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Apostila - Caldeiras e Fornos

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ENERGIA E MEIO AMBIENTE Tabela 3.28 - Classificao dos mtodos de controle das emisses de xidos de Nitrognio

3.70.2.2. Mtodos de controle de xidos de enxofre Existe um grande nmero de mtodos para a dessulfurizao de produtos da combusto, ou seja, para o controle dos xidos de enxofre. Dentre os mais difundidos esto o dessulfurizao por calcreo e por cal hidratada. O mtodo de dessulfurizao por calc rio o mais utilizado na atualidade. Alm de atender altas eficincias de remoo dos xidos de enxofre (at 98%), apresenta tambm melhores indicadores econmicos. A dessulfurizao com cal mais efetiva, porm mais cara. Uma classificao dos sistemas de dessulfurizao com calcrio descrita a seguir, e na Tabela 3.29 apresenta-se uma guia de aplicao para os diferentes tipos e dessulfurizadores. 103

Captulo 10

CALDEIRAS E FORNOS

10.1. INTRODUO o mercado altamente competitivo que existe atualmente faz com que as empresas busquem incessantemente a reduo de seus custos de produo. Uma das alternativas para alcanar-se este objetivo a utilizao racional da energia, procurando-se minimizar o consumo de energia eltrica e dos diversos energticos utilizados no recesso produtivo. Neste sentido, a utilizao eficiente da energia trmica em fornos e caldeiras promove, alm da esperada reduo de custos e dos desperdcios de eneria, uma srie de outras vantagens, principalmente do ponto de vista ambiental. Neste captulo dedicado utilizao racional da energia trmica, inicialmente procura-se apresentar alguns conceitos bsicos necessrios, informaes relacionadas s fontes combustveis, como se d o processo de sua utilizao e quais so os equipamentos envolvidos neste processo. Parte-se ento para a anlise da eficincia do processo de utilizao da energia trmica e, finalmente, das possveis maneiras de torn-lo mais eficiente. 10.2. CONCEITOS BSICOS Para a melhor compreenso da anlise de sistemas trmicos necessrio o conhecimento de alguns conceitos bsicos, como os principais aspectos relacionados transferncia de calor e as caractersticas dos combustveis. Sero apresentados a seguir, de forma resumida, estes conceitos, buscando relacionar aqueles de maior importncia para a indstria. 10.2.1. Conceitos Termodinmicos Calor e Temperatura Calor e temperatura so termos extremamente importantes, devendo ser claramente compreendidos. A temperatura de um corpo dada pela energia cintica mdia de suas molculas, sendo a energia cintica total destas molculas definida como energia interna. Por calor entende-se a energia que flui entre dois sistemas devido unicamente a sua diferena de temperatura. Assim sendo, pode-se afirmar 349

que o calor uma forma de energia em trnsito. Desta maneira, a temperatura refere-se a um nvel de intensidade e o calor a uma medida de quantidade. Calor Especfico o calor especfico define a quantidade de calor necessria para aumentar a temperatura de uma unidade de massa de um dado material em 1C. Desta maneira, cada material possui uma caracterstica prpria no que diz respeito a sua capacidade de absorver ou rejeitar calor. Como exemplo para comparao, pode-se citar que calor especfico do cobre quase dez vezes superior ao da gua, ou seja, para causar uma mesma variao de temperatura, cada quilo de cobre precisa receber ou rejeitar calor cerca de 10 vezes menos calor do que um quilo de gua. Tabela 10.1 - Calor Especfico de algumas substncias

Calor Sensvel Calor sensvel o calor removido ou adicionado a uma substncia causando uma mudana de temperatura, sem causar uma mudana de fase. t dito sensvel, pois seu efeito pode ser "sentido': 350

Calor Latente Calor latente, ao contrrio do calor sensvel, aquele que removido ou adicionado a um corpo sem causar mudana de temperatura, mas causando mudana e fase. Para exemplificar estas definies, pode-se utilizar o processo de vaporizao da gua presso atmosfrica, esquematizado na Figura 10.1. A gua, ao ser 3quecida at a temperatura de vaporizao (100C), passa por um processo de aumento gradativo em sua temperatura, conforme indica o trecho AB. O calor recebido pela gua e que causa este aumento de temperatura chamado de calor sensvel. Ao . iniciar-se a vaporizao, a gua continua recebendo calor (trecho BC) mas a temperatura continua constante. Desta maneira, o calor responsvel pela mudana de fase o calor latente.

Figura 10.1 - Diagrama temperatura x calor absorvido Poder Calorfico O poder calorfico representa a quantidade de calor liberada na combusto de ma unidade de massa de um determinado combustvel e pode ser classificado em superior ou inferior. Para analisar esta diferena necessrio introduzir alguns conceitos. Quando a gua comea a se vaporizar, a temperatura permanece constante e, durante um certo intervalo de tempo, tem-se uma mistura de gua e vapor at que: da a gua seja convertida em vapor. Chama-se de ttulo a razo entre a massa de por presente na mistura e a massa total da mistura. Por exemplo, quando a gua est comeando a se tornar vapor, o ttulo zero, pois ainda no se tem nenhuma assa de vapor formado. Assim que toda gua convertida, tem-se ttulo igual a um, pois toda massa existente de vapor. Quando est em andamento o processo de vaporizao, o ttulo vai variando gradualmente de zero a um. Alm disto, chama-se e vapor saturado o vapor de ttulo igual a um. 351

Entre os produtos resultantes de um processo de combusto est o vapor d'gua. Este vapor formado possui uma certa quantidade de energia que pode, teoricamente, ser aproveitada e que est relacionada com seu calor latente de vaporizao, ou seja, com a energia necessria para levar a gua de uma condio de ttulo zero condio de ttulo um. No clculo do poder calorfico superior inclui-se entre a energia que pode ser aproveitada do combustvel o calor latente de vaporizao da gua. Desta forma, considera-se que a gua presente nos produtos da combusto esteja no estado lquido. uma medida do calor mximo que se pode obter na combusto de um determinado combustvel. O poder calorfico inferior calculado desconsiderando-se o calor de vaporizao da gua na quantidade de energia que pode ser fornecida pelo combustivel, ou seja, considera-se que a gua deixe o processo na forma de vapor. Como a temperatura de sada dos gases, gerados no processo da combusto, geralmente superior temperatura de vaporizao da gua, esta medida representa de maneira mais realista o calor disponvel aps a combusto. O poder calorfico pode ser determinado praticamente atravs de um calormetro. Neste aparelho, uma determinada quantidade de combustvel queimada em um recipiente envolto por uma quantidade conhecida de gua. Medindo-se variao da temperatura da gua determina-se o calor absorvido por ela, ou seja determina-se o calor liberado pelo combustvel. A razo entre calor liberado e maSSi: indica o poder calorfico do combustvel. Na Tabela 10.2 so apresentados os valores mdios para os poderes calorficos inferior e superior de alguns combustveis.

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Tabela 10.2 - Poder calorfico e massa especfica de alguns combustveis

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tos, restringindo o escoamento do combustvel. A temperatura na qual ocorre esta precipitao depende da origem, tipo e faixa de destilao do leo. Quando mais parafnico o leo, mais alto o ponto de nvoa e menos adequado o combustvel para operar em baixas temperaturas. Granulometria A granulometria refere-se s dimenses mdias da cada partcula que compem um combustvel slido. Por exemplo, o carvo ao sair da mina apresenta-se e diversos tamanhos, e, para ser comercializado, suas dimenses so reduzidas para tamanhos apropriados. Umidade Indica qual a porcentagem de gua contida nos combustveis. uma das principais caractersticas de um carvo. Cada mina apresenta uma umidade quase constante, sendo seu valor varivel em funo da procedncia. Friabilidade Caracterstica que um carvo possui de se partir com facilidade em pedaos menores. 10.3. COMBUSTVEIS Define-se como combustvel a substncia, natural ou artificial, susceptvel de, ao se combinar quimicamente com outra, gerar uma reao exotrmica rpida, desprendendo calor e luz. Inmeros elementos e compostos qumicos possuem esta propriedade, principalmente quando a reao feita entre eles e o oxignio. Neste captulo sero estudados os diversos tipos de combustveis, sua classificao e caractersticas, ressaltando aqueles de principal uso na indstria. 10.3.1. Classificao dos Combustveis Os combustveis so provenientes de duas fontes bsicas de energia: a primria e a secundria. Nas fontes de energia primria, os combustveis so produtos provindos da natureza, tais como o petrleo e o gs natural, podendo ser subdivididas em fontes renovveis e no renovveis. Nas fontes de energia secundria, os produtos energticos so resultantes de diferentes centros de transformao (refinarias, destilarias, centrais eltricas, etc.). Os combustveis podem ser classificados conforme a Tabela 10.3.

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Tabela 10.3 - Classificao dos combustveis

Antigamente os mais utilizados, os combustveis slidos perderam sua posio para os outros com o advento da era do petrleo. Entretanto, com o surgimento da tecnologia da gaseificao, seu uso na indstria tende novamente a crescer, devido a sua transformao em um combustvel mais apropriado para o uso em processos energticos. Por sua vez, os combustveis lquidos so, atualmente, muito utilizados 357

na indstria. Entre suas vantagens esto a facilidade de manuseio, transporte e armazenagem e sua combusto satisfatria para os objetivos usuais. Os combustveis gasosos so aqueles que renem as melhores caractersticas para o uso industrial: sua combusto possui rendimento trmico elevado e necessitam de pequeno excesso de ar, no apresentam emisses sulfurosas apreciveis e nem depsitos de cinzas. Por outro lado requerem sistemas mais caros de armazenamento e transporte. 10.3.2. Consumo de Combustveis na Indstria Do total da energia consumida pela indstria, cerca de 53% fornecida por combustveis, sendo o restante suprido pela energia eltrica. Desta parcela de energia atendida pelos combustveis, na tabela a seguir apresenta-se a participao percentual no consumo industrial dos principais combustveis utilizados. Tabela 10.4 - Consumo percentual de Combustveis no Setor Industrial (%)

10.3.3. Caractersticas dos Combustveis A seguir ser feita uma breve descrio dos principais combustveis industriais,apresentando alguns dados de consumos para os mais comumente encontrados. 10.3.3.1. Combustveis slidos Madeira A lenha um dos combustveis mais antigos ainda em uso e at hoje larga358

mente utilizado em diversos pases, inclusive no Brasil. composto principalmente de celulose, resinas, gua e sais minerais. Sua principal utilizao ocorre na sua transformao em carvo vegetal e na gerao de energia eltrica (37% do consumo total em 1999), sendo o restante distribudo no setor residencial (30%) e nos setores agropecurios (8%) e industrial (25%), principalmente nas indstrias de cermica, alimentos e bebidas e papel e celulose. A serragem e os cavacos so resduos das serrarias ou da extrao de madeiras. Sua queima requer grelhas especiais. Um outro combustvel proveniente da madeira o n de pinho, possuindo um poder calorfico superior ao da lenha normal devido ao seu alto teor de resinas.

Carvo Mineral O carvo, segundo sua formao, pode ser classificado de quatro maneiras distintas: turfa, linhito, antracito e hulha. A turfa uma substncia carbonosa proveniente da carbonizao de plantas e pequenas espcies vegetais em zonas pantanosas. Geralmente amorfa, tem baixo poder calorfico e grande porcentagem de umidade. O linhito um carvo mineral em formao e o seu aspecto ainda o da madeira no processo de carbonizao, da o seu nome. Tem melhor poder calorfico do que a turfa e o seu uso restrito. O antracito um carvo seco, muito frivel e se apresenta sob forma de moinha, porm tem bom poder calorfico e seu uso indusrial bem disseminado. Antes do incremento do uso do leo combustvel, o Brasil importou muito antracito para uso, principalmente, em fornos de cermica e grelhas automticas de caldeiras. usado tambm em forma de briquetes. A hulha o carvo mineral propriamente dito. resultante da carbonizao e fossilizao de imensas florestas que existiram h milnios, durante a consolidao da crosta terrestre. ainda muito usado em alguns pases como principal combustvel industrial, sendo utilizado na fabricao do coque para fins siderrgicos. No Brasil, as principais jazidas de carvo de pedra esto no sul do pas, sendo, entretanto, de baixa qualidade, contendo muitas impurezas e elevado teor de cinzas. Devido s condies das jazidas e aos mtodos de lavra do carvo mineral, este possui elevadas parcelas de material inerte. Aps seu beneficiamento, o carvo pode ser encontrado comercialmente como carvo vapor e carvo metalrgico. O carvo vapor utilizado principalmente na gerao de energia eltrica e na indstria de cimento. O carvo metalrgico quase totalmente processado em coquerias para a produo do coque de carvo mineral.

Coque de Carvo O coque um combustvel slido obtido da destilao seca do carvo mineral em retortas ou coquerias. Tem largo emprego na indstria siderrgica e de

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fundio. No Brasil, a produo de coque limita-se s indstrias siderrgicas, que emprega em consumo prprio. Coque de Petrleo O coque de petrleo um produto resultante da quebra de molculas de derivados de petrleo, sendo mais utilizados os leos combustveis residuais. O seu aspecto lembra o coque de carvo. Logo que sai das unidades de coqueificao, o coque de petrleo recebe o nome de coque verde. Ele contm aprecivel quantidade de matrias volteis. Do coque verde, submetido alta temperatura (1300C) em fornos especiais, geralmente rotativos, resulta o coque calcinado de petrleo. O coque verde empregado como combustvel e como redutor em altos fornos. Aliado a coque de carvo siderrgico, ele melhora o rendimento dos altos fornos. Carvo Vegetal O carvo vegetal ou carvo de madeira obtido artificialmente pela carbonizao de madeira em fornos especiais. Seu maior uso industrial ocorre nas siderrgicas, que so responsveis por cerca de 82% de seu consumo total. Tem ainda largo emprego no uso domstico, embora esta forma de utilizao esteja em constante declnio h diversos anos. Bagao de cana O bagao o resduo da cana-de-acar da qual foi extrado o caldo. constitudo por fibras (principalmente celulose, hemicelulose e lignina), sais minerais, acar residual, substncias solveis e gua. , praticamente, todo consumido na prprias usinas de acar e lcool para fornecimento de energia, especialmente e ciclos de cogerao.

Figura 10.2 - Consumo Industrial de Combustveis Slidos 360

10.3.3.2. Combustveis lquidos leo de Xisto Os xistos so formaes rochosas que, submetidas ao do calor, produzem gases que, condensados ou no, so utilizados como combustveis. Os xistos oetuminosos so rochas estratificadas impregnadas com esses leos. Outros xistos, omo os da formao Irati, so secos e devem sofrer um processo de pirlise para 'ornecer os derivados combustveis. No Brasil existem grandes jazidas de xisto que se estendem por quilmetros. Os leos de xisto, devidamente processados, fornecem produtos idnticos aqueles obtidos do petrleo. leo Combustvel O leo combustvel pode ser classificado como leo combustvel destilado, quando obtido por processos de destilao atmosfrica ou a vcuo, ou residual, quando derivado de processos de craqueamento trmico ou cataltico. largamente usado na indstria moderna para aquecimento de fornos e caldeiras, principalmente nas indstrias qumica, de papel e celulose e de alimentos e bebidas. Em 1999 consumiu-se 8056 . 103 m3 de leo combustvel no setor industrial. Alcatro O alcatro obtido na destilao da madeira e, principalmente, da hulha. Seu emprego, embora restrito, como combustvel resulta do fato de ser produzido em determinadas indstrias como subproduto. As siderrgicas que produzem seu prprio coque pela destilao do carvo, usam o alcatro obtido como combustvel em seus fornos de aquecimento. Certos tipos de alcatro (piche) podem ser usados em pavimentao. 10.3.3.3. Combustveis gasosos Gs Natural De origem semelhante a do carvo e a do petrleo, o gs natural originou-se de uma longa decomposio de matria vegetal e animal, em meio carente de oxignio e sob condies de elevadas presso e temperatura. O gs natural encontrado em rochas porosas, algumas vezes associado ao petrleo, sendo que, neste caso, sua explorao est vinculada a do petrleo. Neste caso, comum encontrar-se pontos de queima de gs natural em campos no providos de gasodutos. O gs natural constitudo quase de metano puro, possuindo menores porcentagens de etano e propano, e possui alto poder calorfico. Os principais compo-

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nentes do gs natural esto apresentados na Tabela 10.5. Em termos mundiais, o gs natural um dos combustveis mais importantes, sobretudo por causa de seu alto poder calorfico, sua baixa densidade e ausncia de impurezas. A utilizao de gs natural tem apresentado sustentada evoluo nos ltimos anos, especialmente para fins industriais e energticos. Tabela 10.5 - Elementos constituintes do Gs Natural (valores mdios)

Gs de liquefeito de petrleo O GLP formado por hidrocarbonetos e, dependendo de sua origem e dos processos de tratamento a que foi submetido, pode apresentar composio varivel. Estes hidrocarbonetos so obtidos no incio da destilao do petrleo, consistindo basicamente de propano e butano. inodoro e mais pesado que o ar. Seu armazenamento feito em tanques de alta presso ou refrigerados. Seu uso est difundido como combustvel domstico e nas indstrias como combustvel auxiliar. Para fins de segurana os gases liquefeitos, para uso domstico, so odorizados para identificar vazamentos. Gs de Gasognio O gs de gasognio produzido em aparelhos especiais (gasognios) pela combusto incompleta do coque ou carvo de madeira, que gera o monxido de carbono. Tambm chamado gs pobre, possui baixo poder calorfico. Gs de Coqueria Este gs produzido nas baterias de retortas onde feita a destilao seca do carvo mineral para a produo do coque siderrgico. A esta? baterias d-se o nome de coquerias. O gs de coqueria utilizado nas prprias usinas siderrgicas para aquecimento das retortas ou outros fornos da usina. 362

Gs de Alto Forno O gs de alto forno produzido no interior dos altos-fornos siderrgicos por meio de reaes entre o oxignio e o coque, a umidade do ar soprado, o minrio de ferro e suasimpurezas, o calcrio etc. Ele coletado no topo dos altos fornos, ciclonado, lavado e armazenado em gasmetro, quando no diretamente utilizado. Devido ao alto teor de dixido de carbono e nitrognio, o seu poder calorfico baixo.

70.3.3.4 .Combustveis Coloidais So misturas de combustveis lquidos com combustveis slidos. O mais empregado a mistura de leo combustvel residual com finos de carvo de pedra, coque ou carvo vegetal. A maior dificuldade do uso de combustveis deste tipo o seu manuseio. Devendo estar sempre em agitao, os encanamentos devem ter quatro vezeso dimetro do que seria usado para o combustvel lquido e o seu bombeamento requer bombas especiais de diafragma. Seu uso est mais condicionado ao aproveitamento de finos de carvo ou coque.

10.4. COMBUSTO Sero apresentados a seguir os principais conceitos relacionados combusto, assim como alguns dados sobre os principais equipamentos utilizados neste processo. 10.4.1. A Reao de Combusto A combusto um processo qumico exotrmico composto de dois elemenos distintos, o combustvel e o comburente. Vrias reaes so caracterizadas como combusto, como, por exemplo, a combinao de carbono e outros elementos com oxignio, a combinao do cloro com hidrognio e a do fsforo com iodo. Entretano, a reao mais largamente utilizada na indstria a que utiliza o oxignio como elemento comburente. Os combustveis so compostos basicamente de carbono e hidrognio, contendo ainda pequenas porcentagens de enxofre e outros elementos. O comburente mais utilizado o ar atmosfrico, pelo fato de ser a fonte mais abundante e barata de oxignio, sendo ainda utilizados o ar atmosfrico enriquecido ou mesmo o oxignio puro. Na maioria dasvezes o ar utilizado sem nenhum tratamento especfico, sendo composto principalmente de nitrognio e oxignio, contendo parcelas de dixido de carbono, vapor d'gua e gases raros.Emcertas regies pode ainda conter parcelas de xidos de enxofre e nitrognio, oznio e mesmo partculas slidas.A composio mdia do ar seco dada abaixo.

363

Tabela 10.6 - Composio do ar seco

O processo de combusto inicia-se quando a mistura atinge o ponto de inflamao, ou seja, atinge uma temperatura mnima, caracterstica de cada combustvel, na qual a reao de oxidao, que at ento progredia lentamente, torna-se consideravelmente mais rpida. processo de combusto ocorre de maneira diferenciada, dependendo d natureza dos combustveis. No caso dos combustveis gasosos havendo uma mistura adequada de ar e gs, o simples alcance do ponto de inflamao j suficiente para que ocorra a combusto. No caso dos combustveis lquidos inicialmente, sob a ao do calor e do oxignio, h um desdobramento molcula dos compostos do combustvel em fraes gasosas mais simples, ocorrendo ento a combusto destas fraes. J na combusto dos combustveis slidos ocorre, inicialmente, a queima dos produtos volteis e, em seguida, a formao de composto gasosos que entram ento em combusto. No caso dos combustveis com baixo teor de volteis, ocorre a formao de um ncleo de carbono, que se oxida na medida e que o oxignio se difunde em seu interior. 10.4.2. Aspectos Qumicos A combusto pode ser classificada de duas maneiras: completa ou incompleta, dependendo de como se d a reao entre o carbono do combustvel e o oxignio. Na combusto completa ocorre a reao total do carbono com o oxignio, gerande como produtos deste processo dixido de carbono, vapor d'gua, xidos de enxofre e de nitrognio. Na incompleta, parte do carbono no reage ou reage parcialmente com o oxignio, produzindo, alm dos compostos anteriores, monxido de carbono e, algumas vezes, fuligem, se houver falta considervel de ar. Em alguns casos, podem ainda ser encontrados traos do combustvel nos gases de sada do processo. Principais reaes entre os constituintes bsicos dos combustveis e o oxignio so: Reao C + O2 CO2 2CO + O2 2C02 364 Calor Liberado (kJ/kg) 32.600 10.100 (combusto completa) (combusto incompleta)

2C + O2 2CO 2H2 + O2 2H20 S + O2 SO2

9.900 142.120 9.190

(combusto incompleta)

Uma outra classificao possvel a chamada combusto estequiomtrica, que um caso particular da combusto completa onde a quantidade de ar admitida no processo exatamente a necessria para que ocorra a reao total do carbono com o oxignio. A partir da composio do combustvel pode-se chegar a esta quantidade mnima terica de ar necessria a sua combusto atravs de um balano qumico. Por exemplo, a reao estequiomtrica da combusto do metano : CH4 + 2(O2+3,76N2) C O2+ 2H 2O + 7,52N2 A parcela (O2+3,76N2) refere-se composio mdia do ar. De maneira genrica, a equao de combusto estequiomtrica de um combustvel qualquer dada por: CxHyOz + A(O2 +3,76N2) xCO2 + (y/2)H 2O + 3,76(x + y/4 - z/2)N2 onde A chamado de coeficiente estequiomtrico, e dado por: A = x + y/ 4 - z/2 A partir da equao genrica acima pode-se deduzir a relao ar/combustvel estequiomtrica para um determinado combustvel. Esta relao pode ser dada em volume ou em peso, como apresentado em seguida.

Em volume

a = A(1 + 3,76) = 4,76A c 1 a = A(32 + 3,76 . 28) = c 12x + y + 16z 137,28A . 12x + y + 16z

Em peso

Na prtica, sempre se utiliza uma quantidade de excesso de ar para se garantir a combusto completa, devido aos problemas relativos mistura ar-combustvel, que, geralmente, no se d de maneira perfeita, especialmente com os combustveis slidos. A quantidade de excesso de ar deve ser cuidadosamente estudada quando se procura obter o mximo rendimento da combusto. Quando ocorre falta de ar, a combusto se d de maneira incompleta, no aproveitando todo o potencial do combustvel e gerando gases poluentes como o monxido de carbono, Quando h uma quantidade excessiva de ar, a temperatura de sada dos gases de combusto diminui consideravelmente, prejudicando sua utilizao. A equao da combusto com excesso de ar de um combustvel genrico dada por:

365 CxHyOz + A(O2 +3,76N2) xCO2 + (y/2)H 2O + A3,76N2 + ( -1)AO2 onde o coeficiente de excesso de ar. Utilizando-se esta equao, pode-se chegar aos valores da composio volumtrica dos gases gerados na combusto de um determinado combustvel. Para exemplificar esta metodologia ser utilizada, como exemplo, a combusto do metano com excesso de ar de 10%. Esta reao dada por: CH4 + 2,2(O2 +3,76N) CO2+ 2 H 2O + 8,272 N2 + 0,2O2 A porcentagem em volume de cada constituinte do gs de sada da combusto, em relao ao volume total gerado, dada pela razo entre o nmero de moles destes constituintes pelo nmero total de moles presentes na composio do gs gerado. Este valor pode ser calculado em base seca, quando no se considera o vapor presente nos gases, ou em base mida. Para o exemplo acima, tem-se:

,

De maneira genrica, as porcentagens em volume em base seca de dixido de carbono e oxignio presentes no gs gerado podem ser dadas conforme aTabela 10.7. Tabela 10.7 - Porcentagens em volume de CO2 e O2 nos gases de combusto

interessante notar como as equaes acima se comportam para valores extremos de . Quando no existe excesso de ar, ou seja, igual a um, a porcentagem de mxima e a de 02 nula. Na situao em que o excesso de ar tende a infinito, a porcentagem de CO 2 tende a zero e a de O2 tende a 21%, que o valor adotado

366 como a porcentagem mdia de oxignio no ar. Na prtica, estas equaes so mais aplicadas quando o parmetro explicitado. Deste modo, a partir da anlise dos gases de combusto chega-se ao excesso de ar utilizado na combusto, conforme est apresentado na Tabela 10.8. Tabela 10.8 - Excesso de ar obtido atravs da anlise dos gases da combusto

Uma definio decorrente da combusto estequiomtrica a TemperaturaAdiabtica de Chama, ou seja, a temperatura terica mxima que se pode alcanar com a queima de um determinado combustvel na presena de ar (ou oxignio), admitindo-se um processo adiabtico, ou seja, sem perdas de calor. Esta temperatura alcanada quando ocorre a combusto estequiomtrica, sendo que, conhecendo-se a composio do combustvel, pode-se determinar esta temperatura considerando-se que o calor fornecido por ele seja todo absorvido pelos gases da combusto. 10.4.3. Perdas de Calor na Combusto Mesmo quando ocorre a combusto completa existem perdas de calor nos gases de exausto, sejam eles produtos secos ou com vapor d'gua. Estas perdas podem ou no ser inerentes ao processo de combusto. As perdas inerentes so basicamente de dois tipos. A primeira deve-se ao vapor d'gua nos gases de exausto. Esta perda corresponde ao calor contido no vapor d'gua presente nos gases gerados pela combusto, formado a partir da gua contida no combustvel e daquela gerada pela queima do hidrognio. Esta ltima parcela, que corresponde diferena entre os poderes calorficos superior e inferior do combustvel, constitui a parte mais significativa, porm, no pode ser reduzida, pois inerente composio do combustvel. A segunda corresponde perda nos gases secos da exausto. Deve-se ao fato de conterem ar em excesso e sarem a uma temperatura maior que a ambiente. Mesmo considerando que estas perdas esto intimamente ligadas ao processo de combusto, algumas providncias podem ser tomadas para diminuir seu impacto. Pode-se utilizar o fato dos gases sarem a uma

367 temperatura maior do que a ambiente para diminuir a umidade do combustvel ou para aquecer o ar de combusto ou o prprio combustvel. Entre as perdas que so evitveis pode-se citar a que deve-se combusto incompleta do carbono, formando monxido de carbono ao invs de dixido, podendo ocorrer tambm com a presena de carbono no oxidado nos gases de sada, presente na forma de fuligem. Estas perdas evitveis podem ser combatidas atravs de vrias medidas, como, por exemplo, pelo controle cuidadoso do excesso de ar e pela manuteno regular dos queimadores.

10.4.4. Equipamentos para combusto Vrios equipamentos so utilizados nos processos de combusto, podendo ser utilizados para controle ou para aumentar a sua eficincia. Entre os principais esto os queimadores, dispositivos utilizados tanto para combustveis gasosos como para lquidos, podendo tambm ser utilizados para combustveis slidos quando pulverizados ou gaseificados. Outros equipamentos importantes na combusto de slidos so as grelhas e os leitos fluidizados. Neste item, sero apresentadas as principais caractersticas destes equipamentos e suas diversas classificaes.

Queimadores para gases A combusto de gases pode ser facilmente controlada. A grande difuso dos combustveis gasosos, tanto no meio industrial como residencial, fez com que surgissem vrios tipos de queimadores. Estes equipamentos podem ser classificados segundo a necessidade ou no de ar secundrio do ambiente, ou seja, se ao atingirem o orifcio de queima precisam ainda da presena de ar do ambiente para queimar ou no. No primeiro caso podem ainda ser classificados em no aerados e em aerados. O queimador no aerado caracteriza-se por utilizar, unicamente, o ar do ambiente em torno da chama como fonte de oxignio. Neste queimador, o gs liberado por um orifcio e, ao encontrar o ar, entra em combusto. Sua eficincia depende fortemente da velocidade com que o gs deixa a canalizao. J no queimador aerado, tambm chamado de atmosfrico, de baixa presso ou de tiragem normal, parte do ar introdUzido como ar primrio pelo efeito da passagem do gs em um venturi. Assim o gs, ao sair pelo orifcio para queima, j est misturado com o ar, sendo o restante necessrio fornecido pelo ambiente. A chama produzida por este queimador limpa, podendo ser utilizada diretamente sobre a superfcie a aquecer. o tipo comumente encontrado em residncias. No casodos queimadores que no necessitam de ar secundrio do ambiente, podese c1assific-losem trs diferentes tipos: ar insuflado, gs de alta presso e pr-mistura.

368 O queimador de ar insuflado recebe o ar necessrio para a combusto do gs atravs de um injetor, admitindo o gs a ba.ixa presso pela depresso causada pelo fluxo de ar. em geral utilizado para mdias e altas potncias, sendo o mais utilizado a indstria. J no caso do queimador de gs de alta presso, o ar que admitido no queimador pela depresso causada pelo fluxo de gs a alta presso. o tipo utilizado em maa ricos, permitindo uma chama dirigida. No caso do queimador de pr-mistura, o gs e o ar necessrio combusto so previamente misturados e esta mistura chega ao queimador j pronta para a queima. um sistema mais sofisticado e requer um maior investimento inicial, alm e necessitar de manuteno frequente. Queimadores para lquidos A queima de combustveis lquidos pode ser dividida em quatro fases: - Atomizao, quando o combustvel dividido em vrias gotculas; - Vaporizao, quando as gotculas so vaporizadas; - Mistura, quando o combustvel vaporizado mistura-se ao comburente; - Combusto, quando se inicia a reao exotrmica. A fase mais importante a de atomizao, estgio determinante para que a mistura ar-combustvel ocorra de maneira adequada, permitindo uma maior eficincia de combusto. Nesta fase, admitido o ar primrio para facilitar o processo da desagregao do lquido, sendo o restante admitido na fase seguinte. Os queimadores de lquidos podem ser classificados de diversas maneiras, como, por exemplo, pela sua capacidade, pela produo de energia e pelo combustvel utilizado. A classificao mais utilizada feita em funo do mtodo de atomizao: mecnica, por fluidos ou mista. A atomizao mecnica pode ser realizada de trs maneiras diferentes: a jato presso, por corpo rotativo e por emulsificador. Nos queimadores com atomizao a jato presso, o combustvel admitido, sob condies de alta presso e viscosidade controlada, em uma cmara, onde lhe imprimido um movimento giratrio, saindo do bico do queimador na forma de uma pelcula fina. necessria a presena de um direcionador de ar para promover a mistura ar-combustvel e estabilizar a chama. Pode ser do tipo simples, que contm apenas o bico atomizador e trabalha com vazes limitadas, ou do tipo com retorno, que inclui um canal de retorno para o combustvel no atomizado e trabalha com um campo maior de vazes. No caso da atomizao mecnica por corpo rotativo, o combustvel admitido no interior de uma pea de formato

369 cnico que gira a alta rotao. A pelcula formada, no seu movimento de escapar do cone, entra em contato com um fluxo de ar admitido pelas bordas, sendo atomizada. Na atomizao por emulsificador, o combustvel, com uma determinada viscosidade, misturado com uma certa quantidade de ar ou vapor em um compressor, resultando em uma emulso. Esta mistura ento conduzida ao bico do queimador, onde ocorre a atomizao, utilizando o ar como elemento desagregador. A atomizao por fluido consiste em direcionar o combustvel para o bico do queimador, onde este encontra uma corrente de fluido pressurizado (ar ou vapor) e atomizado. necessria a existncia de um medidor para regular a vazo de combustvel. Pode ser de trs tipos: baixa presso, quando o ar fornecido a presses entre 0,5 e 3 bar, alta presso, quando o ar admitido por uma presso superior a trs bar, e vapor, quando utiliza este fluido ao invs de ar comprimido, possuindo uma operao mais eficiente, porm mais cara. A atomizao mista a unio dos outros dois tipos vistos acima. O combustvel passa inicialmente por uma atomizao mecnica e, em seguida, encontra um fluxo de fluido que aumenta a atomizao. Queimadores para combustveis slidos Neste tipo de queimador, a mistura ar-combustvel deve ser feita de modo que haja, ao redor de todas as partculas, a quantidade de ar necessria combusto. A pulverizao do combustvel facilita este mistura, alm de trazer uma srie de outras vantagens, como o aumento da eficincia trmica, a possibilidade de trabalhar com menor excesso de ar e a melhor resposta s mudanas de carga do sistema. Alm dos cuidados comuns que devem ser tomados com qualquer tipo de queimador, os queimadores utilizados na combusto de combustveis slidos requerem ateno especial, especialmente no que diz respeito umidade do combustvel, que deve ser reduzida ao menor nvel possvel, e ao projeto das tubulaes de conduo do combustvel, que devem assegurar uma velocidade mnima de transporte para evitar deposies. Grelhas A queima em grelhas uma das mais antigas tcnicas de combusto utilizadas, podendo ser aplicada a, praticamente, todos os combustveis slidos. Neste sistema, o combustvel colocado sobre um leito rgido onde recebe o ar de combusto. Embora possua um menor rendimento, o equipamento mais adequado para pequenas instalaes, como, por exemplo, caldeiras de pequeno porte. As grelhas podem ser fixas ou mveis, nas posies plana e inclinada. A grelha fixa a mais barata, porm, para a remoo de cinzas, necessria, na maioria

370 dos casos, a interrupo da alimentao de combustvel. Este inconveniente pode praticamente ser eliminado com a utilizao de grelhas inclinadas. Leito fluidizado Neste equipamento, as partculas slidas so mantidas em suspenso pela ao de um fluxo ascendente de ar e combustvel, injetados na parte inferior da cmara de combusto. objetivo da fluidizao tornar o leito homogneo, o que obtido atravs da agitao gerada pela grande velocidade do ar dentro da cmara. As principais vantagens da combusto em leito fluidizado so: - maior contato entre o ar e o combustvel, o que possibilita a utilizao de um menor excesso de ar; - fcil manuseio do combustvel, na alimentao e na retirada, devido s caractersticas do processo; - a possibilidade de admitir alto teor de materiais inertes no combustvel, podendo trabalhar com at 95%; - baixo nvel de poluio, podendo-se adicionar calc rio ou dolomita ao combustvel para diminuir a emisso de SO2. A principal desvantagem o porte do ventilador, que deve ser, relativamente, mais potente do que o que seria utilizado na queima convencional. 10.5. FORNOS E CALDEIRAS Neste item apresentam-se os principais equipamentos da indstria que utilizam a energia trmica como fonte de energia: os fornos e os geradores de vapor, mais conhecidos como caldeiras. Nos dois casos sero estudados no apenas os modelos mais comuns, os equipamentos combusto, mas tambm os tipos existentes de equipamentos eltricos. Sero abordados ainda os principais equipamentos auxiliares e sua utilizao. 10.5.1. Fornos Fornos so equipamentos destinados ao aquecimento de materiais com vrios objetivos: cozimento, fuso, calcinao, tratamento trmico, secagem, etc. A caracterstica primordial de um forno, qualquer que seja sua finalidade, transferir ao material o calor necessrio gerado por uma fonte de calor, com o mximo de eficincia, uniformidade e segurana. Para atingir essas caractersticas, a construo de um forno requer um cuidadoso estudo de transferncia de calor, da circulao do

371 feito atravs de eletrodos especiais que fazem passar um arco entre si. Os eletrodos vo se desgastando, pois seu material consumido pelo arco voltaico, porm mecanismos especiais os mantm na distncia necessria para formao do arco. A demanda de energia eltrica nestes fornos intensa. Os fornos eltricos de induo utilizam este fenmeno para gerar o calor requerido. De alto custo, so bastante eficientes, atingindo altas temperaturas em pouco tempo. So utilizados largamente em forjarias e nas indstrias siderrgica e metalrgica. 10.5.1.3. Equipamentos auxiliares Para melhorar o rendimento dos fornos necessrio utilizar ao mximo o calor gerado na combusto. Para isto, existem alguns equipamentos que so utilizados para aumentar a eficincia dos fornos e que procuram otimizar sua performance. Entre os principais esto os regeneradores, os recuperadores e os aquecedores de ar. Regeneradores Certos materiais exigem altas temperaturas em seu processo, de modo que os gases de combusto, depois de terem transferido parte do seu calor, no esto mais em condies de serem utilizados para este fim. Apesar de ainda conterem considervel quantidade de energia, deixam, desta maneira, o forno a altas temperaturas. Entretanto, pode-se aproveitar esse calor dos gases acumulando-o em materiais susceptveis de absorv-Ia. Esta a funo dos regeneradores. Estes regeneradores so pilhas de tijolos altamente resistentes s mudanas trmicas e ao dos gases, retendo a energia trmica para eles transferida. Quando a temperatura do regenerador atinge um mximo, suspende-se a passagem dos gases quentes, que passam a se dirigir a outro regenerador, e comea-se a passar o ar que vai alimentar a combusto. Aumentando-se a temperatura da entrada do ar, a temperatura resultante do processo de combusto tambm cresce, aumentando-se assim a temperatura dos gases. Desta maneira, consegue-se obter um maior rendimento trmico. Recuperadores Neste equipamento, a corrente de gases quentes e a de ar de combusto so sempre as mesmas, mas em sentido inverso. Uma montagem comum a que consta de dois dutos concntricos: em um deles passam os gases quentes e no outro os gases da combusto, sendo a parede divisria entre os dutos feita de um material de alta condutibilidade. So de fcil construo, porm sujeitos aos efeitos corrosivos dos gases.

377 Aquecedores de ar Os aquecedores de ar so de construo semelhante aos regeneradores e so utilizados quando no se dispe de gases quentes mas se requer uma alta temperatura de chama. Podem ser utilizados quaisquer combustveis para o aquecimento dos tijolos. So utilizados na indstria siderrgica para o aquecimento do ar destinado aos alto-fornos. 10.5.2. Geradores de Vapor Geradores de vapor ou caldeiras so equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob presso superior atmosfrica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo. Neste item sero apresentados seus principais componentes e suas diversas classificaes, alm de uma introduo aos termos mais utilizados. 10.5.2.1. Principais componentes A seguir sero relacionados e apresentados, em um esquema i1ustrativo (Figura 10.3), os principais componentes de uma caldeira. Fornalha (F) -local destinado queima do combustvel, onde o calor gerado atravs de reaes de combusto. O combustvel pode ser slido, lquido ou gasoso . Caldeira (C) - a caldeira propriamente dita corresponde ao vaso fechado sob presso onde a gua transforma-se em vapor saturado. Superaquecedor (S) - o superaquecedor eleva a temperatura da gua de alimentao. A utilizao deste vapor imprescindvel para produo de energia, mas pouco usado em processo. Por vezes superaquece-se o vapor para no haver condensao do mesmo nas redes de distribuio. Economizador (E) - o economizador eleva a temperatura da gua de alimentao para obter-se um maior rendimento do gerador de vapor e para se evitar choques trmicos excessivos que possam danificar os materiais. Para isto, utiliza os gases de combusto aps a passagem destes pela caldeira e pelo superaquecedor. Preaquecedor de ar (P) - trata-se de um trocador de calor cuja finalidade aquecer o ar que ser utilizado na queima do combustvel, aproveitando o calor restante dos gases de combusto. Desta maneira, melhora-se a combusto na fornalha mantendo-se a temperatura de regime mais elevada, economizando-se, assim, combustvel. Chamin - o componente que garante a circulao dos gases quentes da com-

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