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Combustão Industrial

JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS Professor Adjunto da Universidade Federal de Minas Gerais

Coordenador do Laboratório de Combustíveis e Combustão

Doutor em Engenharia Mecânica - Térmica (UFMG)

Doutor em Engenharia Aeronáutica - Energia (ITA)

Engenheiro Químico (UFMG)

www.mautone.eng.br mautone@demec.ufmg.br

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO A COMBUSTÃO

DEFINIÇÕES BÁSICAS

COMBUSTÍVEIS

CLASSIFICAÇÃO DE CHAMAS

REGIMES DE COMBUSTÃO

QUEIMADORES INDUSTRIAIS

EMISSÕES

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QUEIMADORES INDUSTRIAIS

Definições – Razão de redução de queima (turn-down ratio) é a capacidade de

operar além do valor mínimo de liberação de calor. Exemplo: 3/1 é

um queimador que pode operar a 3 vezes sua capacidade mínima.

Representa a flexibilidade do queimador.

– Ar primário é o ar diretamente misturado ao combustível.

– Ar secundário é o ar injetado na periferia do queimador e serve para

completar a queima, resfriar os gases de combustão e confinar a

chama numa região desejada.

– Retorno de Chama é o fenômeno causado quando a velocidade de

chama da mistura combustível é maior que a velocidade de injeção

da mistura no queimador.

– Sopro ou Descolamento de Chama ocorre quando a velocidade de

chama da mistura combustível é menor que a velocidade de injeção

da mistura no queimador. É o oposto do retorno de chama.

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QUEIMADORES INDUSTRIAIS

Tipos

– Queimadores de gás

Aspirante (tubo Venturi)

Queima Direta (válvula borboleta

ou ventaneiras operando por

convecção natural)

– Queimadores de líquidos

Injetor:

– Mecânico

– Vapor d’água

(para óleo combustível)

– Ar comprimido

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QUEIMADORES INDUSTRIAIS

Tipos

– Queimadores de líquidos

Tiragem natural ou forçada

– Queimadores combinados

Podem usar gás e/ou

combustível líquido

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QUEIMADORES INDUSTRIAIS

Tipos

– Queimadores de alta eficiência

• Baixa emissão de NOx

• Alta razão de mistura por

turbilhonamento

do ar (swirl).

• Recirculação de gases

queimados.

• Exige tiragem forçada.

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QUEIMADORES INDUSTRIAIS

Dimensionamento de queimadores – Capacidade de liberação de calor

– Razão de redução de queima

– Pressão de operação

– Pressão de alimentação de combustível, ar e fluidos

auxiliares (água, vapor ou ar comprimido)

– Razão de mistura ar/combustível(s)

– Consumo de fluidos auxiliares

– Distâncias mínimas entre queimadores e das paredes

(é função do comprimento e diâmetro da chama)

– Nível de ruído (<90 dB(A) é o ideal)

– Emissão de CO2 e NOx por kg de combustível

– Prever 20% mais capacidade que a nominal para

especificar o número de queimadores, visando

manutenção e sobrecarga do forno.

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QUEIMADORES INDUSTRIAIS

Intercambiabilidade de gases combustíveis – Um queimador pode operar com diferente gases, sem

necessitar grandes ajustes, desde que:

Não apresente retorno ou sopro de chama.

Manter o fluxo térmico do queimador.

Apresentar uma combustão eficiente.

Não aumentar as emissões de poluentes.

– O Índice de Wobbe (IW) é usado como critério desta

intercambiabilidade. O limite aceitável de diferença entre os índices é de E5%.

comb

W

PCSI

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QUEIMADORES INDUSTRIAIS

Intercambiabilidade de gases combustíveis – Outro índice é o Fator de Velocidade de Chama de

Weaver (S) que permite verificar se haverá

mudança de posição da chama.

– Outros métodos são: Múltiplos índices da

AGA e o Índice de Knoy

2Oinertes

i.combi

X8,18X511

BXS

s/cm275U

1paraU10011

U

UB

0

HL

0

L0

HL

0

iL

i

2

2

Gás Bi

Hidrogênio 339

CO 61

Metano 148

Etano 301

Propano 398

n-Butano 513

i-Butano 513

Pentano 600

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QUEIMADORES INDUSTRIAIS

Intercambiabilidade de gases combustíveis

– Outros métodos são: Múltiplos índices da AGA e o

Índice de Knoy

Weaver flame speed factor

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REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Laminar

Exemplo – Comparar o índice de Wobbe do metano

e do n-butano, a 1 atmosfera e 45 oC.

Exercício – Qual a

velocidade de queima do

CO em relação ao

hidrogênio?

Temperatura 45 oC 318,15 K

Pressão 1 atm 101325 Pa

Runiversal 8314 J/(kg.K)

Condições Normais

Temperatura 0 oC 273,15 K

Pressão 1 atm 101325 Pa

PM Ar 28,84 kg/kmol

Massa específica 1,2868 kg/m3

Caloria 4,18 Joule

PCS

(kcal/kg)

PCS

(kJ/kg)

PM

(kg/kmol)

Massa

Específica

(kg/Nm3)

PCS

(kJ/Nm3)

Massa

Específica

(kg/m3)

Densidade

Relativa ao

Ar

Índice

Wobbe

kJ/Nm3

Índice

Wobbe

kcal/Nm3

Metano CH4 13.249,0 55.380,8 16 0,7139 77.577,2 0,6129 0,4763 112.405,4 26.891,2

n-Butano C4H10 11.822,0 49.416,0 58 2,5878 19.095,6 2,2218 1,7266 14.532,2 3.476,6

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BIBLIOGRAFIA

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS

TÉCNICAS. NBR 5484: Motores alternativos de

combustão interna de ignição por compressão

(Diesel) ou ignição por centelha (Otto) de

velocidade angular variável – Ensaio – Método de

ensaio. Rio de Janeiro, 1985.

BARROS, J. E. M. Estudo de Motores de

Combustão Interna Aplicando Análise Orientada a

Objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado,

Engenharia Mecânica, UFMG, 2003.

13

BIBLIOGRAFIA

BAUKAL Jr., C. E. Air-oxy/Fuel Burners. In:

Industrial Burners Handbook, BAUKAL Jr., C. E.

(ed.). Boca Raton: CRC Press, 2003.

COSTA, M. Combustão sem Chama Visível

(Flameless Combustion). Palestra, II Escola de

Combustão. São José dos Campos: RNC, 22-26

de Junho de 2009.

ESCOLA DE COMBUSTÃO em

http://redenacionaldecombustao.org/escoladecomb

ustao/, jan/2011.

14

BIBLIOGRAFIA

GARCIA, R. Combustíveis e Combustão Industrial.

Rio de Janeiro: Interciência, 2002.

GLASSMAN, I. Combustion. New York: Academic

Press, 1977.

KUO K. K. Principles of Combustion. New York:

John Willey & Sons, 1986.

LEFEBVRE, A. Gas Turbine Combustion.

Philadelphia: Taylor&Francis, 1998.

LEVENSPIEL, O. Engenharia das Reações

Químicas. São Paulo: Edgar Blucher, vol. 2, 1974.

15

BIBLIOGRAFIA

REDE NACIONAL DE COMBUSTÃO (RNC) em

http://redenacionaldecombustao.org/, jan/2011.

SHARMA, S. P. et MOHAN, C. Fuels and

Combustion. New Delhi: Tata McGraw-Hill, 1984.

SMITH, J. M. e VAN NESS, H. C. Introdução a

Termodinâmica da Engenharia Química. Rio de

Janeiro: Guanabara Dois, 3ª Ed.,1980.

STREHLOW, R. A. Combustion Fundamentals. New

York: McGraw-Hill, 1988.

16

BIBLIOGRAFIA

TURNS, S. R. An Introduction to Combustion:

Concepts and Applications. Boston: McGraw-Hill,

2000.

WILLIAMS, F. A. Combustion Theory. New York:

Benjamin Cumings Pub., 1985.