORTANTE

1kg (C) + 2,667 kg (O2) 3,667 kg (CO2) + 8140 kcal/kg carbono

Combustão completa de 1 kg de carbono

1kg (C) + 1,333 kg (O2) 2,333 kg (CO) + 2450 kcal/kg carbono

Combustão incompleta de 1 kg de carbono

O MÁXIMO PODER CALORÍFICO DE UM COMBUSTÍVEL SERÁ

OBTIDO, QUANTO MAIOR FOR A PORCENTAGEM DE CO2 NOS

GASES DE COMBUSTÃO

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INCOVENIENTES DO ENXOFRE

SO2 + ½ O2 SO3

SO3 + H2O H2 SO4 (Ácido sulfúrico) ALTAMENTE

CORROSIVO

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CÁLCULO DAS QUANTIDADES DE AR E DE GASES DE COMBUSTÃO

IDEAIS (Estequiométricas)

Válidas para combustíveis sólidos e líquidos

Quando se conhece a composição química do combustível

comb

ar

kg

kgS

OHCm

ar.32,4

8.56,34.55,11*

comb

ar

arkg

mS

OHCV

3* .33,3

8.65,26.85,8

comb

gases

gkg

kgS

OHCm .32,5

8.56,35.55,12*

comb

gases

gkg

mS

OHCV

3* .31,3

8.52,31.84,8

Massa de ar

estequiométrica

Volume de ar

estequiométrica

Massa de gases

estequiométrica

Volume de gases

estequiométrica

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Caso não se tenha a composição do combustível, somente seu PCI

Para combustíveis sólidos

5,0

1000

.01,1* PciVar

(m3/kg)

65,1

1000

.89,0* PciVg

(m3/kg)

Para óleos combustíveis

2

1000

.85,0* PciVar

(m3/kg)

1000

.10,1* PciVg

(m3/kg)

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EXERCÍCIOS

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EXCESSO DE AR

1kg (C) + 2,667 kg (O2) 3,667 kg (CO2) + 8140 kcal/kg carbono

1kg (C) + 1,333 kg (O2) 2,333 kg (CO) + 2450 kcal/kg carbono

Combustão completa de 1 kg de carbono

Combustão incompleta de 1 kg de carbono

SUPRIMENTO DE AR INSUFICIENTE

Para evitar a combustão incompleta do combustível devemos sempre

fornecer uma quantidade de ar superior a teórica – EXCESSO DE AR

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INCOVENIENTES DA COMBUSTÃO INCOMPLETA

- FULIGEM -

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INCOVENIENTES DA COMBUSTÃO INCOMPLETA

- REIGNIÇÃO -

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INCOVENIENTES DA COMBUSTÃO INCOMPLETA

- INCRUSTAÇÃO POR FULIGEM -

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DETERMINAÇÃO DO EXCESSO DE AR (e)

(CONDIÇÕES DE COMBUSTÃO REAIS)

*. arar VeV ** ).1(ar

VeVV gg

*. arar mem ** ).1(ar

memm gg

Onde:

= volume real de ar de combustão (m3/kg);

= volume real de gases de combustão (m3/kg)

= massa real de gases de combustão (kg/kg)

= massa real de ar de combustão (kg/kg)

e = coeficiente de excesso de ar

arV

gV

gm

arm

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EXERCÍCIOS

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INCOVENIENTES DO EXCESSO DE AR

- Perda de calor pelos gases da chaminé;

- Perda de calor pela redução da temperatura da chama de combustão;

- Baixos valores de CO2 nos gases da chaminé.

écha

CO

COe

min2

2

*

%

%

*2

*

.12

2240%

arV

CCO

A porcentagem de CO2 teórico pode ser obtido através:

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ANALIZADOR DE GASES - ORSAT

Hidróxido de potássio

(absorve o CO2)

Ácido Pirogálico em

Hidróxido de potássio

(absorve o O2)

Cloreto Cuproso em

Amônia (absorve o CO)

Custo: R$ 3.700,00

Amostra dos

gases da

chaminé

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52

EXERCÍCIOS

53

54

EXERCÍCIOS

55

VÍDEO – ANALIZADOR DIGITAL DE GASES DE

COMBUSTÃO

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CÁLCULO DO CALOR RESIDUAL NOS GASES DE

COMBUSTÃO

).(. 12 ttcVQ pg

Onde:

Q = quantidade de calor nos gases de combustão (kcal);

cp = calor específico dos gases de combustão (kcal/m3.ºC);

t2 = temperatura dos gases na base da chamine(ºC);

t1 = temperatura dos gases na saida da chamine (ºC);

Calor específico médio dos gases na chaminé = 0,338 kcal/m3.ºC

CALOR QUE ESTÁ

SENDO PERDIDO

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RECOMENDAÇÃO PRÁTICA

Quando a temperatura dos gases de combustão é maior do que 200 ºC

recomenda-se o aproveitamento do calor residual da seguinte forma:

1 – pré aquecer o ar de combustão

2 – pré aquecer a água de alimentação da caldeira

3 – aquecer o combustível utilizado

4 – secagem de matérias primas e outros materiais

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TEMPERATURA DA COMBUSTÃO

Calor específico médio dos gases na combustão = 0,376 kcal/m3.ºC

pg

ccV

Pcit

.

tc = temperatura teórica da combustão (ºC)

Seu cálculo é indicado para:

-Especificar o material da fornalha;

-Especificar os queimadores;

-Fazer o balanço térmico;

-Etc

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EXERCÍCIOS

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FORNALHAS E QUEIMADORES

Fornalha – local aonde se dá a queima do combustível

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QUEIMA EM SUSPENSÃO

- Óleo combustível, gás, carvão pulverizado, serragem, casca de arroz;

Queimador

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QUEIMADORES ou MISTURADORES

- São compactos, instalados na fornalha e promovem a mistura do ar e do

combustível.

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VÍDEO – QUEIMADOR FORA DA FORNALHA

VÍDEO – QUEIMADOR DENTRO DA FORNALHA

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QUEIMA EM GRELHA

- Queimam Combustível sólido;

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QUEIMA EM SUPENSÃO OU GRELHA

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DIMENSIONAMENTO DE FORNALHAS

- Área do suporte do combustível;

g

gS

BK

Kg = carga da grelha (kg/m2.h)- tabelado;

B = consumo de combustível (kg/h);

Sg = área do suporte do combustível (m2).

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VOLUME DA FORNALHA

c

fV

PCIBK

.

Kf = carga da fornalha (kcal/m3.h)- tabelado;

Vc = volume da câmara de combustão (m3);

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EXERCÍCIOS