SlideShare uma empresa Scribd logo
1 de 163
Baixar para ler offline
Faculdade de Engenharia Mecânica
UNICAMP
EM 722/ES606
GERAÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E
UTILIZAÇÃO DE VAPOR
Apostila de Curso
Profº Waldir A. Bizzo
1º sem/2003
EM 722 Aulas ministradas pelo prof. Caio Sánchez
ES 606 Aulas ministradas pelo prof. Waldir Bizzo
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
Apresentação:
Esta apostila foi elaborada para utilização como notas de aula do
curso EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor. Além do
trabalho do professor, reúne e utiliza alguns textos e figuras
emprestados da bibliografia abaixo.
Bibliografia:
Bazzo, E.,1992 "Geração de Vapor", Editora da UFSC, Florianópolis.
Pera, H., 1990, "Geradores de Vapor", Editora Fama, São Paulo.
Babcock&Wilcox Co., 1978, "Steam, its Generation and Use", N.York.
Telles, P.C.S.,1982, "Tubulações Industriais", Livros Técnicos e
Científicos, R.Janeiro.
ÍNDICE:
cap. 1 - Combustão....................................... 1
2 - Combustíveis.................................... 18
3 - Queimadores..................................... 41
4 - Geradores de Vapor.............................. 66
5 - Cálculo Térmico e Fluidomecânico de Caldeiras... 81
6 - Segurança na Operação de Geradores de Vapor..... 95
7 - Distribuição de Energia Térmica................. 100
8 - Aquecedores..................................... 120
9 - Eficiência de Geradores de Vapor................ 128
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
1
cap. I - COMBUSTÃO
Reações de combustão são reações químicas que envolvem a oxidação
completa de um combustível. Materiais ou compostos são considerados
combustíveis industriais quando sua oxidação pode ser feita com liberação
de energia suficiente para aproveitamento industrial.
Os principais elementos químicos que constituem um combustível são
Carbono, Hidrogênio e em alguns casos, Enxôfre. Estes elementos reagem
com oxigênio, e na sua forma pura apresentam a seguinte liberação de
calor:
C O CO
H O H O
S O SO
+ → −
+ → −
+ → −
2 2
2
1
2 2 2
2 2
393.500 kj/ kmol
241.800 kj/ kmol
29.300 kj/ kmol
1.1 - Composição típica dos combustíveis
A maior parte dos combustíveis fósseis são hidrocarbonetos, e as
composições típicas são de: carbono, hidrogênio e oxigênio. Combustíveis
vegetais, produtos de madeira e refugo (bagaço, serragem, cascas, etc.)
são carboidratos que contém 1/2 átomo de oxigênio para cada atomo de
hidrogenio. Seus produtos de combustão são similares aqueles dos
hidrocarbonetos ( CO2 e H2O) mas a energia liberada durante a combustão é
comparativamente menor.
Tabela 1.1 - Composição típica de alguns combustíveis
C H O N,S,etc.
Gás Natural ~75 ~25 - -
Petróleo 84~86 11~14 0~3 0~5
Carvão
Mineral
78~95 ~7 1~15 1~5
Lenha 49 6 43 ~1
1.2 - Análise dos combustíveis
Os combustíveis gasosos são usualmente misturas de gases que podem
ser identificados individualmente. Combustíveis líquidos destilados tais
como a gasolina ou o querosene também são misturas de hidrocarbonetos
simples que podem ser separados e identificados. Carvões, óleos
combustíveis residuais e combustíveis vegetais têm estruturas complexas,
difíceis de se reduzir a componentes individuais. No entanto, para a
maior parte de nossos propósitos a análise ELEMENTAR do combustível é
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
2
tudo o que é preciso. Dada a análise elementar de um combustível em
termos de C, H, O, S, etc., é possível calcular-se o requisito teórico de
ar e a quantidade e composição dos produtos de combustão.
1.3 - Estequiometria da combustão
A maioria dos processos industrias de combustão utiliza o ar
ambiente como fonte de fornecimento de oxigênio para a combustão. O
conhecimento das necessidades de ar para combustão, bem como da
composição e volume dos produtos de combustão é fundamental para o
projeto e contrôle de equipamentos de combustão. A estequiometria
química nos fornece os principais dados necessários aos cálculos de
combustão.
Os pêsos atômicos dos principais elementos envolvidos em combustão,
bem como a composição do ar ambiente encontram-se na tabela abaixo:
Elemento em massa em volume Elemento Peso Atômico
oxigênio 23,2% 21% Carbono 12
nitrogênio 76,8% 79% Hidrogênio 1
Oxigênio 16
Nitrogênio 14
Enxôfre 32
Sabe-se que alguns dos números acima requerem correção decimal. Os
erros são pequenos e podem ser ignorados em grande parte se tomados no
contexto da precisão das medições industriais comuns.
O peso molecular de um material é a soma dos pesos atômicos que o
constituem. Por exemplo, o peso molecular do monóxido de carbono, CO, é:
12 + 16 = 28
da água, H2O, é:
2 + 16 = 18, e assim por diante.
Não existem unidades comuns, mas uma unidade prática é a molécula-
grama, ou grama-mol, escrita normalmente como gmol, que é em efeito, o
peso molecular expresso em gramas. Assim a molécula grama, ou o gmol do
monóxido de carbono pesa 28 gramas. Análogamente pode ser utilizado a
molécula-quilograma, o kgmol, ou a molécula-libra, o lbmol, o equivalente
no sistema inglês.
Se uma reação for escrita em forma molecular, ela pode ser tomada
para representar as quantidades relativas de reagentes em termos destas
unidades práticas, por exemplo:
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
3
C + O2 -> CO2
é uma equação que indica o que acontece quando um átomo de carbono e uma
molécula de oxigênio reagem completamente. Em termos práticos ela
estabelece que 1 kmol de carbono reage com 1 kmol de oxigênio para
formar, no final, 1 kmol de dióxido de carbono. A utilização de pesos
atômicos ou moleculares para os elementos vai se tornar evidente quando
os cálculos acima forem estudados. Os pesos atômicos são usados para
elementos que são gasosos em CNTP. Para produtos e combustíveis gasosos,
esta prática pode ser levada um estágio adiante. A teoria de Avogadro
estabelece, na verdade, que volumes iguais de gases diferentes sob as
mesmas condições contém um número igual de moléculas de gás. Por exemplo,
1 metro cúbico de nitrogênio em CNTP contém tantas moléculas de
nitrogênio quanto 1 metro cúbico de dióxido de carbono contém de
moléculas de dióxido de carbono a CNTP. Segue-se que a reação molecular,
quando escrita para combustíveis gasosos, não só indica a reação e os
produtos em termos de moléculas-kg mas também em termos de volumes. Por
exemplo, se o metano queima com oxigênio e reage completamente com tudo
permanecendo em estado gasoso e sendo medido sob as mesmas condições de
pressão e de temperatura, temos:
CH O CO H O4 2 2 22 2+ → +
1 kmol 2 kmol 1 kmol 2 kmol
1 volume 2 volumes 1 volume 2 volumes
Os requisitos de energia da grande maioria dos processos
industriais são obtidos originalmente de combustíveis convencionais
através de uma complexa cadeia de reações denominada combustão.
Felizmente para a maioria das aplicações, esta situação de combustão
potencialmente complicada pode ser reduzida a uma consideração sobre os
materiais de partida - combustível mais oxigênio, normalmente como um
componente do ar - e os produtos finais. Tal simplificação facilita por
exemplo o cálculo do ar ou do oxigênio necessário para um combustível, o
desprendimento potencial de calor e temperatura e a composição ideal dos
produtos gasosos de combustão produzido. Este último ponto é útil ao
inverso, em que uma comparação da composição real de gás de combustão com
a composição ideal indica o rendimento do processo de combustão.
1.4 - Cálculo da proporção teórica de Ar/combustível
Qualquer combustível convencional requer, de acordo com sua
composição, uma quantidade específica e calculável de oxigênio (e
portanto de ar, uma vez que este é o agente comum de fornecimento) para
atingir teoricamente uma reação completa. Menos do que essa quantidade
vai produzir combustão incompleta e portanto perda de calor potencial.
Mais do que essa quantidade, gera perdas excessivas de gás de combustão e
da temperatura. Na prática, um pouco mais do que a quantidade teórica é
usada por razões posteriormente explicadas. Para um material simples tal
como o metano, constituinte principal do gás natural, pode ser escrita a
equação de combustão:
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
4
( ) ( )modificadonãoar,do2ardo2 222224 NOHCONOCH ++→++
A rigor, o fenômeno da dissociação vai alterar um pouco esta reação.
Isto, de fato, significa a separação de parte dos produtos da combustão
em outros compostos que não sejam CO2 e H2O, e consequentemente a perda
de calor, de acordo com as condições exatas de equilíbrio relacionadas às
temperaturas, pressões e concentrações. A dissociação típica do dióxido
de carbono é representada por:
2 22 2CO CO O→ +
Na maioria das condições industriais, a dissociação não está muito em
evidência, e, apesar de sua importância ser reconhecida, ela não é levada
em conta para os propósitos deste capítulo introdutório. As técnicas de
cálculo estabelecidas estão disponíveis na literatura especializada.
Segue-se da equação que 1 Kgmol de metano requer 2 Kgmol de
oxigênio para a reação teórica completa. Portanto, convertendo para uma
base de massa, 16 Kg de metano requerem 64 Kg de oxigênio o que, uma vez
que o ar contém 23,2% de oxigênio por peso, dá uma proporção teórica de
ar/combustível de 17,25: 1. É visto que, em base de volume, 1 volume de
metano requer 2 volumes de oxigênio de forma que a proporção volumétrica
correspondente de ar/combustível é 9,53 : 1 . Tal mistura quimicamente
correta é uma mistura estequiométrica. As situações em que uma equação
exata pode ser escrita são poucas e são quase exclusivamente para
combustíveis gasosos de composição conhecida ou determinada. Exatamente o
mesmo procedimento pode ser seguido em qualquer caso onde equações exatas
possam ser formuladas para os constituintes reativos, tomando-se os
inertes como não-afetados e qualquer oxigênio livre na mistura original
como disponível para a combustão.
Exemplo 1.1:
Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível para o propano.
O balanceamento das equações é feito levando-se em conta a
conservação da massa dos elementos químicos, ou seja, para um determinado
elemento, carbono, por exemplo, o número de átomos que existirá nos
produtos de combustão é o mesmo número de átomos dos reagentes.
( ) 2222283 4376,3 NyOHCONOxHC ++→++
A quantidade "x" é o número de moléculas de O2 necessários a
combustão completa do propano. Como a combustão é feita, no caso, com ar
atmosférico, para cada molécula de oxigênio do ar, é considerado
obrigatóriamente 3,76 moléculas de nitrogênio (a relação de volumes entre
os dois gases no ar atmosférico). A necessidade de oxigênio "x" é
calculada fazendo-se o balanceamento dos átomos de oxigênio:
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
5
( )
8,1876,3
5
4232
==
=
+×=
xy
x
x
Isto significa que para cada mol de propano, ou cada volume de
propano são necessários 5 volumes de oxigênio e consequentemente:
( ) 8,2376,315 =+× volumes de ar atmosférico.
É conveniente para os combustíveis gasosos tomar-se uma base
arbitrária de 100 volumes, metros cúbicos, ou qualquer unidade que seja
apropriada. Para os constituintes ativos, as reações são escritas
levando-se em conta o número de volumes presentes por 100 volumes da
mistura.
A proporção estequiométrica de ar/combustível para esta mistura
gasosa em uma base de volume é, então, 23,8 : 1. Uma vez que a relação
entre volumes, moléculas e moléculas-Kg estejam bem estabelecidas é um
problema fácil converter em base de massa. Não é necessário dizer que,
todos os volumes relativos precisam ser medidos sob condições
semelhantes. No exemplo acima, a relação ar/combustível em massa pode
ser calculada com base nos pesos moleculares:
1 mol de propano pesa 44 kg e necessita 23,8 kmol de ar, que pesa
686,4 kg, ou seja, a relação A/C em massa é 15,6 : 1.
A massa de ar necessária foi calculada multiplicando-se diretamente
o índice "x" pelos pesos moleculares do oxigênio e nitrogênio, levando-se
em conta a sua devida proporção:
( ) ( )
22
4,6862876,35325
NO
=××+×
Para a maioria dos combustíveis sólidos e líquidos, tais equações
exatas não são possíveis devido à complexidade delas e em alguns casos,
devido à sua composição indeterminada. No entanto, uma simplificação pode
ser aplicada de tal forma que a análise química básica (quantidade de
elementos constituintes) possa ser avaliada, não fazendo nenhuma
referência, qualquer que seja, ao modo pelo qual esses elementos são
combinados no combustível. Para combustão completa, as exigências de
peso líquido de oxigênio são obviamente as mesmas e assume-se que
qualquer oxigênio no combustível está disponível para reação. A posição
provável para tal oxigênio é que ele tenha combinado com a estrutura dos
combustíveis, tendo assim o mesmo resultado final.A análise básica é
comumente determinada em base gravimétrica ou de peso e usada com
referência a Kgmol. O modo de aplicação é ilustrado melhor pelo exemplo.
Exemplo 1.2 :
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
6
Uma amostra de querosene tem uma análise básica de 86% de carbono
e 14% de hidrogênio por peso. Determine a proporção estequiométrica de
ar/combustível.
Tome uma base arbitrária de 100 Kg de querosene e converta a
quantidade em massa de cada elemento em quantidade de kmol:
cada 100 kg de combustível possui:
86 kg de C, que corresponde a
86
12
kgmol de C
14 kg de H, que corresponde a
14
1
kgmol de H
=
=
7 17
14
,
a reação estequiométrica pode ser escrita, fazendo-se o devido
balanceamento:
( )
6,14
100
1464,8
:massaemA/Crelação
kg8,14642876,367,103267,10
:necessáriaardemassa
67,10
7217,72
717,776,31417,7 22222
=
=××+×
=
+×=
++→+++
x
x
yNOHCONOxHC
Assim a proporção estequiométrica de ar/combustível, Kg/Kg é
14,6:1. Observe que nenhuma referência, qualquer que seja, é feita à
maneira em que o carbono e o hidrogênio são ou podem estar combinados no
querosene. Um exemplo a mais ilustra o tratamento dos materiais inertes e
do oxigênio composto.
Exemplo 1.3 :
Um combustível fóssil tem uma composição em peso de:
Carbono, 72,0%; Hidrogênio, 14,0%, Oxigênio, 8,0%; Nitrogênio, 2,8%;
Enxofre, 3,2%.
Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível.
C H O N S
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
7
massa do constituinte,
kg/100 kg de combustível
72 14 8 2,8 3,2
kgmol de cada 6,0 14,0 0,5 0,2 0,1
a equação estequiométrica fica:
( )
8,12
100
1283,6
:massaemA/Crelação
kg1283,6=283,769,35+329,35
:necessáriaardemassa
35,9
21,07265,02
1,07676,31,02,05,0146 222222
=
×××
=
×++×=+
+++→++++++
x
x
yNSOOHCONOxSNOHC
A proporção estequiométrica de ar/combustível em base de peso é
12,8:1. Observe que se assume que o conteúdo de enxofre está convertido
em dióxido de enxofre. Se um cálculo for feito para incluir uma
quantidade de ar em excesso, o procedimento é como o de cima, com um
fator de excesso sendo introduzido na última etapa.
Vamos definir aqui o coeficiente de excesso de ar ϕϕϕϕ como a relação
entre o nº de moles realmente utilizado na combustão e o nº de moles
estequiométricamente necessário:
2
2
2
2
esteqO
realO
esteqOmol
realOmol
m
m
n
n
&
&
==
−
−
ϕ
Por exemplo, se este combustível fosse queimado com 20% de excesso
de ar, então a proporção de trabalho de ar/combustível é 1,20 vezes a
proporção estequiométrica. A proporção ar/combustível com 20% de excesso
de ar = 12,8 x 1,20 = 15,36 : 1. Quando um combustível contém cinza ou
umidade, estas podem ser tratadas como constituintes inertes para
aparecerem como tais nos produtos finais da combustão. Os principios
utilizados nestes exemplos podem ser aplicados com igual facilidade a
todos os combustíveis.
1.5 - Avaliação do rendimento da combustão
Se a composição do combustível e a composição dos produtos de sua
combustão são medidos, o rendimento da combustão pode ser calculado. A
quantidade teórica de ar (ou oxigênio) para combustão completa e a
composição estequiométrica dos produtos combustíveis são calculados e
comparados com a composição real obtida pela análise dos gases de
combustão; isto pode mostrar:
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
8
a) que quantidade de calor está sendo desperdiçada em aquecer
quantidades excessivas de gases de combustão; isto quer dizer que está
sendo usado mais ar que o necessário. (Na prática um pequeno excesso
sobre o ar estequiométrico é necessário para assegurar uma completa
combustão).
b) Se parte do combustível está escapando da região de combustão
sem estar completamente queimado. Isto é demostrado pela presença de CO,
fuligem, combustível não queimado e possivelmente hidrogênio nos produtos
combustíveis.
A análise dos gases de combustão ou de gases perdidos dos processos
de combustão é comumente relatada em base sêca de volume, isto é, sem
referência à água no gás. Uma grande variedade de equipamentos para
análise do gás é usada, desde os tipos simples de aparelhos, Orsat e
Fyrit aos mais sofisticados aparelhos contínuos. O valor da análise do
gás de combustão reside na informação que tal análise é capaz de
proporcionar e na interpretação posta em tal informação. Como foi
observado previamente, um combustível específico requer uma quantidade
específica de ar para a combustão completa teórica, com alguma quantidade
adicional para atingir praticamente a combustão completa. Abaixo desta
quantidade prática, que é uma função do tipo de combustível, do
rendimento do queimador e das condições de combustão, é desperdiçado
combustível e esta condição pode ser reconhecida pelo aparecimento de
quantidades excessivas de monóxido de carbono no gás de combustão, um
pouco antes da produção da fumaça prêta (fuligem). Acima desta
quantidade, o calor é perdido junto com quantidades excessivas de gás de
combustão e é reconhecido pela grande quantidade de oxigênio no gás de
combustão. A aplicação do bom senso ao interpretar a análise do gás de
combustão pode levar, por exemplo, à descoberta de deficiências no
processo de combustão, vazamento no forno ou no sistema condutor e
inconsistências na análise e especificação do combustível.
1.6 - Teor de CO2 no gás de exaustão
A medida do teor de CO2 no gás de exaustão seco (uma medição simples
e comum) dá uma medida útil do rendimento da combustão de um determinado
combustível. A proporção máxima de CO2 nos produtos de combustão será
encontrada quando a relação ar/combustível for estequiométrica, figura
1.1. Observemos que em relações abaixo da estequiométrica, o teor de CO2
também cai, porém há o aparecimento de monóxido de carbono.
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
9
Fig. 1.1 - Teor de CO2 no gás de exaustão
Na prática as concentrações de CO2 devem ser mais baixas que a
estequiométrica pela necessidade de se usar ar em excesso a fim de se
atingir a combustão completa. A quantidade de excesso de ar necessária
decresce com o aumento da capacidade e com o rendimento maior no
equipamento de combustão. Valores típicos são:
Gases: 0 a 10%
Líquidos: 2 a 30%
Sólidos: > 50%
1.7 - Determinação da Análise Teórica do Gás de Combustão
Uma vez que, segundo a Lei de Avogadro, o Kgmol e o volume são
numericamente parâmetros permutáveis sob condições adequadas, a
determinação das proporções de ar/combustível está encaminhada a partir
dos produtos da análise teórica do gás de combustão. A qualificação
teórica está assinalada aqui porque, devido a pontos práticos observados
anteriormente, algumas diferenças podem ser encontradas entre a análise
real do gás e a proposta nas mesmas condições iniciais. Então, a análise
teórica indica a situação ideal, e quando mais perto a análise prática
estiver desta tanto melhor. Para qualquer instalação que utiliza
combustível, a experiência vai ditar o limite desta aproximação. Para
combustíveis gasosos, a estimativa da análise do gás de combustão é um
cálculo feito diretamente em base volumétrica. Suponha que o metano seja
queimado completamente com sua quantidade estequiómetrica de ar:
CH O N CO H O N4 2 2 2 2 22 7 52 2 7 52+ + → + +, ,(do ar) (sem modificar)
Nos gases de combustão secos, portanto, existe 1 volume de CO2 para
7,52 volumes de N2. Isto dá um conteúdo de dióxido de carbono (talvez o
ítem mais utilizado em tais análises) de 11,73%. Um gráfico com o
conteúdo de CO2 no gás de combustão e com a relação ar/combustível vai
mostrar um pico teórico na condição estequiométrica, daí a importância
deste item para o rendimento total e como uma indicação das condições de
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
10
operação.Quando é fornecido ar em excesso, o ar excedente passa através
do sistema, inalterado. Isto é uma extensão do cálculo acima para uma
mistura gasosa e será apreciado através de um exame do seguinte exemplo
de análise de gás.
Exemplo 1.4:
Um gás de composição:
C3H8 CO H2 N2 CO2 O2
20 25 30 10 10 5 %,
em volume, é queimado com 20% de excesso de ar. Determine a análise do
gás de combustão sêco.
Balanço estequiométrico:
( )
83,5
100
583,1
:tricaestequioméívelar/combustrelação
583,1=3,76122,5+122,5:necessárioardevolume
5,122
11095225210225
:oxigêniodebalanço
1109576,351010302520 22222222283
=
×
=
+×=+×+×+
++→+++++++
x
x
yNOHCONOxOCONHCOHC
Foi mostrado que 100 volumes deste gás requer 122,5 volumes de
oxigênio, ou 583 volumes de ar atmosférico. Dessa forma, 20% de excesso
significa que 24,5 volumes extra de oxigênio são fornecidos, para ir
através do sistema sem se alterar. Associado a este total de 147 volumes
de oxigênio, haverá 553 volumes de nitrogênio para se acrescentar aos 100
de combustível. A composição em volumes dos produtos de combustão,
incluídos o excesso de ar fica:
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
11
95 110 552 7 24 5
95 552 7 24 5 672 2
0 141
0 036
0 823
0 121
0 140
0 031
0 706
2 2 2 2
24 5
672 2
552 7
672 2
95
782 2
110
782 2
24 5
782 2
552 7
782 2
CO H O N O+ + +
+ + =
=
=
=
=
=
=
=
, ,
, , ,
: ,
: ,
: ,
: ,
: ,
: ,
: ,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
volume total dos gases secos:
composição dos gases secos:
CO
O
N
volume total dos gases úmidos: 95+110 + 552,7 + 24,5 = 782,2
composição dos gases úmidos:
CO
H O
O
N
2
95
672,2
2
2
2
2
2
2
Exemplo 1.5 :
Metano é queimado com uma deficiência de 5% de ar estequiométrico.
Calcule a análise do gás de combustão.
Estequiométricamente, a combustão completa de metano com ar pode
ser representada como antes:
( ) 222224 52,7276,32 NOHCONOCH ++→++
e com uma deficiência de de ar de 5%:
( ) 222224 14,776,39,1 NOHcCObCOaNOCH +++→++
É assumido que a oxidação do hidrogênio do combustível é
inicialmente completada, sua reação pode ser representada como:
H O H O4 2 22+ →
Portanto sobram 0,9 O2 para oxidação de 1 C, representada em 2
etapas:
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
12
C O CO O
CO O CO CO
+ → +
+ → +
0 9 0 4
0 4 0 8 0 2
2 2
2 2
, ,
, , ,
Assim a=0,8 e b=0,2, de forma que toda a equação é:
CH O N CO H O N4 2 2 2 2 21 90 7 14 0 8 2 7 14+ + → + +, , , ,
Um processo semelhante pode ser aplicado a combustíveis mais
complexos mas precisa-se lembrar que esta simples aproximação tem
limitações específicas.
1.8 - Determinação da Quantidade do Excesso de Ar da Análise do Gás de
Combustão
O uso da análise de gás de combustão para determinar a quantidade
de ar excedente, se intencionalmente fornecido para a integridade da
combustão ou se involuntariamente fornecido através de vazamento,
consiste essencialmente em fazer os cálculos anteriores ao inverso e
equilibrar os elementos que entram no processo com aqueles que saem.
Esses equilíbrios dos elementos é necessário, uma vez que as análises são
usualmente apresentadas em percentagens, e não em quantidades absolutas.
Alguns exemplos vão demonstrar a aproximação utilizada.
Exemplo 1.6 :
O metano é queimado com excesso de ar e dá uma análise de gás de
combustão seco de:
CO2 9,15%, O2 4,58%, N2 86,27 % por volume (ou kmol/100 kmol).
Calcule a quantidade de ar excedente utilizada.
Reescrevemos agora a equação da combustão do metano incluído o
coeficiente de excesso de ar:
( ) ( ) 2222224 52,721276,32 NOOHCONOCH ϕϕϕ +−++→++
Observe que o oxigênio estequiométricamente excedente, bem como o
nitrogênio associado sai junto com os produtos da combustão, compondo
assim a massa total dos gases na saída. Para cada kmol de metano
queimado nestas condições, é produzido um total de :
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
13
( )
( ) secoscombustãodeprodutosdekmol152,952,721-+1
ouúmido,combustãodeprodutosdekmol52,9152,72121
−=+
+=+−++
ϕϕϕ
ϕϕϕ
Se a concentração de CO2 é de 9,15% nos gases secos, é possível
determinar o coeficiente de excesso de ar:
0 0915
1
9 52 1
1 25,
,
,=
−
⇒ =
ϕ
ϕ
Quando a combustão foi incompleta e algum monóxido de carbono foi
produzido, o cálculo de ar excedente precisa levar isto em conta e fazer
concessão ao oxigênio presente no gás de combustão, que pertence ao
monóxido de carbono. O aparecimento de monóxido de carbono, devido à
combustão incompleta, num gás de combustão em que ar excedente é
utilizado, não é prontamente previsível mas o efeito de sua presença é
visto na análise do gás.
Exemplo 1.7 :
Um combustível de composição
C H O N S Cinzas
72,0 8,4 8,0 2,8 3,2 5,6
(porcentagem em massa)
produz uma análise de gás de combustão sêco de:
CO2 O2 CO N2
12,0 5,0 1,2 por diferença
(porcentagem em volume)
e o resíduo sólido da combustão contém 25% de carbono. Determine a
quantidade de ar excedente que é fornecida.
Existem três etapas para resolver neste cálculo:
(1) Calcular as exigências teóricas de ar;
(2) Fazer o balanceamento do carbono, determinando assim a parcela de
carbono que queimou esaiu com os produtos de combustão, por unidade de
combustível queimado.
(3) Fazer o balanço de oxigênio, considerando a devida proporção entre
CO2 e CO e O2.
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
14
1ª etapa:
partindo de l00 kg de combustível, incluso as cinzas, já calculamos
diretamente o nº de kmol de cada elemento:
( )
95,721,02,42625,0
76,31,02,4676,31,02,05,04,86 222222
=⇒×++×=+
+++→++++++
xx
NxSOOHCONOxSNOHC
exigência de oxigênio = 7,95 Kg.mol/100 Kg de combustível
2ª etapa:
Para 100 kg de combustível existem 72,0 Kg de carbono. O resíduo sólido
da combustão contém a cinza indicada na análise mais carbono não queimado
(25%). O resíduo total é assim 5,6 de cinza mais 1,87 Kg de C. A quantia
de C queimado é dessa forma, 5,84 Kg.mol (72 kg - 1,87 kg).
( )
( )
21,231,54167,04167,0
12
5
%
%
cinzas)(nas16,02,095,776,31,02,453,031,5
76,395,71,02,05,04,86
2
2
22222
22
=×=⇒==
++×+++++
→++++++
z
CO
O
CNzOSOOHCOCO
NOSNOHC
ϕ
ϕ
Observe que foi descontado o parcela de carbono que não queimou, e foi
mantido a relação CO2/CO, possibilitando o balanceamento correto da
equação e o cálculo do coeficiente z, relativo ao O2, pela relação O2/CO2.
3º etapa:
( )
20,1
35,8892,29
5,31
=0,12
:calculadoéardeexcessodeecoeficiento12%,aigualCOdeteorosendo
35,8892,292,095,776,3,212+0,1+0,53+5,31
:éproduzidosecogasesdetotalvolumeo
2
=⇒
+
+=+×+
ϕ
ϕ
ϕϕ
A avaliação do excesso de ar assume combustão completa, e portanto
o excesso precisa ser relatado nesta base. A determinação de ϕ acusou um
excesso de 20,0%.
O Oxigênio em excesso é devido a somatória das parcelas de oxigênio
oriundos do próprio ar em excesso fornecido, de oxigênio devido ao
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
15
Carbono que não queimou e apareceu nos residuos de cinzas, e de oxigênio
devido a formação de monóxido de carbono, que não foi oxidado
completamente em CO2.
A importância dos cálculos de combustão em circustâncias
industriais usuais foi mostrada e os exemplos escolhidos aqui não
pretendiam somente mostrar o processo de cálculo mas salientar alguns
pontos assinalados. Não está implícito que o método de cálculo
demonstrado aqui seja o único método ou mesmo o melhor, mas é um enfoque
dos princípios básicos, e como tal, é flexível e amplamente aplicável.
Existem situações aqui minimizadas para maior clareza, nas quais os
cálculos necessários são muitos, e muito mais sofisticados, como por
exemplo, os processos de altas temperaturas onde os efeitos da
dissociação são mais importantes. Um enfoque de tais situações pode ser
feito, fundamentado no método de cálculo anterior.
1.9 - Temperatura de Chama
Qualquer reação de combustão, na verdade qualquer reação química,
pode ser geralmente representada pelo esquema:
reagentes (cadeia de reação)→ produtos
Vamos apresentar isto simbolicamente como:
A + B → C + D
Na verdade, não vai haver nunca uma transformação completa de A e B para
C e D. Antes, é atingida uma situação de equilíbrio, a qual deveria ser
representada como:
A + B ←→ C + D
Naturalmente, são estabelecidas reações para se atingir os
produtos, de forma que na maioria das circustâncias usuais o equilíbrio é
muito mais para a direita, com C e D predominando. No entanto, se os
intrumentos analíticos são bons o bastante, os traços de A e B serão
detectados qualquer que sejam as circustâncias. Também, como a reação é
uma cadeia de reações, podemos esperar encontrar traços dos materiais de
cadeia.
Os fatores que controlam o grau de dissociação para qualquer reação
dada (isto é, a posição de equilíbrio) são: temperatura, pressão e
concentração. O princípio de Le Chatelier diz que se uma variável que
afeta o equilíbrio de um sistema é modificada, então a posição de
equilíbrio é deslocada para se opor à mudança.
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
16
Para efeito de cálculos de combustão industrial, onde os níveis de
temperatura são usuais até um máximo de 1500 ~1600 K, a dissociação
assume pouca ou nenhuma importância. A dissociação do CO começa a ser
detectada por volta de 2000 K, e apresenta-se como um caso particular dos
processos gerais de combustão e não será aqui tratada em detalhes. Os
príncipios gerais da dissociação são encontrados na literatura de
cinética química e sua aplicação específica em combustão é necessária
quando a combustão é uma parte de um processo e determina sua
eficiência, tais como nos processos de incineração térmica, na
gaseificação de carvão e lenha, ou na fabricação de combustíveis
sintéticos.
1.10 - Medição do rendimento de combustão
Para se calcular o rendimento de calor útil de um sistema de
combustão é necessário saber o Poder calorífico do combustível, a relação
ar ( ou oxigênio) /combustível e o grau de complexidade da combustão.
O Poder Calorífico de um combustível é definido como a quantidade
de calor desprendido pela combustão completa do combustível. Se esta
quantidade de calor é medida com os produtos de combustão saindo
completamente na fase gasosa, este é denominado Poder Calorífico
Inferior. Se, por outro lado, a água nos produtos de combustão for
considerada na fase líquida, ou seja, com o produtos de combustão à
temperatura ambiente, o calor desprendido é denominado Poder Calorífico
Superior. A diferença entre os dois valores é exatamente a entalpia de
vaporização da água formada na combustão do hidrogênio constituinte e da
água presente no combustível na forma de umidade:
( )
sêco)lcombustívedekg/OH(kglcombustívenoumidadedeteor
(kg/kg)lcombustívedoteconstituinhidrogêniodeteor
(kj/kg)SuperiorCaloríficoPoder
(kJ/kg)InferiorCaloríficoPoder
:onde
92440
2:u
:h
:PCs
:PCi
uhPCsPCi +−=
As medições de Poder Calorífico em laboratório são realizadas em
bomba calorimétrica com temperatura do meio controlada próximo a
temperatura ambiente, e o valor obtido é sempre o Poder Calorífico
Superior. A avaliação do PCI é feita através da equação acima, e
portanto deve ser conhecida o teor de hidrogênio do combustível, ou pelo
menos, estimado com alguma margem de segurança. A maioria dos processos
industriais tem seus produtos de combustão exauridos a temperaturas onde
a água está na forma de vapor, e por esta razão o conhecimento do Poder
Calorífico Inferior é útil e facilita os cálculos de aproveitamento de
calor.
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo
17
1.11 - Temperatura Adiabática de Chama
O desprendimento de calor proveniente da reação de combustão pode
ser calculado conhecidos o Poder Calorífico do combustível e a taxa de
consumo de combustível na fornalha. Se for assumido que todo o calor
gerado é transformado em entalpia dos produtos de combustão, sem nenhuma
perda de calor por radiação ao ambiente externo (uma situação, na
prática, impossível) ou perda de temperatura por dissociação, é possível
calcular a Temperatura Adiabática de Chama:
( )
(K)combustãodeardoentradadeuratemperat:
Chama)(K)deAdiabáticaaTemperaturcombustão(degasesdossaídadeturatempera
K)(kJ/kgcombustãodegasesdosEspecíficoCalor
(kg/s)combustãodegasesdemassa
(kJ/kg)InferiorCaloríficoPoder
(kg/s)lcombustívedeconsumodetaxa
:
ar
g
g
g
c
argggc
T
:T
:Cp
:m
:PCi
:m
onde
TTCpmPCim −= &&
A temperatura Adiabática de Chama é uma abstração, pois nenhum
processo real pode ser adiabático, e tanto mais difícil em altas
temperaturas, geralmente produzidas em condições de chama. Além disso, a
dissociação começa a se fazer sentir em temperaturas acima de 2000 K,
e o calor desprendido tende a ser menor que o calculado. De qualquer
maneira, o cálculo pode ser útil para efeito de comparação de potenciais
de combustíveis para uma dada necessidade de calor e temperatura.
Observe que no cálculo da massa de gases produzidos está implícito a
relação ar/combustível, pois os produtos de combustão é a soma das massas
do ar de combustão e do combustível consumido no processo. A temperatura
adiabática de chama pode ser então calculada para uma massa unitária de
combustível desde que se estabeleça a relação ar/combustível.
De modo inverso, conhecido a temperatura de saída dos gases de
combustão, é possível calcular o calor recebido pelo processo de
combustão, o qual será a diferença entre a entalpia dos gases à
temperatura adiabática de chama e entalpia de saída dos produtos de
combustão:
( )
(K)fornalhanacombustãodegasesdossaídadeuratemperat
(kJ/s)fornalhapelarecebidocalor
:onde
:Ts
:Q
TTsCpmPCimQ
g
argggc
&
&&& −−=
EXERCICIOS CAP. 1
Determine a composição dos produtos de combustão do bagaço de cana, queimando com
100% de excesso de ar. Considere a composição elementar do bagaço semelhante a composição
da lenha, porém com 50% de umidade (b.u.).
Caldeira queima 2000 kg/h de lenha com 20% umidade(b.u.) e a análise dos gases de
combustão resultou em 8,7% CO2 (b.s.) e o resíduo sólido do cinzeiro tem 90% de carbono não
queimado. Determine o excesso de ar real (b.u.).
Se os produtos de combustão tem temperatura de 180º C, qual deve ser a capacidade em
m3/h do exaustor dos gases de combustão?
Determine a temperatura dos produtos de combustão saindo de uma fornalha., queimando
GLP com 10% de excesso de ar, considerando que 50% do calor gerado é perdido por radiação.
Assumir propriedades dos produtos de combustão iguais a do ar atmosférico.
Calcule a relação Ar/Combustível estequiométrica para combustão de Etanol hidratado
(96ºGL).
Determine o teor de CO2 (b.s.) para combustão do etanol hidratado com 25% de excesso
de ar.
Supondo apenas dissociação do CO2, qual deve ser o teor de CO (b.s.) para combustão do
etanol hidratado com 3% de falta de ar?
Gás residual tem composição volumétrica Metano 82%, etano 8%, H2S 1%, CO2 5% e N2
4%. Faça um gráfico do teor de CO2 (b.s.) nos produtos de combustão em função do excesso de
ar. Determine o teor de SO2 com 5% de excesso de ar.
Carvão mineral tem composição C 67%, H 8%, S 7%, O 1,5%, cinzas 16,5 %. O
equipamento de combustão será controlado por analisador contínuo de oxigênio cujo sensor deve
ser instalado diretamente na saída dos produtos de combustão que tem temperatura média de 210
ºC. Para controle computadorizado você deve estabelecer uma função do teor de O2 nos gases de
chaminé em relação ao excesso de ar. Após a instalação e testes iniciais do sistema da questão
anterior, o resíduo da combustão acusa um teor médio de 12% de carbono não queimado. A
função estabelecida anteriormente ainda é valida? Se não, como corrigi-la?
Calcule a temperatura adiabática de chama a 10% de excesso de ar de uma mistura de
composição volumétrica Metano 82%, etano 8%, H2S 1%, CO2 5% e N2 4%. , sem dissociação,
dados os PCS: Metano 55.488, Etano 51.865, H2S 16.560 kJ/kg.
Uma câmara adiabática opera com metano, com relação estequiométrica, sendo que a
concentração em massa de CO nos produtos de combustão é 5%. Determine a temperatura
adiabática de chama na condição de operação.
Carvão mineral tem composição C 63%, H 9%, S 3%, O 1%, cinzas 24%. Determine a
composição dos produtos de combustão base sêca, utilizando 60% de excesso de ar. A
legislação do local onde está instalado o equipamento da questão anterior permite a emissão de
dióxido de enxôfre em 3200 mg/Nm3 (base sêca). O equipamento está enquadrado na
legislação? Qual seria o máximo teor de enxôfre do carvão que poderia ser utilizado nas
condições da questão anterior, que ainda seria abaixo dos limites de emissão permitidos?
Escrever a reação de combustão do óleo combustível, com ar estequiométrico e com 30%
de excesso de ar e determinar a concentração de CO2 e SO2 base seca. Considerar óleo com
3,5% de enxôfre e densidade relativa 0,98.
Num forno de reaquecimento de lingotes, operando a 1250 ºC, supondo que todos os
sistemas de combustão abaixo tenham a mesma características no que se refere a troca de calor
por radiação ( mesma emissividade e fator de forma), escolha o sistema de combustão mais
adequado para maior transferência de calor, justificando matematicamente:
Combustível PCI (kcal/kg) A/C esteq Excesso de Ar
óleo BTE 9.965 13,7 40%
GLP 10.218 15,6 5%
óleo diesel 10.250 14,6 15%
Uma câmara de combustão adiabática queima metano com relação A/C estequiométrica.
Nos produtos de combustão estão presentes 5% CO (em volume). Determine a temperatura
adiabática de chama.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
18
cap. 2 - COMBUSTÍVEIS
Combustíveis para utilização em energia e aquecimento industrial
apresentam características importantes tais como baixo custo por
conteúdo energético, disponibilidade, facilidade de transporte e
armazenamento, possibilidade de utilização dentro de tecnologias
disponíveis, baixo custo operacional e de investimento, etc. Durante
muitos anos, os derivados de petróleo preencheram a maioria destas
características e se tornaram o tipo mais utilizado de combustível
industrial. Nas décadas recentes, outros tipos de combustíveis tem sido
utilizados e pesquisados, principalmente aqueles que produzem menor
impacto ambiental que os combustíveis fósseis.
Do ponto de vista de origem, os combustíveis podem ser
classificados como: fósseis (não renováveis) e vegetais (renováveis),
representados pela tabela abaixo.
Origem Combustível Básico Derivado
FÓSSEIS
Petróleo GLP
Gasolina
Óleo Diesel
Óleo Combustível
Óleos Residuais
Gás Natural
Xisto Betuminoso
Carvões Minerais
Gases manufaturados
Cana-de-açucar Bagaço de cana
Alcool Etílico
VEGETAIS
Lenha Carvão Vegetal
Gases manufaturados
Metanol
Resíduos Vegetais Biogás
Quanto a utilização de combustíveis é conveniente classificá-los e
estudá-los quanto a sua forma física: sólidos, líquidos ou gases.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
19
Composição dos combustíveis:
Os combustíveis industrias apresentam em sua composição alguns dos
seguintes elementos ou compostos:
Carbono C
Hidrogênio H
Oxigênio O
Enxôfre S
Nitrogênio N
Água H2O
Cinzas (Z)
Carbono e hidrogênio são os elementos que mais contribuem para o
poder calorífico dos combustíveis e oxigênio é geralmente presente em
combustíveis vegetais, sendo que sua presença diminui o poder calorífico
do combustíveis, bem como as exigências teóricas de ar de combustão.
Embora o enxôfre seja também combustível, este traz consequências
prejudiciais ao meio ambiente e aos equipamentos:
- seu poder calorífico é menor que o carbono e hidrogênio
- Os produtos de combustão, SO2 e SO3, em presença de umidade formam
ácido sulfúrico, que irá atacar as partes mais frias da instalação.
H2SO4 é o principal causador de "chuva ácida", com consequências
desastrosas ao meio ambiente.
- se a atmosfera da combustão for redutora, pode haver formação de
H2S, ou outros compostos, que são perigosos e produzem mal cheiro.
O enxôfre nos combustíveis líquidos é enconrado na forma de
mercaptanas (um radical R-S-H) ou também na forma de dissulfetos(
radicais R-S-R).
Nitrogênio é responsável pela formação de diversos óxidos: N2O, NO e
NO2, que são compostos de alta irritabilidade para as mucosas além de
reagirem com o ozona da atmosfera (O3).
Outros elementos ocorrem eventualmente nos combustíveis em
concentrações muito pequenas, porém de efeitos não menos importantes. Os
metais são mais frequentes: Níquel, Vanádio, Cálcio, Sódio, Potássio e
Manganês.
O vanádio forma um óxido: V2O5, que é catalizador da reação de
formação de ácido sulfúrico, agravando as consequencias de corrosão com
combustíveis que contenham enxofre. Sódio e potássio (metais alcalinos)
contribuem para a corrosão a baixa temperatura formando compostos de
baixo ponto de fusão, pdendo inclusive atacar materias refratários.
A água é normalmente encontrada em todos os combustíveis,
principalmente nos combustíveis sólidos, na forma de umidade, e traz
duas consequências:
- diminui o poder calorífico,
- aumenta a temperatura do ponto de orvalho do ácido sulfúrico,
aumentando os problemas de corrosão.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
20
2.1 - COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS
Os combustíveis líquidos são amplamente utilizados na indústria
pelas facilidades de armazenamento, operação e transporte, e os derivados
de petróleo praticamente estão presentes na maioria das aplicações.
A caracterização dos combustíveis líquidos compreende a medição de
algumas propriedades aplicáveis a estes, as quais serão definidas a
seguir. O poder calorífico de combustível, como definido no capítulo
anterior é aplicável a todos os tipos de combustíveis.
Propriedades de combustíveis líquidos
Ponto de fulgor: é a temperatura do combustível na qual, sob a ação
de uma chama escorvadora sobre a superfície líquida do mesmo, provoca uma
ignição e combustão transitória. Importante propriedada para a segurança
de armazenamento.
Ponto de ignição: temperatura do combustível na qual a chama
escorvadora provoca uma combustão continuada sobre a superfície do mesmo.
Temperatura de auto-ignição: temperatura mínima de uma mistura
ar/combustível na qual a combustão é iniciada e se mantém, sem a presença
de uma chama escorvadora.
Ponto de fluidez: temperatura mínima necessária para que o
combustível se torne um fluido.
Viscosidade: importante propriedade que vai determinar as
temperaturas de armazenamento, bombeamento ecônomico e pulverização
(atomização) para combustão.
Outras propriedades de combustíveis líquidos são aplicáveis apenas
a combustíveis automotivos (gasolina, óleo diesel), tais como a
octanagem, o período de indução e a cetanagem, e não serão tratadas neste
texto.
Todas as propriedades tem normas e métodos de medição e algumas
podem variar em resultado conforme o método utilizado.
Derivados de Petróleo
O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos que apresenta
composição variável e dependente de fatores geológicos tais como
localização da jazida, idade, profundidade, etc. Os principais elementos
que constituem o petróleo são apresentados no quadro abaixo, com sua
correspondente faixa de variação da composição:
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
21
Elemento % em massa
Carbono 83 a 87
Hidrogênio 11 a 14
Enxôfre 0,05 a 8
Nitrogênio 0,1 a 1,7
Oxigênio ~0,5
Metais(Fe, Ni, V, etc.) ~0,3
Os principais constituintes orgânicos do petróleo são :
- Alcanos (ou parafinas), cadeias carbônicas retas, de fórmula
geral CnH2n+2 e seus isômeros.
- Ciclanos (ou naftênicos), de fórmula geral CnH2n , são compostos de
anéis saturados, tais como o ciclo pentano e ciclo-hexano.
- Aromáticos, os quais contém o anel benzênico, e de baixo peso
molecular.
- Compostos sulfurados, presentes em todos os tipos de óleo cru,
mas em geral, quanto maior a densidade do petróleo, maior o teor de
enxôfre.
- Compostos nitrogenados, presentes nas frações mais pesadas,
ocasionam problemas no processamento de petróleo por envenenamento de
catalizadores de processo.
- Compostos oxigenados, também se concentram nas frações mais
pesadas, e são responsáveis pela acidez, escurecimento e o forte odor dos
derivados de petróeleo.
- Compostos metálicos, são compostos organo-metálicos e também
predominam nas frações mais pesadas.
- Impurezas inorgânicas, ficam em solução ou suspensão na água
emulsionada ou no corpo do petróleo: sais minerais, argila, areia e
óbviamente a água.
Os derivados de petróleo são produtos do processamento do óleo cru,
bàsicamente em dois tipos de processos:
- destilação atmosférica, onde grupos de frações são separadas por
diferença de ponto de ebulição (ou pressão de vapor), numa coluna de
destilação,
- destilação à vácuo do resíduo, onde é extraído no resíduo de
fundo da coluna atmosférica mais frações leves. O resíduo de destilação
à vácuo é utilizado para produção de asfalto ou complementação da
produção de óleo combustível,
- craqueamento térmico ou catalítico, onde é possível transformar
frações pesadas do óleo em frações mais leves, ajustando o perfil da
produção com as necessidades de mercado consumidor.
Um esquema básico de refino é apresentado na figura 1.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
22
A qualidade e característica do petróleo determina a faixa de
extração de cada componente principal, embora os processos adicionais
como o craqueamento permitam uma pequena variação do ajuste. As
principais frações produzidas, em ordem crescente de densidade são as
seguintes:
- Gás residual
- Gás Liquefeito de Petróleo
- Nafta petroquímica
- Gasolina
- Querosene
- Óleo Diesel
- Óleo Combustível
- Lubrificantes
- Óleos residuais
- Asfaltos
Óleo Combustível
O óleo combustível é a fração mais importante para os sistemas de
aquecimento industrial, devido a seu baixo preço. Apesar de no ínicio da
utilização do petróleo, frações mais leves tais como o diesel e o
querosene terem sido utilizadas, atualmente, tais derivados são
reservados a utilizações com maior exigência de qualidade de combustível,
como os motores de combustão interna (ciclos Diesel e turbinas de
aviação). A tendência atual é adequar o perfil de refino a maior
produção de diesel e consequentemente,o óleo combustível utilizado
Figura 1. Esquema da destilação atmosférica de petróleo.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
23
pela indústria tem sua densidade e viscosidades aumentadas, além do maior
teor de enxofre.
A especifição básica para os óleos combustíveis são a viscosidade,
o ponto de fluidez e o teor de enxôfre.
A viscosidade é determinada em aparelhos que se baseiam no tempo de
escoamento de um dado volume de óleo a uma temperatura constante. Os
tipos de viscosímetros mais utilizados são:
- Saybolt, com dois tipos: SSU Segundos Saybolt Universal e
SSF, Segundos Saybolt Furol
- Engler
- Redwood
A conversão em viscosidade cinemática, dada em centipoises está
apresentada na tabela 1.
As temperaturas utilizadas são as seguintes:
20 ºC
(68 F)
37,8 ºC
(100 F)
50 ºC
(122 F)
98,9 ºC
(210 F)
100 ºC
(212 F)
SSU X X
SSF X X
Engler X X
Redwood X
Os óleos combustíveis apresentam várias faixas de viscosidades
conforme sua classificação. Para se conhecer a viscosidade de um óleo em
qualquer temperatura, é necessário conhecer-se pelo menos a viscosidade
em duas temperaturas, e com o auxílio do gráfico da figura 2, traça-se
uma reta que reproduz o comportamento da viscosidade em relação a
temperatura para derivados de petróleo.
As especificações atuais brasileiras para os óleos combustíveis são
apresentados na tabela 2, sendo que análises de laboratório são
apresentadas nas tabelas 3 e 4. Uma tabela de equivalencia de
denominações também esta anexo.
Antiga A(BPF) D(BTE) E F GD HD GK HK GM HM
Atual 1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B 5A 5B
Antiga GN HN GP HP - - - - OC4
Atual 6A 6B 7A 7B 8A 8B 9A 9B C
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
24
Tabela 1 – Equivalência entre viscosidades.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
25
Figura 2. Gráfico para determinação da curva viscosidade x temperatura
para derivados de petróleo.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
26
Figura 3. Gráfico típico de ponto de orvalho em função do teor de
enxofre no combustível.
Tabela 2. Especificações do CNP para óleos combustíveis.
Viscosidade (2)
Óleo
Combustíve
l
Ponto
de
fulgor
em o
C
Ponto
de
fluidez
superio
r o
C
Cinzas
, % em
peso
Teor
de
enxofr
e % em
peso
Água e
Sedimen
tos %
em peso
Cinemátic
a a 60o
C,
eSt ou
(Saybolt,
Furol a
65o
C, s
Cinemática a
37,8o
C, cSt ou
Saybolt Universal
37,8o
C, s
Mínimo Máximo Máximo Máximo Máximo Máximo Mínimo Máximo
TipoA
(B.P.F.)
66 (4) - 5,0 2,00
(3)
390 (185) 31,9 (150 -
TipoB
(A.P.F.)
66 - - 5,0 2,00
(3)
390 (185) 31,9 (150) -
TipoC (óleo
no
4)
66 (5) 0,10 - 0,50
(6)
- 2,11
(33,0)
26,0
(124)
TipoD
(B.T.E.)
66 - - 1,0 2,00
(3)
390 (185) 31,9 (150) -
Tipo E 66 - - 5,5 2,00
(3)
600 (285) 31,9 (150) -
Tipo F 66 - - 1,0 2,00
(3)
600 (285) 31,9 (150) -
1) - Em vigor a partir de 02/02/82, através do Regulamento Técnico CNP 09/82.
2) - Para óleos combustíveis cuja diferença entre a temperatura de referência de
viscosidade e o ponto de fluidez seja menor que 20o
C, os valores da viscosidade deverão
ser obtidos em temperaturas mais altas, reportando-se às temperaturas por extrapolação.
3) - A quantidade de água e sedimento exceder 1,00%, deverá ser feita a dedução da cifra
total na quantidade de óleo combustível.
4) - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela
anexa.
5) - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa
de 6o
C.
6) - O resultado de água e sedimentos para o óleo combustível tipo “C” é expresso em %
por volume.
OBS.: A partir de 02/02/82, através da Resolução no
02/82, o Conselho Nacional de Petróleo
autorizou em caráter experimental, mediante acordo com o comprador a utilização do
Óleo Combustível Ultra-Viscoso”. Entende-se por Ultra-Viscoso um óleo combustível
com viscosidade cinemática acima de 600 cSt a 65o
C (285 SSF a 65o
C), sendo que as
demais características atendem as especificações constantes da Resolução 1/82 que
estabelece o Regulamento.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
27
V I S C O S I D A D E
TIPOS
Ponto
de
Fulgor,
o
C
Ponto de
fluidez
superior
, o
C
Teor de
enxofre
, %
peso
Água e
sedimento
%
volume
(1)
Saybolt
Furol
a 50o
C, s
Cinemática, cSt
37,8o
C 60 o
C
Cinza
s
Mínimo Máximo Máximo Máximo Máximo - Máximo Mínimo
1A 66 (2) 5,0 2,0 (600) - 620 -
1B 66 - 1,0 2,0 (600) - 620 -
2A 66 - 5,5 2,0 (900) - 960 -
2B 66 - 1,0 2,0 (900) - 2.300 -
3A 66 - 5,5 2,0 (2400) - 2.300 -
3B 66 - 1,0 2,0 (2400) - - -
4A 66 - 5,5 2,0 10.000 - - -
4B 66 - 1,0 2,0 10.000 - - -
5A 66 - 5,5 2,0 30.000 - - -
5B 66 - 1,0 2,0 30.000 - - -
6A 66 - 5,5 2,0 80.000 - - -
6B 66 - 1,0 2,0 80.000 - - -
7A 66 - 5,5 2,0 300.000 - - -
7B 66 - 1,0 2,0 300.000 - - -
8A 66 - 5,5 2,0 1.000.000 - - -
8B 66 - 1,0 2,0 1.000.000 - - -
9A 66 - 5,5 2,0 (sem
limite) -
- - -
9B 66 - 1,0 2,0 (sem
limite) -
- - -
C 66 (3) - 0,5 - 2,1, a
26,0
- 0,10
1 - A quantidade de água por destilação, mais a do sedimento por extração, não deverá
exceder 2,0% (percentagem em vol.).
Uma dedução na quantidade deverá ser feita para toda a água e sedimento em excesso de
1,0%.
2 - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa.
3 - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa,
diminuído de 6o
C.
O teor de enxôfre é umas característica importantíssima para
especificação e utilização de óleos combustíveis. Como explicado, o
enxôfre ocasiona a formação de SO2 e SO3, o qual em reação com a água dos
produtos de combustão dever formar ácido sulfúrico. A formação e
condensação de ácido sulfúrico depende do teor de SO2 ,e consequentemente
do teor de enxôfre no óleo, e da pressão parcial do vapor de água nos
gases de combustão. Um gráfico típico do ponto de orvalho deo ácido em
função do teor de enxôfre no óleo é apresentado na figura 3.
Nem sempre está disponível dados sobre a análise elementar dos
óleos combustíveis, e mesmo o poder calorífico. No caso em que não
existe uma análise laboratorial, os gráficos das figuras 4, 5 e 6
auxiliam no estabelecimento da composição química elementar, fornecendo
dados estimativos a partir de propriedades facilmente mensuráveis, como
a densidade. O teor de enxôfre, por ser de importância fundamental na
especificação dos óleos, normalmente é fornecido. Os gráficos e tabelas
fornecem dados com exatidão suficiente para os cálculos de combustão
industrial.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
28
Tabela 3. Análise de óleo combustível tipo 1 B.
MÉDIA TRIMESTRAL
ENSAIOS RESOLUÇÃO
CNP 1º 2º 3º 4º
OBS.
Água e sedimentos. %
peso
2.0 (max) 0,10 0,10 0,10 0,10
Água por destilação. %
volume
- 0,1 0,1 0,1 0,1
Densidade relativa.
20/4 C
- 1,0122 0,9932 0,0100 1,0035
Enxofre. % peso 5,5 (max) 0,96 0,75 0,7 max) 0,78
Ponto de fluidez
superior. C
- 6 6 3 9
Ponto de fulgor. C 66 (min) 76 74 68 66
Viscosidade SSF a 50 C 600 (max) 600 600 600 600
cSt a 60 C 620 (max) - - - -
Poder calorífico
inferior. kcal/kg
- 9880 9880 9880 9880
Poder calorífico
superior. kcal/kg
- 10470 10470 10470 10470
*Dados obtidos por
extrap. Ensaio a 65 C
Figura 4. Relação entre peso específico do óleo combustível e seu teor de
hidrogênio.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
29
Figura 4. Relação entre peso específico do óleo combustível e seu teor de
hidrogênio.
Tabela 4. Análises típicas de derivados de petróleo.
ANÁLISES
TÍPICAS Querosene Diesel OC-4 BPF BTE E F
Densidade
20/4o
C 0,801 0,829 0,892 0,978 0,946 0,998 0,958
Ponto de
Fulgor, o
C 41 - 80 90 88 95 97
Viscosidade
CIN 20o
C, cSt 2,0 2,99 - - - - -
Viscosidade
SSU 100o
F 32 36 39,4 15420 15230 23060 22000
Viscosidade
SSF 122o
F - - - 520 502 790 775
Viscosidade
SSF a 65o
C - - - 173 170 280 278
Ponto de
Névoa, o
C - 2 - - - - -
Ponto de
Fluidez, o
C - - 0 12 14 12 12,5
Índice de
Cetano - 56 - - - - -
Enxofre
% Peso 0,06 0,92 1,5 4,0 0,85 4,1 0,76
Poder
Calorífico
Superior
46420 kJ/kg
110940
kcal/kg
45832
kJ/kg
10954
kcal/kg
44857
kJ/kg
10721
kcal/kg
43270
kJ/kg
10327
kcal/kg
43501
kJ/kg
10397
kcal/kg
43103
kJ/kg
10397
kcal/kg
43865
kJ/kg
10484
kcal/kg
Poder
Calorífico
Inferior
43406 kJ/kg
10374
kcal/kg
42944
kJ/kg
10263
kcal/kg
40867
kJ/kg
9.976
kcal/kg
41186
kJ/kg
9844
kcal/kg
40935
kJ/kg
9784
kcal/kg
40935
kJ/kg
9784
kcal/kg
41388
kJ/kg
9892
kcal/kg
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
30
Figura 5. Relação entre Poder Calorífico, densidade relativa, teor de
enxofre e carbono/hidrogênio para óleos combustíveis.
Figura 6. Relação entre a densidade de um óleo combustível à temperatura
T e sua densidade à 15 ºC.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
31
Outros derivados, além dos óleos combustiveis, apresentam,
aplicações específicas e algumas propriedades típicas estão disponíveis
na tabela 4, e do álcool combustível na tabela 5.
Tabela 5. Características Técnicas do Álcool Etílico
No quadro apresentam-se as características do álcool etílico hidratado e
anidro, comparando-o com a gasolina e álcool metílico.
Propriedade Gasolina Etanol
Anidro
Etanol Hidratado Metanol
Anidro
Fórmula química (CH)x C2H5OH C2H5OH 19H2O CH3OH
Peso molecular 144 46 - 32
Densidade a 20o
C 0,73 0,79 0,81 0,79
Relação estequiométrica
ar / combustível 15,2/1 9,0/1 8,3/1 6,45/1
% Carbono em peso 84,0 52,0 - 37,5
% Hidrogênio em peso 16,0 13,0 - 12,5
% Oxigênio em peso - 35 - 50
Início temp. Ebulição o
C 40,0 78,3 78,2 65
Término temp. de ebulição
o
C
250 78,3 78,2 65
Calor latente de
vaporizacão
kcal/kg
90 216 237 270
Temp. de auto-ignição o
C 367 550 580 570
Poder calorífico inferior
kcal/kg
10 500 6 400 5 952 4 600
Calor de combustão da
mistura quimicamente
correta kcal/litro
0,860 0,815 0,815 0,760
Índice de octano método
Research 73 106 110 110
Índice de octano método
motor
73 89 92 90
Índice de octano calculado 73 158 162 160
Fator de acréscimo do
número de moléculas durante
a combustão
1,055 1,063 1,077 1,061
Efeito de superalimentação 1,68% 7% 9% 14%
Graus GL (%Volume) - 99,5 95 99,5
Graus INPM (%peso) - 99,2 93,5 99,2
(extraído de “Os Motores de Combustão Interna” - Paulo Penido Filho, lemi, Belo Horizonte
1983).
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
32
2.2 - COMBUSTÍVEIS GASOSOS
Os combustíveis gasosos tem aumentado sua aplicabilidade na
industria nacional, respondendo a demanda por fontes de energia mais
limpas e eficientes. A limitação de seu crescimento está na
disponibilidade e distância dos centros consumidores pela sua maior
dificuldade de transportes.
Gás Liquefeito de Petróleo é importante combustível, tanto de
aplicação industrial como doméstica. Gás Natural tem sido explorado
recentemente, porém, deve ser transportado por gasodutos, o que dificulta
sua maior utilização, dada a necessidade de investimento em
infraestrutura. Outros gases, tais como, os gases manufaturados de nafta
são produzidos e distribuidos localmente por rede de tubulações, além de
gases residuais de refinaria, que tem aproveitamneto restrito as
proximidades desta.
Propriedade de combustíveis gasosos:
Algumas propriedades importantes necessitam ser conhecidas para os
combustíveis gasosos. A composição química pode ser fácilmente
determinada através da análise laboratorial, em cromatógrafos químicos.
O poder calorífico é normalmente dado em termos de energia/volume,
relativa a determinada condição de Temperatura e Pressão. Em alguns
casos pode ser fornecido em termos de energia/massa.
Densidade relativa: é a densidade do gás relativa ao ar nas mesmas
condições de temperatura e pressão.
Número de Wobbe: é uma relação entre poder calorífico e densidade
relativa dada pela equação:
W
PCi
dr
=
A importância do número de Wobbe está ligada a intercambiabilidade
de gases para uma mesma aplicação ou queimador. Observe que a relação de
Poder Calorífico e a raiz quadrada da densidade relativa tem a ver com a
quantidade de energia (por volume) que é possível passar por determinado
orifîcio com a queda de pressão correspondetne. Em outras palavras, no
que se refere a potencia de um dado queimador, gases com o mesmo número
de Wobbe vão apresentar o mesmo desempenho energético.
Velocidade de chama: é a velocidade de uma frente de chama de uma
mistura ar/combustível, efetuada sob determinas condições. O
conhecimento de parâmetros de velocidade de chama é útil também para a
intercambiabilidade dos gases, no sentido de se garantir a estabilidade
de combustão em queimadores. Dois fenômenos podem ocorrer em queimadores
de gás:
- o descolamento da chama, quando a velocidade da mistura não
queimada é maior que a velocidade de chama, e
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
33
- o retôrno de chama, quando a velocidade de chama é maior que a
velocidade da mistura ar/combustível.
Ambos podem trazer consequencias desastrosas aos equipamentos e um
queimador de gás deve ser projetado para determinadas faixas de
velocidades de chama para se garantir a estabilidade.
Diversos métodos existem para a medição de velocidade de chama,
porém nenhum destes reproduz com exatidão uma situação operacional. A
velocidade de chama varia com a temperatura da mistura, a relação
ar/combustível e com o padrão de fluxo, se laminar ou turbulento. As
medidas de velocidade de chama em laboratório são feitas quase sempre nos
regimes laminares, mas a maioria dos equipamentos industrias operam com
combustão turbulenta . De qualquer maneira, o conhecimento da velocidade
de chama em laboratório dá uma medida qualitativa do combustível. A fim
de se utilizar este conceito o índice de Weaver, dá uma medida da
velocidade de chama em relação ao hidrogênio, adotado como gás padrão. O
índice de Weaver é definido como:
S
V
V
gas
H
=
2
Uma mistura de gases tem seu índice de Weaver calculada da seguinte
forma:
S
aF bF iF
A z Q
a b i
=
+ + +
+ − +
L
5 18 8 1,
onde: Fi : coeficiente de velocidade chama
a,b,...i: frações molares dos constituintes
A : relação ar/combustível volumétrica e estequiométrica da
mistura
z : fração molar dos inertes no combustível
Q : fração molar do oxigênio no combustível
A tabela abaixo apresenta o coeficiente para alguns gases:
Gás F
H2 338
CO 61
CH4 148
C2H6 301
C3H8 398
C4H10 513
C2H4 454
C8H6 674
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
34
Gás Liquefeito de Petróleo
A aplicação industrial de GLP tem sido feita em processos em que a
limpeza é fundamental, tais como em fornos alimentícios, matalurgia e
cerâmica fina. O GLP é uma mistura de frações leves de petróleo na faixa
de 3 e 4 carbonos na cadeia. Para efeitos práticos de combustão pode ser
considerado como uma mistura em partes iguais de propano e butano. Um
resultado médio de diversas análises é dado na tabela a seguir:
composição em massa %
etano 1,0
propano 30,6
propeno 20,7
butano 32,9
buteno 14,7
PCS (kcal/Nm3) 22600
PCI (kcal/Nm3) 21050
densidade (kg/Nm3) 2060
massa molecular
média
48,79
Gás Natural
A exploração do gás natural pode ser feita através da produção do "
gás associado" a um poço de petróleo, com frações de gás leves que
justifiquem seu aproveitamento, ou em bacias produtoras de gás natural.
Sempre há produção de gases associados a exploração do petróleo. Quando
a produção de gás é pequena, ou o centro consumidor está muito distante,
o gás é queimado localmente em chamas abertas na atmosfera (flare).
Gás natural é basicamente metano, com algumas parcelas leves de etano e
propano. Sua composição pode variar de local a local. Algumas
composições de gás natural em diversas bacias mundiais são apresentados
na tabela 6.
Gases manufaturados
Gases são fabricados a partir de diversos combustíveis como carvão
mineral, nafta e lenha. A composição varia principalmente em relação ao
processo de fabricação e síntese e em relação a matéria prima. As
tabelas 7, 8 e 9, a seguir, apresentam alguns dados sobre gases
manufaturados de carvão, lenha e nafta petroquímica.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
35
Tabela 6. Gás Natural
Componentes % volume
Localidade Campo M E Pr B Pe Hx CO2 O2 N2
PCS
MJ/Nm3
(seco)
Densid
ade
Argentina
Comodoro
Rivadávia 95 4 - - - - - - 1 38,50
0,576
Canadá
(Alberto)
Turner
Vallei 87,02 9,15 2,78 0,35 - - 0,24 - 0,45 41,89
0,635
Chile (Terra do
Sol)
Charnasci
lla
90,03 5,00 2,13 1,05 0,48 0,31 - - - 45,05
0,647
Arábia Saldita Air Dar 27,80 26,10 18,40 8,20 2,60 1,70 9,80 -
H2S
5,20 63,87
0,755
Rússia Suretou 93,20 0,70 0,60 0,60 0,50 - - - 4,40 39,62
0,605
Venezuela Santa
Rosa
76,70 9,79 6,69 3,26 0,94 0,72 1,90 - - 48,62
0,768
Venezuela La Pica 90,20 6,40 - - - - 0,10 0,30 3,00 39,62
0,601
Observação: M = Metano
E = Etano
Pr = Propano
B = Butano
Pe = Pentano
Hx = Hexano
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
36
Tabela 7 - Gases manufaturados de carvão.
gás de
baixa
temperatu
ra
gás de
retorta
horizonta
l
gás de
retorta
cont.
vert.
gás de
retorta
cont.
vert. com
vapor
gás de
forno de
carvão
coque
Composição, % vol.
O2
0,5
0,4 0,4 0,4 0,4
CO2 4 2 3 4 2
C4H10
5,5
3,5 3 2 2,6
CO 4 8 9 18 7,4
H2 30 52 53,6 49,4 54
CH2 52 30 25 20 28
N2 4 4 6 6,2 5,6
Composição
assumida
CnHm C4H8 C2,5H5 C2,5H5 C1H5 C2,5H2
CH4 C1,25 CH4 CH4 CH4 CH4
Densidade relativa
ao ar
0,62 0,40 0,43 0,48 0,38
Ar teórico,
vol/vol 8,235
4,904 4,708 4,060 4,572
Gases produtos
teóricos
CO2 vol/vol 0,950 0,490 0,490 0,500 0,439
H2O vol/vol 1,690 1,210 1,156 0,974 1,165
N2 vol/vol 6,545 3,917 3,779 3,269 3,667
Total úmido 9,185 5,617 5,425 4,743 5,271
Total seco 7,495 4,407 4,269 3,769 4,106
Gases produtos
teóricos %
volume
CO2 10,3 8,7
9,0 10,5 8,3
H2O 18,4 21,5
21,3 20,3 21,1
N2 71,3 69,8 69,7
69,0 69,6
Ponto de orvalho,
o
C dos gases de
exaustão
59 62 62 61 63
Poder calorífico
superior BTU/ft3
889,0 559,8 540,0
471,1 525,1
inferior BTU/ft3
804,5 499,3 482,2
420,2 466,9
30 in Hg 60o
F
saturado
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
37
Tabela 8 -Composição típica de gás de lenha com umidade de 15 a
22%.
composição % volume
CO
H2
CH4
H2O
CO2
N2
18
15
1
12
10
44
PCI (kcal/Nm3) ~1000
Tabela 9 -Composição típica de gás de lenha com umidade de 15 a 22%.
composição % volume
CO
H2
CH4
H2O
CO2
N2
18
15
1
12
10
44
PCI (kcal/Nm3) ~1000
2.3 - COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS
Os principais combustíveis sólidos são a lenha e o carvão mineral.
Este tem importância grande na produção de energia térmica e elétrica na
Europa, mas no Brasil está restrito a região Sul, proximos aos centros
produtores. A lenha tem grande importância no Brasil, dada ao seu
potencial de utilização.
Algumas propriedades devem ser conhecidas nos combustíveis sólidos:
Análise imediata:
São determinados alguns parâmetros relacionado com a utilização do
combustível:
- Carbono fixo
- Material volátil
- Cinzas
- Umidade
- Enxôfre total
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
38
A matéria volátil é a parte do combustível que se separa em forma
gasosa durante o aquecimento do mesmo. É composto de hidrocarbonetos
eventualmente presentes na estrutura sólida e outros gases, que são
formados num processo de pirólise, tais como o hidrogênio, monóxido de
carbono e metano. O teor de voláteis tem influência no comprimento de
chama, no acendimento e no volume necessário da fornalha.
O carbono fixo é o resíduo combustível deixado após a liberação do
material volátil. Compões-se principalmente de carbono, embora possa
conter outros elementos não liberados durante a volatilização.
As cinzas englobam, todos os minerais incombustíveis e é composta
basicamente de óxidos, tais como a alumina, óxido de cálcio, óxido de
magnésio, etc.
A umidade presente no combustível sólido é importante para
determinação de seu poder calorífico inferior.
Carvão Mineral
O carvão mineral brasileiro é utilizado principalmente na produção
de energia termoelétrica e na indústria cimenteira. Devido ao seu alto
teor de cinzas e enxôfre, não é muito utilizado industrialmente, a não
ser nas localidades próximas a minas produtoras. As principais
propriedades de carvões brasileiros são apresentados na tabela 10.
Tabela 10. Propriedades dos carvões nacionais.
Procedência C
%
S
%
H2
%
N2
%
O2
%
Cinzas
%
Umidade
%
Mat.
Volátei
s
%
PCS
kcal/k
g
Butiá 42,88 1,35 - - - 13,59 11,51 32,02 -
Jacuí
49,82 0,85 - - - 21,18
9,58 19,42 -
Tubarão
40,79 1,10 - - - 28,21
1,90 29,10 -
Crisciuma
46,90 1,63 - - - 23,64
1,50 27,96 -
RGS
46,0 12,99 4,05 0,29 9,27 27,4
11 - 4750
Paraná
56,6 2,0 3,11 0,80 17,73 25,76
15 - 6340
Sta.
Catarina
51,8 3,6 3,34 0,52 7,58 33,09
10 - 6310
Cabo Frio
(a)
20,5 - - - - -
15,8 42,0 2895
Cabo Frio
(b)
17,6 - - - - -
13,2 49,5 3470
Rezende
12,6 - - - - -
12,0 33,2 2520
Obs.: Os quadros em branco representam propriedades não avaliadas.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
39
Lenha
É um combustível amplamente utilizado no Brasil, tanto em
aplicações domésticas como em aplicações industriais para geração de
vapor, principalmente em pequenas unidades produtoras. É caracterizada
por baixo teor de cinzas, ausencia total de enxôfre e umidade variável, a
qual depende do tempo e método de aramzenagem. A lenha quando cortada
possui por volta de 50% de umidade. Estocada ao ar livre, em toras
empilhadas, atinge a umidade de equilíbrio dentro de 3 a 6 meses, a qual,
dependendo da umidade relativa do ar é por volta de 15 a 25%. A análise
elementar da lenha varia pouco com o tipo de árvore, e isto é uma regra
geral para todo material celulósico. Algumas propriedade são
apresentadas nas tabelas a seguir. O poder calorífico inferior vai
depender muito do teor de umidade. A variação do PCS quanto ao tipo de
madeira também não é muito grande.
Composição média da lenha sêca:
Elemento C H O N cinzas
% massa 50,2 6,1 43,4 0,2 0,2
Poder Calorífico Superior: 4.400 kcal/kg
% água 50 35 10
PCI (kcal/kg) 1990 2770 4070
Bagaço de cana
O bagaço da cana-de-açucar é o combustível das usinas de açucar e
alcool e utilizado localmente, logo após a moagem da cana. As modernas
usinas não consomem todo o bagaço produzido e o excedente pode ser
fornecido a terceiros, "in natura" ou sêco e enfardado. O bagaço é
queimado diretamente com 50% de umidade, como vem da colheita. A
composição elementar é muito semelhante a lenha e suas propriedades podem
ser tomadas como similares, exceto é claro, quanto a sua forma física.
Outros combustíveis sólidos vegetais, geralmente resíduos de
produção agro-industriais são utilizados ocasionalmente, e lista de
alguns com propriedades típicas é apresentado na tabela 11.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
40
Tabela 11. Propriedades de diversos combustíveis sólidos vegetais.
Composição elementar média para cálculos.
biomassa Componente
% base seca (b.s.)
Cinzas
C H O N S Cl
casca de arroz 41,0 4,3 35,9 0,5 18,3
borra de café 57,9 7,1 29,9 2,4 2,7
bagaço de cana 44,8 5,4 39,5 0,4 0,1 9,8
serragem 48,9 5,8 43,3 0,3 0,1 1,6
. Análise imediata, base seca.
Biomassa %Voláteis %Cinzas %C fixo
Bagaço 73,8 11,3 15,0
de cana 82,0 3,0 15,0
Casca 65,5 17,9 16,7
de arroz 69,3 13,4 17,3
Serragem 81,6 1,1 17,3
Análise elementar.
Biomassa % C % O % H % N % S % Cl %
Res.
obs.
Casca 41,0 35,9 4,3 0,4 0,0 0,1 18,3
de 38,5 39,8 5,7 0,5 0,0 15,5 base seca
arroz 39,3 37,1 4,9 0,5 0,1 0,2 18,0
Borra de 59,5 30,7 7,3 2,5 base seca
café 56,2 34,1 7,1 2,4 0,2 sem cinzas
Bagaço cana 44,8 39,6 5,3 0,4 0,1 9,8 base seca
Serragem 48,3 45,1 5,9 0,2 0,1 0,4 base seca
. Poder calorífico (MJ/Kg, base seca).
Biomassa PCS PCI desvio
Casca 16,1 15,3
de 15,7
arroz 15,6 13,0 0,2
Bagaço 17,3 16,2
de 19,1 17,9
cana 16,7 14,4 0,3
Borra 26,9 25,2
de 24,3
café 21,8 19,1 0,5
Serragem 18,0 14,3 0,7
(*) Análise feita no Laboratório de Combustíveis do DETF - FEM - UNICAMP.
Análise imediata (*).
Biomassa Carbono fixo
% b.s.
voláteis
% b.s.
cinzas
% b.s.
umidade
% b.u
Casca de arroz 12,0 72,2 15,8 10,0
Bagaço de cana 9,2 86,4 4,4 6,4
Borra de café 13,9 83,5 2,6 5,7
Serragem 15,2 84,2 0,6 12,9
(*) Análise feita no Laboratório de Combustíveis do DETF - FEM - UNICAMP.
EXERCICIOS CAP. 2
Uma caldeira está operando com óleo combustível com 1% de enxôfre e tem temperatura
de saída média dos gases de 180 ºC. Ao se analisar a possibilidade de se utilizar óleo com 5% de
enxôfre, de custo menor, enumere os possiveis problemas que poderiam surgir.
Caldeira queimando óleo combustivel com 1,0% de enxôfre tem temperatura de saída dos
produtos de combustão da ordem de 155 ºC. Supondo que seja ofertado um óleo de menor custo,
com 4% de enxôfre, qual (ou quais) possíveis fatores que poderiam inviabilizar econômicamente a
troca pelo combustível mais barato?
Calcular o Poder Calorífico Inferior de uma mistura 65% óleo/ 35% carvão, com as
seguintes características:
óleo combustível: densidade relativa 0,95 2,5% enxôfre
carvão mineral: jazidas de RGS*
Para diminuir a viscosidade de óleos residuais, está sendo testado uma emulsão de água +
óleo, com 25% de água em massa. Determine o poder calorífico inferior desta mistura. Óleo,
PCS= 9.800 kcal/kg, 10% H em massa.
Determine o Poder Calorífico Inferior (base úmida) de bagaço de cana com 46% de
umidade (b.u.). Dados: Bagaço PCS (b.s.)= 4400 kcal/kg
Bagaço PCI (b.s.) = 4090 kcal/kg
Determine a composição dos produtos de combustão (base seca) para queima de óleo
combustível com 2,5% de enxofre e densidade relativa 0,97, utilizando-se 35% de excesso de ar.
Calcule o PCI de uma emulsão de óleo vegetal, com 45% de água (b.u), dados. óleo PCS
9421 kcal/kg
PCI 8812 kcal/kg
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
41
cap 3 - QUEIMADORES
A função do queimador é o de fazer com que o combustível e o
oxidante fiquem em contato o tempo suficiente e à temperatura suficiente
para ocorrer e completar a reação de combustão. Uma vez que a maioria das
reações de combustão acontecem na fase gasosa, o contato eficiente
depende de: Tempo, Temperatura e Turbulência.
Em geral os queimadores não podem ser considerados isolados do
forno pois os arredores obviamente vão ter um efeito sobre a quantidade
de calor perdida pela chama, consequentemente sobre a sua temperatura,
sobre o tempo em que os gases da chama são mantidos na zona de combustão
e, sobre a recirculação do gás.
Considere as paredes da câmara de combustão fechada e fria, a chama
vai perder calor rapidamente e sua temperatura pode ser tão reduzida que
a queima cessa antes que se complete.
Isto vai acontecer por exemplo, quando um forno é ligado frio.
Outro resultado de uma câmara de combustão fria será o alongamento da
chama por causa das reações químicas mais lentas em temperatura reduzida.
Do mesmo modo, paredes refratárias quentes vão irradiar o calor de volta
para a chama, aumentando sua temperatura e a intensidade de combustão,
dando uma chama menor e mais intensa. De maneira semelhante, se o calor é
irradiado para a base da chama ele vai reduzir a zona de pré-aquecimento,
novamente aumentando a intensidade da combustão.
Enquanto que a turbulência inicial pode ser gerada pelo queimador,
seu desenvolvimento pode ser alterado pela proximidade das paredes da
câmara. Além de fazer uma boa mistura do combustível e do oxidante , a
turbulência tem o efeito de fazer com que os gases quentes e os
intermediários da combustão retornem para a zona de ignição, com a
consequente redução no tempo de ignição.
A maneira de introdução do ar secundário também pode afetar a
forma, intensidade e estabilidade da chama.
Se o ar secundário é adicionado com alta turbulência, isto
aumentará a turbulência dando uma chama menor e mais intensa a ignição
mais estável. Se o ar secundário é adicionado rápido demais a uma chama
que queima devagar, ele pode ter um efeito de esfriamento brusco e
portanto o ar secundário é normalmente adicionado em etapas. Do mesmo
modo, o ar secundário em excesso pode ter um efeito de esfriamento em
qualquer chama. Este efeito pode ser reduzido se usarmos ar secundário
quente.
A combustão de gás de óleo vaporizado, óleo pulverizado ou sólido
pulverizado, pode ser considerada semelhante no aspecto que a combustão
ocorre na fase gasosa.
A combustão de combustíveis sólidos tanto nos leitos fixos como nos
fluidizados depende mais da transferência de massa sólido/gás do que da
mistura na fase gasosa.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
42
3.1 - QUEIMADORES DE GASES
Os gases podem ser classificados em termos de velocidade da chama e
do índice de Wobbe para propósitos de projeto do queimador.
O índice de Wobbe é uma medida de energia do gás que passa através
de um determinado orifício com uma determinada queda de pressão.
Os gases combustíveis são frequentemente divididos em três grupos:
Tabela 3.1 - Grupos de índice de Wobbe
Grupo Índice de
Wobbe (MJ/m3)
velocidade
de chama
A/C (vol) exemplo
1 24,4 - 28,8 alta 3~4 gás de rua
2 48,2 - 53,2 baixa 7~8,5 gás natural
3 72,6 - 87,6 baixa ~25 GLP
Além desses gases distribuídos, existem os gases de baixo poder
calorífico (gás de gasogênio) que são produzidos e queimados no mesmo
local. Estes podem ser produzidos para utilização num processo perto do
local de produção, ou serem produtos secundários de outros processos como
por exemplo o gás de alto forno ou gás de forno de coque.
Os gases de baixo poder calorífico tem uma grande relação de
volume/energia para serem economicamente distribuídos.
O gás do gasogênio caiu em desuso na década de 50 e nas últimas
décadas voltou com um papel maior em alguns países, incluindo o Brasil.
Por causa da grande disponibilidade de gás natural, há uma
tendência mundial em deslocar-se os gases do grupo 1 para o grupo 2.
Devido aos altos índices de Wobbe, a capacidade de um sistema de
distribuição em unidades de calor é aumentada através da mudança de gases
do grupo 1 para o grupo 2. Onde o gás natural não é disponível há
tendência de produzir gases baseados em metano, extraídos do carvão ou do
óleo.
O metano tem uma razão ar de combustão/volume combustível cerca de
duas vezes a do gás de carvão. Assim, o gás vai precisar de uma
velocidade maior para arrastar seu ar de combustão do que aquela exigida
pelo gás de carvão.
No caso de GLP a velocidade de chama é semelhante à do metano, mas
o poder calorífico por volume e a razão ar/combustível por volume serão
maiores.
Tipos de queimadores de gases
Podemos classificar os queimadores de gás em 3 tipos básicos,
conforme a maneira em que é misturado o ar e o gás combustível:
- queimadores de chama de difusão
- queimadores com pré-mistura
- queimadores com bicos de mistura (ou de mistura direta).
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
43
Queimadores com chama de difusão
Num queimador de chama de difusão o gás sai do bico para a zona de
combustão com velocidade suficiente para arrastar dos arredores seu ar de
combustão e dar uma chama da intensidade exigida. Alguns queimadores,
especialmente os de pequenos tamanhos, dão uma chama permitindo uma
grande área para a difusão do ar, e portanto, uma chama muito intensa.
Quando os gases do grupo 2 ou 3 são empregados num queimador de
difusão, a tendência é a chama se apagar na saída antes que ela possa
arrastar uma quantidade útil de ar. Nêste caso, utiliza-se então
estabilizadores de chama na forma de jatos piloto que fornecem calor e
espécies ativas para a base da chama, ou na forma de promotores de
recirculação que fornecem calor e intermediários de cadeia para a base da
chama principal, o que permite que a estabilidade da chama seja mantida
com valores úteis de fluxo de gás.
As chamas difusoras são usadas em queimadores pequenos porque
elas são estáveis, silenciosas, tem boa faixa de controle e não requerem
um ajuste de entrada de ar e de gás. Alguns tipos de queimnadores de
difusão são mostrados na figura 1.
Figura 1. Alguns tipos de queimadores de difusão
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
44
Queimadores com pré-mistura ou ventilados
O tipo básico do queimador com pré-mistura é representado pelo
queimador Bunsen (figura 2), e este é apropriado somente para uso em
pequeno tamanho por causa da possibilidade de retorno de chama dentro do
tubo em queimadores maiores. A pressão do gás através de um orifício,
arrasta o ar para o tubo de mistura. Com a pressão do gás encanado (ou
GLP na pressão reduzida), apenas 50% do ar de combustão é arrastado; o
restante precisa ser fornecido como ar secundário. Queimadores de barra
(figura 3), são queimadores do tipo Bunsen, com orifícios múltiplos.
Utilizando cerâmica porosa ou perfurada ou tela na boca do queimador,
pode-se realizar a combustão na superfície.
Os queimadores com pré-mistura geralmente estão disponíveis em
tamanhos pequenos, mas também podem ser usados em grupos e queimadores de
barra para caldeiras, fornos de fundição de metal, etc. A aplicação
típica de queimadores pré-misturados é em fogões domésticos e
industriais.
A velocidade da chama de um gás tem considerável efeito sobre o
projeto do queimador; com um gás de chama de alta velocidade é fácil
produzir-se uma chama estável, mas o retorno de chama pode ser um
problema, e em alguns queimadores maiores podem levar a detonações
perigosas. Em geral os gases com chama de alta velocidade vão conter alta
porcentagem de hidrogênio, por exemplo, gás de rua, de carvão ou de
Figura 2. Queimador tipo Bunsen. Figura 3. Queimador de barra com
pré mistura
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
45
nafta. Gráficos de estabilidade de chama (diagrama fuidge) estão
representados na figura 4.
Figura 4. Diagrama Fuidge.
Com o gás cuja chama é de baixa velocidade, o retorno da chama já
não é um problema sério, mas os limites de inflamabilidade (relação
ar/combustível) ficam mais próximos e a saída da chama se torna um
problema importante. Um gráfico de predição da estabilidade de chama é
mostrado na figura 5.
Figura 5. Diagrama de predição de chama
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
46
Queimadores com bicos de mistura (Nozzle Mix Burners)
São aqueles em que o gás e o ar são misturados no ponto em que
ocorre a combustão (figura 6). Geralmente estes queimadores são
empregados em grandes capacidades à medida em que não há nenhuma
possibilidade de retorno de chama. Os queimadores com bicos de mistura
podem ser do tipo de registro, onde a combustão ocorre na saída do
queimador, ou do tipo de queimadores em túnel onde a combustão ocorre num
tubo refratário.
Figura 6. Queimador com bico de mistura
Queimadores de registro
O queimador de registro simples consiste em um injetor de gás
rodeado por uma entrada de ar e a combustão ocorre na frente do
queimador. Normalmente é necessário um dispositivo de estabilização de
chama, como por exemplo, nas pequenas unidades, uma grade estabilizadora.
Nas unidades grandes, a turbulência, um obstáculo ou a forma da
câmara de combustão podem ser utilizadas para fornecer a estabilização da
chama. As posições da entrada de ar e do gás podem ser trocadas (não é
comum), ou pode haver entradas múltiplas de gás ou de ar.
O queimador de registro tanto de tamanho pequeno como de tamanho
grande, pode ser adaptado para queimar dual de óleo e gás (figura 7).
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
47
Figura 7. Queimador DUAL óleo e gás.
Queimadores em túnel
Nos queimadores de tunel a combustão ocorre dentro de um túnel
refratário. Este queimador se parece com um queimador de pré-mistura que
opera numa condição permanente de retorno de chama. O túnel refratário
incandescente minimiza a perda de calor da chama, e portanto,
Figura 8. Combinação de injetor e câmara de combustão.
intensifica a combustão.
São em geral, com a pressão do gás regulado para pressão
atmosférica ("Zero Governed") com injetor que controla a relação de
ar/combustível e o fluxo de gás é induzido pela pressão do ar (figura8).
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
48
A forma do túnel utilizado pode alterar a eficiência da perda de
pressão do queimador. As mudanças na contrapressão do forno podem fazer
necessário uma pequena pressão positiva de gás. Em geral, o acendimento
dos queimadores em túnel é difícil. Um método empregado é o de acender a
mistura entre o injetor e o túnel e deixar a chama prosseguir para dentro
do túnel onde ela se estabiliza.
Queimadores a gás por radiação
Podem ser do tipo de chapa radiante, em que o gás/ar pré-
misturado sai passando às costas de um ladrilho poroso ou perfurado
(figura 9).
Os queimadores com cuba radiante em que a chama incide sobre uma
telha em forma de cuba, altenativamente, um tubo aquecedor radiante que
pode ser simples ou com um sf terminal, pode ser usado para dar um
aquecimento indireto.
A proporção de calor radiante para o calor convectivo, emitido por
um aquecedor radiante direto, raramente é mais do que 15%. O principal
emprego dos tubos aquecedores por radiação é quando a contaminação do
material com os produtos da combustão não é desejado. Temperaturas até
1500 ºC na superfície são obtidas com tubos de cerâmica.
Figura 9. Queimadores típicos de radiação, a gás.
SEGURANÇA E CONTROLE DOS QUEIMADORES A GÁS
Pode ser visto no diagrama da figura 10 que os gases que contém
hidrogênio, apresentam maior risco de ignição, tendo chamas de altas
velocidades e maiores limites de inflamabilidade.
O diâmetro de esfriamento, diâmetro mínimo do tubo em que uma chama
vai atravessar sem se extinguir, mostra uma variação semelhante.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
49
Tabela 1 - Diâmetro de esfriamento de diversos gases
com Ar com Oxigênio
Metano 1 cm Estes valores
Propano 1 cm são aproxima-
Butano 1 cm damente a me-
Gás de rua 0,5cm tade
Hidrogênio 0,4cm
É claro que uma chama misturada anteriormente é perfeitamente
segura, desde que o diâmetro do tubo de mistura não exceda o diâmetro de
esfriamento.
Num tubo de diâmetro maior, um aparelho corta chama que consista em
diversos tubos de diâmetro pequeno, um grupo de tubos, ou um pacote de
metal enrolado, vai impedir a travessia da chama. Mas na medida em que
frente de chama avança dentro de um tubo, ela pode acelerar e formar uma
onda de denotação que não vai ser parada por um corta chama.
Portanto, o corta chama deve estar na boca do tubo de mistura.
Figura 10. Diagrama de velocidade de chama adiabática horizontal pré
misturada de diversos gases, nas condições normais.
Regras de segurança bem óbvias são aplicáveis aos queimadores a gás
(e em menor extensão, à maioria dos outros tipos de queimadores).
A ignição nunca deve ser feita quando pode haver um volume
considerável de mistura combustível na câmara de combustão, causado por:-
- Vazamento de gás durante os períodos de inatividade;
- Uma tentativa de ignição sem sucesso;
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
50
- Perda de combustão.
Num queimador novo, ou depois que a manutenção tenha sido feita, as
linhas de conexão vão conter ar, portanto, a mudança para o gás pode
envolver uma mistura combustível num dado ponto. Todas as linhas deveriam
ser purgadas antes do funcionamento, tanto com:-
- Um gás inerte
- Gás de combustão escapando através de um corta chama ou
através de um maçarico de bico menor do que o diâmetro de
esfriamento.
Ao promover ignição numa câmara de combustão deve ser observado as
seguintes operações:
1) Purgue com ar para remover o gás de combustão da câmara;
2) Verifique o funcionamento do sistema de ignição;
3) Ligado o piloto ou o gás principal de baixa porcentagem,
verifique a presença da chama;
4) Ligar a chama principal na potência normal. Verifique a
presença da chama.
Se alguma vez correr o apagamento da chama, o fluxo de gás deve ser
interrompido e a câmara de combustão deve ser purgada com ar. Então o
ciclo de ignição deve ser recomeçado.
Nos queimadores industriais esta sequência de segurança é
automática. A presença de chama pode ser detectada por:
- sensor de ionização;
- célula fotoelétrica (I.R. ou U.V.)
QUEIMADORES DE ÓLEO
Em geral, os queimadores a óleo são semelhantes aos queimadores a
gás, pois são feitos para queimar o óleo na fase de vapor. Isto se aplica
para a combustão de gasolina, querosene ou óleo destilado, os quais podem
ser vaporizados diretamente do líquido, ou via um pulverizador que
produz gotículas que são totalmente vaporizados antes de entrarem na zona
de combustão.
Para os óleos combustíveis mais pesados a vaporização é lenta e na
maioria dos casos deixa um resíduo sólido que na temperatura de combustão
deve ser carbono. Dependendo da viscosidade do óleo, a proporção
vaporizada será maior ou menor; além disso vai haver o craqueamento que
irá produzir um resíduo de carbono, o qual apresenta queima lenta,
fazendo que a chama se torne luminosa e de grande emissividade. Para
muitos propósitos, especialmente em fornos metalúrgicos, a alta radiação
da chama é vantajosa. Quando a transferência térmica convectiva é
utilizada, prefere-se em geral uma chama não luminosa.
A viscosidade dos óleos mais pesados e de alcatrões combustíveis é
tão elevada que eles tem de ser aquecidos até 100 a 200 ºC (dependendo do
tipo) antes que possam ser bombeados ou pulverizados. O aquecimento do
líquido e temperaturas mais altas que 260 ºC pode causar mudanças na
estrutura do combustível com craqueamento e formação de carbono.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
51
QUEIMADORES PULVERIZADORES
Os queimadores pulverizadores são disponíveis em tamanhos de cerca
de 15 kw para cima. Uma desvantagem dos tamanhos menores é o pequeno
tamanho do orifício de controle do fluxo ou jato atomizador que é
necessário, com consequente risco de entupimento.
Os pulverizadores podem ser divididos em três tipos:
- Jato de pressão com fluxo constante ou fluxo variável;
- Pulverizador de 2 fluídos para pressão baixa, média e alta.
- Copo rotativo;
Queimador a jato de pressão
O queimador a pulverização mecânica ou jato de pressão produz
gotículas de combustível pela passagem do óleo num pequeno orifício. As
gotículas são formadas pela alta velocidade do jato de óleo saindo do
orifício de encontro a massa de ar ambiente. De modo geral, quanto maior
a velocidade relativa entre líq uido e ar, menor deve ser o tamanho
médio das gôtas.
O pulverizador a jato por pressão é provavelmente o tipo mais
usado, sendo que suas desvantagens são as de requerer boa filtragem do
combustível nos tamanhos menores e que devido ao fluxo ser proporcional a
P1/2 e o tamanho da gotícula a 1/P, ele é inflexível na variação do
fluxo se o tamanho da gotícula tiver que ser mantido. Os métodos para se
superar isto são:
- nas unidades pequenas, controle "liga/desliga",
- nas unidades maiores, pode ser usados os jatos múltiplos
controlando a taxa de potência, variando-se a quantidade de
pulverizadores em uso.
Figura 11. Queimador a óleo com atomização mecânica.
Existem alguns tipos de pulverizadores a jato de pressão com
recirculação de óleo ou com orifício variável que pode dar uma faixa de
variação de fluxo maior, sem mudança dos tamanhos das gotas. O uso
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
52
destes não é muito comum. Um exemplo de pulverizador a jato de pressão é
mostrado na figura 11
Pulverizador de 2 fluídos.
Os pulverizadores de 2 fluidos se utilizam de um fluido auxiliar,
geralmente ar ou vapor, para provocar a pulverizaçao do óleo. Um jato de
fluido auxiliar corta o jato de óleo provocando a quebra das gotículas.
Novamente é a velocidade relativa dos fluidos que vai comandar o tamanho
das partículas.
Os pulverizadores de 2 fluídos não requerem dimensões tão precisas
para manterem o desempenho e são menos suscetíveis ao bloqueio do que os
pulverizadores a jato de pressão, sendo portanto, mais apropriados para
combustíveis de alta viscosidade.
Existem três tipos de pulverizadores de 2 fluídos:-
- Pressão baixa - O ar é fornecido por um ventilador para
pressões < 10 kPa (0,1 atm) . Até 30% do requisito de ar pode ser
necessário para a pulverização, o qual pode ser feito em muitos estágios;
- Pressão média - Utilizam ar entre 7 e 100 kPa (0,07 a 1 atm). O
volume de ar utilizado é da ordem de 5% da quantidade total;
- Pressão alta - Pode utilizar ar ou vapor levemente super-
aquecido, como fluído pulverizador. Cerca de 2 a 3% da quantidade total
necessária é utilizada para a pulverização em pressões acima de 100
kPa (1 atm).
As figuras 12 e 13 apresentam dois tipos de pulverizadores a 2
fluidos.
Figura 12. Queimador a óleo com pulverização a vapor.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
53
Figura 13. Queimador de pulverização a ar
Pulverizador com copo rotativo.
Figura 14. Queimador de copo rotativo.
EM 722 - Geração, Distribuição e
Utilização de Vapor
Profº Waldir A. Bizzo
54
Neste tipo de óleo é introduzido para o centro de um copo que gira
rapidamente até 5000 rpm. æ medida que o óleo é arremessado da borda do
copo num disco fino, ele é pulverizado pela corrente de ar primário (10%
do total), figura 14.
PROPORÇÃO DE AR PRIMÁRIO/SECUNDÁRIO
Uma pulverização "grossa" pode ser empregada deliberadamente a fim
de alongar a chama, embora sempre possa provocar o aumento da emissão de
material particulado. A presença de gotículas maiores também vai
aumentar a proporção de craqueamento antes da vaporização e daí aumentar
a radiação da chama. Um queimador para um forno de cimento é um exemplo
onde a pulverização "grossa" é empregada.
Se for necessário usar um alto grau de pré-aquecimento do ar, este
precisa ser feito principalmente através do ar secundário, pois a alta
temperatura do ar primário pode causar craqueamento do óleo. Portanto, se
utilizamos pré-aquecimento do ar de combustão, o pulverizador com
jato por pressão e o pulverizador de dois fluídos com alta pressão,
apresentam a vantagem de que todo ou quase todo ar é fornecido como ar
secundário e portanto, pode ser usado para fornecer o pré-aquecimento,
quando necessário.
ESTABILIZAÇÃO DA CHAMA
A chama é estabilizada pelo fornecimento de calor e
intermediários das reações da combustão para a zona de ignição. O calor
pode ser fornecido pela radiação de um cone de refratário quente ou como
é mais frequente, junto com a recirculação dos gases quentes da
combustão, quando voltam para a base da chama. A recirculação é em geral
interna. Em escala industrial, em geral, a recirculação interna é feita
por uma turbulência rotacional no ar secundário ou pela utilização de um
obstáculo, que pode ser o injetor de óleo.
Geralmente, quanto maior a quantidade de recirculação
rotacional, maior será a estabilidade da chama e menor e mais intensa a
chama.
Uma turbulência relativamente alta e pulverização "grossa",
produzirão uma chama comprida e bem estável.
Queimadores de pequeno porte podem utilizar um obstáculo como
estabilizador de chama que atua tanto como "bluff body" como promotor de
turbulência rotacional.
A quantidade de ar para combustão estequiométrica de óleo reside na
faixa de 13-15 kg de ar por quilo de óleo. Num forno industrial
otimizado é possível manter-se a exigência de ar excedente abaixo de 20%,
e nas instalações grandes tal como nas caldeiras de uma termoelétrica,
pode ser possível reduzir-se o excesso de ar para baixo de 5%, e assim
reduz-se a formação de SOx.
A formação de fumaça nos queimadores a óleo, pode ser sinal de:
- insuficiencia de ar para a combustão, a qual pode ser absoluta
ou local, devido a uma mistura inadequada;
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore
Unicamp   gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

07 exercícios de psicrometria
07 exercícios de psicrometria07 exercícios de psicrometria
07 exercícios de psicrometriaHebert Cavalcante
 
Capítulo 1 transferência de calor
Capítulo 1 transferência de calorCapítulo 1 transferência de calor
Capítulo 1 transferência de calorJorge Almeida
 
Problemas resolvidos e propostos
Problemas resolvidos e propostosProblemas resolvidos e propostos
Problemas resolvidos e propostosFranck Lima
 
Relatório de Experimento: Perdas de Carga Localizada.
Relatório de Experimento: Perdas de Carga Localizada.Relatório de Experimento: Perdas de Carga Localizada.
Relatório de Experimento: Perdas de Carga Localizada.UFMT
 
1 destilaçâo-tecnologia quimica
1 destilaçâo-tecnologia quimica1 destilaçâo-tecnologia quimica
1 destilaçâo-tecnologia quimicaFersay
 
Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos Mário Sérgio Mello
 
Aula 14 balanço de energia em processos químicos - 06.05.11
Aula 14   balanço de energia em processos químicos - 06.05.11Aula 14   balanço de energia em processos químicos - 06.05.11
Aula 14 balanço de energia em processos químicos - 06.05.11Nelson Virgilio Carvalho Filho
 
Reatores 3 estagioop
Reatores 3 estagioopReatores 3 estagioop
Reatores 3 estagioopPaloma Lima
 
A equação de bernoulli
A equação de bernoulliA equação de bernoulli
A equação de bernoulliFernando Lucas
 
Capitulo 2 balanço de massa
Capitulo 2   balanço de massaCapitulo 2   balanço de massa
Capitulo 2 balanço de massaPk Keller
 
111272491 exercicios-resolvidos-termo-ii
111272491 exercicios-resolvidos-termo-ii111272491 exercicios-resolvidos-termo-ii
111272491 exercicios-resolvidos-termo-iitwolipa
 

Mais procurados (20)

Apostila de vapor spirax sarco
Apostila de vapor spirax sarcoApostila de vapor spirax sarco
Apostila de vapor spirax sarco
 
07 exercícios de psicrometria
07 exercícios de psicrometria07 exercícios de psicrometria
07 exercícios de psicrometria
 
Tanque diluicao 04 29
Tanque diluicao 04 29Tanque diluicao 04 29
Tanque diluicao 04 29
 
Capítulo 1 transferência de calor
Capítulo 1 transferência de calorCapítulo 1 transferência de calor
Capítulo 1 transferência de calor
 
Problemas resolvidos e propostos
Problemas resolvidos e propostosProblemas resolvidos e propostos
Problemas resolvidos e propostos
 
Caldeiras 1
Caldeiras 1Caldeiras 1
Caldeiras 1
 
Relatório de Experimento: Perdas de Carga Localizada.
Relatório de Experimento: Perdas de Carga Localizada.Relatório de Experimento: Perdas de Carga Localizada.
Relatório de Experimento: Perdas de Carga Localizada.
 
Apostila de fenomenos dos transporte
Apostila de fenomenos dos transporteApostila de fenomenos dos transporte
Apostila de fenomenos dos transporte
 
1 destilaçâo-tecnologia quimica
1 destilaçâo-tecnologia quimica1 destilaçâo-tecnologia quimica
1 destilaçâo-tecnologia quimica
 
Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
Fornos - Estudante Do Curso Inspetor De Equipamentos
 
Capítulo 7
Capítulo 7Capítulo 7
Capítulo 7
 
Lista 3 hidráulica
Lista 3 hidráulicaLista 3 hidráulica
Lista 3 hidráulica
 
Aula 14 balanço de energia em processos químicos - 06.05.11
Aula 14   balanço de energia em processos químicos - 06.05.11Aula 14   balanço de energia em processos químicos - 06.05.11
Aula 14 balanço de energia em processos químicos - 06.05.11
 
Aula 5
Aula 5Aula 5
Aula 5
 
Reatores 3 estagioop
Reatores 3 estagioopReatores 3 estagioop
Reatores 3 estagioop
 
A equação de bernoulli
A equação de bernoulliA equação de bernoulli
A equação de bernoulli
 
Balan o de massa 1
Balan o de massa 1Balan o de massa 1
Balan o de massa 1
 
Capitulo 2 balanço de massa
Capitulo 2   balanço de massaCapitulo 2   balanço de massa
Capitulo 2 balanço de massa
 
111272491 exercicios-resolvidos-termo-ii
111272491 exercicios-resolvidos-termo-ii111272491 exercicios-resolvidos-termo-ii
111272491 exercicios-resolvidos-termo-ii
 
Psicrometria.pdf
Psicrometria.pdfPsicrometria.pdf
Psicrometria.pdf
 

Destaque

Elya Steinberg the_psychotherapist_winter_2010_11_lo_res
Elya Steinberg the_psychotherapist_winter_2010_11_lo_resElya Steinberg the_psychotherapist_winter_2010_11_lo_res
Elya Steinberg the_psychotherapist_winter_2010_11_lo_resElya Steinberg
 
SAP TRAINING CERTIFICATE
SAP TRAINING CERTIFICATESAP TRAINING CERTIFICATE
SAP TRAINING CERTIFICATESaeed Ur Rehman
 
Transformative Moments- Short Stories from the Biodynamic Psychotherapy Room
Transformative Moments- Short Stories from the Biodynamic Psychotherapy Room Transformative Moments- Short Stories from the Biodynamic Psychotherapy Room
Transformative Moments- Short Stories from the Biodynamic Psychotherapy Room Elya Steinberg
 
use Nagios on openSUSE 11.4
use Nagios on openSUSE 11.4use Nagios on openSUSE 11.4
use Nagios on openSUSE 11.4welong
 
NDC lightning SharePoint 2013 and Enterprise Search
NDC lightning SharePoint 2013 and Enterprise SearchNDC lightning SharePoint 2013 and Enterprise Search
NDC lightning SharePoint 2013 and Enterprise SearchComperio - Search Matters.
 
Information wants to be free - Comperio seminar oslo14may2013
Information wants to be free - Comperio seminar oslo14may2013Information wants to be free - Comperio seminar oslo14may2013
Information wants to be free - Comperio seminar oslo14may2013Comperio - Search Matters.
 
Cv renny mathew_hw engineer
Cv renny mathew_hw engineerCv renny mathew_hw engineer
Cv renny mathew_hw engineerRnny Mthew
 
metodos de recolecion de informacion
metodos de recolecion de informacionmetodos de recolecion de informacion
metodos de recolecion de informacionJulian sanchez
 
Mobile Convention Amsterdam 2015 - Testbirds - Lodewijk Beerman
Mobile Convention Amsterdam 2015 - Testbirds - Lodewijk BeermanMobile Convention Amsterdam 2015 - Testbirds - Lodewijk Beerman
Mobile Convention Amsterdam 2015 - Testbirds - Lodewijk BeermanMobile Convention Amsterdam 2015
 
Winnette Flores St. Peter Marketing Plan
Winnette Flores   St. Peter Marketing PlanWinnette Flores   St. Peter Marketing Plan
Winnette Flores St. Peter Marketing PlanWinnette Flores
 
Inteligencia conversacional
Inteligencia conversacionalInteligencia conversacional
Inteligencia conversacionalFarid Atala S.
 

Destaque (16)

Grupo 3
Grupo 3Grupo 3
Grupo 3
 
Elya Steinberg the_psychotherapist_winter_2010_11_lo_res
Elya Steinberg the_psychotherapist_winter_2010_11_lo_resElya Steinberg the_psychotherapist_winter_2010_11_lo_res
Elya Steinberg the_psychotherapist_winter_2010_11_lo_res
 
SAP TRAINING CERTIFICATE
SAP TRAINING CERTIFICATESAP TRAINING CERTIFICATE
SAP TRAINING CERTIFICATE
 
Transformative Moments- Short Stories from the Biodynamic Psychotherapy Room
Transformative Moments- Short Stories from the Biodynamic Psychotherapy Room Transformative Moments- Short Stories from the Biodynamic Psychotherapy Room
Transformative Moments- Short Stories from the Biodynamic Psychotherapy Room
 
use Nagios on openSUSE 11.4
use Nagios on openSUSE 11.4use Nagios on openSUSE 11.4
use Nagios on openSUSE 11.4
 
NDC lightning SharePoint 2013 and Enterprise Search
NDC lightning SharePoint 2013 and Enterprise SearchNDC lightning SharePoint 2013 and Enterprise Search
NDC lightning SharePoint 2013 and Enterprise Search
 
Information wants to be free - Comperio seminar oslo14may2013
Information wants to be free - Comperio seminar oslo14may2013Information wants to be free - Comperio seminar oslo14may2013
Information wants to be free - Comperio seminar oslo14may2013
 
new doc 1620161009103822584
new doc 1620161009103822584new doc 1620161009103822584
new doc 1620161009103822584
 
Cv renny mathew_hw engineer
Cv renny mathew_hw engineerCv renny mathew_hw engineer
Cv renny mathew_hw engineer
 
EMERSON Lists of Trainings Attended
EMERSON Lists of Trainings AttendedEMERSON Lists of Trainings Attended
EMERSON Lists of Trainings Attended
 
metodos de recolecion de informacion
metodos de recolecion de informacionmetodos de recolecion de informacion
metodos de recolecion de informacion
 
Mobile Convention Amsterdam 2015 - Testbirds - Lodewijk Beerman
Mobile Convention Amsterdam 2015 - Testbirds - Lodewijk BeermanMobile Convention Amsterdam 2015 - Testbirds - Lodewijk Beerman
Mobile Convention Amsterdam 2015 - Testbirds - Lodewijk Beerman
 
Search Driven Websites - Comperio
Search Driven Websites - ComperioSearch Driven Websites - Comperio
Search Driven Websites - Comperio
 
Ng22348882
Ng22348882Ng22348882
Ng22348882
 
Winnette Flores St. Peter Marketing Plan
Winnette Flores   St. Peter Marketing PlanWinnette Flores   St. Peter Marketing Plan
Winnette Flores St. Peter Marketing Plan
 
Inteligencia conversacional
Inteligencia conversacionalInteligencia conversacional
Inteligencia conversacional
 

Semelhante a Unicamp gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore

Cálculos estequiometricos combustão[18033]
Cálculos estequiometricos combustão[18033]Cálculos estequiometricos combustão[18033]
Cálculos estequiometricos combustão[18033]MARCELO DOS OLIVEIRA
 
Combustao e-combustiveis ii
Combustao e-combustiveis iiCombustao e-combustiveis ii
Combustao e-combustiveis iitatifortini
 
Infotec 026 porque é importante controlar a combustão
Infotec 026   porque  é  importante controlar a combustãoInfotec 026   porque  é  importante controlar a combustão
Infotec 026 porque é importante controlar a combustãozetec10
 
Exercícios cinética química
Exercícios cinética químicaExercícios cinética química
Exercícios cinética químicafabioquimico
 
REVISÃO DE QUÍMICA DO 3º ANO
REVISÃO DE QUÍMICA DO 3º ANOREVISÃO DE QUÍMICA DO 3º ANO
REVISÃO DE QUÍMICA DO 3º ANOSilvaprado
 
Trabalho de quimica
Trabalho de quimicaTrabalho de quimica
Trabalho de quimicaelpytter
 
Fisica exercicios resolvidos 014
Fisica exercicios resolvidos  014Fisica exercicios resolvidos  014
Fisica exercicios resolvidos 014comentada
 
Tema 3 Aula 3 Exercicios de Balanço térmicocaldeisras. Parte 1.ppt
Tema 3 Aula 3 Exercicios de Balanço térmicocaldeisras. Parte 1.pptTema 3 Aula 3 Exercicios de Balanço térmicocaldeisras. Parte 1.ppt
Tema 3 Aula 3 Exercicios de Balanço térmicocaldeisras. Parte 1.pptMatheusFavero4
 
Gases ideais - Questões com gabarito
Gases ideais - Questões com gabaritoGases ideais - Questões com gabarito
Gases ideais - Questões com gabaritoRodrigo Sampaio
 
2 sujeira no ar
2   sujeira no ar2   sujeira no ar
2 sujeira no arelydef
 
2010 volume2 cadernodoaluno_quimica_ensinomedio_1aserie_gabarito (1)
2010 volume2 cadernodoaluno_quimica_ensinomedio_1aserie_gabarito (1)2010 volume2 cadernodoaluno_quimica_ensinomedio_1aserie_gabarito (1)
2010 volume2 cadernodoaluno_quimica_ensinomedio_1aserie_gabarito (1)profzwipp
 
Natural Gas Composition
Natural Gas CompositionNatural Gas Composition
Natural Gas CompositionĐean Moore
 
apresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdf
apresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdfapresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdf
apresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdfadao18
 
apresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdf
apresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdfapresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdf
apresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdfadao18
 
Lista 16 estudo dos gases
Lista 16   estudo dos gasesLista 16   estudo dos gases
Lista 16 estudo dos gasesColegio CMC
 

Semelhante a Unicamp gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore (20)

Cálculos estequiometricos combustão[18033]
Cálculos estequiometricos combustão[18033]Cálculos estequiometricos combustão[18033]
Cálculos estequiometricos combustão[18033]
 
Combustao e-combustiveis ii
Combustao e-combustiveis iiCombustao e-combustiveis ii
Combustao e-combustiveis ii
 
Infotec 026 porque é importante controlar a combustão
Infotec 026   porque  é  importante controlar a combustãoInfotec 026   porque  é  importante controlar a combustão
Infotec 026 porque é importante controlar a combustão
 
Monoxído CO.pdf
Monoxído CO.pdfMonoxído CO.pdf
Monoxído CO.pdf
 
Exercícios cinética química
Exercícios cinética químicaExercícios cinética química
Exercícios cinética química
 
REVISÃO DE QUÍMICA DO 3º ANO
REVISÃO DE QUÍMICA DO 3º ANOREVISÃO DE QUÍMICA DO 3º ANO
REVISÃO DE QUÍMICA DO 3º ANO
 
Trabalho de quimica
Trabalho de quimicaTrabalho de quimica
Trabalho de quimica
 
Fisica exercicios resolvidos 014
Fisica exercicios resolvidos  014Fisica exercicios resolvidos  014
Fisica exercicios resolvidos 014
 
Tema 3 Aula 3 Exercicios de Balanço térmicocaldeisras. Parte 1.ppt
Tema 3 Aula 3 Exercicios de Balanço térmicocaldeisras. Parte 1.pptTema 3 Aula 3 Exercicios de Balanço térmicocaldeisras. Parte 1.ppt
Tema 3 Aula 3 Exercicios de Balanço térmicocaldeisras. Parte 1.ppt
 
Gases ideais - Questões com gabarito
Gases ideais - Questões com gabaritoGases ideais - Questões com gabarito
Gases ideais - Questões com gabarito
 
Apostila combustao
Apostila combustaoApostila combustao
Apostila combustao
 
2 sujeira no ar
2   sujeira no ar2   sujeira no ar
2 sujeira no ar
 
2010 volume2 cadernodoaluno_quimica_ensinomedio_1aserie_gabarito (1)
2010 volume2 cadernodoaluno_quimica_ensinomedio_1aserie_gabarito (1)2010 volume2 cadernodoaluno_quimica_ensinomedio_1aserie_gabarito (1)
2010 volume2 cadernodoaluno_quimica_ensinomedio_1aserie_gabarito (1)
 
Natural Gas Composition
Natural Gas CompositionNatural Gas Composition
Natural Gas Composition
 
Unidade4 2012 csa_gabarit_op129a136
Unidade4 2012 csa_gabarit_op129a136Unidade4 2012 csa_gabarit_op129a136
Unidade4 2012 csa_gabarit_op129a136
 
Unidade4 2012 csa_gabarit_op129a136
Unidade4 2012 csa_gabarit_op129a136Unidade4 2012 csa_gabarit_op129a136
Unidade4 2012 csa_gabarit_op129a136
 
Simulado01ufba gabarito
Simulado01ufba gabaritoSimulado01ufba gabarito
Simulado01ufba gabarito
 
apresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdf
apresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdfapresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdf
apresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdf
 
apresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdf
apresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdfapresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdf
apresentacaoguarapuava_COMPLETO_5192d49738ff8.pdf
 
Lista 16 estudo dos gases
Lista 16   estudo dos gasesLista 16   estudo dos gases
Lista 16 estudo dos gases
 

Unicamp gera--o, distribui--o e utiliza--o de vapore

  • 1. Faculdade de Engenharia Mecânica UNICAMP EM 722/ES606 GERAÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E UTILIZAÇÃO DE VAPOR Apostila de Curso Profº Waldir A. Bizzo 1º sem/2003 EM 722 Aulas ministradas pelo prof. Caio Sánchez ES 606 Aulas ministradas pelo prof. Waldir Bizzo
  • 2. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo Apresentação: Esta apostila foi elaborada para utilização como notas de aula do curso EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor. Além do trabalho do professor, reúne e utiliza alguns textos e figuras emprestados da bibliografia abaixo. Bibliografia: Bazzo, E.,1992 "Geração de Vapor", Editora da UFSC, Florianópolis. Pera, H., 1990, "Geradores de Vapor", Editora Fama, São Paulo. Babcock&Wilcox Co., 1978, "Steam, its Generation and Use", N.York. Telles, P.C.S.,1982, "Tubulações Industriais", Livros Técnicos e Científicos, R.Janeiro. ÍNDICE: cap. 1 - Combustão....................................... 1 2 - Combustíveis.................................... 18 3 - Queimadores..................................... 41 4 - Geradores de Vapor.............................. 66 5 - Cálculo Térmico e Fluidomecânico de Caldeiras... 81 6 - Segurança na Operação de Geradores de Vapor..... 95 7 - Distribuição de Energia Térmica................. 100 8 - Aquecedores..................................... 120 9 - Eficiência de Geradores de Vapor................ 128
  • 3. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 1 cap. I - COMBUSTÃO Reações de combustão são reações químicas que envolvem a oxidação completa de um combustível. Materiais ou compostos são considerados combustíveis industriais quando sua oxidação pode ser feita com liberação de energia suficiente para aproveitamento industrial. Os principais elementos químicos que constituem um combustível são Carbono, Hidrogênio e em alguns casos, Enxôfre. Estes elementos reagem com oxigênio, e na sua forma pura apresentam a seguinte liberação de calor: C O CO H O H O S O SO + → − + → − + → − 2 2 2 1 2 2 2 2 2 393.500 kj/ kmol 241.800 kj/ kmol 29.300 kj/ kmol 1.1 - Composição típica dos combustíveis A maior parte dos combustíveis fósseis são hidrocarbonetos, e as composições típicas são de: carbono, hidrogênio e oxigênio. Combustíveis vegetais, produtos de madeira e refugo (bagaço, serragem, cascas, etc.) são carboidratos que contém 1/2 átomo de oxigênio para cada atomo de hidrogenio. Seus produtos de combustão são similares aqueles dos hidrocarbonetos ( CO2 e H2O) mas a energia liberada durante a combustão é comparativamente menor. Tabela 1.1 - Composição típica de alguns combustíveis C H O N,S,etc. Gás Natural ~75 ~25 - - Petróleo 84~86 11~14 0~3 0~5 Carvão Mineral 78~95 ~7 1~15 1~5 Lenha 49 6 43 ~1 1.2 - Análise dos combustíveis Os combustíveis gasosos são usualmente misturas de gases que podem ser identificados individualmente. Combustíveis líquidos destilados tais como a gasolina ou o querosene também são misturas de hidrocarbonetos simples que podem ser separados e identificados. Carvões, óleos combustíveis residuais e combustíveis vegetais têm estruturas complexas, difíceis de se reduzir a componentes individuais. No entanto, para a maior parte de nossos propósitos a análise ELEMENTAR do combustível é
  • 4. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 2 tudo o que é preciso. Dada a análise elementar de um combustível em termos de C, H, O, S, etc., é possível calcular-se o requisito teórico de ar e a quantidade e composição dos produtos de combustão. 1.3 - Estequiometria da combustão A maioria dos processos industrias de combustão utiliza o ar ambiente como fonte de fornecimento de oxigênio para a combustão. O conhecimento das necessidades de ar para combustão, bem como da composição e volume dos produtos de combustão é fundamental para o projeto e contrôle de equipamentos de combustão. A estequiometria química nos fornece os principais dados necessários aos cálculos de combustão. Os pêsos atômicos dos principais elementos envolvidos em combustão, bem como a composição do ar ambiente encontram-se na tabela abaixo: Elemento em massa em volume Elemento Peso Atômico oxigênio 23,2% 21% Carbono 12 nitrogênio 76,8% 79% Hidrogênio 1 Oxigênio 16 Nitrogênio 14 Enxôfre 32 Sabe-se que alguns dos números acima requerem correção decimal. Os erros são pequenos e podem ser ignorados em grande parte se tomados no contexto da precisão das medições industriais comuns. O peso molecular de um material é a soma dos pesos atômicos que o constituem. Por exemplo, o peso molecular do monóxido de carbono, CO, é: 12 + 16 = 28 da água, H2O, é: 2 + 16 = 18, e assim por diante. Não existem unidades comuns, mas uma unidade prática é a molécula- grama, ou grama-mol, escrita normalmente como gmol, que é em efeito, o peso molecular expresso em gramas. Assim a molécula grama, ou o gmol do monóxido de carbono pesa 28 gramas. Análogamente pode ser utilizado a molécula-quilograma, o kgmol, ou a molécula-libra, o lbmol, o equivalente no sistema inglês. Se uma reação for escrita em forma molecular, ela pode ser tomada para representar as quantidades relativas de reagentes em termos destas unidades práticas, por exemplo:
  • 5. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 3 C + O2 -> CO2 é uma equação que indica o que acontece quando um átomo de carbono e uma molécula de oxigênio reagem completamente. Em termos práticos ela estabelece que 1 kmol de carbono reage com 1 kmol de oxigênio para formar, no final, 1 kmol de dióxido de carbono. A utilização de pesos atômicos ou moleculares para os elementos vai se tornar evidente quando os cálculos acima forem estudados. Os pesos atômicos são usados para elementos que são gasosos em CNTP. Para produtos e combustíveis gasosos, esta prática pode ser levada um estágio adiante. A teoria de Avogadro estabelece, na verdade, que volumes iguais de gases diferentes sob as mesmas condições contém um número igual de moléculas de gás. Por exemplo, 1 metro cúbico de nitrogênio em CNTP contém tantas moléculas de nitrogênio quanto 1 metro cúbico de dióxido de carbono contém de moléculas de dióxido de carbono a CNTP. Segue-se que a reação molecular, quando escrita para combustíveis gasosos, não só indica a reação e os produtos em termos de moléculas-kg mas também em termos de volumes. Por exemplo, se o metano queima com oxigênio e reage completamente com tudo permanecendo em estado gasoso e sendo medido sob as mesmas condições de pressão e de temperatura, temos: CH O CO H O4 2 2 22 2+ → + 1 kmol 2 kmol 1 kmol 2 kmol 1 volume 2 volumes 1 volume 2 volumes Os requisitos de energia da grande maioria dos processos industriais são obtidos originalmente de combustíveis convencionais através de uma complexa cadeia de reações denominada combustão. Felizmente para a maioria das aplicações, esta situação de combustão potencialmente complicada pode ser reduzida a uma consideração sobre os materiais de partida - combustível mais oxigênio, normalmente como um componente do ar - e os produtos finais. Tal simplificação facilita por exemplo o cálculo do ar ou do oxigênio necessário para um combustível, o desprendimento potencial de calor e temperatura e a composição ideal dos produtos gasosos de combustão produzido. Este último ponto é útil ao inverso, em que uma comparação da composição real de gás de combustão com a composição ideal indica o rendimento do processo de combustão. 1.4 - Cálculo da proporção teórica de Ar/combustível Qualquer combustível convencional requer, de acordo com sua composição, uma quantidade específica e calculável de oxigênio (e portanto de ar, uma vez que este é o agente comum de fornecimento) para atingir teoricamente uma reação completa. Menos do que essa quantidade vai produzir combustão incompleta e portanto perda de calor potencial. Mais do que essa quantidade, gera perdas excessivas de gás de combustão e da temperatura. Na prática, um pouco mais do que a quantidade teórica é usada por razões posteriormente explicadas. Para um material simples tal como o metano, constituinte principal do gás natural, pode ser escrita a equação de combustão:
  • 6. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 4 ( ) ( )modificadonãoar,do2ardo2 222224 NOHCONOCH ++→++ A rigor, o fenômeno da dissociação vai alterar um pouco esta reação. Isto, de fato, significa a separação de parte dos produtos da combustão em outros compostos que não sejam CO2 e H2O, e consequentemente a perda de calor, de acordo com as condições exatas de equilíbrio relacionadas às temperaturas, pressões e concentrações. A dissociação típica do dióxido de carbono é representada por: 2 22 2CO CO O→ + Na maioria das condições industriais, a dissociação não está muito em evidência, e, apesar de sua importância ser reconhecida, ela não é levada em conta para os propósitos deste capítulo introdutório. As técnicas de cálculo estabelecidas estão disponíveis na literatura especializada. Segue-se da equação que 1 Kgmol de metano requer 2 Kgmol de oxigênio para a reação teórica completa. Portanto, convertendo para uma base de massa, 16 Kg de metano requerem 64 Kg de oxigênio o que, uma vez que o ar contém 23,2% de oxigênio por peso, dá uma proporção teórica de ar/combustível de 17,25: 1. É visto que, em base de volume, 1 volume de metano requer 2 volumes de oxigênio de forma que a proporção volumétrica correspondente de ar/combustível é 9,53 : 1 . Tal mistura quimicamente correta é uma mistura estequiométrica. As situações em que uma equação exata pode ser escrita são poucas e são quase exclusivamente para combustíveis gasosos de composição conhecida ou determinada. Exatamente o mesmo procedimento pode ser seguido em qualquer caso onde equações exatas possam ser formuladas para os constituintes reativos, tomando-se os inertes como não-afetados e qualquer oxigênio livre na mistura original como disponível para a combustão. Exemplo 1.1: Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível para o propano. O balanceamento das equações é feito levando-se em conta a conservação da massa dos elementos químicos, ou seja, para um determinado elemento, carbono, por exemplo, o número de átomos que existirá nos produtos de combustão é o mesmo número de átomos dos reagentes. ( ) 2222283 4376,3 NyOHCONOxHC ++→++ A quantidade "x" é o número de moléculas de O2 necessários a combustão completa do propano. Como a combustão é feita, no caso, com ar atmosférico, para cada molécula de oxigênio do ar, é considerado obrigatóriamente 3,76 moléculas de nitrogênio (a relação de volumes entre os dois gases no ar atmosférico). A necessidade de oxigênio "x" é calculada fazendo-se o balanceamento dos átomos de oxigênio:
  • 7. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 5 ( ) 8,1876,3 5 4232 == = +×= xy x x Isto significa que para cada mol de propano, ou cada volume de propano são necessários 5 volumes de oxigênio e consequentemente: ( ) 8,2376,315 =+× volumes de ar atmosférico. É conveniente para os combustíveis gasosos tomar-se uma base arbitrária de 100 volumes, metros cúbicos, ou qualquer unidade que seja apropriada. Para os constituintes ativos, as reações são escritas levando-se em conta o número de volumes presentes por 100 volumes da mistura. A proporção estequiométrica de ar/combustível para esta mistura gasosa em uma base de volume é, então, 23,8 : 1. Uma vez que a relação entre volumes, moléculas e moléculas-Kg estejam bem estabelecidas é um problema fácil converter em base de massa. Não é necessário dizer que, todos os volumes relativos precisam ser medidos sob condições semelhantes. No exemplo acima, a relação ar/combustível em massa pode ser calculada com base nos pesos moleculares: 1 mol de propano pesa 44 kg e necessita 23,8 kmol de ar, que pesa 686,4 kg, ou seja, a relação A/C em massa é 15,6 : 1. A massa de ar necessária foi calculada multiplicando-se diretamente o índice "x" pelos pesos moleculares do oxigênio e nitrogênio, levando-se em conta a sua devida proporção: ( ) ( ) 22 4,6862876,35325 NO =××+× Para a maioria dos combustíveis sólidos e líquidos, tais equações exatas não são possíveis devido à complexidade delas e em alguns casos, devido à sua composição indeterminada. No entanto, uma simplificação pode ser aplicada de tal forma que a análise química básica (quantidade de elementos constituintes) possa ser avaliada, não fazendo nenhuma referência, qualquer que seja, ao modo pelo qual esses elementos são combinados no combustível. Para combustão completa, as exigências de peso líquido de oxigênio são obviamente as mesmas e assume-se que qualquer oxigênio no combustível está disponível para reação. A posição provável para tal oxigênio é que ele tenha combinado com a estrutura dos combustíveis, tendo assim o mesmo resultado final.A análise básica é comumente determinada em base gravimétrica ou de peso e usada com referência a Kgmol. O modo de aplicação é ilustrado melhor pelo exemplo. Exemplo 1.2 :
  • 8. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 6 Uma amostra de querosene tem uma análise básica de 86% de carbono e 14% de hidrogênio por peso. Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível. Tome uma base arbitrária de 100 Kg de querosene e converta a quantidade em massa de cada elemento em quantidade de kmol: cada 100 kg de combustível possui: 86 kg de C, que corresponde a 86 12 kgmol de C 14 kg de H, que corresponde a 14 1 kgmol de H = = 7 17 14 , a reação estequiométrica pode ser escrita, fazendo-se o devido balanceamento: ( ) 6,14 100 1464,8 :massaemA/Crelação kg8,14642876,367,103267,10 :necessáriaardemassa 67,10 7217,72 717,776,31417,7 22222 = =××+× = +×= ++→+++ x x yNOHCONOxHC Assim a proporção estequiométrica de ar/combustível, Kg/Kg é 14,6:1. Observe que nenhuma referência, qualquer que seja, é feita à maneira em que o carbono e o hidrogênio são ou podem estar combinados no querosene. Um exemplo a mais ilustra o tratamento dos materiais inertes e do oxigênio composto. Exemplo 1.3 : Um combustível fóssil tem uma composição em peso de: Carbono, 72,0%; Hidrogênio, 14,0%, Oxigênio, 8,0%; Nitrogênio, 2,8%; Enxofre, 3,2%. Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível. C H O N S
  • 9. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 7 massa do constituinte, kg/100 kg de combustível 72 14 8 2,8 3,2 kgmol de cada 6,0 14,0 0,5 0,2 0,1 a equação estequiométrica fica: ( ) 8,12 100 1283,6 :massaemA/Crelação kg1283,6=283,769,35+329,35 :necessáriaardemassa 35,9 21,07265,02 1,07676,31,02,05,0146 222222 = ××× = ×++×=+ +++→++++++ x x yNSOOHCONOxSNOHC A proporção estequiométrica de ar/combustível em base de peso é 12,8:1. Observe que se assume que o conteúdo de enxofre está convertido em dióxido de enxofre. Se um cálculo for feito para incluir uma quantidade de ar em excesso, o procedimento é como o de cima, com um fator de excesso sendo introduzido na última etapa. Vamos definir aqui o coeficiente de excesso de ar ϕϕϕϕ como a relação entre o nº de moles realmente utilizado na combustão e o nº de moles estequiométricamente necessário: 2 2 2 2 esteqO realO esteqOmol realOmol m m n n & & == − − ϕ Por exemplo, se este combustível fosse queimado com 20% de excesso de ar, então a proporção de trabalho de ar/combustível é 1,20 vezes a proporção estequiométrica. A proporção ar/combustível com 20% de excesso de ar = 12,8 x 1,20 = 15,36 : 1. Quando um combustível contém cinza ou umidade, estas podem ser tratadas como constituintes inertes para aparecerem como tais nos produtos finais da combustão. Os principios utilizados nestes exemplos podem ser aplicados com igual facilidade a todos os combustíveis. 1.5 - Avaliação do rendimento da combustão Se a composição do combustível e a composição dos produtos de sua combustão são medidos, o rendimento da combustão pode ser calculado. A quantidade teórica de ar (ou oxigênio) para combustão completa e a composição estequiométrica dos produtos combustíveis são calculados e comparados com a composição real obtida pela análise dos gases de combustão; isto pode mostrar:
  • 10. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 8 a) que quantidade de calor está sendo desperdiçada em aquecer quantidades excessivas de gases de combustão; isto quer dizer que está sendo usado mais ar que o necessário. (Na prática um pequeno excesso sobre o ar estequiométrico é necessário para assegurar uma completa combustão). b) Se parte do combustível está escapando da região de combustão sem estar completamente queimado. Isto é demostrado pela presença de CO, fuligem, combustível não queimado e possivelmente hidrogênio nos produtos combustíveis. A análise dos gases de combustão ou de gases perdidos dos processos de combustão é comumente relatada em base sêca de volume, isto é, sem referência à água no gás. Uma grande variedade de equipamentos para análise do gás é usada, desde os tipos simples de aparelhos, Orsat e Fyrit aos mais sofisticados aparelhos contínuos. O valor da análise do gás de combustão reside na informação que tal análise é capaz de proporcionar e na interpretação posta em tal informação. Como foi observado previamente, um combustível específico requer uma quantidade específica de ar para a combustão completa teórica, com alguma quantidade adicional para atingir praticamente a combustão completa. Abaixo desta quantidade prática, que é uma função do tipo de combustível, do rendimento do queimador e das condições de combustão, é desperdiçado combustível e esta condição pode ser reconhecida pelo aparecimento de quantidades excessivas de monóxido de carbono no gás de combustão, um pouco antes da produção da fumaça prêta (fuligem). Acima desta quantidade, o calor é perdido junto com quantidades excessivas de gás de combustão e é reconhecido pela grande quantidade de oxigênio no gás de combustão. A aplicação do bom senso ao interpretar a análise do gás de combustão pode levar, por exemplo, à descoberta de deficiências no processo de combustão, vazamento no forno ou no sistema condutor e inconsistências na análise e especificação do combustível. 1.6 - Teor de CO2 no gás de exaustão A medida do teor de CO2 no gás de exaustão seco (uma medição simples e comum) dá uma medida útil do rendimento da combustão de um determinado combustível. A proporção máxima de CO2 nos produtos de combustão será encontrada quando a relação ar/combustível for estequiométrica, figura 1.1. Observemos que em relações abaixo da estequiométrica, o teor de CO2 também cai, porém há o aparecimento de monóxido de carbono.
  • 11. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 9 Fig. 1.1 - Teor de CO2 no gás de exaustão Na prática as concentrações de CO2 devem ser mais baixas que a estequiométrica pela necessidade de se usar ar em excesso a fim de se atingir a combustão completa. A quantidade de excesso de ar necessária decresce com o aumento da capacidade e com o rendimento maior no equipamento de combustão. Valores típicos são: Gases: 0 a 10% Líquidos: 2 a 30% Sólidos: > 50% 1.7 - Determinação da Análise Teórica do Gás de Combustão Uma vez que, segundo a Lei de Avogadro, o Kgmol e o volume são numericamente parâmetros permutáveis sob condições adequadas, a determinação das proporções de ar/combustível está encaminhada a partir dos produtos da análise teórica do gás de combustão. A qualificação teórica está assinalada aqui porque, devido a pontos práticos observados anteriormente, algumas diferenças podem ser encontradas entre a análise real do gás e a proposta nas mesmas condições iniciais. Então, a análise teórica indica a situação ideal, e quando mais perto a análise prática estiver desta tanto melhor. Para qualquer instalação que utiliza combustível, a experiência vai ditar o limite desta aproximação. Para combustíveis gasosos, a estimativa da análise do gás de combustão é um cálculo feito diretamente em base volumétrica. Suponha que o metano seja queimado completamente com sua quantidade estequiómetrica de ar: CH O N CO H O N4 2 2 2 2 22 7 52 2 7 52+ + → + +, ,(do ar) (sem modificar) Nos gases de combustão secos, portanto, existe 1 volume de CO2 para 7,52 volumes de N2. Isto dá um conteúdo de dióxido de carbono (talvez o ítem mais utilizado em tais análises) de 11,73%. Um gráfico com o conteúdo de CO2 no gás de combustão e com a relação ar/combustível vai mostrar um pico teórico na condição estequiométrica, daí a importância deste item para o rendimento total e como uma indicação das condições de
  • 12. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 10 operação.Quando é fornecido ar em excesso, o ar excedente passa através do sistema, inalterado. Isto é uma extensão do cálculo acima para uma mistura gasosa e será apreciado através de um exame do seguinte exemplo de análise de gás. Exemplo 1.4: Um gás de composição: C3H8 CO H2 N2 CO2 O2 20 25 30 10 10 5 %, em volume, é queimado com 20% de excesso de ar. Determine a análise do gás de combustão sêco. Balanço estequiométrico: ( ) 83,5 100 583,1 :tricaestequioméívelar/combustrelação 583,1=3,76122,5+122,5:necessárioardevolume 5,122 11095225210225 :oxigêniodebalanço 1109576,351010302520 22222222283 = × = +×=+×+×+ ++→+++++++ x x yNOHCONOxOCONHCOHC Foi mostrado que 100 volumes deste gás requer 122,5 volumes de oxigênio, ou 583 volumes de ar atmosférico. Dessa forma, 20% de excesso significa que 24,5 volumes extra de oxigênio são fornecidos, para ir através do sistema sem se alterar. Associado a este total de 147 volumes de oxigênio, haverá 553 volumes de nitrogênio para se acrescentar aos 100 de combustível. A composição em volumes dos produtos de combustão, incluídos o excesso de ar fica:
  • 13. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 11 95 110 552 7 24 5 95 552 7 24 5 672 2 0 141 0 036 0 823 0 121 0 140 0 031 0 706 2 2 2 2 24 5 672 2 552 7 672 2 95 782 2 110 782 2 24 5 782 2 552 7 782 2 CO H O N O+ + + + + = = = = = = = = , , , , , : , : , : , : , : , : , : , , , , , , , , , , , volume total dos gases secos: composição dos gases secos: CO O N volume total dos gases úmidos: 95+110 + 552,7 + 24,5 = 782,2 composição dos gases úmidos: CO H O O N 2 95 672,2 2 2 2 2 2 2 Exemplo 1.5 : Metano é queimado com uma deficiência de 5% de ar estequiométrico. Calcule a análise do gás de combustão. Estequiométricamente, a combustão completa de metano com ar pode ser representada como antes: ( ) 222224 52,7276,32 NOHCONOCH ++→++ e com uma deficiência de de ar de 5%: ( ) 222224 14,776,39,1 NOHcCObCOaNOCH +++→++ É assumido que a oxidação do hidrogênio do combustível é inicialmente completada, sua reação pode ser representada como: H O H O4 2 22+ → Portanto sobram 0,9 O2 para oxidação de 1 C, representada em 2 etapas:
  • 14. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 12 C O CO O CO O CO CO + → + + → + 0 9 0 4 0 4 0 8 0 2 2 2 2 2 , , , , , Assim a=0,8 e b=0,2, de forma que toda a equação é: CH O N CO H O N4 2 2 2 2 21 90 7 14 0 8 2 7 14+ + → + +, , , , Um processo semelhante pode ser aplicado a combustíveis mais complexos mas precisa-se lembrar que esta simples aproximação tem limitações específicas. 1.8 - Determinação da Quantidade do Excesso de Ar da Análise do Gás de Combustão O uso da análise de gás de combustão para determinar a quantidade de ar excedente, se intencionalmente fornecido para a integridade da combustão ou se involuntariamente fornecido através de vazamento, consiste essencialmente em fazer os cálculos anteriores ao inverso e equilibrar os elementos que entram no processo com aqueles que saem. Esses equilíbrios dos elementos é necessário, uma vez que as análises são usualmente apresentadas em percentagens, e não em quantidades absolutas. Alguns exemplos vão demonstrar a aproximação utilizada. Exemplo 1.6 : O metano é queimado com excesso de ar e dá uma análise de gás de combustão seco de: CO2 9,15%, O2 4,58%, N2 86,27 % por volume (ou kmol/100 kmol). Calcule a quantidade de ar excedente utilizada. Reescrevemos agora a equação da combustão do metano incluído o coeficiente de excesso de ar: ( ) ( ) 2222224 52,721276,32 NOOHCONOCH ϕϕϕ +−++→++ Observe que o oxigênio estequiométricamente excedente, bem como o nitrogênio associado sai junto com os produtos da combustão, compondo assim a massa total dos gases na saída. Para cada kmol de metano queimado nestas condições, é produzido um total de :
  • 15. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 13 ( ) ( ) secoscombustãodeprodutosdekmol152,952,721-+1 ouúmido,combustãodeprodutosdekmol52,9152,72121 −=+ +=+−++ ϕϕϕ ϕϕϕ Se a concentração de CO2 é de 9,15% nos gases secos, é possível determinar o coeficiente de excesso de ar: 0 0915 1 9 52 1 1 25, , ,= − ⇒ = ϕ ϕ Quando a combustão foi incompleta e algum monóxido de carbono foi produzido, o cálculo de ar excedente precisa levar isto em conta e fazer concessão ao oxigênio presente no gás de combustão, que pertence ao monóxido de carbono. O aparecimento de monóxido de carbono, devido à combustão incompleta, num gás de combustão em que ar excedente é utilizado, não é prontamente previsível mas o efeito de sua presença é visto na análise do gás. Exemplo 1.7 : Um combustível de composição C H O N S Cinzas 72,0 8,4 8,0 2,8 3,2 5,6 (porcentagem em massa) produz uma análise de gás de combustão sêco de: CO2 O2 CO N2 12,0 5,0 1,2 por diferença (porcentagem em volume) e o resíduo sólido da combustão contém 25% de carbono. Determine a quantidade de ar excedente que é fornecida. Existem três etapas para resolver neste cálculo: (1) Calcular as exigências teóricas de ar; (2) Fazer o balanceamento do carbono, determinando assim a parcela de carbono que queimou esaiu com os produtos de combustão, por unidade de combustível queimado. (3) Fazer o balanço de oxigênio, considerando a devida proporção entre CO2 e CO e O2.
  • 16. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 14 1ª etapa: partindo de l00 kg de combustível, incluso as cinzas, já calculamos diretamente o nº de kmol de cada elemento: ( ) 95,721,02,42625,0 76,31,02,4676,31,02,05,04,86 222222 =⇒×++×=+ +++→++++++ xx NxSOOHCONOxSNOHC exigência de oxigênio = 7,95 Kg.mol/100 Kg de combustível 2ª etapa: Para 100 kg de combustível existem 72,0 Kg de carbono. O resíduo sólido da combustão contém a cinza indicada na análise mais carbono não queimado (25%). O resíduo total é assim 5,6 de cinza mais 1,87 Kg de C. A quantia de C queimado é dessa forma, 5,84 Kg.mol (72 kg - 1,87 kg). ( ) ( ) 21,231,54167,04167,0 12 5 % % cinzas)(nas16,02,095,776,31,02,453,031,5 76,395,71,02,05,04,86 2 2 22222 22 =×=⇒== ++×+++++ →++++++ z CO O CNzOSOOHCOCO NOSNOHC ϕ ϕ Observe que foi descontado o parcela de carbono que não queimou, e foi mantido a relação CO2/CO, possibilitando o balanceamento correto da equação e o cálculo do coeficiente z, relativo ao O2, pela relação O2/CO2. 3º etapa: ( ) 20,1 35,8892,29 5,31 =0,12 :calculadoéardeexcessodeecoeficiento12%,aigualCOdeteorosendo 35,8892,292,095,776,3,212+0,1+0,53+5,31 :éproduzidosecogasesdetotalvolumeo 2 =⇒ + +=+×+ ϕ ϕ ϕϕ A avaliação do excesso de ar assume combustão completa, e portanto o excesso precisa ser relatado nesta base. A determinação de ϕ acusou um excesso de 20,0%. O Oxigênio em excesso é devido a somatória das parcelas de oxigênio oriundos do próprio ar em excesso fornecido, de oxigênio devido ao
  • 17. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 15 Carbono que não queimou e apareceu nos residuos de cinzas, e de oxigênio devido a formação de monóxido de carbono, que não foi oxidado completamente em CO2. A importância dos cálculos de combustão em circustâncias industriais usuais foi mostrada e os exemplos escolhidos aqui não pretendiam somente mostrar o processo de cálculo mas salientar alguns pontos assinalados. Não está implícito que o método de cálculo demonstrado aqui seja o único método ou mesmo o melhor, mas é um enfoque dos princípios básicos, e como tal, é flexível e amplamente aplicável. Existem situações aqui minimizadas para maior clareza, nas quais os cálculos necessários são muitos, e muito mais sofisticados, como por exemplo, os processos de altas temperaturas onde os efeitos da dissociação são mais importantes. Um enfoque de tais situações pode ser feito, fundamentado no método de cálculo anterior. 1.9 - Temperatura de Chama Qualquer reação de combustão, na verdade qualquer reação química, pode ser geralmente representada pelo esquema: reagentes (cadeia de reação)→ produtos Vamos apresentar isto simbolicamente como: A + B → C + D Na verdade, não vai haver nunca uma transformação completa de A e B para C e D. Antes, é atingida uma situação de equilíbrio, a qual deveria ser representada como: A + B ←→ C + D Naturalmente, são estabelecidas reações para se atingir os produtos, de forma que na maioria das circustâncias usuais o equilíbrio é muito mais para a direita, com C e D predominando. No entanto, se os intrumentos analíticos são bons o bastante, os traços de A e B serão detectados qualquer que sejam as circustâncias. Também, como a reação é uma cadeia de reações, podemos esperar encontrar traços dos materiais de cadeia. Os fatores que controlam o grau de dissociação para qualquer reação dada (isto é, a posição de equilíbrio) são: temperatura, pressão e concentração. O princípio de Le Chatelier diz que se uma variável que afeta o equilíbrio de um sistema é modificada, então a posição de equilíbrio é deslocada para se opor à mudança.
  • 18. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 16 Para efeito de cálculos de combustão industrial, onde os níveis de temperatura são usuais até um máximo de 1500 ~1600 K, a dissociação assume pouca ou nenhuma importância. A dissociação do CO começa a ser detectada por volta de 2000 K, e apresenta-se como um caso particular dos processos gerais de combustão e não será aqui tratada em detalhes. Os príncipios gerais da dissociação são encontrados na literatura de cinética química e sua aplicação específica em combustão é necessária quando a combustão é uma parte de um processo e determina sua eficiência, tais como nos processos de incineração térmica, na gaseificação de carvão e lenha, ou na fabricação de combustíveis sintéticos. 1.10 - Medição do rendimento de combustão Para se calcular o rendimento de calor útil de um sistema de combustão é necessário saber o Poder calorífico do combustível, a relação ar ( ou oxigênio) /combustível e o grau de complexidade da combustão. O Poder Calorífico de um combustível é definido como a quantidade de calor desprendido pela combustão completa do combustível. Se esta quantidade de calor é medida com os produtos de combustão saindo completamente na fase gasosa, este é denominado Poder Calorífico Inferior. Se, por outro lado, a água nos produtos de combustão for considerada na fase líquida, ou seja, com o produtos de combustão à temperatura ambiente, o calor desprendido é denominado Poder Calorífico Superior. A diferença entre os dois valores é exatamente a entalpia de vaporização da água formada na combustão do hidrogênio constituinte e da água presente no combustível na forma de umidade: ( ) sêco)lcombustívedekg/OH(kglcombustívenoumidadedeteor (kg/kg)lcombustívedoteconstituinhidrogêniodeteor (kj/kg)SuperiorCaloríficoPoder (kJ/kg)InferiorCaloríficoPoder :onde 92440 2:u :h :PCs :PCi uhPCsPCi +−= As medições de Poder Calorífico em laboratório são realizadas em bomba calorimétrica com temperatura do meio controlada próximo a temperatura ambiente, e o valor obtido é sempre o Poder Calorífico Superior. A avaliação do PCI é feita através da equação acima, e portanto deve ser conhecida o teor de hidrogênio do combustível, ou pelo menos, estimado com alguma margem de segurança. A maioria dos processos industriais tem seus produtos de combustão exauridos a temperaturas onde a água está na forma de vapor, e por esta razão o conhecimento do Poder Calorífico Inferior é útil e facilita os cálculos de aproveitamento de calor.
  • 19. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 17 1.11 - Temperatura Adiabática de Chama O desprendimento de calor proveniente da reação de combustão pode ser calculado conhecidos o Poder Calorífico do combustível e a taxa de consumo de combustível na fornalha. Se for assumido que todo o calor gerado é transformado em entalpia dos produtos de combustão, sem nenhuma perda de calor por radiação ao ambiente externo (uma situação, na prática, impossível) ou perda de temperatura por dissociação, é possível calcular a Temperatura Adiabática de Chama: ( ) (K)combustãodeardoentradadeuratemperat: Chama)(K)deAdiabáticaaTemperaturcombustão(degasesdossaídadeturatempera K)(kJ/kgcombustãodegasesdosEspecíficoCalor (kg/s)combustãodegasesdemassa (kJ/kg)InferiorCaloríficoPoder (kg/s)lcombustívedeconsumodetaxa : ar g g g c argggc T :T :Cp :m :PCi :m onde TTCpmPCim −= && A temperatura Adiabática de Chama é uma abstração, pois nenhum processo real pode ser adiabático, e tanto mais difícil em altas temperaturas, geralmente produzidas em condições de chama. Além disso, a dissociação começa a se fazer sentir em temperaturas acima de 2000 K, e o calor desprendido tende a ser menor que o calculado. De qualquer maneira, o cálculo pode ser útil para efeito de comparação de potenciais de combustíveis para uma dada necessidade de calor e temperatura. Observe que no cálculo da massa de gases produzidos está implícito a relação ar/combustível, pois os produtos de combustão é a soma das massas do ar de combustão e do combustível consumido no processo. A temperatura adiabática de chama pode ser então calculada para uma massa unitária de combustível desde que se estabeleça a relação ar/combustível. De modo inverso, conhecido a temperatura de saída dos gases de combustão, é possível calcular o calor recebido pelo processo de combustão, o qual será a diferença entre a entalpia dos gases à temperatura adiabática de chama e entalpia de saída dos produtos de combustão: ( ) (K)fornalhanacombustãodegasesdossaídadeuratemperat (kJ/s)fornalhapelarecebidocalor :onde :Ts :Q TTsCpmPCimQ g argggc & &&& −−=
  • 20. EXERCICIOS CAP. 1 Determine a composição dos produtos de combustão do bagaço de cana, queimando com 100% de excesso de ar. Considere a composição elementar do bagaço semelhante a composição da lenha, porém com 50% de umidade (b.u.). Caldeira queima 2000 kg/h de lenha com 20% umidade(b.u.) e a análise dos gases de combustão resultou em 8,7% CO2 (b.s.) e o resíduo sólido do cinzeiro tem 90% de carbono não queimado. Determine o excesso de ar real (b.u.). Se os produtos de combustão tem temperatura de 180º C, qual deve ser a capacidade em m3/h do exaustor dos gases de combustão? Determine a temperatura dos produtos de combustão saindo de uma fornalha., queimando GLP com 10% de excesso de ar, considerando que 50% do calor gerado é perdido por radiação. Assumir propriedades dos produtos de combustão iguais a do ar atmosférico. Calcule a relação Ar/Combustível estequiométrica para combustão de Etanol hidratado (96ºGL). Determine o teor de CO2 (b.s.) para combustão do etanol hidratado com 25% de excesso de ar. Supondo apenas dissociação do CO2, qual deve ser o teor de CO (b.s.) para combustão do etanol hidratado com 3% de falta de ar? Gás residual tem composição volumétrica Metano 82%, etano 8%, H2S 1%, CO2 5% e N2 4%. Faça um gráfico do teor de CO2 (b.s.) nos produtos de combustão em função do excesso de ar. Determine o teor de SO2 com 5% de excesso de ar. Carvão mineral tem composição C 67%, H 8%, S 7%, O 1,5%, cinzas 16,5 %. O equipamento de combustão será controlado por analisador contínuo de oxigênio cujo sensor deve ser instalado diretamente na saída dos produtos de combustão que tem temperatura média de 210 ºC. Para controle computadorizado você deve estabelecer uma função do teor de O2 nos gases de chaminé em relação ao excesso de ar. Após a instalação e testes iniciais do sistema da questão anterior, o resíduo da combustão acusa um teor médio de 12% de carbono não queimado. A função estabelecida anteriormente ainda é valida? Se não, como corrigi-la? Calcule a temperatura adiabática de chama a 10% de excesso de ar de uma mistura de composição volumétrica Metano 82%, etano 8%, H2S 1%, CO2 5% e N2 4%. , sem dissociação, dados os PCS: Metano 55.488, Etano 51.865, H2S 16.560 kJ/kg.
  • 21. Uma câmara adiabática opera com metano, com relação estequiométrica, sendo que a concentração em massa de CO nos produtos de combustão é 5%. Determine a temperatura adiabática de chama na condição de operação. Carvão mineral tem composição C 63%, H 9%, S 3%, O 1%, cinzas 24%. Determine a composição dos produtos de combustão base sêca, utilizando 60% de excesso de ar. A legislação do local onde está instalado o equipamento da questão anterior permite a emissão de dióxido de enxôfre em 3200 mg/Nm3 (base sêca). O equipamento está enquadrado na legislação? Qual seria o máximo teor de enxôfre do carvão que poderia ser utilizado nas condições da questão anterior, que ainda seria abaixo dos limites de emissão permitidos? Escrever a reação de combustão do óleo combustível, com ar estequiométrico e com 30% de excesso de ar e determinar a concentração de CO2 e SO2 base seca. Considerar óleo com 3,5% de enxôfre e densidade relativa 0,98. Num forno de reaquecimento de lingotes, operando a 1250 ºC, supondo que todos os sistemas de combustão abaixo tenham a mesma características no que se refere a troca de calor por radiação ( mesma emissividade e fator de forma), escolha o sistema de combustão mais adequado para maior transferência de calor, justificando matematicamente: Combustível PCI (kcal/kg) A/C esteq Excesso de Ar óleo BTE 9.965 13,7 40% GLP 10.218 15,6 5% óleo diesel 10.250 14,6 15% Uma câmara de combustão adiabática queima metano com relação A/C estequiométrica. Nos produtos de combustão estão presentes 5% CO (em volume). Determine a temperatura adiabática de chama.
  • 22. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 18 cap. 2 - COMBUSTÍVEIS Combustíveis para utilização em energia e aquecimento industrial apresentam características importantes tais como baixo custo por conteúdo energético, disponibilidade, facilidade de transporte e armazenamento, possibilidade de utilização dentro de tecnologias disponíveis, baixo custo operacional e de investimento, etc. Durante muitos anos, os derivados de petróleo preencheram a maioria destas características e se tornaram o tipo mais utilizado de combustível industrial. Nas décadas recentes, outros tipos de combustíveis tem sido utilizados e pesquisados, principalmente aqueles que produzem menor impacto ambiental que os combustíveis fósseis. Do ponto de vista de origem, os combustíveis podem ser classificados como: fósseis (não renováveis) e vegetais (renováveis), representados pela tabela abaixo. Origem Combustível Básico Derivado FÓSSEIS Petróleo GLP Gasolina Óleo Diesel Óleo Combustível Óleos Residuais Gás Natural Xisto Betuminoso Carvões Minerais Gases manufaturados Cana-de-açucar Bagaço de cana Alcool Etílico VEGETAIS Lenha Carvão Vegetal Gases manufaturados Metanol Resíduos Vegetais Biogás Quanto a utilização de combustíveis é conveniente classificá-los e estudá-los quanto a sua forma física: sólidos, líquidos ou gases.
  • 23. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 19 Composição dos combustíveis: Os combustíveis industrias apresentam em sua composição alguns dos seguintes elementos ou compostos: Carbono C Hidrogênio H Oxigênio O Enxôfre S Nitrogênio N Água H2O Cinzas (Z) Carbono e hidrogênio são os elementos que mais contribuem para o poder calorífico dos combustíveis e oxigênio é geralmente presente em combustíveis vegetais, sendo que sua presença diminui o poder calorífico do combustíveis, bem como as exigências teóricas de ar de combustão. Embora o enxôfre seja também combustível, este traz consequências prejudiciais ao meio ambiente e aos equipamentos: - seu poder calorífico é menor que o carbono e hidrogênio - Os produtos de combustão, SO2 e SO3, em presença de umidade formam ácido sulfúrico, que irá atacar as partes mais frias da instalação. H2SO4 é o principal causador de "chuva ácida", com consequências desastrosas ao meio ambiente. - se a atmosfera da combustão for redutora, pode haver formação de H2S, ou outros compostos, que são perigosos e produzem mal cheiro. O enxôfre nos combustíveis líquidos é enconrado na forma de mercaptanas (um radical R-S-H) ou também na forma de dissulfetos( radicais R-S-R). Nitrogênio é responsável pela formação de diversos óxidos: N2O, NO e NO2, que são compostos de alta irritabilidade para as mucosas além de reagirem com o ozona da atmosfera (O3). Outros elementos ocorrem eventualmente nos combustíveis em concentrações muito pequenas, porém de efeitos não menos importantes. Os metais são mais frequentes: Níquel, Vanádio, Cálcio, Sódio, Potássio e Manganês. O vanádio forma um óxido: V2O5, que é catalizador da reação de formação de ácido sulfúrico, agravando as consequencias de corrosão com combustíveis que contenham enxofre. Sódio e potássio (metais alcalinos) contribuem para a corrosão a baixa temperatura formando compostos de baixo ponto de fusão, pdendo inclusive atacar materias refratários. A água é normalmente encontrada em todos os combustíveis, principalmente nos combustíveis sólidos, na forma de umidade, e traz duas consequências: - diminui o poder calorífico, - aumenta a temperatura do ponto de orvalho do ácido sulfúrico, aumentando os problemas de corrosão.
  • 24. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 20 2.1 - COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS Os combustíveis líquidos são amplamente utilizados na indústria pelas facilidades de armazenamento, operação e transporte, e os derivados de petróleo praticamente estão presentes na maioria das aplicações. A caracterização dos combustíveis líquidos compreende a medição de algumas propriedades aplicáveis a estes, as quais serão definidas a seguir. O poder calorífico de combustível, como definido no capítulo anterior é aplicável a todos os tipos de combustíveis. Propriedades de combustíveis líquidos Ponto de fulgor: é a temperatura do combustível na qual, sob a ação de uma chama escorvadora sobre a superfície líquida do mesmo, provoca uma ignição e combustão transitória. Importante propriedada para a segurança de armazenamento. Ponto de ignição: temperatura do combustível na qual a chama escorvadora provoca uma combustão continuada sobre a superfície do mesmo. Temperatura de auto-ignição: temperatura mínima de uma mistura ar/combustível na qual a combustão é iniciada e se mantém, sem a presença de uma chama escorvadora. Ponto de fluidez: temperatura mínima necessária para que o combustível se torne um fluido. Viscosidade: importante propriedade que vai determinar as temperaturas de armazenamento, bombeamento ecônomico e pulverização (atomização) para combustão. Outras propriedades de combustíveis líquidos são aplicáveis apenas a combustíveis automotivos (gasolina, óleo diesel), tais como a octanagem, o período de indução e a cetanagem, e não serão tratadas neste texto. Todas as propriedades tem normas e métodos de medição e algumas podem variar em resultado conforme o método utilizado. Derivados de Petróleo O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos que apresenta composição variável e dependente de fatores geológicos tais como localização da jazida, idade, profundidade, etc. Os principais elementos que constituem o petróleo são apresentados no quadro abaixo, com sua correspondente faixa de variação da composição:
  • 25. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 21 Elemento % em massa Carbono 83 a 87 Hidrogênio 11 a 14 Enxôfre 0,05 a 8 Nitrogênio 0,1 a 1,7 Oxigênio ~0,5 Metais(Fe, Ni, V, etc.) ~0,3 Os principais constituintes orgânicos do petróleo são : - Alcanos (ou parafinas), cadeias carbônicas retas, de fórmula geral CnH2n+2 e seus isômeros. - Ciclanos (ou naftênicos), de fórmula geral CnH2n , são compostos de anéis saturados, tais como o ciclo pentano e ciclo-hexano. - Aromáticos, os quais contém o anel benzênico, e de baixo peso molecular. - Compostos sulfurados, presentes em todos os tipos de óleo cru, mas em geral, quanto maior a densidade do petróleo, maior o teor de enxôfre. - Compostos nitrogenados, presentes nas frações mais pesadas, ocasionam problemas no processamento de petróleo por envenenamento de catalizadores de processo. - Compostos oxigenados, também se concentram nas frações mais pesadas, e são responsáveis pela acidez, escurecimento e o forte odor dos derivados de petróeleo. - Compostos metálicos, são compostos organo-metálicos e também predominam nas frações mais pesadas. - Impurezas inorgânicas, ficam em solução ou suspensão na água emulsionada ou no corpo do petróleo: sais minerais, argila, areia e óbviamente a água. Os derivados de petróleo são produtos do processamento do óleo cru, bàsicamente em dois tipos de processos: - destilação atmosférica, onde grupos de frações são separadas por diferença de ponto de ebulição (ou pressão de vapor), numa coluna de destilação, - destilação à vácuo do resíduo, onde é extraído no resíduo de fundo da coluna atmosférica mais frações leves. O resíduo de destilação à vácuo é utilizado para produção de asfalto ou complementação da produção de óleo combustível, - craqueamento térmico ou catalítico, onde é possível transformar frações pesadas do óleo em frações mais leves, ajustando o perfil da produção com as necessidades de mercado consumidor. Um esquema básico de refino é apresentado na figura 1.
  • 26. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 22 A qualidade e característica do petróleo determina a faixa de extração de cada componente principal, embora os processos adicionais como o craqueamento permitam uma pequena variação do ajuste. As principais frações produzidas, em ordem crescente de densidade são as seguintes: - Gás residual - Gás Liquefeito de Petróleo - Nafta petroquímica - Gasolina - Querosene - Óleo Diesel - Óleo Combustível - Lubrificantes - Óleos residuais - Asfaltos Óleo Combustível O óleo combustível é a fração mais importante para os sistemas de aquecimento industrial, devido a seu baixo preço. Apesar de no ínicio da utilização do petróleo, frações mais leves tais como o diesel e o querosene terem sido utilizadas, atualmente, tais derivados são reservados a utilizações com maior exigência de qualidade de combustível, como os motores de combustão interna (ciclos Diesel e turbinas de aviação). A tendência atual é adequar o perfil de refino a maior produção de diesel e consequentemente,o óleo combustível utilizado Figura 1. Esquema da destilação atmosférica de petróleo.
  • 27. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 23 pela indústria tem sua densidade e viscosidades aumentadas, além do maior teor de enxofre. A especifição básica para os óleos combustíveis são a viscosidade, o ponto de fluidez e o teor de enxôfre. A viscosidade é determinada em aparelhos que se baseiam no tempo de escoamento de um dado volume de óleo a uma temperatura constante. Os tipos de viscosímetros mais utilizados são: - Saybolt, com dois tipos: SSU Segundos Saybolt Universal e SSF, Segundos Saybolt Furol - Engler - Redwood A conversão em viscosidade cinemática, dada em centipoises está apresentada na tabela 1. As temperaturas utilizadas são as seguintes: 20 ºC (68 F) 37,8 ºC (100 F) 50 ºC (122 F) 98,9 ºC (210 F) 100 ºC (212 F) SSU X X SSF X X Engler X X Redwood X Os óleos combustíveis apresentam várias faixas de viscosidades conforme sua classificação. Para se conhecer a viscosidade de um óleo em qualquer temperatura, é necessário conhecer-se pelo menos a viscosidade em duas temperaturas, e com o auxílio do gráfico da figura 2, traça-se uma reta que reproduz o comportamento da viscosidade em relação a temperatura para derivados de petróleo. As especificações atuais brasileiras para os óleos combustíveis são apresentados na tabela 2, sendo que análises de laboratório são apresentadas nas tabelas 3 e 4. Uma tabela de equivalencia de denominações também esta anexo. Antiga A(BPF) D(BTE) E F GD HD GK HK GM HM Atual 1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B 5A 5B Antiga GN HN GP HP - - - - OC4 Atual 6A 6B 7A 7B 8A 8B 9A 9B C
  • 28. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 24 Tabela 1 – Equivalência entre viscosidades.
  • 29. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 25 Figura 2. Gráfico para determinação da curva viscosidade x temperatura para derivados de petróleo.
  • 30. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 26 Figura 3. Gráfico típico de ponto de orvalho em função do teor de enxofre no combustível. Tabela 2. Especificações do CNP para óleos combustíveis. Viscosidade (2) Óleo Combustíve l Ponto de fulgor em o C Ponto de fluidez superio r o C Cinzas , % em peso Teor de enxofr e % em peso Água e Sedimen tos % em peso Cinemátic a a 60o C, eSt ou (Saybolt, Furol a 65o C, s Cinemática a 37,8o C, cSt ou Saybolt Universal 37,8o C, s Mínimo Máximo Máximo Máximo Máximo Máximo Mínimo Máximo TipoA (B.P.F.) 66 (4) - 5,0 2,00 (3) 390 (185) 31,9 (150 - TipoB (A.P.F.) 66 - - 5,0 2,00 (3) 390 (185) 31,9 (150) - TipoC (óleo no 4) 66 (5) 0,10 - 0,50 (6) - 2,11 (33,0) 26,0 (124) TipoD (B.T.E.) 66 - - 1,0 2,00 (3) 390 (185) 31,9 (150) - Tipo E 66 - - 5,5 2,00 (3) 600 (285) 31,9 (150) - Tipo F 66 - - 1,0 2,00 (3) 600 (285) 31,9 (150) - 1) - Em vigor a partir de 02/02/82, através do Regulamento Técnico CNP 09/82. 2) - Para óleos combustíveis cuja diferença entre a temperatura de referência de viscosidade e o ponto de fluidez seja menor que 20o C, os valores da viscosidade deverão ser obtidos em temperaturas mais altas, reportando-se às temperaturas por extrapolação. 3) - A quantidade de água e sedimento exceder 1,00%, deverá ser feita a dedução da cifra total na quantidade de óleo combustível. 4) - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa. 5) - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa de 6o C. 6) - O resultado de água e sedimentos para o óleo combustível tipo “C” é expresso em % por volume. OBS.: A partir de 02/02/82, através da Resolução no 02/82, o Conselho Nacional de Petróleo autorizou em caráter experimental, mediante acordo com o comprador a utilização do Óleo Combustível Ultra-Viscoso”. Entende-se por Ultra-Viscoso um óleo combustível com viscosidade cinemática acima de 600 cSt a 65o C (285 SSF a 65o C), sendo que as demais características atendem as especificações constantes da Resolução 1/82 que estabelece o Regulamento.
  • 31. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 27 V I S C O S I D A D E TIPOS Ponto de Fulgor, o C Ponto de fluidez superior , o C Teor de enxofre , % peso Água e sedimento % volume (1) Saybolt Furol a 50o C, s Cinemática, cSt 37,8o C 60 o C Cinza s Mínimo Máximo Máximo Máximo Máximo - Máximo Mínimo 1A 66 (2) 5,0 2,0 (600) - 620 - 1B 66 - 1,0 2,0 (600) - 620 - 2A 66 - 5,5 2,0 (900) - 960 - 2B 66 - 1,0 2,0 (900) - 2.300 - 3A 66 - 5,5 2,0 (2400) - 2.300 - 3B 66 - 1,0 2,0 (2400) - - - 4A 66 - 5,5 2,0 10.000 - - - 4B 66 - 1,0 2,0 10.000 - - - 5A 66 - 5,5 2,0 30.000 - - - 5B 66 - 1,0 2,0 30.000 - - - 6A 66 - 5,5 2,0 80.000 - - - 6B 66 - 1,0 2,0 80.000 - - - 7A 66 - 5,5 2,0 300.000 - - - 7B 66 - 1,0 2,0 300.000 - - - 8A 66 - 5,5 2,0 1.000.000 - - - 8B 66 - 1,0 2,0 1.000.000 - - - 9A 66 - 5,5 2,0 (sem limite) - - - - 9B 66 - 1,0 2,0 (sem limite) - - - - C 66 (3) - 0,5 - 2,1, a 26,0 - 0,10 1 - A quantidade de água por destilação, mais a do sedimento por extração, não deverá exceder 2,0% (percentagem em vol.). Uma dedução na quantidade deverá ser feita para toda a água e sedimento em excesso de 1,0%. 2 - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa. 3 - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa, diminuído de 6o C. O teor de enxôfre é umas característica importantíssima para especificação e utilização de óleos combustíveis. Como explicado, o enxôfre ocasiona a formação de SO2 e SO3, o qual em reação com a água dos produtos de combustão dever formar ácido sulfúrico. A formação e condensação de ácido sulfúrico depende do teor de SO2 ,e consequentemente do teor de enxôfre no óleo, e da pressão parcial do vapor de água nos gases de combustão. Um gráfico típico do ponto de orvalho deo ácido em função do teor de enxôfre no óleo é apresentado na figura 3. Nem sempre está disponível dados sobre a análise elementar dos óleos combustíveis, e mesmo o poder calorífico. No caso em que não existe uma análise laboratorial, os gráficos das figuras 4, 5 e 6 auxiliam no estabelecimento da composição química elementar, fornecendo dados estimativos a partir de propriedades facilmente mensuráveis, como a densidade. O teor de enxôfre, por ser de importância fundamental na especificação dos óleos, normalmente é fornecido. Os gráficos e tabelas fornecem dados com exatidão suficiente para os cálculos de combustão industrial.
  • 32. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 28 Tabela 3. Análise de óleo combustível tipo 1 B. MÉDIA TRIMESTRAL ENSAIOS RESOLUÇÃO CNP 1º 2º 3º 4º OBS. Água e sedimentos. % peso 2.0 (max) 0,10 0,10 0,10 0,10 Água por destilação. % volume - 0,1 0,1 0,1 0,1 Densidade relativa. 20/4 C - 1,0122 0,9932 0,0100 1,0035 Enxofre. % peso 5,5 (max) 0,96 0,75 0,7 max) 0,78 Ponto de fluidez superior. C - 6 6 3 9 Ponto de fulgor. C 66 (min) 76 74 68 66 Viscosidade SSF a 50 C 600 (max) 600 600 600 600 cSt a 60 C 620 (max) - - - - Poder calorífico inferior. kcal/kg - 9880 9880 9880 9880 Poder calorífico superior. kcal/kg - 10470 10470 10470 10470 *Dados obtidos por extrap. Ensaio a 65 C Figura 4. Relação entre peso específico do óleo combustível e seu teor de hidrogênio.
  • 33. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 29 Figura 4. Relação entre peso específico do óleo combustível e seu teor de hidrogênio. Tabela 4. Análises típicas de derivados de petróleo. ANÁLISES TÍPICAS Querosene Diesel OC-4 BPF BTE E F Densidade 20/4o C 0,801 0,829 0,892 0,978 0,946 0,998 0,958 Ponto de Fulgor, o C 41 - 80 90 88 95 97 Viscosidade CIN 20o C, cSt 2,0 2,99 - - - - - Viscosidade SSU 100o F 32 36 39,4 15420 15230 23060 22000 Viscosidade SSF 122o F - - - 520 502 790 775 Viscosidade SSF a 65o C - - - 173 170 280 278 Ponto de Névoa, o C - 2 - - - - - Ponto de Fluidez, o C - - 0 12 14 12 12,5 Índice de Cetano - 56 - - - - - Enxofre % Peso 0,06 0,92 1,5 4,0 0,85 4,1 0,76 Poder Calorífico Superior 46420 kJ/kg 110940 kcal/kg 45832 kJ/kg 10954 kcal/kg 44857 kJ/kg 10721 kcal/kg 43270 kJ/kg 10327 kcal/kg 43501 kJ/kg 10397 kcal/kg 43103 kJ/kg 10397 kcal/kg 43865 kJ/kg 10484 kcal/kg Poder Calorífico Inferior 43406 kJ/kg 10374 kcal/kg 42944 kJ/kg 10263 kcal/kg 40867 kJ/kg 9.976 kcal/kg 41186 kJ/kg 9844 kcal/kg 40935 kJ/kg 9784 kcal/kg 40935 kJ/kg 9784 kcal/kg 41388 kJ/kg 9892 kcal/kg
  • 34. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 30 Figura 5. Relação entre Poder Calorífico, densidade relativa, teor de enxofre e carbono/hidrogênio para óleos combustíveis. Figura 6. Relação entre a densidade de um óleo combustível à temperatura T e sua densidade à 15 ºC.
  • 35. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 31 Outros derivados, além dos óleos combustiveis, apresentam, aplicações específicas e algumas propriedades típicas estão disponíveis na tabela 4, e do álcool combustível na tabela 5. Tabela 5. Características Técnicas do Álcool Etílico No quadro apresentam-se as características do álcool etílico hidratado e anidro, comparando-o com a gasolina e álcool metílico. Propriedade Gasolina Etanol Anidro Etanol Hidratado Metanol Anidro Fórmula química (CH)x C2H5OH C2H5OH 19H2O CH3OH Peso molecular 144 46 - 32 Densidade a 20o C 0,73 0,79 0,81 0,79 Relação estequiométrica ar / combustível 15,2/1 9,0/1 8,3/1 6,45/1 % Carbono em peso 84,0 52,0 - 37,5 % Hidrogênio em peso 16,0 13,0 - 12,5 % Oxigênio em peso - 35 - 50 Início temp. Ebulição o C 40,0 78,3 78,2 65 Término temp. de ebulição o C 250 78,3 78,2 65 Calor latente de vaporizacão kcal/kg 90 216 237 270 Temp. de auto-ignição o C 367 550 580 570 Poder calorífico inferior kcal/kg 10 500 6 400 5 952 4 600 Calor de combustão da mistura quimicamente correta kcal/litro 0,860 0,815 0,815 0,760 Índice de octano método Research 73 106 110 110 Índice de octano método motor 73 89 92 90 Índice de octano calculado 73 158 162 160 Fator de acréscimo do número de moléculas durante a combustão 1,055 1,063 1,077 1,061 Efeito de superalimentação 1,68% 7% 9% 14% Graus GL (%Volume) - 99,5 95 99,5 Graus INPM (%peso) - 99,2 93,5 99,2 (extraído de “Os Motores de Combustão Interna” - Paulo Penido Filho, lemi, Belo Horizonte 1983).
  • 36. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 32 2.2 - COMBUSTÍVEIS GASOSOS Os combustíveis gasosos tem aumentado sua aplicabilidade na industria nacional, respondendo a demanda por fontes de energia mais limpas e eficientes. A limitação de seu crescimento está na disponibilidade e distância dos centros consumidores pela sua maior dificuldade de transportes. Gás Liquefeito de Petróleo é importante combustível, tanto de aplicação industrial como doméstica. Gás Natural tem sido explorado recentemente, porém, deve ser transportado por gasodutos, o que dificulta sua maior utilização, dada a necessidade de investimento em infraestrutura. Outros gases, tais como, os gases manufaturados de nafta são produzidos e distribuidos localmente por rede de tubulações, além de gases residuais de refinaria, que tem aproveitamneto restrito as proximidades desta. Propriedade de combustíveis gasosos: Algumas propriedades importantes necessitam ser conhecidas para os combustíveis gasosos. A composição química pode ser fácilmente determinada através da análise laboratorial, em cromatógrafos químicos. O poder calorífico é normalmente dado em termos de energia/volume, relativa a determinada condição de Temperatura e Pressão. Em alguns casos pode ser fornecido em termos de energia/massa. Densidade relativa: é a densidade do gás relativa ao ar nas mesmas condições de temperatura e pressão. Número de Wobbe: é uma relação entre poder calorífico e densidade relativa dada pela equação: W PCi dr = A importância do número de Wobbe está ligada a intercambiabilidade de gases para uma mesma aplicação ou queimador. Observe que a relação de Poder Calorífico e a raiz quadrada da densidade relativa tem a ver com a quantidade de energia (por volume) que é possível passar por determinado orifîcio com a queda de pressão correspondetne. Em outras palavras, no que se refere a potencia de um dado queimador, gases com o mesmo número de Wobbe vão apresentar o mesmo desempenho energético. Velocidade de chama: é a velocidade de uma frente de chama de uma mistura ar/combustível, efetuada sob determinas condições. O conhecimento de parâmetros de velocidade de chama é útil também para a intercambiabilidade dos gases, no sentido de se garantir a estabilidade de combustão em queimadores. Dois fenômenos podem ocorrer em queimadores de gás: - o descolamento da chama, quando a velocidade da mistura não queimada é maior que a velocidade de chama, e
  • 37. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 33 - o retôrno de chama, quando a velocidade de chama é maior que a velocidade da mistura ar/combustível. Ambos podem trazer consequencias desastrosas aos equipamentos e um queimador de gás deve ser projetado para determinadas faixas de velocidades de chama para se garantir a estabilidade. Diversos métodos existem para a medição de velocidade de chama, porém nenhum destes reproduz com exatidão uma situação operacional. A velocidade de chama varia com a temperatura da mistura, a relação ar/combustível e com o padrão de fluxo, se laminar ou turbulento. As medidas de velocidade de chama em laboratório são feitas quase sempre nos regimes laminares, mas a maioria dos equipamentos industrias operam com combustão turbulenta . De qualquer maneira, o conhecimento da velocidade de chama em laboratório dá uma medida qualitativa do combustível. A fim de se utilizar este conceito o índice de Weaver, dá uma medida da velocidade de chama em relação ao hidrogênio, adotado como gás padrão. O índice de Weaver é definido como: S V V gas H = 2 Uma mistura de gases tem seu índice de Weaver calculada da seguinte forma: S aF bF iF A z Q a b i = + + + + − + L 5 18 8 1, onde: Fi : coeficiente de velocidade chama a,b,...i: frações molares dos constituintes A : relação ar/combustível volumétrica e estequiométrica da mistura z : fração molar dos inertes no combustível Q : fração molar do oxigênio no combustível A tabela abaixo apresenta o coeficiente para alguns gases: Gás F H2 338 CO 61 CH4 148 C2H6 301 C3H8 398 C4H10 513 C2H4 454 C8H6 674
  • 38. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 34 Gás Liquefeito de Petróleo A aplicação industrial de GLP tem sido feita em processos em que a limpeza é fundamental, tais como em fornos alimentícios, matalurgia e cerâmica fina. O GLP é uma mistura de frações leves de petróleo na faixa de 3 e 4 carbonos na cadeia. Para efeitos práticos de combustão pode ser considerado como uma mistura em partes iguais de propano e butano. Um resultado médio de diversas análises é dado na tabela a seguir: composição em massa % etano 1,0 propano 30,6 propeno 20,7 butano 32,9 buteno 14,7 PCS (kcal/Nm3) 22600 PCI (kcal/Nm3) 21050 densidade (kg/Nm3) 2060 massa molecular média 48,79 Gás Natural A exploração do gás natural pode ser feita através da produção do " gás associado" a um poço de petróleo, com frações de gás leves que justifiquem seu aproveitamento, ou em bacias produtoras de gás natural. Sempre há produção de gases associados a exploração do petróleo. Quando a produção de gás é pequena, ou o centro consumidor está muito distante, o gás é queimado localmente em chamas abertas na atmosfera (flare). Gás natural é basicamente metano, com algumas parcelas leves de etano e propano. Sua composição pode variar de local a local. Algumas composições de gás natural em diversas bacias mundiais são apresentados na tabela 6. Gases manufaturados Gases são fabricados a partir de diversos combustíveis como carvão mineral, nafta e lenha. A composição varia principalmente em relação ao processo de fabricação e síntese e em relação a matéria prima. As tabelas 7, 8 e 9, a seguir, apresentam alguns dados sobre gases manufaturados de carvão, lenha e nafta petroquímica.
  • 39. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 35 Tabela 6. Gás Natural Componentes % volume Localidade Campo M E Pr B Pe Hx CO2 O2 N2 PCS MJ/Nm3 (seco) Densid ade Argentina Comodoro Rivadávia 95 4 - - - - - - 1 38,50 0,576 Canadá (Alberto) Turner Vallei 87,02 9,15 2,78 0,35 - - 0,24 - 0,45 41,89 0,635 Chile (Terra do Sol) Charnasci lla 90,03 5,00 2,13 1,05 0,48 0,31 - - - 45,05 0,647 Arábia Saldita Air Dar 27,80 26,10 18,40 8,20 2,60 1,70 9,80 - H2S 5,20 63,87 0,755 Rússia Suretou 93,20 0,70 0,60 0,60 0,50 - - - 4,40 39,62 0,605 Venezuela Santa Rosa 76,70 9,79 6,69 3,26 0,94 0,72 1,90 - - 48,62 0,768 Venezuela La Pica 90,20 6,40 - - - - 0,10 0,30 3,00 39,62 0,601 Observação: M = Metano E = Etano Pr = Propano B = Butano Pe = Pentano Hx = Hexano
  • 40. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 36 Tabela 7 - Gases manufaturados de carvão. gás de baixa temperatu ra gás de retorta horizonta l gás de retorta cont. vert. gás de retorta cont. vert. com vapor gás de forno de carvão coque Composição, % vol. O2 0,5 0,4 0,4 0,4 0,4 CO2 4 2 3 4 2 C4H10 5,5 3,5 3 2 2,6 CO 4 8 9 18 7,4 H2 30 52 53,6 49,4 54 CH2 52 30 25 20 28 N2 4 4 6 6,2 5,6 Composição assumida CnHm C4H8 C2,5H5 C2,5H5 C1H5 C2,5H2 CH4 C1,25 CH4 CH4 CH4 CH4 Densidade relativa ao ar 0,62 0,40 0,43 0,48 0,38 Ar teórico, vol/vol 8,235 4,904 4,708 4,060 4,572 Gases produtos teóricos CO2 vol/vol 0,950 0,490 0,490 0,500 0,439 H2O vol/vol 1,690 1,210 1,156 0,974 1,165 N2 vol/vol 6,545 3,917 3,779 3,269 3,667 Total úmido 9,185 5,617 5,425 4,743 5,271 Total seco 7,495 4,407 4,269 3,769 4,106 Gases produtos teóricos % volume CO2 10,3 8,7 9,0 10,5 8,3 H2O 18,4 21,5 21,3 20,3 21,1 N2 71,3 69,8 69,7 69,0 69,6 Ponto de orvalho, o C dos gases de exaustão 59 62 62 61 63 Poder calorífico superior BTU/ft3 889,0 559,8 540,0 471,1 525,1 inferior BTU/ft3 804,5 499,3 482,2 420,2 466,9 30 in Hg 60o F saturado
  • 41. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 37 Tabela 8 -Composição típica de gás de lenha com umidade de 15 a 22%. composição % volume CO H2 CH4 H2O CO2 N2 18 15 1 12 10 44 PCI (kcal/Nm3) ~1000 Tabela 9 -Composição típica de gás de lenha com umidade de 15 a 22%. composição % volume CO H2 CH4 H2O CO2 N2 18 15 1 12 10 44 PCI (kcal/Nm3) ~1000 2.3 - COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS Os principais combustíveis sólidos são a lenha e o carvão mineral. Este tem importância grande na produção de energia térmica e elétrica na Europa, mas no Brasil está restrito a região Sul, proximos aos centros produtores. A lenha tem grande importância no Brasil, dada ao seu potencial de utilização. Algumas propriedades devem ser conhecidas nos combustíveis sólidos: Análise imediata: São determinados alguns parâmetros relacionado com a utilização do combustível: - Carbono fixo - Material volátil - Cinzas - Umidade - Enxôfre total
  • 42. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 38 A matéria volátil é a parte do combustível que se separa em forma gasosa durante o aquecimento do mesmo. É composto de hidrocarbonetos eventualmente presentes na estrutura sólida e outros gases, que são formados num processo de pirólise, tais como o hidrogênio, monóxido de carbono e metano. O teor de voláteis tem influência no comprimento de chama, no acendimento e no volume necessário da fornalha. O carbono fixo é o resíduo combustível deixado após a liberação do material volátil. Compões-se principalmente de carbono, embora possa conter outros elementos não liberados durante a volatilização. As cinzas englobam, todos os minerais incombustíveis e é composta basicamente de óxidos, tais como a alumina, óxido de cálcio, óxido de magnésio, etc. A umidade presente no combustível sólido é importante para determinação de seu poder calorífico inferior. Carvão Mineral O carvão mineral brasileiro é utilizado principalmente na produção de energia termoelétrica e na indústria cimenteira. Devido ao seu alto teor de cinzas e enxôfre, não é muito utilizado industrialmente, a não ser nas localidades próximas a minas produtoras. As principais propriedades de carvões brasileiros são apresentados na tabela 10. Tabela 10. Propriedades dos carvões nacionais. Procedência C % S % H2 % N2 % O2 % Cinzas % Umidade % Mat. Volátei s % PCS kcal/k g Butiá 42,88 1,35 - - - 13,59 11,51 32,02 - Jacuí 49,82 0,85 - - - 21,18 9,58 19,42 - Tubarão 40,79 1,10 - - - 28,21 1,90 29,10 - Crisciuma 46,90 1,63 - - - 23,64 1,50 27,96 - RGS 46,0 12,99 4,05 0,29 9,27 27,4 11 - 4750 Paraná 56,6 2,0 3,11 0,80 17,73 25,76 15 - 6340 Sta. Catarina 51,8 3,6 3,34 0,52 7,58 33,09 10 - 6310 Cabo Frio (a) 20,5 - - - - - 15,8 42,0 2895 Cabo Frio (b) 17,6 - - - - - 13,2 49,5 3470 Rezende 12,6 - - - - - 12,0 33,2 2520 Obs.: Os quadros em branco representam propriedades não avaliadas.
  • 43. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 39 Lenha É um combustível amplamente utilizado no Brasil, tanto em aplicações domésticas como em aplicações industriais para geração de vapor, principalmente em pequenas unidades produtoras. É caracterizada por baixo teor de cinzas, ausencia total de enxôfre e umidade variável, a qual depende do tempo e método de aramzenagem. A lenha quando cortada possui por volta de 50% de umidade. Estocada ao ar livre, em toras empilhadas, atinge a umidade de equilíbrio dentro de 3 a 6 meses, a qual, dependendo da umidade relativa do ar é por volta de 15 a 25%. A análise elementar da lenha varia pouco com o tipo de árvore, e isto é uma regra geral para todo material celulósico. Algumas propriedade são apresentadas nas tabelas a seguir. O poder calorífico inferior vai depender muito do teor de umidade. A variação do PCS quanto ao tipo de madeira também não é muito grande. Composição média da lenha sêca: Elemento C H O N cinzas % massa 50,2 6,1 43,4 0,2 0,2 Poder Calorífico Superior: 4.400 kcal/kg % água 50 35 10 PCI (kcal/kg) 1990 2770 4070 Bagaço de cana O bagaço da cana-de-açucar é o combustível das usinas de açucar e alcool e utilizado localmente, logo após a moagem da cana. As modernas usinas não consomem todo o bagaço produzido e o excedente pode ser fornecido a terceiros, "in natura" ou sêco e enfardado. O bagaço é queimado diretamente com 50% de umidade, como vem da colheita. A composição elementar é muito semelhante a lenha e suas propriedades podem ser tomadas como similares, exceto é claro, quanto a sua forma física. Outros combustíveis sólidos vegetais, geralmente resíduos de produção agro-industriais são utilizados ocasionalmente, e lista de alguns com propriedades típicas é apresentado na tabela 11.
  • 44. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 40 Tabela 11. Propriedades de diversos combustíveis sólidos vegetais. Composição elementar média para cálculos. biomassa Componente % base seca (b.s.) Cinzas C H O N S Cl casca de arroz 41,0 4,3 35,9 0,5 18,3 borra de café 57,9 7,1 29,9 2,4 2,7 bagaço de cana 44,8 5,4 39,5 0,4 0,1 9,8 serragem 48,9 5,8 43,3 0,3 0,1 1,6 . Análise imediata, base seca. Biomassa %Voláteis %Cinzas %C fixo Bagaço 73,8 11,3 15,0 de cana 82,0 3,0 15,0 Casca 65,5 17,9 16,7 de arroz 69,3 13,4 17,3 Serragem 81,6 1,1 17,3 Análise elementar. Biomassa % C % O % H % N % S % Cl % Res. obs. Casca 41,0 35,9 4,3 0,4 0,0 0,1 18,3 de 38,5 39,8 5,7 0,5 0,0 15,5 base seca arroz 39,3 37,1 4,9 0,5 0,1 0,2 18,0 Borra de 59,5 30,7 7,3 2,5 base seca café 56,2 34,1 7,1 2,4 0,2 sem cinzas Bagaço cana 44,8 39,6 5,3 0,4 0,1 9,8 base seca Serragem 48,3 45,1 5,9 0,2 0,1 0,4 base seca . Poder calorífico (MJ/Kg, base seca). Biomassa PCS PCI desvio Casca 16,1 15,3 de 15,7 arroz 15,6 13,0 0,2 Bagaço 17,3 16,2 de 19,1 17,9 cana 16,7 14,4 0,3 Borra 26,9 25,2 de 24,3 café 21,8 19,1 0,5 Serragem 18,0 14,3 0,7 (*) Análise feita no Laboratório de Combustíveis do DETF - FEM - UNICAMP. Análise imediata (*). Biomassa Carbono fixo % b.s. voláteis % b.s. cinzas % b.s. umidade % b.u Casca de arroz 12,0 72,2 15,8 10,0 Bagaço de cana 9,2 86,4 4,4 6,4 Borra de café 13,9 83,5 2,6 5,7 Serragem 15,2 84,2 0,6 12,9 (*) Análise feita no Laboratório de Combustíveis do DETF - FEM - UNICAMP.
  • 45. EXERCICIOS CAP. 2 Uma caldeira está operando com óleo combustível com 1% de enxôfre e tem temperatura de saída média dos gases de 180 ºC. Ao se analisar a possibilidade de se utilizar óleo com 5% de enxôfre, de custo menor, enumere os possiveis problemas que poderiam surgir. Caldeira queimando óleo combustivel com 1,0% de enxôfre tem temperatura de saída dos produtos de combustão da ordem de 155 ºC. Supondo que seja ofertado um óleo de menor custo, com 4% de enxôfre, qual (ou quais) possíveis fatores que poderiam inviabilizar econômicamente a troca pelo combustível mais barato? Calcular o Poder Calorífico Inferior de uma mistura 65% óleo/ 35% carvão, com as seguintes características: óleo combustível: densidade relativa 0,95 2,5% enxôfre carvão mineral: jazidas de RGS* Para diminuir a viscosidade de óleos residuais, está sendo testado uma emulsão de água + óleo, com 25% de água em massa. Determine o poder calorífico inferior desta mistura. Óleo, PCS= 9.800 kcal/kg, 10% H em massa. Determine o Poder Calorífico Inferior (base úmida) de bagaço de cana com 46% de umidade (b.u.). Dados: Bagaço PCS (b.s.)= 4400 kcal/kg Bagaço PCI (b.s.) = 4090 kcal/kg Determine a composição dos produtos de combustão (base seca) para queima de óleo combustível com 2,5% de enxofre e densidade relativa 0,97, utilizando-se 35% de excesso de ar. Calcule o PCI de uma emulsão de óleo vegetal, com 45% de água (b.u), dados. óleo PCS 9421 kcal/kg PCI 8812 kcal/kg
  • 46. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 41 cap 3 - QUEIMADORES A função do queimador é o de fazer com que o combustível e o oxidante fiquem em contato o tempo suficiente e à temperatura suficiente para ocorrer e completar a reação de combustão. Uma vez que a maioria das reações de combustão acontecem na fase gasosa, o contato eficiente depende de: Tempo, Temperatura e Turbulência. Em geral os queimadores não podem ser considerados isolados do forno pois os arredores obviamente vão ter um efeito sobre a quantidade de calor perdida pela chama, consequentemente sobre a sua temperatura, sobre o tempo em que os gases da chama são mantidos na zona de combustão e, sobre a recirculação do gás. Considere as paredes da câmara de combustão fechada e fria, a chama vai perder calor rapidamente e sua temperatura pode ser tão reduzida que a queima cessa antes que se complete. Isto vai acontecer por exemplo, quando um forno é ligado frio. Outro resultado de uma câmara de combustão fria será o alongamento da chama por causa das reações químicas mais lentas em temperatura reduzida. Do mesmo modo, paredes refratárias quentes vão irradiar o calor de volta para a chama, aumentando sua temperatura e a intensidade de combustão, dando uma chama menor e mais intensa. De maneira semelhante, se o calor é irradiado para a base da chama ele vai reduzir a zona de pré-aquecimento, novamente aumentando a intensidade da combustão. Enquanto que a turbulência inicial pode ser gerada pelo queimador, seu desenvolvimento pode ser alterado pela proximidade das paredes da câmara. Além de fazer uma boa mistura do combustível e do oxidante , a turbulência tem o efeito de fazer com que os gases quentes e os intermediários da combustão retornem para a zona de ignição, com a consequente redução no tempo de ignição. A maneira de introdução do ar secundário também pode afetar a forma, intensidade e estabilidade da chama. Se o ar secundário é adicionado com alta turbulência, isto aumentará a turbulência dando uma chama menor e mais intensa a ignição mais estável. Se o ar secundário é adicionado rápido demais a uma chama que queima devagar, ele pode ter um efeito de esfriamento brusco e portanto o ar secundário é normalmente adicionado em etapas. Do mesmo modo, o ar secundário em excesso pode ter um efeito de esfriamento em qualquer chama. Este efeito pode ser reduzido se usarmos ar secundário quente. A combustão de gás de óleo vaporizado, óleo pulverizado ou sólido pulverizado, pode ser considerada semelhante no aspecto que a combustão ocorre na fase gasosa. A combustão de combustíveis sólidos tanto nos leitos fixos como nos fluidizados depende mais da transferência de massa sólido/gás do que da mistura na fase gasosa.
  • 47. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 42 3.1 - QUEIMADORES DE GASES Os gases podem ser classificados em termos de velocidade da chama e do índice de Wobbe para propósitos de projeto do queimador. O índice de Wobbe é uma medida de energia do gás que passa através de um determinado orifício com uma determinada queda de pressão. Os gases combustíveis são frequentemente divididos em três grupos: Tabela 3.1 - Grupos de índice de Wobbe Grupo Índice de Wobbe (MJ/m3) velocidade de chama A/C (vol) exemplo 1 24,4 - 28,8 alta 3~4 gás de rua 2 48,2 - 53,2 baixa 7~8,5 gás natural 3 72,6 - 87,6 baixa ~25 GLP Além desses gases distribuídos, existem os gases de baixo poder calorífico (gás de gasogênio) que são produzidos e queimados no mesmo local. Estes podem ser produzidos para utilização num processo perto do local de produção, ou serem produtos secundários de outros processos como por exemplo o gás de alto forno ou gás de forno de coque. Os gases de baixo poder calorífico tem uma grande relação de volume/energia para serem economicamente distribuídos. O gás do gasogênio caiu em desuso na década de 50 e nas últimas décadas voltou com um papel maior em alguns países, incluindo o Brasil. Por causa da grande disponibilidade de gás natural, há uma tendência mundial em deslocar-se os gases do grupo 1 para o grupo 2. Devido aos altos índices de Wobbe, a capacidade de um sistema de distribuição em unidades de calor é aumentada através da mudança de gases do grupo 1 para o grupo 2. Onde o gás natural não é disponível há tendência de produzir gases baseados em metano, extraídos do carvão ou do óleo. O metano tem uma razão ar de combustão/volume combustível cerca de duas vezes a do gás de carvão. Assim, o gás vai precisar de uma velocidade maior para arrastar seu ar de combustão do que aquela exigida pelo gás de carvão. No caso de GLP a velocidade de chama é semelhante à do metano, mas o poder calorífico por volume e a razão ar/combustível por volume serão maiores. Tipos de queimadores de gases Podemos classificar os queimadores de gás em 3 tipos básicos, conforme a maneira em que é misturado o ar e o gás combustível: - queimadores de chama de difusão - queimadores com pré-mistura - queimadores com bicos de mistura (ou de mistura direta).
  • 48. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 43 Queimadores com chama de difusão Num queimador de chama de difusão o gás sai do bico para a zona de combustão com velocidade suficiente para arrastar dos arredores seu ar de combustão e dar uma chama da intensidade exigida. Alguns queimadores, especialmente os de pequenos tamanhos, dão uma chama permitindo uma grande área para a difusão do ar, e portanto, uma chama muito intensa. Quando os gases do grupo 2 ou 3 são empregados num queimador de difusão, a tendência é a chama se apagar na saída antes que ela possa arrastar uma quantidade útil de ar. Nêste caso, utiliza-se então estabilizadores de chama na forma de jatos piloto que fornecem calor e espécies ativas para a base da chama, ou na forma de promotores de recirculação que fornecem calor e intermediários de cadeia para a base da chama principal, o que permite que a estabilidade da chama seja mantida com valores úteis de fluxo de gás. As chamas difusoras são usadas em queimadores pequenos porque elas são estáveis, silenciosas, tem boa faixa de controle e não requerem um ajuste de entrada de ar e de gás. Alguns tipos de queimnadores de difusão são mostrados na figura 1. Figura 1. Alguns tipos de queimadores de difusão
  • 49. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 44 Queimadores com pré-mistura ou ventilados O tipo básico do queimador com pré-mistura é representado pelo queimador Bunsen (figura 2), e este é apropriado somente para uso em pequeno tamanho por causa da possibilidade de retorno de chama dentro do tubo em queimadores maiores. A pressão do gás através de um orifício, arrasta o ar para o tubo de mistura. Com a pressão do gás encanado (ou GLP na pressão reduzida), apenas 50% do ar de combustão é arrastado; o restante precisa ser fornecido como ar secundário. Queimadores de barra (figura 3), são queimadores do tipo Bunsen, com orifícios múltiplos. Utilizando cerâmica porosa ou perfurada ou tela na boca do queimador, pode-se realizar a combustão na superfície. Os queimadores com pré-mistura geralmente estão disponíveis em tamanhos pequenos, mas também podem ser usados em grupos e queimadores de barra para caldeiras, fornos de fundição de metal, etc. A aplicação típica de queimadores pré-misturados é em fogões domésticos e industriais. A velocidade da chama de um gás tem considerável efeito sobre o projeto do queimador; com um gás de chama de alta velocidade é fácil produzir-se uma chama estável, mas o retorno de chama pode ser um problema, e em alguns queimadores maiores podem levar a detonações perigosas. Em geral os gases com chama de alta velocidade vão conter alta porcentagem de hidrogênio, por exemplo, gás de rua, de carvão ou de Figura 2. Queimador tipo Bunsen. Figura 3. Queimador de barra com pré mistura
  • 50. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 45 nafta. Gráficos de estabilidade de chama (diagrama fuidge) estão representados na figura 4. Figura 4. Diagrama Fuidge. Com o gás cuja chama é de baixa velocidade, o retorno da chama já não é um problema sério, mas os limites de inflamabilidade (relação ar/combustível) ficam mais próximos e a saída da chama se torna um problema importante. Um gráfico de predição da estabilidade de chama é mostrado na figura 5. Figura 5. Diagrama de predição de chama
  • 51. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 46 Queimadores com bicos de mistura (Nozzle Mix Burners) São aqueles em que o gás e o ar são misturados no ponto em que ocorre a combustão (figura 6). Geralmente estes queimadores são empregados em grandes capacidades à medida em que não há nenhuma possibilidade de retorno de chama. Os queimadores com bicos de mistura podem ser do tipo de registro, onde a combustão ocorre na saída do queimador, ou do tipo de queimadores em túnel onde a combustão ocorre num tubo refratário. Figura 6. Queimador com bico de mistura Queimadores de registro O queimador de registro simples consiste em um injetor de gás rodeado por uma entrada de ar e a combustão ocorre na frente do queimador. Normalmente é necessário um dispositivo de estabilização de chama, como por exemplo, nas pequenas unidades, uma grade estabilizadora. Nas unidades grandes, a turbulência, um obstáculo ou a forma da câmara de combustão podem ser utilizadas para fornecer a estabilização da chama. As posições da entrada de ar e do gás podem ser trocadas (não é comum), ou pode haver entradas múltiplas de gás ou de ar. O queimador de registro tanto de tamanho pequeno como de tamanho grande, pode ser adaptado para queimar dual de óleo e gás (figura 7).
  • 52. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 47 Figura 7. Queimador DUAL óleo e gás. Queimadores em túnel Nos queimadores de tunel a combustão ocorre dentro de um túnel refratário. Este queimador se parece com um queimador de pré-mistura que opera numa condição permanente de retorno de chama. O túnel refratário incandescente minimiza a perda de calor da chama, e portanto, Figura 8. Combinação de injetor e câmara de combustão. intensifica a combustão. São em geral, com a pressão do gás regulado para pressão atmosférica ("Zero Governed") com injetor que controla a relação de ar/combustível e o fluxo de gás é induzido pela pressão do ar (figura8).
  • 53. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 48 A forma do túnel utilizado pode alterar a eficiência da perda de pressão do queimador. As mudanças na contrapressão do forno podem fazer necessário uma pequena pressão positiva de gás. Em geral, o acendimento dos queimadores em túnel é difícil. Um método empregado é o de acender a mistura entre o injetor e o túnel e deixar a chama prosseguir para dentro do túnel onde ela se estabiliza. Queimadores a gás por radiação Podem ser do tipo de chapa radiante, em que o gás/ar pré- misturado sai passando às costas de um ladrilho poroso ou perfurado (figura 9). Os queimadores com cuba radiante em que a chama incide sobre uma telha em forma de cuba, altenativamente, um tubo aquecedor radiante que pode ser simples ou com um sf terminal, pode ser usado para dar um aquecimento indireto. A proporção de calor radiante para o calor convectivo, emitido por um aquecedor radiante direto, raramente é mais do que 15%. O principal emprego dos tubos aquecedores por radiação é quando a contaminação do material com os produtos da combustão não é desejado. Temperaturas até 1500 ºC na superfície são obtidas com tubos de cerâmica. Figura 9. Queimadores típicos de radiação, a gás. SEGURANÇA E CONTROLE DOS QUEIMADORES A GÁS Pode ser visto no diagrama da figura 10 que os gases que contém hidrogênio, apresentam maior risco de ignição, tendo chamas de altas velocidades e maiores limites de inflamabilidade. O diâmetro de esfriamento, diâmetro mínimo do tubo em que uma chama vai atravessar sem se extinguir, mostra uma variação semelhante.
  • 54. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 49 Tabela 1 - Diâmetro de esfriamento de diversos gases com Ar com Oxigênio Metano 1 cm Estes valores Propano 1 cm são aproxima- Butano 1 cm damente a me- Gás de rua 0,5cm tade Hidrogênio 0,4cm É claro que uma chama misturada anteriormente é perfeitamente segura, desde que o diâmetro do tubo de mistura não exceda o diâmetro de esfriamento. Num tubo de diâmetro maior, um aparelho corta chama que consista em diversos tubos de diâmetro pequeno, um grupo de tubos, ou um pacote de metal enrolado, vai impedir a travessia da chama. Mas na medida em que frente de chama avança dentro de um tubo, ela pode acelerar e formar uma onda de denotação que não vai ser parada por um corta chama. Portanto, o corta chama deve estar na boca do tubo de mistura. Figura 10. Diagrama de velocidade de chama adiabática horizontal pré misturada de diversos gases, nas condições normais. Regras de segurança bem óbvias são aplicáveis aos queimadores a gás (e em menor extensão, à maioria dos outros tipos de queimadores). A ignição nunca deve ser feita quando pode haver um volume considerável de mistura combustível na câmara de combustão, causado por:- - Vazamento de gás durante os períodos de inatividade; - Uma tentativa de ignição sem sucesso;
  • 55. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 50 - Perda de combustão. Num queimador novo, ou depois que a manutenção tenha sido feita, as linhas de conexão vão conter ar, portanto, a mudança para o gás pode envolver uma mistura combustível num dado ponto. Todas as linhas deveriam ser purgadas antes do funcionamento, tanto com:- - Um gás inerte - Gás de combustão escapando através de um corta chama ou através de um maçarico de bico menor do que o diâmetro de esfriamento. Ao promover ignição numa câmara de combustão deve ser observado as seguintes operações: 1) Purgue com ar para remover o gás de combustão da câmara; 2) Verifique o funcionamento do sistema de ignição; 3) Ligado o piloto ou o gás principal de baixa porcentagem, verifique a presença da chama; 4) Ligar a chama principal na potência normal. Verifique a presença da chama. Se alguma vez correr o apagamento da chama, o fluxo de gás deve ser interrompido e a câmara de combustão deve ser purgada com ar. Então o ciclo de ignição deve ser recomeçado. Nos queimadores industriais esta sequência de segurança é automática. A presença de chama pode ser detectada por: - sensor de ionização; - célula fotoelétrica (I.R. ou U.V.) QUEIMADORES DE ÓLEO Em geral, os queimadores a óleo são semelhantes aos queimadores a gás, pois são feitos para queimar o óleo na fase de vapor. Isto se aplica para a combustão de gasolina, querosene ou óleo destilado, os quais podem ser vaporizados diretamente do líquido, ou via um pulverizador que produz gotículas que são totalmente vaporizados antes de entrarem na zona de combustão. Para os óleos combustíveis mais pesados a vaporização é lenta e na maioria dos casos deixa um resíduo sólido que na temperatura de combustão deve ser carbono. Dependendo da viscosidade do óleo, a proporção vaporizada será maior ou menor; além disso vai haver o craqueamento que irá produzir um resíduo de carbono, o qual apresenta queima lenta, fazendo que a chama se torne luminosa e de grande emissividade. Para muitos propósitos, especialmente em fornos metalúrgicos, a alta radiação da chama é vantajosa. Quando a transferência térmica convectiva é utilizada, prefere-se em geral uma chama não luminosa. A viscosidade dos óleos mais pesados e de alcatrões combustíveis é tão elevada que eles tem de ser aquecidos até 100 a 200 ºC (dependendo do tipo) antes que possam ser bombeados ou pulverizados. O aquecimento do líquido e temperaturas mais altas que 260 ºC pode causar mudanças na estrutura do combustível com craqueamento e formação de carbono.
  • 56. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 51 QUEIMADORES PULVERIZADORES Os queimadores pulverizadores são disponíveis em tamanhos de cerca de 15 kw para cima. Uma desvantagem dos tamanhos menores é o pequeno tamanho do orifício de controle do fluxo ou jato atomizador que é necessário, com consequente risco de entupimento. Os pulverizadores podem ser divididos em três tipos: - Jato de pressão com fluxo constante ou fluxo variável; - Pulverizador de 2 fluídos para pressão baixa, média e alta. - Copo rotativo; Queimador a jato de pressão O queimador a pulverização mecânica ou jato de pressão produz gotículas de combustível pela passagem do óleo num pequeno orifício. As gotículas são formadas pela alta velocidade do jato de óleo saindo do orifício de encontro a massa de ar ambiente. De modo geral, quanto maior a velocidade relativa entre líq uido e ar, menor deve ser o tamanho médio das gôtas. O pulverizador a jato por pressão é provavelmente o tipo mais usado, sendo que suas desvantagens são as de requerer boa filtragem do combustível nos tamanhos menores e que devido ao fluxo ser proporcional a P1/2 e o tamanho da gotícula a 1/P, ele é inflexível na variação do fluxo se o tamanho da gotícula tiver que ser mantido. Os métodos para se superar isto são: - nas unidades pequenas, controle "liga/desliga", - nas unidades maiores, pode ser usados os jatos múltiplos controlando a taxa de potência, variando-se a quantidade de pulverizadores em uso. Figura 11. Queimador a óleo com atomização mecânica. Existem alguns tipos de pulverizadores a jato de pressão com recirculação de óleo ou com orifício variável que pode dar uma faixa de variação de fluxo maior, sem mudança dos tamanhos das gotas. O uso
  • 57. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 52 destes não é muito comum. Um exemplo de pulverizador a jato de pressão é mostrado na figura 11 Pulverizador de 2 fluídos. Os pulverizadores de 2 fluidos se utilizam de um fluido auxiliar, geralmente ar ou vapor, para provocar a pulverizaçao do óleo. Um jato de fluido auxiliar corta o jato de óleo provocando a quebra das gotículas. Novamente é a velocidade relativa dos fluidos que vai comandar o tamanho das partículas. Os pulverizadores de 2 fluídos não requerem dimensões tão precisas para manterem o desempenho e são menos suscetíveis ao bloqueio do que os pulverizadores a jato de pressão, sendo portanto, mais apropriados para combustíveis de alta viscosidade. Existem três tipos de pulverizadores de 2 fluídos:- - Pressão baixa - O ar é fornecido por um ventilador para pressões < 10 kPa (0,1 atm) . Até 30% do requisito de ar pode ser necessário para a pulverização, o qual pode ser feito em muitos estágios; - Pressão média - Utilizam ar entre 7 e 100 kPa (0,07 a 1 atm). O volume de ar utilizado é da ordem de 5% da quantidade total; - Pressão alta - Pode utilizar ar ou vapor levemente super- aquecido, como fluído pulverizador. Cerca de 2 a 3% da quantidade total necessária é utilizada para a pulverização em pressões acima de 100 kPa (1 atm). As figuras 12 e 13 apresentam dois tipos de pulverizadores a 2 fluidos. Figura 12. Queimador a óleo com pulverização a vapor.
  • 58. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 53 Figura 13. Queimador de pulverização a ar Pulverizador com copo rotativo. Figura 14. Queimador de copo rotativo.
  • 59. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 54 Neste tipo de óleo é introduzido para o centro de um copo que gira rapidamente até 5000 rpm. æ medida que o óleo é arremessado da borda do copo num disco fino, ele é pulverizado pela corrente de ar primário (10% do total), figura 14. PROPORÇÃO DE AR PRIMÁRIO/SECUNDÁRIO Uma pulverização "grossa" pode ser empregada deliberadamente a fim de alongar a chama, embora sempre possa provocar o aumento da emissão de material particulado. A presença de gotículas maiores também vai aumentar a proporção de craqueamento antes da vaporização e daí aumentar a radiação da chama. Um queimador para um forno de cimento é um exemplo onde a pulverização "grossa" é empregada. Se for necessário usar um alto grau de pré-aquecimento do ar, este precisa ser feito principalmente através do ar secundário, pois a alta temperatura do ar primário pode causar craqueamento do óleo. Portanto, se utilizamos pré-aquecimento do ar de combustão, o pulverizador com jato por pressão e o pulverizador de dois fluídos com alta pressão, apresentam a vantagem de que todo ou quase todo ar é fornecido como ar secundário e portanto, pode ser usado para fornecer o pré-aquecimento, quando necessário. ESTABILIZAÇÃO DA CHAMA A chama é estabilizada pelo fornecimento de calor e intermediários das reações da combustão para a zona de ignição. O calor pode ser fornecido pela radiação de um cone de refratário quente ou como é mais frequente, junto com a recirculação dos gases quentes da combustão, quando voltam para a base da chama. A recirculação é em geral interna. Em escala industrial, em geral, a recirculação interna é feita por uma turbulência rotacional no ar secundário ou pela utilização de um obstáculo, que pode ser o injetor de óleo. Geralmente, quanto maior a quantidade de recirculação rotacional, maior será a estabilidade da chama e menor e mais intensa a chama. Uma turbulência relativamente alta e pulverização "grossa", produzirão uma chama comprida e bem estável. Queimadores de pequeno porte podem utilizar um obstáculo como estabilizador de chama que atua tanto como "bluff body" como promotor de turbulência rotacional. A quantidade de ar para combustão estequiométrica de óleo reside na faixa de 13-15 kg de ar por quilo de óleo. Num forno industrial otimizado é possível manter-se a exigência de ar excedente abaixo de 20%, e nas instalações grandes tal como nas caldeiras de uma termoelétrica, pode ser possível reduzir-se o excesso de ar para baixo de 5%, e assim reduz-se a formação de SOx. A formação de fumaça nos queimadores a óleo, pode ser sinal de: - insuficiencia de ar para a combustão, a qual pode ser absoluta ou local, devido a uma mistura inadequada;