CAPÍTULO 3 COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO

1

CAPÍTULO 3

2

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

3

COMBUSTÃO

É a combinação química da substância que queima

(COMBUSTÍVEL),

com o oxigênio do ar (COMBURENTE),

4

5

Ausência de combustível

NÃO EXISTIRÁ COMBUSTÃO NA:

Ausência de Comburente (ar)

Ausência de temperatura

6

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

7

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)

8

COMPOSIÇÃO DO COMBUSTÍVEL

9

COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS

- Foram amplamente utilizados nas indústrias do Brasil;

- Fácil transporte, armazenamento e operação; - São basicamente derivados do petróleo;

10 PROCESSOS DE REFINO Torre de destilação a vácuo Torre de craqueamento catalítico

11

ÓLEO COMBUSTÍVEL

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

12

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:

13

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);

14

COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS

Os principais combustíveis sólidos são: LENHA e CARVÃO MINERAL

CARVÃO MINERAL

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

15 CARVÃO SENDO TRANSPORTADO PELO RIO

16 DEPÓSITO DE CARVÃO MINERAL EM UMA CENTRAL TERMELÉTRICA

17 COMPOSIÇÃO DOS CARVÕES LATINO AMERICANOS

18 COMPOSIÇÃO DOS CARVÕES NACIONAIS

19

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

20

BIOMASSA

- Bagaço da cana é usado nas usinas de açúcar e álcool; - Não é todo consumido pela industria;

21 COMBURENTE

- Elemento fundamental para combustão; - É o AR ATMOSFÉRICO - OXIGÊNIO

22 COMPOSIÇÃO DO AR ATMOSFÉRICO

NITROGÊNIO – OXIGÊNIO – VAPOR DE ÁGUA – DIÓXIDO DE CARBONO – ARGÔNIO – NEÔNIO – OUTROS GASES

23 TEMPERATURA DE COMBUSTÃO

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

“PONTO DE INFLAMAÇÃO”

24 REAÇÕES QUÍMICAS BÁSICAS DA COMBUSTÃO

Elementos combustíveis

Reações químicas notáveis nas fornalhas

C + ½ O2 CO

H2 + ½ O2

H

2

O

C + O2 CO2

25 TODAS AS REAÇÕES QUÍMICAS VISTAS SÃO EXOTÉRMICAS

LIBERAM CALOR

CALOR DE COMBUSTÃO

26 PODER CALORÍFICO

É a quantidade de calor liberada pela combustão completa

de uma unidade de massa de um combustível

27 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

28 Nos cálculos de combustão é utilizado sempre o PCI

29 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



W

H



S

O

H

C

Pci

2200

.

600

9

.

8

.

34100

.

8140

















 





(Kcal/kg)

Para óleos combustíveis

)

.

2100

12400

(

d

2

Pci





(Kcal/kg)

30

31

FATORES QUE INFLUENCIAM A VELOCIDADE DA COMBUSTÃO

32 Temperatura do combustível

33 Área específica do combustível

34 Existência de não queimáveis no combustível

35 Volume do ar de combustão

36 Características da fornalha (câmara de combustão)

37 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

38

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

39

INCOVENIENTES DO ENXOFRE

SO2

+ ½ O

2 SO3

SO3

+ H

2O H2 SO4

(Ácido sulfúrico)

ALTAMENTE

40 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

kg

S

O

H

C

m

ar

4

,

32

.

8

.

56

,

34

.

55

,

11

*



























_











 





comb ar ar

kg

m

S

O

H

C

V

3 *

.

33

,

3

8

.

65

,

26

.

85

,

8







































 





comb gases g

kg

kg

S

O

H

C

m

5

,

32

.

8

.

56

,

35

.

55

,

12

*







































 





comb gases g

kg

m

S

O

H

C

V

3 *

.

31

,

3

8

.

52

,

31

.

84

,

8

Massa de ar estequiométrica Volume de ar estequiométrica Massa de gases estequiométrica Volume de gases estequiométrica

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

Para combustíveis sólidos













_



0

,

5

1000

.

01

,

1

*

Pci

V

_ar (m3/kg)













_



1

,

65

1000

.

89

,

0

*

Pci

V

_g (m3/kg)

Para óleos combustíveis













_



2

1000

.

85

,

0

*

Pci

V

_ar (m3/kg)















1000

.

10

,

1

*

Pci

V

_g (m3/kg)

42

43

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

44

INCOVENIENTES DA COMBUSTÃO INCOMPLETA

-45

INCOVENIENTES DA COMBUSTÃO INCOMPLETA

-46

INCOVENIENTES DA COMBUSTÃO INCOMPLETA

-47 DETERMINAÇÃO DO EXCESSO DE AR (e)

(CONDIÇÕES DE COMBUSTÃO REAIS)

*

.

_ar ar

e

V

V 

*

(

1

).

* ar

V

e

V

V

_g



_g





*

.

_ar ar

e

m

m 

*

(

1

).

* ar

m

e

m

m

_g



_g





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 ar

V

g

V

g

m

ar

m

48

49 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.























é cha

CO

CO

e

min 2 2 *

%

%

* 2 *

.

12

2240

%

ar

V

C

CO















50 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

52

54

55

VÍDEO – ANALIZADOR DIGITAL DE GASES DE COMBUSTÃO

56 CÁLCULO DO CALOR RESIDUAL NOS GASES DE

COMBUSTÃO

)

.(

.

c

t

₂

t

₁

V

Q



_{g p}



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

57 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

58

TEMPERATURA DA COMBUSTÃO

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

c

V

Pci

t

.



tc = temperatura teórica da combustão (ºC)

Seu cálculo é indicado para:

-Especificar o material da fornalha; -Especificar os queimadores;

-Fazer o balanço térmico; -Etc

59

60

FORNALHAS E QUEIMADORES

61 QUEIMA EM SUSPENSÃO

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

62 QUEIMADORES ou MISTURADORES

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

63

VÍDEO – QUEIMADOR FORA DA FORNALHA

64 QUEIMA EM GRELHA

65 QUEIMA EM SUPENSÃO OU GRELHA

66 DIMENSIONAMENTO DE FORNALHAS

- Área do suporte do combustível;

g g

S

B

K



Kg = carga da grelha (kg/m2.h)- tabelado; B = consumo de combustível (kg/h);

67 VOLUME DA FORNALHA c f

V

PCI

B

K



.

Kf = carga da fornalha (kcal/m3.h)- tabelado; Vc = volume da câmara de combustão (m3);

68