COMBUSTÃO E QUEIMADORES

COMBUSTÃO E QUEIMADORES

Ricardo Serfaty

CENPES/Engenharia Básica/

Equipamentos

Tel: 8126209 / +55 21 38656209

Fax: 8127147 / +55 21 38657147

Chave BR08

email:

rserfaty@cenpes.petrobras.com.br

Índice

COMBUSTÍVEIS ... 1

COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS ... 1

Petróleo como Fonte de Combustíveis Líquidos ... 1

Valores típicos de características de óleos combustíveis ... 2

Propriedades dos Combustíveis Líquidos ... 3

Densidade ... 3 Viscosidade ... 3 Resíduo de Carbono ... 6 Asfaltenos ... 6 Cinzas ... 6 Enxofre ... 8 Metais ... 8 Água e Sedimentos ... 8

Ponto de fulgor ( Flash Point )/Ponto de ignição ( Fire-Point ) 9 Ponto de Fluidez ... 9

COMBUSTÍVEIS GASOSOS ... 9

Velocidade de Propagação dos Gases ... 9

Temperatura de Chama ... 10

Poder Calorífico ... 10

Limite de Inflamabilidade ... 10

Faixa normal do número de WOBBE ... 11

Gases Combustíveis Típicos ... 11

COMBUSTÃO ... 14

Teoria da Combustão ... 15

Reações da Combustão ... 15

Variáveis da Combustão ... 16

Estequiometria da Combustão ... 17

Fundamentos Básicos Sobre os Pontos de Verificação para a

Operação de Fornos ... 21

Esquema Típico para o Ajuste de um Forno de Tiragem Natural 22 OPERAÇÃO DE FORNOS ... 23

Introdução ... 23

Excesso de ar ... 23

Mudanças nas Condições Operacionais ... 23

Formato de Chama ... 24 Turndown ... 24 COMBUSTÃO DE GASES ... 25 COMBUSTÃO DE LÍQUIDOS ... 26 Introdução ... 26 Combustíveis Líquidos ... 26 Combustão de Gotas ... 27 Nebulização do Combustível ... 28

Mecanismo de Formação de Sprays ... 28

Caracterização de Sprays ... 29

Princípios de Nebulização ... 30

Nebulização por pressão de líquido ... 30

Nebulização com fluido auxiliar ou pneumática ... 31

ESTAÇÃO DE AVALIAÇÃO DE SPRAYS ... 33

Técnica de Medição Diâmetro de Gota ... 34

Avaliação de Desempenho de Bocais Nebulizadores ... 35

Efeitos das Variáveis de Processo no Comportamento de

Chamas de Líquidos ... 38

Influência das Características do Combustível ... 39

Influência da Qualidade do Processo de Nebulização ... 39

Influência da Rotação do Fluxo de Ar ... 39

Influência da Temperatura da Câmara de Combustão ... 40

Influência da Te mperatura do Ar de Combustão ... 40

INTERCAMBIALIDADE DE COMBUSTÍVEIS ... 40

Mecanismos de Trocas de Calor em Processos de Combustão ... 40

Características dos Combustíveis ... 41

Comparação entre combustíveis ... 41

Comparação entre dois combustíveis ... 41

Emissividade dos Gases de Combustão ... 41

Influência da dimensão da câmara em relação à dimensão da chama na troca de calor ... 43

Intercambialidade de combustíveis gasosos ... 43

Intercambialidade de combustíveis líquidos ... 43

FUNDAMENTOS SOBRE QUEIMADORES ... 44

n Mistura Ar / Combustível ... 44 n Ignição e Estabilidade ... 44 Componentes do Queimador ... 45 n Burner Tile ... 45 n Registro de Ar ... 46 n Sistema de ar de combustão ... 46

QUEIMADORES PARA APLICAÇÕES INDUSTRIAIS ... 47

Queimadores Premisturados (Premix Burners) ... 47

Queimadores de mistura por bocais (Raw gas Burners) ... 49

Queimadores combinados (dual) óleo e gás de tiragem natural ... 51

Queimadores de baixo NOx ... 56

Outros Aplicações para Queimadores ... 61

Combustíveis Residuais ou de Baixo Poder Calorífico ... 61

Aquecedores de Ar ... 63

Queimadores para Caldeiras ... 63

INSTALAÇÃO, OPERAÇÃO, MANUTENÇÃO E PROBLEMAS COM AS LANÇAS DE ÓLEO ... 64

Instalação ... 64

Operação ... 64

Ignição Manual com Tocha Manual ... 65

Ignição Direta do piloto de gás ... 65

Ignição Direta a pa rtir de uma chama de baixa liberação de gás 65 Problemas de operação da lança de óleo ... 66

Falta de ar ... 66

Falta de pressão do fluido de atomização ... 67

Falta de vazão do fluido de atomização ... 68

Vapor úmido (com condensado) ... 68

Baixa Temperatura do óleo ... 68

Falha do bocal atomizador ... 69

Falha do estabilizador/difusor ... 70

Baixa vazão de óleo ... 70

Baixa pressão de óleo ... 70

Alta pressão do fluido de atomização ... 70

Vazamento na válvula de purga ... 70

Alta temperatura do vapor de atomização ... 71

Bico de óleo mal posicionado ... 71

Manutenção ... 72

POLUENTES GERADOS NA COMBUSTÃO... 73

Valores Padrões para Qualidade do Ar Ambiente Material Particulado ... 74

Emissão de Óxidos de Nitrogênio ... 78

Formação de NOx ... 78

NOx térmico ... 79

NOx combustível ... 81

Efeito do NOx na Saúde Humana ... 83

Emissão de Dioxinas ... 83

SISTEMAS DE CONTROLE DE EMISSOES DE COMBUSTÃO... 84

Coletores de pó mecânicos... 85

• Câmaras de Deposição Gravitacional ... 85

• Coletor Gravitacional com Obstáculos ... 85

• Coletores ciclônicos ... 85

• Coletores Multiciclônicos ... 85

• Filtro de Leito de Cascalho ... 86

• Lavadores Ventúri ... 86

• Filtros de Mangas ... 86

• Precipitador Elétrostático Seco ... 86

• Precipitador Elétrostático Úmido ... 87

Equipamentos de Absorção de Oxidos de Enxofre (SOx) ... 88

• Processos não regeneráveis (geram um resíduo como efluente) ... 89

• Processos Regeneráveis (não geram resíduos) ... 89

• Sistema de Absorção à Seco ... 89

Equipamento de Decomposição de Óxidos de Nitrogênio ... 90

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS

Os combustíveis líquidos utilizados nos mais diversos processos de aquecimento industrial são chamados genericamente de óleos combustíveis.

No Brasil o termo “óleo combustível” é empregado apenas na designação de frações pesadas, não incluindo portanto os subprodutos denominados genericamente destilados (querosene, óleo diesel, etc).

Petróleo como Fonte de Combustíveis Líquidos

O petróleo é constituido essencialmente de uma mistura de hidrocarbonetos onde os elementos preponderantes são o carbono (85 - 90%) e hidrogênio (10 -14%), com pequenas quantidades de enxofre (0,2 - 7%), nitrogênio (0,1 - 2%) e oxigênio (0 - 1,5%).

Compostos organo- metálicos podem estar presentes em pequenas proporções (da ordem de ppm), constituindo-se principalmente de ferro, níquel e vanádio.

Em função da multiplicidade de pesos moleculares dos diversos tipos de hidrocarbonetos presentes, os petróleos são classificados segundo três grupos que se diferenciam pela natureza e concentração de compostos quimicamente similares, denominados parafínicos, naftênicos e aromáticos. O conhecimento prévio da natureza do óleo crú, permite prever a natureza de seus derivados, principalmente no que diz respeito aos óleos combustíveis.

Os óleos crús de natureza parafínica apresentam preponderantemente hidrocarbonetos saturados de cadeias alifáticas, os de base naftênica apresentam hidrocarbonetos saturados de cadeias cíclicas, contendo um ou mais anéis, podendo ter ramificações do tipo parafínica, e os de base aromática ou asfáltica apresentam hidrocarbonetos insaturados que possuem pelo menos um anel benzênico, podendo estar ligados a anéis naftênicos ou a cadeias parafínicas ramificadas.

No processo de destilação obtém-se um resíduo no fundo da Torre de Destilação a Vácuo, denominado Resíduo de Vácuo (RESVAC), que pode ainda ser submetido a um processo de desasfaltação, gerando óleos com menor teor de asfaltenos, e um produto de fundo denominado Resíduo Asfáltico (RASF).

O RESVAC e o RASF são os principais constituintes dos óleos combustíveis residuais. A estas frações residuais são adicionadas frações mais leves, provenientes de outros processos, a título de diluição e adequação da composição às várias especificações de óleos combustíveis existentes.

O resíduo tem maior densidade, maiores teores de enxofre, incorpora a totalidade das cinzas e demais impurezas (vanádio e níquel) presentes no óleo crú, apresentando-se mais viscoso e com maior peso molecular.

Desta forma as propriedades dos óleos combustiveis, e como decorrência delas o seu comportamento durante as operações de manuseio, nos processos de nebulização e combustão e na emissão de poluentes são fortemente dependentes da natureza do petróleo.

óleos, nove dos quais identificados pelos números de 1 a 9, seguidos de letras A ou B. A classificação de 1 a 9 é feita em ordem crescente de viscosidade, e os complementos A ou B indicam alto ou baixo teor de enxofre respectivamente.

A Tabela a seguir apresenta valores típicos das características de alguns óleos combustíveis.

CARACTERÍSTICAS _{1A/1B 2A/2B 3A/3B 4A/4B 7A 8A}

DENSIDADE 1,017/0,95 7 1,018/0,96 4 1,024/0,983 1,012/0 ,980 1,031 1,042 FULGOR (oC) 103/84 121/86 98/80 101/88 160 - PONTO DE FLUIDEZ (oC) 13/6 6/12 15/38 - /- - 60 ENXOFRE (% peso) 3,8/0,8 3,9/09 4,0/1,0 4,3/1,0 4,6 4,8 CINZAS (% peso) 0,04/0,04 0,04/0,04 0,09/0,03 - /- - 0,05 P. CALORIF. SUP. (kcal/kg) 10.238/ 10.530 10.130/ 10.500 10.077/ 10.443 10.050/ 10.399 10.025 9.995 Teores de metais vanádio (ppm) 172/34 142/37 201/44 187/43 167 207 sódio(ppm) 19/40 13/41 18/51 21/31 9,2 25 níquel(ppm) 47/38 46/30 54/32 40/32 50 80 VISCOSIDADE (SSF) A : 65 oC 178/180 278/263 - /- -/ - 37.600 100.00 0 82,2 oC 73/81 102/140 278/262 590/61 1 6.110 15.750 100 oC 30/37 40/ - 101/105 180/20 2 1.410 3300 135 oC 15/ - - /20 27/29 34/38 168 330

Valores típicos de características de óleos combustíveis

A obtenção dos diferentes valores de viscosidades para os diversos tipos de óleos nacionais é feita mediante a adição de frações mais leves como diluente nas frações mais pesadas (RESVAC, RASF) em diferentes proporções, o que define também o custo final.

Resíduo de Vácuo

A Petrobras consome resíduo de vácuo puro nos fornos e caldeiras na maioria de suas refinarias. O produto de fundo da torre de destilação a vácuo é encaminhado diretamente para consumo sem nenhuma adição de diluentes e sem necessidade de aquecimento. O produto é normalmente retirado da torre acima de 3500C, temperatura maior do que a necessária para a queima, na faixa de 240 a 2700C. Para alcançar a temperatura adequada, é feito o controle de temperatura pela mistura com o RESVAC retirado da bateria de pré -aquecimento do petróleo com uma temperatura menor do que a de queima.

Este combustível também é fornecido para grandes consumidores, normalmente situados próximos às refinarias, sendo enquadrado para efeito de faturamento como óleo 8A.

Resíduo Asfáltico

Este combustível está disponível para consumo nas refinarias que dispõe do processo de desasfaltação a propano, ou seja, na REDUC, REPAR e REVAP. Estas refinarias estão adaptadas para o consumo desse combustível em seus fornos e caldeiras. Esta adaptação não é simples, requerendo a instalação de aquecedores elétricos para a obtenção da temperatura de queima, adaptação dos tanques de estocagem além da revisão de todo o anel de óleo combustível para eliminação de trechos sem circulação, melhoria dos traçadores de vapor e de isolamento térmico.

Propriedades dos Combustíveis Líquidos

São várias as propriedades definidas para os combustíveis líquidos, determinadas por diversos mé todos e ensaios padronizados, sendo importantes na sua caracterização e definições quanto aos aspectos relativos ao manuseio e processos de nebulização, combustão e emissão de poluentes.

Densidade

Densidade é definida como a massa contida em uma unidade de volume. Para petróleo e seus derivados é comum utilizar a densidade expressa em °API definido como:

5 131 15 5 141 , ) ( , − = C relativa densidade API _o o Viscosidade

A viscosidade é uma medida da resistência ao escoamento de um fluido, sendo importante para o manuseio dos combustíveis líquidos e para o processo de nebulização.

Define-se viscosidade cinemática como sendo a relação entre a viscosidade dinâmica e a densidade. Frequentemente utiliza-se o centistokes como unidade de viscosidade cinemática.

Existem várias escalas de viscosidade que se diferenciam no procedimento de medição e nas dimensões dos orifícios. A conversão de tempo t em segundos para stokes pode ser feita através das expressões da Tabela abaixo.

ESCALA DE VISCOSIDADE

FAIXA DE TEMPO VISCOSIDADE

CINEMÁTICA (STOKES) SSU (Standart Saybolt

Universal ) 32 < t < 100 0,00226 t - 1,95/t t > 100 0,00220 t - 1,35/t SSF ( Standart Saybolt Furol ) 25 < t <40 0,0224t - 1,84/t t > 40 0,0216 t - 0,60/t

A viscosidade de óleos combustíveis varia significativamente com a temperatura, com comportamento não linear. A equação de Walther, permite determinar aproximadamente a lei de variação da viscosidade com a temperatura de uma mistura de hidrocarbonetos líquidos.

log(log )ν = +a b.logT

onde:ν : viscosidade cinemática (centistokes);

T : temperatura absoluta em graus Rankine (°R = 1,8°k); a , b : constantes características de um determinado óleo;

Com a expressão acima, e conhecendo-se dois valores de viscosidade em diferentes temperaturas, é possível determinar os valores das constantes a e b e obter-se a expressão que permite estimar o valor da viscosidade do óleo numa larga faixa de temperaturas.

A Figura abaixo apresenta os valores típicos de viscosidade cinemática para os diversos óleos combustíveis nacionais, e os da especificação americana.

Posteriormente são apresentadas duas tabelas com as principais especificações dos óleos produzidos pela PETROBRAS.

Resíduo de carbono

O resíduo de carbono, expresso em porcentagem em peso, é uma medida da quantidade de material sólido remanescente quando o líquido é aquecido, sob condições específicas estabelecidas pelos métodos, em bulbo de vidro parcialmente fechado. Durante o aquecimento ocorrem fenômenos de evaporação das frações mais leves, e pirólise das frações de maior peso molecular, que ao se decomporem formam depósitos de material carbonáceo no interior do bulbo.

Os métodos mais utilizados são os denominados Ramsbottom e Conradson, sendo este último o mais usual para óleos combustíveis residuais. Os valores obtidos nos ensaios indicam tendências de formação de resíduos sólidos quando os óleos são submetidos a elevadas temperaturas, por exemplo, em processos de combustão.

Em geral o resíduo de carbono é tanto mais alto quanto maior a viscosidade do óleo. Os óleos de base naftênica geralmente apresentam valores mais elevados de resíduo de carbono do que os de base parafínica.

Asfaltenos

Asfaltenos são grandes estruturas de hidrocarbonetos aromáticos condensados com ramificações de cadeias parafínicas na periferia, contendo também átomos de enxofre, nitrogênio e vanádio na sua composição. Estas estruturas são pouco miscíveis no óleo, permanecendo em suspensão.

O teor de asfaltenos é expresso como uma fração em massa expressa em porcentagem, cuja determinação é feita mediante precipitação pela adição de um solvente não polar ao óleo combustível.

O teor de asfaltenos assim como o resíduo de carbono indicam tendências à formação de material particulado. O teor de asfaltenos, adicionalmente, está associado à formação de NOX , uma vez que os asfaltenos contém parcela considerável do nitrogênio combustível.

Cinzas

Cinzas são resíduos da combustão, compostas por óxidos que se apresentam normalmente no estado sólido à temperatura ambiente. As cinzas formadas na combustão são elutriadas (cinzas volantes) e/ou depositadas em geral nos cinzeiros. A cinza no combustível pode ter diversas origens, por exemplo:

a) impurezas, como elementos metálicos e semi- metais ou metalóides, presentes na estrutura molecular do combustível, devido à sua própria formação;

b) fragmentos de argila, areia, sais, pirita, etc. agregados ao combustível sólido ou misturados no combustível líquido (sedimentos);

c) fragmentos do solo misturados com o combustível na mineração e/ou manuseio. As impurezas do tipo b e c podem ser separadas (ou retiradas em parte) por processos físicos, tais como lavagem, decantação gravitacional ou centrífuga, flotação, destilação, filtragem. etc.

Como a combustão se processa a elevada temperatura, é necessário o conhecimento do comportamento das cinzas nessas condições para evitar inconvenientes provocados por operações inadequadas e orientar a escolha dos materiais refratários com

características compatíveis com as condições existentes no interior da câmara de combustão.

As propriedades de interesse, regularmente determinadas em análises laboratoriais, são composição química e fusibilidade da cinza.

A composição química das cinzas permite avaliar o seu comportamento quanto aos seguintes aspectos:

Ataque de refratários:

O ataque químico das cinzas aos refratários pode ser evitado ao escolher refratários com comportamento químico semelhante ao das cinzas.

Os óxidos presentes nas cinzas apresentam as seguintes tendências: - os óxidos de elementos metálicos são básicos;

- os óxidos de semi- metais são geralmente ácidos, tais como óxidos de silício, zircônio e titânio;

- excepcionalmente, alguns óxidos são neutros, como o óxido de alumínio.

Os materiais refratários que entram em contato com as cinzas devem ter baixa porosidade, pois as cinzas alojadas nos poros ao se dilatarem provocam rachaduras nas superfícies dos mesmos.

Amolecimento e fusão das cinzas:

O ensaio de fusibilidade determina as temperaturas inicial e final de amolecimento da cinza.

Observa-se uma influência acentuada do óxido de ferro na fusibilidade da cinza em atmosfera gasosa redutora, com sensível abaixamento da temperatura de amolecimento em relação à atmosfera gasosa redutora, com sensível abaixamento da temperatura de amolecimento em relação à atmosfera gasosa oxidante.

As cinzas compostas por óxidos só básicos ou só ácidos apresentam temperaturas de amolecimento superiores às cinzas obtidas com a mistura dos mesmos óxidos básicos com ácidos, devido à formação de eutéticos.

É possível estimar as temperaturas inicial e final de amolecimento da cinza através da sua composição química, através de expressões empíricas desenvolvidas por vários autores.

Os processos de combustão com temperaturas superiores ao ponto de amolecimento da cinza podem propiciar a aglomeração de material particulado denominado ''sinter'', ou a fusão da cinza ''slagging'', que geralmente inviabilizam a continuidade do processo ou reduzem a eficiência da troca de calor no equipamento.

Sublimação de compostos

Os óxidos alcalinos Na2O e K2O, diferem dos demais óxidos, pois uma boa parte dos

mesmos se volatiliza durante a combustão, e condensa-se em temperaturas em torno de 760°C; ao condensar-se nas superfícies mais frias do equipamento aglutinam as cinzas volantes, propiciando corrosão e redução da taxa de transferência de calor nestas superfícies.

solúveis como cloreto de sódio proveniente do petróleo, que se incorporam às frações mais pesadas durante o processo de refino.

Enxofre

A presença de enxofre nos combustíveis, principalmente os óleos combustíveis, além de problemas de poluição atmosférica pelo lançamento de óxidos de enxofre, é o principal responsável pelos problemas de corrosão nos componentes da região fria dos fornos (preaquecedores, ventiladores, chaminé e chaparia) quando estes são dotados de preaquecedores de ar. Este problema é crítico quando se queima óleo combustível, pela redução da eficiência térmica, pois para limitar a corrosão em valores aceitáveis, os gases de combustão não podem ser resfriados a temperaturas inferiores a 140 – 1700C, função do teor de enxofre do óleo combustível.

Metais

Normalmente, os petróleo com altos teores de enxofre geram óleos combustíveis ATE e com teor elevado de matais. Dentre estes, destacam-se, pelos problemas que teores de óxidos de vanádio e sódio, formando eutéticos e de baixo pontos de fusão. Estas cinzas no estado sólido, ao se depositarem sobre os tubos prejudicam a transferência de calor porém, quando fundidas, são extremamente agressivas aos tubos e aos refratários.

Composto Temperatura de Fusão (0C)

V2O3 1970 V2O4 1970 V2O5 675 Na2O. V2O5 630 2Na2O. V2O5 585 3 Na2O. V2O5 850 Na2O. 3V2O5 675 Na2O. 6V2O5 700 5Na2O. V2O4 6V2O5 535

O óxido de vanádio, V2O5, além do problema mencionado acima, é catalisador da

reação do dióxido de enxofre a trióxido de enxofre, que é o principal responsável pela limitação da redução da temperatura dos gases de combustão.

Água e sedimentos

Os óleos combustíveis não podem reter em suspensão quantidades superiores a 2%. A presença de água e sedimentos (areia, óxido de ferro, catalisador etc) no óleo combustível acarreta uma redução do poder calorífico pela presença de inertes e pela necessidade de calor adicional para a vaporização da água. Além disso é responsável pelos seguintes problemas:

• incrustação em linhas e instrumentos;

• entupimentos de filtros e bicos de queimadores;

• erosão de bicos de queimadores, rotores de bombas, instrumentos etc;

Ponto de fulgor ( Flash Point )/Ponto de ignição ( Fire-Point )

Ponto de fulgor é a temperatura a qual um líquido inflamável deve ser aquecido, sob condições do método de determinação, para produzir suficiente vapor e formar com o ar uma mistura capaz de se inflamar transitoriamente sob a ação de uma chama escorvadora. Ponto de ignição é a temperatura na qual, sob a ação de uma chama escorvadora, se estabelece a ignição e a combustão continuada sobre a superfície do líquido.

Considerando a definição dada, depreende-se que um combustível líquido não pode ser armazenado a temperatura igual ou superior à de fulgor, nem tampouco aquecido em recipiente aberto, a essas temperaturas.

Quanto ao processo de combustão pode-se prever que quanto menor a temperatura de ignição do líquido, mais favoráveis serão as condições para a estabilidade da chama. Ponto de fluidez

Ponto de fluidez é a temperatura mais baixa na qual o líquido ainda flui nas condições normais estabelecidas pelo método de determinação.

COMBUSTÍVEIS GASOSOS

As principais características e propriedades a serem observadas nos gases combustíveis são as seguintes:

♦ Composição Química ♦ Peso Molecular ♦ Poder Calorífico ♦ Velocidade de Propagação ♦ Limite de Inflamabilidade ♦ Temperatura de Chama

Velocidade de Propagação dos Gases

Deve se observar que a velocidade de propagação de chama depende da

composição química do gás, uma vez que cada componente tem uma

velocidade de propagação própria, mas também depende da relação

ar/combustível, pois para cada componente é possível se traçar uma curva

de velocidade de propagação em função do Excesso de Ar como

mostrado abaixo

METANO

30 cm/s

H2

300 cm/s

GÁS NATURAL

34 cm/s

GÁS DE NAFTA

100 cm/s

GLP

20 cm/s

Temperatura de Chama

com ar

C

com O

C

GÁS NATURAL

1920

2700

GÁS DE NAFTA

1980

2700

GLP

1930

2720

Poder Calorífico

PCS

(kcal/kg)

PCI

(kcal/kg)

GÁS NATURAL

13100

11800

GÁS DE NAFTA

6410

5700

GLP

12075

11025

Limites de Inflamabilidade

% GÁS NA MISTURA

INFERIOR SUPERIOR

GÁS NATURAL

5

15

GÁS DE NAFTA

4

40

GLP

7

21

Faixa normal do número de WOBBE

GÁS NATURAL

1200 a 1400

GÁS DE NAFTA

600 a 750

GLP

1500 a 1800

Gases Combustíveis Típicos

Gás Combustíveis de Refinaria

Este gás é, geralmente, uma corrente secundária do processo nas Unidades de destilação, craqueamento catalítico, reforma catalítica e coqueamento retardado. Exemplo Típico de análises de gases combustíveis efluentes das Unidades produtoras:

Gás 1 Gás 2 Gás 3 Gás 4

PCI, Kcal/Kg 10070 12843 10719 9006

Massa Molar, Kg/Kmol 19,6 13,4 20,5 35,8

Componentes Composição molar ou Voluntária (%)

Hidrogênio 19,06 60,75 13,81 3,90 Metano 37,44 15,83 47,63 23,38 Etano 16,65 11,08 29,98 13,48 Eteno 13,77 - - - Propano 0,34 7,14 1,84 12,03 Propeno 0,94 - - - Butanos 0,41 3,42 1,21 17,38 Butenos 0,54 - - - Pentanos e + pesados 0,03 1,56 0,030 5,04 Nitrogênio 7,41 0,13 3,77 1,82 Monóxido de Carbono 2,36 - 1,28 4,78 Dióxido de carbono 0,92 - 0,01 0,45 Gás sulfídrico 0,03 - - 14,33 Oxigênio 0,10 - - 0,71 Dióxido de enxofre - - - 2,70

Gás 1 – Gás produzido por Unidade de Craqueamento Catalítico Gás 2 – Gás produzido por Unidade de Reforma Catalítica Gás 3 – Gás produzido por Unidade de Coqueamento Retardado Gás 4 – Gás produzido por Unidade de Destilação a Vácuo

Exemplo de gases combustíveis produzidos na unidades da REPLAN COMPONENTE FFC I FFC II UCR GN HDT H2 24 21,98 21,38 93,65 O2 0,2 0,14 0,01 0,01 0,03 N2 5,5 8,21 0,95 1,5 0,21 CO 1,6 2,1 0,01 CO2 0,1 0,34 0,01 0,67 0,02 CH4 36 42,06 60,65 91,71 1,74 C2H4 15 14,21 2 1,72 C2H6 14 8,39 14,66 5,4 0,05 C3H6 1,5 0,68 0,06 1,19 C3H8 0,5 0,22 0,13 0,7 <0,01 iC4H10 0,4 0,09 0,01 0,17 nC4H10 0,1 0,1 0,04 0,63 iC4H8 0,3 0,09 0,01 tC4H8-2 0,15 0,04 cC4H8-2 0,07 0,03 1-3-Butadieno 0,01 0,02 iC5H12 0,05 0,05 0,05 nC5H12 0,01 0,01 C5+ 0,01 0,78 0,07 0,22 H2S 0,01 0,01 H2O 0,5 0,5

Gás Natural

O gás natural é encontrado associado ou não ao petróleo. Após ser produzido, antes de ser enviado para o consumo como combustível, geralmente, passa por uma Unidade de Processamento de Gás Natural (U-PGN) que retira deste gás as frações mais pesadas, que podem ser incorporadas ao GLP e gasolina, ou mesmo servir como matéria prima de petroquímicas.

Exemplos de gás natural:

Gás Úmido Gás Seco

PCI, Kcal/Kg 11377 11571

Massa Molar, Kg/Kmol 20,2 17,6

Componentes - Metano 81,04 89,9 Etano 10,08 8,5 Propano 4,88 0,5 i-butano 0,72 - n-butano 1,11 - i-pentano 0,22 - Neopentano 0,21 - Pentanos e + pesados 0,15 - Nitrogênio 1,08 0,7 Dióxido de Carbono 0,52 0,4

Gás Úmido = Gás Natural antes da U-PGN Gás Seco = Gás Natural após a U-PGN

Para fornecimento a consumidores externos, o DNC exige o cumprimento das especificações abaixo:

Densidade (relativa ao ar) 0,60 a 0,81

Enxofre total, mg/m3 110 (máx)

Gás sulfídrico, mg/m3 29 (máx)

Nitrogênio + Dióxido de carbono, % vol 6 (máx)

Poder calórico @ 200C e 1 atm Inferior, Kcal/m3

Superior, Kcal/m3

7600 a 11500 8500 a 12500

Obs.: O produto deve ser isento de hidrocarbonetos condensados, óleos e partículas sólidas

GASES RESIDUAIS

Normalmente estes gases apresentam as seguintes características: o Baixa pressão

o Baixo poder calorífico o Alto teor de inertes Exemplos:

COMPONENTES GÁS DE PSA GÁS AMONIACAL

H2O 0,88 50 NH3 47 H2S 3 H2 33,26 N2 0,68 CO 9,25 CO2 43,51 CH4 12,42 PCI (kcal/kg) 1992 2280

COMBUSTÃO

De maneira geral, define-se combustão como uma reação química exotérmica entre duas substâncias ditas combustível e comburente, ocorrendo a alta temperatura e com ritmos intensos. Então, a combustão é o processo químico em que um oxidante reage rapidamente coma um combustível para liberar a energia térmica, geralmente na forma de gases/produto de combustão a altas temperaturas. Pequenas quantidades de outras energias também são desenvolvidas durante o processo de combustão: energia eletromagnética (luz), energia elétrica (íons o elétrons livros) e energia mecânica (ruído). Na verdade, esta é apenas uma forma muito simplista de definir combustão, na medida em que se sabe que várias reações simultâneas estão envolvidas nos processos de combustão. No entanto, para o propósito deste curso, esta definição é suficiente.

Há uma grande variedade de materiais que podem ser considerados combustíveis; porém, a maior parte daqueles empregados industrialmente é composta basicamente de carbono, hidrogênio, oxigênio, enxofre e nitrogênio.

O comburente normalmente utilizado é o oxigênio do ar.

Na prática, costuma-se denominar "combustão completa" ao processo que leva as substâncias combustíveis à sua forma mais oxidada e, "combustão incompleta" ao processo no qual os produtos de combustão são constituídos, em parte, por formas que representam oxidação parcial dessas substâncias.

Partindo das substâncias mais simples, formadas por elementos que estão presentes na maioria dos combustíveis, as reações de "combustão completa" seriam:

C + O2→ CO2 + ∆H1

H2 + 1/2 O2→ H2O + ∆H2

S + 3/2 O2→ SO3 + ∆H3

onde ∆H1, ∆H2 e ∆H3 representam a energia liberada por unidade de massa, ou volume ou outra unidade qualquer, normalmente referidas às substâncias combustíveis.

As reações denominadas de "combustão incompleta" seriam: C + 1/2 O2→ CO + ∆H4

S +O2 → SO2 + ∆H5

As substâncias resultantes destas últimas reações poderiam ainda ser oxidadas através das seguintes reações:

CO+ 1/2 O2→ CO2 + ∆H6

SO2 + 1/2 O2→ SO3 + ∆H7

Neste caso, ter-se-ia, para as energias liberadas, as seguintes relações:

∆H6 + ∆H4 = ∆H1; e,

∆H7 + ∆H5 = ∆H3

Durante o processo de combustão pode resultar nas seguintes emissões/geração de poluentes:

0 enxofre do combustível resulta em díóxido de enxofre (S02) e este ainda poderá ser

A presença de nitrogênio na combustão resulta na formação/ emissão de óxidos de nitrogênio (NOx);

A presença de oxigênio no combustível resulta na formação de aldeídos e ácidos orgânicos;

A combustão incompleta (não adequada) resulta na formação/geração de fuligem, monóxido de carbono (CO) e outros compostos parcialmente oxidados.

A ocorrência da reação "completa'' ou "incompleta" depende de vários fatores, tais como: relação entre as massas de combustíveis e comburentes, temperatura na qual se processa a reação, tempo de permanência do combustível, presença ou não de catalisadores e turbulência na mistura-combustível.

A combustão espontânea raramente se verifica. 0 início de uma combustão se faz sempre por escorvamento mediante a introdução de uma mecha ou tocha no combustível. Isto porque a grande maioria dos componentes combustíveis se encontram em um equilíbrio metaestável, ou seja, em uma forma intermediária que não é a de menor energia. Para que estes componentes alcancem a forma de menor energia é necessário que se forneça uma delta de energia para iniciar a reação, denominada energia de ativação. Quanto menor a energia de ativação mais fácil é o início da reação. Verifica-se também que todos os combustíveis completam a sua combustão somente na fase gasosa.

TEORIA DA COMBUSTÃO

Para iniciar uma combustão precisamos do triângulo do fogo:

• Combustível;

• Oxigênio;

• Temperatura.

Porém, para que as reações da combustão ocorram e se mantenham, precisamos dos três T’s de combustão:

• Temperatura;

• Tempo;

• Turbulência.

Estes fatores governam a velocidade e a química da queima do combustível, depois de sua iniciação.

REAÇÕES DA COMBUSTÃO

As reações químicas que ocorrem durante a combustão de um hidrocarboneto são muito complexas. Muitas reações intermediárias ocorrem antes de chegar aos produtos finais da combustão: CO2, H2O, SO2, O2, N2 e CO2.

A reação de combustão completa de um hidrocarboneto pode ser representada pela equação geral:

CxHy + m O2 + p N2 → b CO2 + c O2 + d N2

2) CH4 + Calor → C + 2H2 - 17889 Kcal/Kmol

3) C + O2 → CO2 + 94052 Kcal/Kmol

4) 2C + O2→ 2CO2 + 26416 Kcal/Kmol

5) 2CO + O2 → 2CO2 + 67636 Kcal/Kmol

6) C + CO2 → 2CO2 - 41220 Kcal/Kmol

7) 2H2 + O2 → 2H2O(V) + 57798 Kcal/Kmol

8) CH4 + 2H2O(V) → CO + 3H2 - 49271 Kcal/Kmol VARIÁVEIS DA COMBUSTÃO

Como sabemos, para que o processo de calor na fornalha, onde se consegue temperaturas razoavelmente estáveis, desde que não se interrompa o fluxo de combustível ou do ar. O tempo necessário para a reação de combustão deve ser assegurado por projeto, ( Vmin > Vchama ), a não ser que a velocidade mínima caia abaixo da velocidade de propagação da chama ou seja, vazão abaixo da mínima para o queimador. A turbulência é o fator mais difícil de ser conseguido, e é necessária para assegurar uma boa mistura combustível-ar, forma de chama e queima completa do combustível.

Para se conseguir boa combustão devemos ter: a) Para gases combustíveis: mistura gás/ar; b) Para combustíveis líquidos:

• b.1 - atomização do combustível;

• b.2 - vaporização do combustível;

• b.3 - mistura combustível-ar.

Consequências de ineficiência nas fases de:

• Nebulização - gotejamento, coqueamento no maçarico, fagulha,

vaporização deficiente;

• Vaporização - gotejamento, coqueamento, fagulhamento, má mistura com ar;

• Mistura - combustão incompleta, formação de CO, formação de fuligem, chama comprida e oscilante, excesso de ar desnecessário.

Estas fases do processo de combustão influenciam também a forma da chama, da seguinte maneira:

FATORES FORMA DA CHAMA

LONGA CURTA

Combustível Óleo Gás

Nebulização Má Boa

Ângulo do “Spray” do Combustível Estreito Largo

Temperatura do bloco do queimador Baixa Alta

Tiragem na fornalha Alta Baixa

∆P no maçarico Baixo Alto

Turbulência do ar Pouca Intensa

Conclusões:

Para se conseguir uma combustão completa, com chama estável e curta, e baixo excesso de ar é fundamental a boa mistura combustível-ar. Para tal devemos conseguir a turbulência adequada. Em combustíveis líquidos, para se conseguir boa mistura, deveremos ter antes boa atomização e vaporização. Por esta razão é mais difícil a combustão de líquidos.

ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO

Cada combustível necessita de uma quantidade exata de ar para queimar completamente. Esta quantidade depende dos teores de C e H que o combustível contém, e é definida pela relação ar-combustível.

O ar seco tem a seguinte composição e volume específico:

COMPONENTES % VOLUME % MASSA VOLUME ESPECÍFICO

O2 21 23,2

0,85 m3/kg a 25°C

N2* 79 76,8

(*) Inclui outros gases inertes como Argônio, CO2, Kr, Ne e Xe.

RELAÇÃO       = 2 2 2 3 3 2 31 , 4 76 , 4 76 , 4 KgO KgAr KmolO KmolAr O m Ar m O Ar

Massa Molar Média do Ar = 29

Kmol Kg

Oxigênio Teórico (ou estequiométrico): É a quantidade de oxigênio necessária para a combustão completa do combustível, em condições ideais, ou seja, sem que haja falta ou sobra de oxigênio;

Ar Teórico: É a quantidade de ar correspondente ao ar teórico;

Ar Real: É a quantidade de ar utilizada efetivamente na combustão, na qual existe mais oxigê nio do que o necessário para a combustão teórica. Esta quantidade adicional é chamada de excesso de ar e é definida em percentagem do ar teórico; Gás Real: É a quantidade de gases gerada efetivamente na combustão, ou seja, a quantidade de gases de combustão correspondente ao ar real. O gás real pode ser apresentado em duas formas: em base seca ou úmida, em função de ser considerada, ou não, a água contida no mesmo.

No processo de combustão industrial é praticamente impossível obter uma combustão completa sem que se tenha um excesso de ar, devido não se conseguir uma homogeneização perfeita entre o ar e o combustível. A combustão estequiométrica seria o ideal, pois não se perderia calor para o aquecimento do excesso de ar.

CÁLCULO DA RELAÇÃO AR/COMBUSTÍVEL E EXCESSO DE AR O método de cálculo baseia-se nas seguinte considerações:

• Todo o combustível é queimado completamente sem formação de CO.

• O combustível é composto somente de C e H, ou seja, é desprezado o teor de enxofre.

• É conhecida a composição volumétrica do gás de combustão, em base seca, ou seja, a análise de Orsat.

Seja a equação:

CxHY + m O2 + 3,76m N2 à b CO2 + n H2O + cO2+ dN2

Base de cálculo: 1 kmol de combustível CxHy

Relação H/C (em massa) do combustível:

12X Y R =

Quantidade de O2 necessária para queima de C e H = 

     + 4 Y X kmol O2 Quantidade de Ar =       02 kmol Ar kmol 4,76       + 4 y x kmol O2 = 4,76       + 4 y x kmol Ar

Massa molar do combustível = (12x+y)

kmol kg combustível

(

)

(

)

(

)

Esta seria a razão Ar/Combustível (em massa) necessária para a combustão completa. Depende unicamente de R (relação H/C do combustível), e quanto maior esta for (mais H e menos C), maior será a necessidade de ar para a mesma massa de combustível.

Porém, devido a ineficiência na fase de mistura do combustível com o ar, nem todo o ar estequiométrico vai participar da reação de combustão, pois não estará intimamente misturado com o combustível. Desta forma haverá falta de ar e a combustão será incompleta levando à formação de CO e fuligem (C não queimado). Para evitar esta combustão incompleta, costuma-se operar na prática com uma quantidade adicional de ar, acima da necessidade estequiométrica, que chamamos de % de excesso de ar. EA= x 100 trico estequiome ar ico tequiométr ar total ar 100 x trico estequiome ar excesso em ar ₌ −

O2 requerido para a queima de C e H = x + 4 y kmol EA % = % Exc. O2 = 100 4 . y x c +

Como x = b (balanço de Carbono)

R = y Rb b y x y 12 12 12 = ∴ = Então: EA%=

(

)

Os valores de b e c estão relacionados com R.

Isto pode ser visto através do balanço material do componentes envolvidos na combustão: C : x = b (i) H : y = 2n (ii) N2 : d = 3,76 m= 100- (b +c) (iii) O2 : m = 2 n +b+c (iv) De (iv) : n = 2 (m – b – c) (v) De (iii) : m = 76 3 100 , ) (b+c − (vi)

Substituindo (vi) em (v), vem:

( ) , ) ( c b c b n = − + − − − 76 3 100 2 n = 53,19 – 2,532 (b+c) (vii) (vii) em (ii) : y = 106,38 – 5,064 (b+c)

Como b c b x Y R 12 064 5 38 106 12 ) ( , , − + = = b c b R= 8,865−0,422( + )

Portanto, conhecendo-se apenas duas das seguintes informações: % O2 nos gases de

combustão, % CO2 nos gases da combustão (ambos em base seca) e relação H/C em

peso no combustível poderemos obter a % de excesso de ar em um combustão. Se substituirmos a expressão de R na fórmula de cálculo do excesso de ar (EA), encontramos: EA = 100 266 0 d c x c − , Onde: c = % O2 d = % N2

Se nos gases de combustão for detectada a presença de CO, o excesso de ar é calculado como se a combustão fosse completa. Assim:

100 2 266 0 2 0 2 2 2 X CO O N CO EA       ₋ − − = ,

Esta fórmula é encontrada no livro “Steam: Its Generation and Use”.

Como já foi visto, a operação de forno sem excesso de ar é indesejável, pois levaria à combustão incompleta, por ser impraticável a homogeneização perfeita entre o ar e o combustível. A combustão incompleta apresenta as seguintes desvantagens:

§ o combustível não libera todo o calor possível de fornecer, ou seja, é desperdiçado

o calor da combustão do CO a CO2, o que leva a um maior consumo do

combustível;

§ aumenta a formação de fuligem, principalmente quando se queima óleo combustível;

§ a presença do CO e O2 nos gases de comb ustão pode provocar a queima retardada

do CO à CO2, o que poderá provocar altas temperaturas em locais não desejáveis.

Por outro lado, o excesso de ar desnecessário também é indesejável, pois quanto maior for a quantidade de ar que se deve ser aquecida pela chama, menor será a temperatura resultante na mesma, o que leva a um menor troca de calor por radiação e como conseqüência, diminui a eficiência do forno (fração do calor liberado na combustão, que é aproveitado), além de reduzir a capacidade do mesmo.

O desejado será operar o forno com o menor excesso de ar, que possibilite a obtenção de uma combustão completa. Na prática, devemos proceder da seguinte maneira.

• garantir a boa atomização. Trabalhar com viscosidade correta do óleo, ⊗P vapor/óleo correto etc..

• ajustar o abafador para tiragem normal (-1 a –3 mm H2O no topo da radiação).

• ajustar cada virola individualmente, verificando o ponto em que começa a aparecer fuligem (ou CO). Verificar também a forma da chama.

• reajustar o abafador, observando sempre a chama (cor, forma, presença de fuligem).

• procurar o equilíbrio ideal virola/abafador, quanto ao excesso de ar.

Se atuarmos somente no abafador poderemos ter mistura diferente nos queimadores e, consequentemente, condições de queima e de excesso de ar diferentes.

O importante para se conseguir trabalhar com o menor excesso de ar é a boa mistura combustível/ar, o que é conseguido com maior velocidade do ar e um correto ângulo de incidência ar-combustível.

FUNDAMENTOS BÁSICOS SOBRE OS PONTOS DE VERIFICAÇÃO PARA A OPERAÇÃO DE FORNOS

De uma forma geral, os fornos de processo podem ser resumidos a três pontos de amostragem de variáveis auxiliares para operação.

Tiragem no topo da radiação (bridge wall) – Esta conexão de pressão é usada em fornos de pressão negativa (fornos de tiragem natural ou induzida) para direcionar o escoamento no banco de tubos da seção de convecção. Enquanto a pressão neste ponto se situar entre -1.27 e -2.54 mm de coluna de água não ocorrerá pressão positiva na seção de convecção. Pressão positiva nesta seção é um dos principais fatores de causa de danos a estrutura, chaparia e de risco ao pessoal de trabalho.

Analisador de O2 – localizado no topo da radiação (bridge wall). Três aspectos devem ser considerados quanto a localização da sonda de O2. O primeiro, é que ela deve ser localizada no ponto mais alto da radiação de forma que a reação de combustão tenha se completado antes da amostragem dos gases. O segundo, é que ela deve se localizar antes de qualquer seção de convecção, de forma a minimizar o efeito da infiltração de ar que interfere na medição de O2. E o terceiro, no qual deve se garantir que ela seja introduzida suficientemente dentro da câmara (aproximadamente 300 a 450 mm) para garantir que nenhum ar infiltrado na seção de convecção interfira na medição, uma vez que este ar infiltrado está em uma temperatura mais baixa que os produtos de combustão e pode escoar para baixo colado nas paredes do forno.

Tiragem na base da radiação – localizado o mais próximo possível ao piso do forno, serve para medir a energia disponível para o ar.

ESQUEMA TÍPICO PARA O AJUSTE DE UM FORNO DE TIRAGEM NATURAL

INÍCIO

VERIFICA TIRAGEM

ALTA

BAIXA

AJUSTADO

VERIFICA O2 VERIFICA O2

ALTA BAIXA ALTA BAIXA

FECHA ABRE REGISTROS FECHA REGISTROS ABRE ABAFADOR DE AR DE AR ABAFADOR RETORNA P/ RETORNA P/ INÍCIO INÍCIO

VERIFICA O2

ALTO

BAIXO

AJUSTADO

RETORNA P/ INÍCIO RETORNA P/ INÍCIO

OPERAÇÃO DE FORNOS Introdução

A eficiência térmica dos fornos afeta diretamente o consumo de combustível. Para reduzir o consumo é essencial se reduzir o excesso de ar utilizado na combustão para o menor valor prático possível.

De forma geral, o processo de combustão tem três variáveis que precisam ser controladas para a adequada operação do forno. A tiragem controlada pelo abafador de controle. O ar necessário para a combustão controlada nos registros dos queimadores. A pressão no combustível controlada pelas válvulas de controle pelo sistema de controle do forno (normalmente automático). A tiragem no forno e o excesso de ar devem ser ajustadas simultaneamente, uma vez que a variação em uma delas altera a outra.

Deve ser ressaltado que qualquer alteração nas condições do tempo, taxa de queima (calor liberado), ajuste dos registros de ar dos queimadores e o tipo de combustível (características do combustível) afetará a tiragem no forno.

Excesso de ar

Existe um valor ideal para o excesso de ar em função da eficiência térmica e das características do queimador, para prover a adequada qualidade de mistura. Valores mais elevados de excesso de ar reduz a eficiência térmica, uma vez que uma parcela maior do calor liberado vai para o aquecimento do ar em abundância e não para o processo. Esta redução na transferência de calor se deve ao aumento do conteúdo de N2 e O2 nos gases de combustão. A estrutura molecular diatômica destes gases faz

com que eles não absorvam nem emitam radiação. Assim menos calor será transferido para o processo.

Alguns cuidados adicionais devem ser tomados para se estabelecer o mínimo excesso de ar adequado para o processo de combustão. O mínimo excesso de ar aceitável deve levar em consideração possíveis variações no calor liberado e nas propriedades do combustível. No caso de fornos com tiragem natural o ajuste deve ser feito para a condição de maior liberação de calor, o que torna o forno ineficiente nas demais condições de operação.

Ao se trabalhar com cargas significativamente reduzidas pode se tornar difícil se operar o forno com valores de excesso de O2 inferiores a 7 ou 8% devido a estabilidade de chama (dependendo do projeto do queimador). Nestas condições de carga reduzida o aumento na restrição dos registros de ar pode causar uma perda de energia acentuada na entrada de ar ao invés de ocorrer na garganta do queimador, consequentemente ocorrerá uma piora na qualidade de mistura.

Mudanças nas Condições Operacionais

queimadores deve ser seguido de um intervalo de tempo da ordem de 10 a 15 minutos de forma a garantir que o forno estabilizou as novas condições de combustão (mudança no perfil de pressão, velocidades e até linhas de trajetória na câmara de radiação).

É muito importante se ressaltar que o ponto fundamental para se alcançar o melhor ajuste dos fornos é se ter uma equipe de trabalho familiarizada com os fundamentos da combustão.

Outro ponto importante é a verificação no campo das condições de operação do forno em intervalos regulares, de forma a se detectar e reportar imediatamente qualquer problema encontrado, tal como: incidência de chama, perfil ou padrão de chama não satisfatório e outros.

Formato de Chama

Para um determinado queimador, as alterações nas condições operacionais afetam o formato da chama. A temperatura do ar de combustão, a energia de descarga do combustível (pressão) ou a quantidade de ar primário afetam diretamente o formato da chama.

Evidentemente, o projeto ou modificações no projeto de um queimador afetam mais fortemente a modificação do formato de chama do que as alterações nas condições operacionais. Os parâmetros de projeto tais como as velocidades relativas entre o ar e o combustível ou a geometria interna do queimador podem ser alteradas para gerar um determinado formato de chama. Por exemplo queimadores com geometria de descarga retangulares combinados com o adequado bocal de gás pode gerar uma chama plana (chama em formato de leque). Altas velocidades e grau de turbulência produzem chamas mais curtas e bojudas, enquanto que velocidades baixas e baixa qualidade de mistura normalmente produzem chamas longas e delgadas.

TURNDOWN

O turndown de um queimador é a razão entre a máxima liberação e a mínima liberação que um determinado queimador pode operar satisfatoriamente. Muitas vezes é a condição de mínima liberação quem define o turn down de projeto de um queimador.

No caso de queimadores pre- misturados a condição de mínima capacidade é limitada pelo fenômeno conhecido como “flashback”, que ocorre quando a velocidade da chama excede a velocidade da mistura.

Em alguns casos, a máxima capacidade é limitada pela instabilidade denominada “blowoff” que ocorre quando a velocidade da mistura excede a velocidade de propagação da chama. Existem casos em que a limitação da capacidade de máxima liberação se dá pelo próprio custo do equipamento devido as altas pressões requeridas de ar e de combustível para operar o queimador.

COMBUSTÃO DE GASES

A combustão de gases pode se processar de duas formas:

• Oxigenação progressiva do combustível

• Dissociação ou craqueamento do combustível em carbono e hidrogênio

A oxigenação progressiva do combustível ocorre quando existir um bom contato combustível-ar. Neste caso, o oxigênio vai continuamente oxidando os hidrocarbonetos transformando-os em álcoois, aldeídos, ácidos carboxílicos e, por fim nos produtos finais da combustão, CO2 e H2O.

O resultado desta forma de reação é uma chama azul e sem fuligem, já que não ocorre a dissociação do hidrocarboneto, que permite a presença de partículas livres de carbono na envoltória da chama. Esse tipo de combustão é mais frequente quando o queimador é do tipo com pré-mistura e o combustível tem pequena porcentagem de frações pesadas e/ou de alta razão hidrogênio/carbono, como será explicado adiante. Quando não ocorre um bom contato combustível-ar haverá a dissociação ou craqueamento das moléculas de hidrocarbonetos, deixando livres o hidrogênio e partículas de carbono (reação 2). O hidrogênio queima extremamente rápido produzindo uma chama azul clara que é difícil de ser vista, exceto contra um fundo escuro e o carbono queima como um sólido, lentamente e produzindo muito brilho amarelado. O resultado de uma combustão assim é uma chama amarelo/alaranjada, pois ocorre uma queima independente e em velocidades diferentes dos dois elementos. O carbono, ao se aquecer pelo calor da queima do hidrogênio, se incandesce com brilho intenso, fazendo com que a luminosidade azul clara da chama do hidrogênio seja completamente escondida pela cor amarela brilhante do carbono incadescente. No caso de não haver ar suficiente para a queima ou um bom contato combustível-ar para completar a reação, pode ocorrer a formação de fuligem na envoltória da chama.

Como a queima com chama amarela ou azul leva aos mesmos produtos finais CO2 e

H2O, não há diferença significante na geração de calor se o combustível queima com

chama azul ou amarela. É comum ouvir que chama amarela é decorrente da falta de ar para a queima, mas esta opinião não é correta porque a chama amarela pode existir tanto com falta de ar como com elevado excesso de ar. Há uma tendência para queima com chama amarela á medida que a massa molar do combustível aumenta, quando são comparados hidrocarbonetos de mesma série. Assim, butano é mais propenso para chama amarela do que o metano. No entanto, quando compara-se hidrocarbonetos de séries diferentes, nota-se que a massa molar sozinho não é um bom critério para definir a cor da chama. O etileno é muito mais propenso para a chama amarela do que o propano, que é relativamente fácil de queimar sem chama amarela. A razão mássica Hidrogênio/Carbono é o fator chave para indiciar a quantidade do combustível bem

H/C de um dado combustível é maior que 0,200, o combustível pode ser queimado satisfatoriamente em condições adequadas de mistura de ar e turbulência. À medida que esta relação se aproxima de 0,100, técnicas mais difíceis e mais caras são necessárias para garantir a queima adequada.

Pode ser dito sem erro, que a queima pode se dar com chama amarela, chama azul e às vezes ambas às condições específicas do combustível, da presença do ar, da turbulência, das condições da mistura ar-combustível, bem como da temperatura”. A reação ocorre quando existe a presença de vapor d’água, o que normalmente acontece quando o combustível tem baixa relação mássica H/C, como é o caso do butadieno, por exemplo. É extremamente difícil conseguir uma queima rápida e com chama limpa do butadieno em qua lquer tipo de queimado. No entanto, este composto queimará com a qualidade de queima do metano (hidrocarboneto com a maior relação H/C = 0,333), se vapor d’água é adicionado antes do início da queima.

C4H6 + 4H2O(v)→ 4CO + 7H2

A queima do CO é muito mais fácil que a do C. COMBUSTÃO DE LÍQUIDOS

Introdução

O processo de combustão de líquidos de interesse neste curso é o de combustão de uma nuvem de gotas, isto é, um ‘’spray’’.

O processo de combustão de ”sprays’’ líquidos pode ser descrito sumariamente como a divisão do líquido gerando uma névoa de pequenas gotas; processo este denominado nebulização (atomização), que posteriormente mistura-se ao comburente (ar na maioria das vezes), proporcionando condições para a combustão, que ocorre ao nível das gotas. Difere dos combustíveis gasosos premisturados pois não apresenta composição uniforme .

O ‘’spray’’ constituído de gotas de combustível pode ter uma larga faixa de tamanhos de gotas que podem se mover em diferentes direções e velocidades em relação ao fluxo gasoso. Esta ausência de uniformidade provoca irregularidades na propagação de chama e a zona de combustão não se apresenta geometricamente bem definida. O processo de mistura entre combustível e oxidante na câmara de combustão, sofre influência da geometria da câmara, da distribuição espacial e da quantidade de movimento dos jatos introduzidos. Assim, o dispositivo de nebulização do combustível, de injeção do oxidante e câmara de combustão devem ser considerados como uma unidade integrada.

Combustíveis Líquidos

Os combustíveis líquidos utilizados nos mais diversos processos de aquecimento industrial são chamados genericamente de óleos combustíveis.

No Brasil o termo “óleo combustível” é empregado apenas na designação de frações pesadas, não incluindo portanto os subprodutos denominados genericamente destilados (querosene, óleo diesel, etc).

Combustão de Gotas

A gota ao ser lançada pelo bico nebulizador no interior da câmara de combustão, é aquecida por convecção com o meio e por radiação da frente de chama e bloco refratário do queimador, o que propicia a evaporação formando-se, à sua volta uma camada de mistura ar- vapor do líquido-gases de combustão.

A medida que a gota se desloca no interior da câmara, a temperatura do meio vai aumentando até um ponto no qual a camada de mistura que envolve a partícula tem concentração de vapor acima do primeiro limite de inflamabilidade e temperatura igual à de ignição. Neste ponto, estabelece-se uma chama em torno da partícula a qual, a partir daí passa a fornecer o calor necessário para que a gota continue evaporando.

O espaço existente entre o bocal e este ponto corresponde a uma região na qual macroscopicamente não há chama visível, podendo observar-se apenas o cone formado pelo jato de ar arrastando a nuvem de partículas.

Na medida em que a gota evapora, parte das moléculas no estado de vapor sofrem craqueamento e polimerização simultânea, dando origem a partículas de dimensões muito pequenas, cerca de 500 A (1 A = 10-10 m), nas quais a relação carbono/hidrogênio é muito alta, denominadas fuligem. Esta fuligem, aquecida a temperaturas altas pelo meio gasoso circundante e pela sua reação com oxigênio disponível emite radiação com grande intensidade para a superfície envolvente.

Essa emissão de radiação é responsável pela coloração amarelo-alaranjado das chamas de líquidos e pelo brilho muito intenso, propiciando a distinção entre a parte visível e a não visível da chama. É importante observar que na região visível da chama ocorrem predominantemente, reações homogêneas (entre componentes da fase gasosa), não ocorrendo oxidação da gota propriamente dita, uma vez que ela permanece em temperaturas relativamente baixas devido à evaporação.

No final da evaporação, o material remanescente da gota apresenta altas relações carbono/hidrogênio, diâmetro muito pequeno e temperatura muito alta. Neste ponto, essa partícula está saindo da região visível da chama, juntamente com as partículas de fuligem formadas via polimerização. A partir deste ponto as reações de oxidação se darão na própria superfície, até que a partícula seja totalmente consumida ou saia da câmara de combustão.

É interessante ter presente que nesta região da chama o teor de oxigênio disponível é mais baixo que nas regiões anteriores e está fundamentalmente ligado ao valor do excesso de ar.

Conforme veremos a seguir, fica claro que os fenômenos que governam os ritmos de evaporação e combustão ao nível da gota, são respectivamente a transmissão de calor e transporte de massa (difusão de O2 nos produtos existentes em volta dela).

Representação do mecanismo de combustão de uma gota

Na combustão de líquidos o estudo da evaporação e queima de uma gota é importante na previsão do tempo de vida desta no interior de uma fornalha e consequentemente do perfil da chama, emissão de poluentes e perfil de fluxo de calor.

O tratamento teórico do problema de queima de uma gota permite identificar quais os parâmetros que interferem, e como atuam nos ritmos de evaporação e combustão. O problema é então determinar o tempo necessário para que uma gota de certo diâmetro, envolvida por um meio gasoso no qual se encontra o oxidante, seja completamente consumida. Existem modelos teóricos de gota simples que utilizando-se de hipóteses simplificadoras levantam correlações para a taxa de cons umo de uma gota com diâmetro inicial di. No entanto este tipo de estudo teórico ainda não é capaz de representar completamente o fenômeno e foge aos aspectos considerados relevantes para este curso.

Destas equações pode verificar que a maior influência para a taxa de vaporização da gota é devida a relação entre a condutividade térmica e o calor específico do líquido. As hipóteses simplificadoras consideradas no modelo apresentado e os fenômenos que ocorrem durante o processo de queima de uma gota, não nos permitem aplicar diretamente as equações apresentadas para os casos reais. No entanto nos permite fazer uma descrição qualitativa dos processos que ocorrem em torno de uma gota na sua trajetória no interior de uma câmara de combustão.

Nebulização do Combus tível

O propósito principal do processo de nebulização do combustível é a divisão do líquido em gotas de menor tamanho possível, gerando um fino ‘’spray’’, aumentando a relação área/volume de forma a maximizar o contato do oxidante com a gota de combustível

Mecanismo de Formação de Sprays

O processo de nebulização ocorre quando se obtém à saída do bocal de descarga uma película fina que em seguida se rompe em gotas com forma aproximadamente esférica.

As gotas que constituem o “spray” real, na sua trajetória até entrarem em combustão, estão sujeitas a desintegrações devido a colisões entre si, à fricção, à ação da própria tensão superficial, ao movimento turbulento originado no interior do “spray”, bem como à coalescência de gotas. A Figura abaixo ilustra o aspecto de dois “sprays” reais, onde pode-se observar comportamentos distintos no que se refere à distância do bocal onde se dá a desintegração da película.

Nebulização de glicerina em bocal de nebulização por pressão de líquido Caracterização de Sprays

O “spray” obtido no processo de nebulização é caracterizado pela sua configuração espacial (comprimento, largura e ângulo sólido), pela distribuição do líquido na seção transversal do “spray”, pelo diâmetro médio das gotas e pela uniformidade de tamanho das mesmas. Estas contribuem para a definição das características da chama obtida (comprimento, largura, estabilidade, perfil de temperaturas, etc.).

As características do “spray” são marcadamente afetadas pela geometria interna do bocal nebulizador, pelas propriedades do líquido e do meio onde é descarregado. O escomento do líquido com alta velocidade induz recirculações (internas e externas) que alteram a própria configuração do “spray”. O ângulo correspondente do “spray” não coincide com o ângulo do jato que deixa o bocal. Desta forma, as condições do ambiente na região onde se desenvolve tem papel fundamental nas suas características.

A qualidade do processo de nebulização, que é o diâmetro médio das gotas obtido, estão condicionados os ritmos de evaporação e combustão, bem como a formação de resíduos não queimados.

O diâmetro médio de gota mais utilizado na área de combustão é o SMD (“Sauter Mean Diameter”), que corresponde a relação do volume pela área superficial da gota. Existem expressões empíricas com as quais é possível determinar o diâmetro médio de gota a partir das propriedades do líquido (tensão superficial, viscosidade, densidade), das condições de operação (pressão de injeção do líquido e do meio ambiente), desenvolvidas para um determinado tipo de bico nebulizador.

Princípios de Nebulização

Os princípios e dispositivos de nebulização utilizados nas refinarias são divididos em por pressão de fluido e com fluido auxiliar ou pneumática (ar ou vapor).

Nebulização por pressão de líquido

A película à saída do bocal neste caso é obtida mediante a injeção do líquido sob pressões relativamente elevadas, 20 a 60 kgf/cm2, através de bocais de pequenas dimensões, e portanto a altas velocidades.

A formação e desintegração da película à saida do bocal, depende essencialmente dos seguintes fatores: das características geométricas do bico injetor; da pressão de injeção do líquido; das propriedades físicas do líquido (viscosidade, tensão superficial) e da pressão do meio em que está sendo injetado.

Podem ser obtidos sprays de formatos planos em forma de um leque, quando os orifícios por onde o líquido é injetado são rasgos. Os “sprays” de formato cônico são obtidos quando os orifícios de descarga são anulares. Neste caso o cone pode ser cheio (simples orifício),ou oco quando existe uma câmara de rotação a montante do orifício.

Nebulização com fluido auxiliar ou pneumática

Na nebulização com fluido auxiliar ou pneumática a injeção do combustíve l é feita com pressões relativamente mais baixas, com auxílio de um fluido gasoso (ar ou vapor) que transfere quantidade de movimento ao líquido que está sendo nebulizado. Neste tipo de nebulização os mecanismos descritos anteriormente para a desintegração da película são desencadeados pelo fluido auxiliar, iniciando-se, em muitos casos, ainda no interior do próprio bocal.

Existem bocais em que a mistura líquido- fluido auxiliar é feita ainda no interior do bico, como é o caso dos bocais tipo câmara de mistura e “Y-Jet” e outros em que esta mistura é feita logo à saída do líquido do bico injetor de combustível.

Bocal nebulizador com fluido auxiliar tipo câmara de mistura

Bocal nebulizador com fluido auxiliar tipo `Y-JET`

O diâmetro médio de gota sofre grandes alterações com a variação da velocidade relativa entre o fluido auxiliar e o líquido. A velocidade relativa varia com a alteração na relação de vazão de ar ou de líquido.

Quanto às propriedades do líquido, a viscosidade tem maior influência do que a tensão superficial. Assim as forças de cisalhamento são predominantes sobre as forças devido à tensão superficial o que geralmente acontece quando se tem

A redução do diâmetro médio de gota com o aumento da relação ar/líquido tem um limite para cada vazão de líquido, acima do qual já não apresenta variações.

Os gráficos do tópico sobre a Estação de Avaliação de Sprays apresentam curvas de distribuição de tamanho de gotas obtidas para um determinado bocal em que se pode observar a influência de diversos parâmetros, tais como viscosidade, realção ar/combustível e outros.

Alguns fabricantes de queimadores propõe configurações de bocais alternativas às do tipo convencionais “Y-Jet”. O objetivo é reduzir assimetrias na distribuição de tamanho de gotas na seção transversal do jato à saída do orifício de descarga como mostra a Figura a seguir

Configuração do jato do bocal do tipo “Y-Jet” convencional e alternativo A Figura abaixo mostra dois bocais diferentes concebidos com tais propósitos, denominados genericamente “F-Jet”.

Bocais alternativos

A seguir são mostrados dois bocais combinados, por pressão de líquido com câmara de rotação e fluido auxiliar tipo câmara de mistura. O segundo permite reduzir a relação fluido auxiliar/combustível, bem como nas emissões de óxidos de nitrogênio e material particulado em relação ao primeiro.

Bocal combinado câmara de rotação - câmara de mistura

Bocal combinado câmara de rotação-” F-Jet” ESTAÇÃO DE AVALIAÇÃO DE SPRAYS

A Estação de Avaliação de Sprays permite caracterizar o desempenho de bocais nebulizadores de queimadores através da medição da distribuição de diâmetros e do diâmetro médio das gotas do spray. Nesta instalação laboratorial, o próprio dispositivo nebulizador ou um protótipo dele são testados sem que ocorra a reação de combustão, permitindo assim avaliar especificamente a qualidade do processo de nebulização.

A instalação está apta a operar com bocais nebulizadores em escala real, com vazões de óleo de até 5.000 Kg/h, portanto, capaz de testar tanto bocais de pequenas capacidades, como aqueles encontrados nas maiores caldeiras existentes no país. Utiliza óleos lubrificantes como fluidos de trabalho, simulando as propriedades dos óleos combustíveis importantes no processo de nebulização, quais sejam: viscosidade,