Controle de combustão

1. A combustão é a forma mais empregada na
indústria para produção de calor, vapor e energia,
através da queima de combustíveis fósseis ou
renováveis em fornos, caldeiras ou aquecedores.
Desta forma, grande parte dos custos de uma
indústria está relacionada com a aquisição de
combustível, geração de calor, operação e
manutenção de todo o sistema. Por isso, a
eficiência energética destes equipamentos é
importante, porque além do impacto econômico há
também o ambiental.
A necessidade de processos de combustão afinados
e eficientes são importantes para manutenção de
maiores rendimentos térmicos dos equipamentos.
A combustão eficiente compreende o melhor
aproveitamento da energia contida no combustível,
onde a queima possa ser mais econômica e com
baixas emissões de poluentes para a atmosfera.
Combustíveis mais utilizados na indústrian(PCI):
Bagaço de cana (50% umidade) - 1.695 kcal/kg
Lenha (eucalipto 40% umidade) - 2.600 kcal/kg
Serragem (20% umidade) - 3.500 kcal/kg
Óleos pesados (BPF) - 9.400 a 9.650 kcal/kg
Óleo de xisto - 9.700 kcal/kg
Coque verde de petróleo – 8.200 kcal/kg
Gás natural (Gasbol) - 8.650 kcal/m³
GLP (médio) - 11.025 kcal/kg
Fatores que afetam a eficiência
A eficiência da combustão está diretamente
relacionada a diversos fatores, mas certamente
as perdas de energia ocorridas durante todo o
processo representam os elementos mais
importantes.
A relação da eficiência com as perdas costuma
envolver uma enorme dinâmica de parâmetros,
que devem ser avaliados detalhadamente. Entre
as perdas mais comuns que afetam a eficiência
da combustão podemos citar:
. Perdas de calor pela chaminé, associadas à
queima incompleta do combustível, ao desajuste
da relação ar/combustível, a falta ou excesso de
ar na combustão ou altas temperaturas;
. Perdas devido à qualidade do combustível;
. Entradas de ar falso por portas e frestas;
. Deficiência do aparelho de combustão;
A eficiência energética térmica do equipamento
está relacionada com o aproveitamento da
energia liberada da combustão e pode estar
limitada à:
. Perdas por radiação e convecção pelas paredes
ou mobília do forno;
. Perdas por descargas de fundo em caldeiras;
. Perdas por baixa troca de calor devido à
superfícies sujas, incrustadas;
. Perdas devido à deficiências no equipamento de
queima relacionadas ao dimensionamento e
projeto;
Como aumentar a eficiência da
combustão?
A eficiência da combustão depende de fatores
relacionados tanto a natureza do combustível
utilizado, quanto das condições operacionais.
Aumentar a eficiência de combustão , passará
necessariamente pela otimização de todos os
fatores já relatados e o conhecimento das variáveis
do processo.
A eficiência energética leva em consideração
apenas duas variáveis: o quanto entra de
combustível e o quanto sai de energia pela
chaminé. O entendimento acerca dessas variáveis
é de fundamental importância para obter-se o
máximo de benefícios que esta técnica pode
proporcionar.
A simples observação da chama ou da fumaça no
topo da chaminé, não revela o que se perde de
combustível.
Assim a eficiência, em qualquer área necessita
obrigatoriamente de dois itens:
equipamentos adequados e pessoal qualificado.
1
Informativo Técnico
Infotec 026
Por que a eficiência energética em processos
de combustão é tão importante?

2. Como se processa a combustão?
Reações de combustão são reações químicas que
envolvem a oxidação completa de um
combustível.
Combustível + comburente (ar) calor gases de combustão
Os principais elementos químicos que constituem
um combustível são o carbono, hidrogênio e
alguns casos o enxofre. Estes elementos reagem
com oxigênio, e na sua forma pura apresentam a
seguinte liberação de calor, segundo as reações:
C + O2  CO2 + calor de reação
H2 + ½ O2  H2O + calor de reação
S + O2  SO2 + calor de reação
O conhecimento das necessidades de ar para
combustão, bem como da composição e volume
dos produtos de combustão é fundamental para o
projeto e controle de equipamentos de
combustão. A estequiometria química nos
fornece os principais dados necessários aos
cálculos de combustão:
Elemento Peso Atômico
Carbono 12
Hidrogênio 1
Oxigênio 16
Nitrogênio 14
Enxofre 32
Composição do ar atmosférico
Elemento Em massa Em volume
Oxigênio 23,2% 21%
Nitrogênio 76,8% 79%
Relação molar O2/N2 3,76
Ar : ponto chave para melhorar o
consumo
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,
gera perdas excessivas de calor através do gás de
combustão. Na prática, a fim de se garantir
combustão completa, é utilizado um pouco mais
do que a quantidade teórica necessária, o que
chamamos de excesso de ar.
Por exemplo, se um combustível for queimado
com 20% de excesso de ar, então a proporção de
trabalho de ar/combustível é 1,20 vezes a
proporção estequiométrica. O ar em excesso,
então, não participa diretamente da combustão, e
sai do processo junto com os produtos da
combustão.
Os teores de CO2 e O2 são as medidas mais usadas
para determinação do excesso de ar através da
análise dos gases de combustão. Desde que a
composição elementar da maioria dos
combustíveis industriais não varie
consideravelmente, é possível construir um
gráfico que relaciona o excesso de ar com o teor
de CO2 ou O2 nos produtos de combustão.
A queima de um combustível utilizando-se
somente a quantidade necessária de ar,
teoricamente não deve gerar CO nem liberar O2
nos produtos da combustão, pois todo o carbono
passou para CO2. Diz-se então que o CO2 é o
estequiométrico quando o excesso de ar for igual
a zero (λ = 1). A medida que o excesso de ar vai
aumentando, o CO2 é diluído na mistura e o O2 é
crescente. O CO pode ser formado devido à
insuficiência de ar para combustão completa.
Na maioria de reações de combustão reais,
sempre aparecem produtos de combustão
completa e incompleta.
O excesso de ar ideal vai depender do estado
físico do combustível e da forma como que é
misturado com o ar, na literatura encontramos:
Combustível Excesso de ar
Gases 10%
Líquidos 20%
Sólidos 50% ou mais
2

3. Como medimos as perdas na
combustão?
O principal objetivo da queima de um
combustível é o aproveitamento de energia,
geralmente feito com a geração de vapor de água
ou o aquecimento de algum material ou produto.
Seja qual for o processo, a energia introduzida ao
sistema na forma do poder calorífico do
combustível é transformado em calor útil e
perdas de calor conforme a equação:
Qu= E1 -  perdas
Onde :
Qu: energia útil produzida
E1: energia total que entra
 perdas: soma de todas as perdas de calor e
energia na operação do sistema.
Definindo o rendimento térmico de
equipamentos como a relação entre a energia útil
produzida e a energia consumida, temos que:
η = E1 -  perdas = 1 -  perdas
E1 E1
É óbvio que a diminuição das perdas aumenta o
aproveitamento da energia do combustível. A
principal perda de calor em equipamentos de
combustão está contida no calor arrastado pelos
produtos de combustão e dispersados na
atmosfera. Devido ao fato que, na prática, a perda
de calor por entalpia dos produtos de combustão
é normalmente a mais preponderante, o controle
desta perda mostra-se extremamente útil.
Aplicando-se um balanço genérico de massa e
energia num equipamento de combustão, a
porcentagem de perda de calor pelos produtos de
combustão pode ser calculada através da
equação:
P= [1+(A/C) esteq  Cp (Tg –Tar)
PC
Onde:
P = percentagem de perdas de calor pelos
gases de combustão
(A/C)esteq = relação Ar/Combustível
estequiométrica do combustível
 = coeficiente de excesso de ar
Cp = calor especifico médio dos gases de
combustão (1050 J/kg ºC)
Tg = temperatura de saída dos gases combustão
Tar = temperatura do ar
PC = poder calorífico do combustível
Através do exame da equação, conclui-se que
duas variáveis importantes tem influência na
perda de calor pelos gases de combustão:
 A temperatura de saída dos gases
 O coeficiente de excesso de ar
Para minimizar as perdas, a menor temperatura
de saída é desejável, com o objetivo de melhor
aproveitamento do calor sensível contido nos
gases. A temperatura de saída nem sempre é
possível de ser controlada, já que dependendo do
aumento da troca de calor dos gases com o fluído
de trabalho ou material a ser aquecido, implica
normalmente em aumento da área de troca de
calor, que é um parâmetro original do projeto e
construção de equipamentos.
O aumento da área de troca pode ser feito através
da adição de recuperadores de calor, pré-
aquecendo o ar de combustão ou a água de
alimentação de caldeiras.
A limitação na redução de temperatura de saída
dos gases está na temperatura de processo, já que
há sempre a necessidade de um diferencial de
temperatura para haver transmissão de calor, e
na temperatura de orvalho dos produtos de
combustão quando se trata de combustíveis com
enxofre.
A outra variável é o excesso de ar, que deve ser
mínimo até o limite onde possa ocorrer
combustão incompleta. Isto normalmente pode
ser obtido através da regulagem do queimador
com o menor excesso de ar possível,
identificando pela análise dos produtos de
combustão, o teor de CO2 ou O2 para o controle
de excesso de ar e CO ou HC totais para
determinação de combustão completa.
Na prática, o ajuste do excesso de ar pode gerar
economias de 5 a 20 % de combustível.
O controle da relação ar/combustível é essencial
para uma combustão econômica.
3

4. Analisar os gases da combustão é
fundamental para economizar
A busca pela eficiência do consumo de
combustível em caldeiras/fornos tem relação
direta com a medição dos gases presentes na
queima. Assim, é imprescindível que sejam feitas
constantes medições dos teores dos gases
durante o processo de combustão.
Principais gases a serem medidos:
. O2 (oxigênio)
. CO2 (dióxido de carbono),
. CO (monóxido de carbono)
Vale lembrar que o monitoramento preciso da
concentração de O2 e de CO na saída da chaminé é
fator decisivo para o controle do excesso de ar
durante o processo de combustão.
A medição dos gases nos informa:
. Se a queima está completa ou não;
. Se o calor desprendido na fornalha está sendo
bem aproveitado;
. Se há altos níveis de poluição;
. Se o volume de ar é ideal.
Além da medição destes gases, o controle da
fuligem, em queimadores a óleo, temperatura dos
gases, pressão de fornalha e de tiragem,
representam também importantes medidas a
serem controladas.
Conheça o rendimento de seus equipamentos e
saiba quanto poderá economizar.
FALE CONOSCO
Infotec nº 026
Valores de referência para ajuste de sistemas de queima*
Combustível %CO2
máx.
CO ppm Índice
de
fuligem
Excesso
de ar
Óleos pesados 15,8 < 50 3 15 a 35%
Gás natural 12,0 < 30 0 10 a 30%
GLP 13,8 < 30 0 15 a 35%
Lenha (40% umid) 20,1 < 1.000 3 55 a 105%
Cavaco (35% umid) 20,1 < 500 3 40 a 80%
Bagaço de cana (50% umid) 19,8 < 500 3 25 a 40%
Obs.: (*) Valores mais indicados para processos de geração de calor por combustão
externa, onde os produtos da combustão não entram em contato direto
com o material ou produto processado.
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combustão industrial:
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Sonda de medição
contínua de O2
Medidor de fuligem para
queimadores a óleo.