Processo de Combustão

O processo de combustão caracteriza-se por uma reação exotérmica muito rápida entre combustível e oxidante, acompanhada por liberação de calor. Em geral, os elementos químicos nos combustíveis responsáveis pela liberação de calor são carbono, hidrogênio e enxofre. O processo de combustão pode ser descrito por uma reação química simples:

Combustível + Oxidante ⇒ Produtos

Onde o combustível e o oxidante são comumente chamados de reagentes. O termo combustão completa é usado para descrever a reação ideal de combustão, quando todo o carbono, hidrogênio e enxofre são oxidados para dióxido de carbono (CO2), água (H2O) e

dióxido de enxofre (SO2), respectivamente. Quando a oxidação parcial dos reagentes

ocorre, a reação é chamada de combustão incompleta.

Na maior parte das aplicações de combustão, o oxidante é o ar atmosférico, cuja composição volumétrica aproximada é 78,08% de nitrogênio, 20,95% de oxigênio, 0,93% de argônio, 0,03% de dióxido de carbono e 0,01% de outros gases (neônio, hélio, metano etc.) (SILVA, 2006). Para fins de cálculo, considera-se o ar como tendo 21% em volume de oxigênio e 79% de nitrogênio. Em diversos processos, utiliza-se combustão com ar enriquecido com oxigênio, que apesar do custo do oxigênio, pode-se obter um processo economicamente atraente, devido ao potencial de obtenção de elevadas taxas de geração do produto industrial de interesse. Neste caso, o oxidante é descrito pela sua proporção volumétrica de oxigênio na mistura, que começa em 21%, podendo ir até 100%.

Em aplicações industriais, excesso de ar é quase sempre necessário para completar o processo de combustão. Para combustíveis gasosos, fornece-se um excesso de ar em torno de 1 a 2%, enquanto que, para combustíveis líquidos, entre 5 e 10%. Para combustíveis

sólidos, como carvão não pulverizado, o excesso de ar pode chegar a 25% (Gill, citado por PEREIRA, 2008). Em processos de incineração, é comum se trabalhar com excessos de ar acima de 100% (Dempsey, citado por PEREIRA, 2008). Para o caso da celulignina, PINATTI et al. (2001) mostra que é possível queima total com 12% de excesso de ar.

Três parâmetros são utilizados para representar a quantidade de ar requerida na combustão de um dado combustível (SILVA, 2006), sendo eles: Razão ar/combustível (AC), Razão combustível/ar (CA) e Razão de equivalência (φ).

Segundo PEREIRA, (2008), a razão ar-combustível é definida como a razão em massa entre o ar fornecido e o combustível. A razão combustível-ar é a recíproca da razão ar-combustível. Essas duas quantidades também são definidas em base molar. A razão de equivalência, φ, é definida como a razão entre o número de átomos de oxigênio presentes na reação estequiométrica e o número real de átomos de oxigênio na reação:

φ > 1 → combustão rica φ = 1 → estequiométrica φ < 1 → combustão pobre

Deve-se observar que a definição da razão de equivalência considera o oxigênio que pode estar presente em alguns combustíveis. Assim, um valor de φ < 1 (combustão pobre) representa um processo de combustão com menos combustível (ou mais ar) que no caso estequiométrico. De outra maneira, um valor de φ > 1 indica combustão rica.

2.6.1 Combustão de Sólidos

Sólidos podem ser queimados de diversas maneiras, com uma larga faixa de eficiência (Farouq, citado por PEREIRA, 2008). Como exemplo de combustíveis sólidos tem-se o carvão mineral, carvão vegetal, madeira/biomassas, os propelentes, entre muitos. Exemplos de como estes podem ser queimados são os reatores pulverizados, combustores pulsantes, caldeiras de leito fluidizado, câmaras de combustão de foguetes, entre tantos outros meios.

2.6.1.1 Queima Via Pulverização

A combustão de uma partícula pulverizada de carvão (BROWN et al., 1980) pode ser dividida em três etapas:

• Etapa a: Desgaseificação e ignição das matérias voláteis;

• Etapa b: Queima das matérias voláteis;

• Etapa c: Queima do carvão restante.

As três etapas mencionadas acima podem ocorrer em sequência, isoladamente ou simultaneamente. Isto será determinado por parâmetros tais como: tamanho da partícula, composição do carvão, taxa de aquecimento e quantidade de oxigênio disponível para a combustão. A Figura 17 mostra a combustão de uma partícula de carvão (ASSIS, 1998).

Figura 17. Esquematização da combustão de uma partícula de carvão (ASSIS, 1998). 2.6.1.2 Tipos de Ignição

Quanto à ignição, três tipos de mecanismos podem ocorrer:

I - Ignição e queima dos materiais voláteis; Aumento da temperatura e Ignição da partícula; II - Ignição dos materiais voláteis e da partícula simultânea;

Segundo BURGER & SAHUQUET (1972), a predominância de um ou outro mecanismo vai depender essencialmente da taxa de aquecimento e do tamanho da partícula. As seguintes observações podem ser feitas:

• Partículas muito pequenas tendem a apresentar uma combustão do tipo III;

• Taxas de aquecimentos muito elevadas favorecem o mecanismo II, ou seja, ignição das matérias voláteis e da partícula simultaneamente;

• Partículas de tamanho muito elevado há um predomínio do mecanismo I, que envolve: ignição e queima dos materiais voláteis, elevação da temperatura e, finalmente, ignição da partícula.

No caso da injeção de carvão junto às ventaneiras do alto-forno, estima-se que o tempo de residência das partículas na zona de combustão seja da ordem de 20 ms (ASSIS, 1998). Como nesse intervalo de tempo, a partícula sofre uma variação de temperatura de cerca de 2000oC, sua taxa de aquecimento será da ordem de 105 oC/s. O mecanismo de ignição II deve ser o que predomina no alto-forno, e de modo geral, pode-se dizer que a diminuição no tamanho da partícula provoca um aumento na queima do carvão. Korthas, citado por ASSIS (1998) classificou os carvões em três faixas granulometria, de acordo com seu comportamento durante a combustão: Menor que 0,1 mm; entre 0,1 e 1 mm e maior que 1 mm.

Para partículas menores que 0,1 mm o teor de voláteis é o fator mais importante com estas partículas tendendo a apresentar o mecanismo III. As partículas entre 0,1 e 1,0 mm tendem a apresentar o mecanismo II, enquanto que nas partículas maiores que 1 mm há um predomínio do mecanismo I sendo a taxa de transferência de calor na partícula o parâmetro mais importante na combustão (neste caso, o teor de cinzas e a porosidade passam a ter o efeito sobre a queima do carvão) (Korthas, citado por ASSIS, 1998).

2.6.1.3 Fenomenologia da Desvolatilização

Os fenômenos que alteram a desvolatilização são a temperatura, a taxa de aquecimento, o tamanho da partícula, a pressão e o “rank” (grau de metamorfose) do carvão.

A temperatura do gás de arraste e o tamanho da partícula têm uma grande influência na taxa de aquecimento do processo de queima de carvões pulverizados em leito de arraste (SAXENA, 1990). À medida que se tem um aumento da taxa de aquecimento das partículas de carvão, observa-se um aumento na proporção de voláteis e do peso molecular médio destes. SAXENA (1990) mostrou que partículas com diâmetro menor que 100 µm têm a desvolatilização controlada pela cinética de sua reação química e partículas maiores serão influenciadas pelo transporte dos voláteis até a superfície. A palavra-chave da geração de voláteis é a “reação secundária”, que ocorre com os gases condensáveis (alcatrão), que podem reagir com a partícula diminuindo a produção total de voláteis. Quanto mais rápida for a geração e a saída dos gases da partícula, maior a sua produção, pois menor será a reação secundária. A condição mais favorável para a emissão dos voláteis é a combinação de alta temperatura, alta taxa de aquecimento e baixo tamanho de partícula, como as condições encontradas na combustão de carvões pulverizados.

O efeito da pressão na desvolatilização é explicado pela temperatura de vaporização dos gases, pois quanto maior a pressão a que a partícula se encontra, maior a temperatura de vaporização dos gases condensáveis, o que aumenta o tempo de residência dos voláteis na partícula, favorecendo as reações secundárias.

Quanto ao “rank” do carvão, a ASTM classifica os carvões de acordo com a matéria volátil, um ensaio padrão em base seca isenta de matéria mineral. A classificação se dá conforme a norma ASTM D 388 (2004) (Anexo 1) que divide os carvões em turfa, lignito, sub-betuminoso, betuminoso e antracito. A turfa é o de menor “rank”, com maior teor de matéria volátil, e o antracito o maior “rank”, com menor teor de matéria volátil. Os carvões betuminosos são carvões aglomerantes, tendo uma sub-divisão própria, sendo classificado em carvões alto-volátil A, B e C, carvões médio voláteis e carvões baixo voláteis. São os carvões normalmente utilizados na fabricação de coque metalúrgico. Segundo NISKA (1991), a quantidade de voláteis condensáveis é maior nos carvões betuminosos alto-voláteis, mas a relação mássica condensáveis/não condensáveis aumenta com o “rank” do carvão.

Segundo SOLOMON et al. (1992), outro fator que altera o comportamento dos carvões ao serem pirolisados é a presença de fluidez. A fluidez é característica dos carvões betuminosos coqueificáveis, mas sob altas taxas de aquecimento, outros carvões podem apresentar uma fluidez marginal. Carvões que apresentam fluidez são chamados de carvões plásticos.

Autores como Howard, Essenhigh, Badzioch e Hawskley, citados por CABRAL (1996), descreveram que a ordem de grandeza do tempo de desvolatilização é de 1/10 do tempo para a queima total da partícula de carvões pulverizados. O teor de voláteis de um determinado carvão pode chegar até a 70%, sendo que os voláteis controlam a ignição das partículas, são responsáveis pela temperatura e estabilidade das chamas no processo de combustão, controlam o comportamento plástico dos carvões como a fluidez, o inchamento e aglomeração das partículas, a reatividade e a estrutura física do semicoque e a formação de fuligem durante o processo de queima de carvões pulverizados. Por todos estes fatores tem-se que a desvolatilização exerce um papel importante na queima de carvões pulverizados.

Quanto à queima dos voláteis, existem dois mecanismos descritos por LEVENSPIEL (1999): o de reação homogênea e o de reação heterogênea. No mecanismo de reação heterogênea, os voláteis são queimados na superfície da partícula. A ocorrência deste mecanismo de queima se dá, principalmente, no início e no final do processo de desvolatilização, e depende do “rank” do carvão. No mecanismo de reação homogênea, a queima dos voláteis ocorre na fase gasosa que envolve a partícula de carvão. O oxigênio não atinge a partícula. Neste mecanismo a taxa de difusão do oxigênio até a superfície da partícula é menor que a taxa de emissão de voláteis na superfície desta. Existe, consequentemente, um acúmulo de gás entre a superfície da partícula e a chama. O acúmulo de gases condensáveis nesta região pode dar início às reações secundárias, originando a fuligem. Este comportamento tem sido observado em carvões alto-voláteis, devido ao seu elevado teor de voláteis condensáveis. SAUSMIKAT (1994) correlaciona a ignição da partícula de carvão com a desvolatilização. Os carvões alto-voláteis, por exemplo, têm uma desvolatilização e/ou ignição mais precoce que um carvão baixo-volátil.

A queima do semicoque é considerada como a etapa limitante do processo de queima dos carvões pulverizados, pois este tem a cinética mais lenta do processo de queima de carvões pulverizados. SAXENA (1990) e LAU & NIKSA (1992) citam que quanto maior a extensão da desvolatilização, maior a reatividade do semicoque, devido ao aumento da sua superfície específica.