Turbulência e Combustão
Combustão
Introdução
O consumo de energia a nível mundial tem aumentado contínua e crescente a partir da revolução industrial e todas as projecções para este século são unânimes na previsão da manutenção desta tendência.
A queima de combustíveis fósseis tem sido o principal processo para obter a energia requerida para consumo
final, com as contribuições menores da energia nuclear e da energia hidroeléctrica, e com uma fracção residual, mas
crescente, das energias renováveis.
Contudo, há motivos imperativos para que uma fracção
Introdução
Esses motivos são essencialmente as reservas de
combustíveis fósseis, especialmente do petróleo, e os poluentes emitidos na queima na queima desses
combustíveis, incluindo o CO2.
O CO2, apesar de não ser um poluente no sentido clássico do termo, provoca o efeito de estufa, cujas as
consequências no clima se começam a fazer sentir e poderão atingir proporções dramáticas se não forem alteradas as políticas energéticas.
Apesar disso, é consensual que os processos de combustão continuarão, nas décadas mais próximas, a ser
Introdução
É necessário compreender esses processos para atingir elevadas eficiências de combustão, sem comprometer a
segurança, fiabilidade e o tempo de vida dos equipamentos, bem como limitar, tanto quanto possível, as emissões para a atmosfera.
A compreensão do fenómeno de combustão é também
necessário na tomada de medidas preventivas de incêndios ou explosões e, no caso da ocorrência, no modo de controlo e de minimização das consequências
Definição de combustão
A combustão é um fenómeno tão comum que, para a maioria das pessoas, dispensará definição.
Não é fácil em poucas palavras exprimir exactamente o que é combustão.
Em alguns livros de combustão é omitida a definição, p.ex.:
- Spalding, Combustion and Mass Transfer, 1979;
- Kuo, Principles of Combustion, 1986;
- Glassman, Combustion, 1996;
-Warnatz et al., Combustion: Physical and Chemical
Definição de combustão
Chomiak, Combustion. A Study in Theory, Fact and Application, 1990;
A combustão é geralmente uma reacção química rápida, acompanhada pela libertação de calor e pela emissão de luz.
Esta definição não esclarece que a reacção química global é constituída por um conjunto de reacções elementares, as
Definição de combustão
Keating, Applied Combustion, 1993;
A combustão é uma qualquer reacção química na fase
gasosa, relativamente rápida, que liberta uma quantidade significativa de energia sobre a forma de calor.
Esta definição não comtempla de forma adequada as
reacções em que os reagentes não se encontram na forma gasosa.
Definição de combustão
Borman e Ragalnd, Combustion Engineering, 1998;
Definem combustão como reacções que ocorrem
rapidamente com significativa conversão de energia química em energia sensível.
Esta definição não é precisa porque o ponto a partida do qual uma reacção é caracterizada como reacção de
combustão é um tanto arbitrário.
Definição de combustão
Turns, An Introduction to Combustion, 2000;
Define combustão como uma oxidação rápida que liberta calor, ou simultaneamente luz e calor.
O adjectivo rápida introduz uma certa subjectividade na definição.
Definição de combustão
Liñán e Williams, Fundamental Aspects of Combustion, 1993;
Combustão a ciências das reacções químicas exotérmicas em escoamentos com transmissão de calor.
Talvez a definição mais abrangente.
Campos de aplicação
A combustão é o principal processo de “produção de energia”.
“Produção de energia” – apesar de uso corrente, é um abuso de linguagem, dado que a energia não é produzida em processo de combustão, mas sim convertida de energia química em energia térmica, podendo esta ser
posteriormente convertida em energia mecânica e/ou em energia eléctrica.
Campos de aplicação
A combustão desempenha um papel primordial na produção e no tratamento térmico de materiais essenciais à
industria, p.ex.:
- o ferro;
- o aço;
- metais não ferrosos;
- vidro;
- materiais cerâmicos;
Campos de aplicação
O tratamento de resíduos industriais e sólidos urbanos envolve, com frequência, processos de inceneração ou co- incineração, ou seja processos de combustão que visam a eliminação desses resíduos.
Transportes aéreos e a grande maioria dos transportes marítimos e dos veículos automóveis deslocam-se à custa da energia libertada na queima de combustíveis líquidos em motores de combustão interna ou turbinas de gás.
Os comboios, embora muitos sejam eléctricos, estão
Campos de aplicação
O aquecimento, quer de residências particulares quer em instituições públicas e privadas (escritórios, fábricas,
hospitais, universidades,… ) passa pela combustão em caldeiras.
Diversos tipos de equipamento doméstico ou industrial utilizam também processos de combustão, p.ex.: fogões, esquentadores e equipamentos de soldadura.
Nestas aplicações a combustão é deliberadamente
Campos de aplicação
Existem situações em que a combustão se inicia,
geralmente, de forma não premeditada é o caso dos incêndios, seja em florestas, áreas agrícolas, instalações industriai, doméstica ou meios de transporte.
Nestes casos, a combustão é indesejada e o problema
consiste em actuar a nível da prevenção e da minimização das consequências.
Combustíveis
Os combustíveis são as substâncias que, quando aquecidas, sofrem uma reacção química de oxidação, utilizando na
maioria dos casos o oxigénio constituinte o ar, com libertação de calor.
Os combustíveis podem ser classificados em:
- sólidos;
- líquidos;
- gasosos.
Os combustíveis podem ser classificados como:
Combustíveis
Os principais combustíveis fosseis são:
- os derivados do petróleo bruto (gasolina, gasóleo, querosene, fuel-óleo);
- o carvão;
- gás natural.
A biomassa consiste principalmente na madeira, resíduos vegetais e lixo municipal e industrial.
Equipamentos de Combustão
Os principais equipamentos de combustão são:
- os motores de combustão interna;
- as câmaras de combustão de turbinas de gás;
- os fornos;
- as caldeiras;
- as incineradoras.
Os motores de combustão interna podem distinguir-se:
- os motores de explosão;
Equipamentos de Combustão
Os motores de explosão mais antigos, a gasolina mistura-se com os ar no carburador, que fornece uma mistura de
pequenas gotas de combustíveis dispersas no seio do ar e que vaporizam rapidamente, formando uma mistura de vapor de combustível e ar.
Nos motores de compressão, o gasóleo é introduzido no seio do ar comprimido sob a forma de spray formado pela injecção de combustível através de pequenos orifícios.
As turbinas a gás são usadas na aviação e na produção de energia. Utilizam sobretudo combustíveis líquidos
Equipamentos de Combustão
No primeiro caso, o combustível é fornecido sob a forma de um spray de pequenas gotas originadas por um atomizador, enquanto no segundo caso o combustível não requer
preparação especial.
Os fornos são usados em múltiplas aplicações industriais, p.ex., em processos de fabrico e tratamento térmico de materiais, tais como o aço, o alumínio, o vidro, materiais cerâmicos, cimento, em processos de secagem, …
Utilizam uma vasta gama de combustíveis, incluindo gás natural, querosene, fuel-óleo, e carvão.
Equipamentos de Combustão
As caldeiras produzem vapor de H2O, utilizado para a produção de energia eléctrica, aquecimento de H2O e processos industriais.
As caldeiras de pequena dimensão, de utilização doméstica, comercial e industrial, queimam gás ou
querosene, enquanto as caldeiras de maior dimensão são alimentadas a fuel-óleo ou carvão, sendo o carvão
progressivamente mas utilizado em detrimento do fuel- óleo.
No caso do carvão, este pode ser queimado sob forma de
Equipamentos de Combustão
As incineradoras são equipamentos utilizados para a queima de resíduos urbanos e industriais.
Ao contrário dos restantes equipamentos, o objectivo principal das incineradoras é precisamente a queima do combustível, ou seja, resíduos.
A energia libertada nessa queima é utilizada para a produção de energia eléctrica e/ou térmica.
A incineração é usada desde há muitos anos, mas
apresenta renovado interesse devido à escassez de terrenos
Combustão e ambiente
Os principais poluentes resultantes da combustão são:
- o CO;
- os hidrocarbonetos não queimados;
- o NOx (inclui NO e NO2);
- o SO2;
- e as partículas sólidas.
Estes poluentes podem causar problemas de saúde,
“smog”, chuva ácida, a destruição da camada do ozono, e o
Combustão e ambiente
Consequentemente, nas décadas mais recentes tem sido publicada legislação que limita os níveis máximos de
emissões, o que por sua vez tem obrigado a tomar diversas medidas para diminuir as emissões, de modo a satisfazer os requisitos legais.
As emissões dos poluentes gerados em processos de combustão têm diminuído nos últimos anos em muitos
países industrializados, devido à introdução de medidas de controlo da poluição, quer a nível de modificações durante o processo de combustão quer após a combustão.
Combustão e ambiente
Consequentemente, nas décadas mais recentes tem sido publicada legislação que limita os níveis máximos de
emissões, o que por sua vez tem obrigado a tomar diversas medidas para diminuir as emissões, de modo a satisfazer os requisitos legais.
As emissões dos poluentes gerados em processos de combustão têm diminuído nos últimos anos em muitos
países industrializados, devido à introdução de medidas de controlo da poluição, quer a nível de modificações durante o processo de combustão quer após a combustão.
Combustão e ambiente
Ainda na EU, dados relativos a 2000-2009 apontam para uma redução de partículas sólidas de diâmetro inferior a 10m e a 2,5m de 20% e 14%, respectivamente.
Os principais responsáveis pelas emissões de SO2 em processos de combustão são o sector de produção e
distribuição de energia eléctrica e a indústria, responsáveis por 64% e 21% das emissões.
As emissões de NOx devem-se, sobretudo, aos sectores dos transportes, produção e distribuição de energia eléctrica e indústria, responsáveis por 49%, 21% e 15% das emissões,
Combustão e ambiente
As emissões de CO são mais elevadas nos transportes e nos edifícios de habitação/serviços, os quais contribuem para 36% e 37% dessas emissões, respectivamente.
As emissões de partículas sólidas são mais elevadas nos transportes, 16% e 18% para partículas sólidas de diâmetro inferior a 10m e a 2,5m, respectivamente, e nos edifícios de habitação/serviços, 37% e 48% para partículas sólidas de diâmetro inferior a 10m e a 2,5m, respectivamente.
As emissões SO2 de resultam da queima de combustíveis com enxofre na sua composição, sendo o decréscimo nas
Combustão e ambiente
A diminuição das emissões NOx é fundamentalmente
conseguida através da introdução de conversores catalíticos nos veículos automóveis, à mudança de combustíveis para outros com menos teor em azoto no sector de produção de energia e a modificações no processo de combustão.
As emissões de CO são devidas à combustão incompleta dos combustíveis e a sua redução deve-se ao melhoramento no controlo da combustão nos veículos automóveis e ao
aumento dos veículos com motores Diesel.
A redução das emissões de partículas sólidas é conseguida
Combustão e ambiente
Mais recentemente, foi reconhecido que o CO2,
tradicionalmente considerado como não poluente, tem também efeitos nefastos, na medida em que provoca o efeito de estufa que se presume poder conduzir a um aquecimento global da atmosfera.
As emissões de CO2 resultantes da combustão têm
aumentado e prevê-se que essa tendência se mantenha, com uma taxa de crescimento anual de 1,3% entre 2008 e 2035.
Para esse aumento contribuirão principalmente os países
