Geração e Distribuição de Vapor 01

March 22, 2018 | Author: Arion Monteiro Bach | Category: Combustion, Chemical Equilibrium, Fuels, Oxygen, Hydrogen


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Faculdade de Engenharia Mecânica UNICAMPEM 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 2 3 4 5 6 7 8 9 Combustão....................................... Combustíveis.................................... Queimadores..................................... Geradores de Vapor.............................. Cálculo Térmico e Fluidomecânico de Caldeiras... Segurança na Operação de Geradores de Vapor..... Distribuição de Energia Térmica................. Aquecedores..................................... Eficiência de Geradores de Vapor................ 1 18 41 66 81 95 100 120 128 EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 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 + O2 H2 + S 1 2 → CO2 → SO 2 − 393.500 kj / kmol − 29.300 kj / kmol O2 → H 2 O − 241.800 kj / kmol + O2 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 Gás Natural Petróleo Carvão Mineral Lenha ~75 84~86 78~95 49 H ~25 11~14 ~7 6 O 0~3 1~15 43 N,S,etc. 0~5 1~5 ~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 1 ou grama-mol. bem como da composição e volume dos produtos de combustão é fundamental para o projeto e contrôle de equipamentos de combustão. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.3 . escrita normalmente como gmol. A estequiometria química nos fornece os principais dados necessários aos cálculos de combustão. O conhecimento das necessidades de ar para combustão. H. O peso molecular de um material é a soma dos pesos atômicos que o constituem. por exemplo: 2 . Bizzo tudo o que é preciso. Não existem unidades comuns. ou a molécula-libra.2% 76. o equivalente no sistema inglês. e assim por diante. S. Os erros são pequenos e podem ser ignorados em grande parte se tomados no contexto da precisão das medições industriais comuns.Geração. Por exemplo. Se uma reação for escrita em forma molecular.Estequiometria da combustão A maioria dos processos industrias de combustão utiliza o ar ambiente como fonte de fornecimento de oxigênio para a combustão. mas uma unidade prática é a moléculagrama. é possível calcular-se o requisito teórico de ar e a quantidade e composição dos produtos de combustão. Dada a análise elementar de um combustível em termos de C. o peso molecular expresso em gramas.8% em volume 21% 79% Elemento Carbono Hidrogênio Oxigênio Nitrogênio Enxôfre Peso Atômico 12 1 16 14 32 Sabe-se que alguns dos números acima requerem correção decimal. é: 2 + 16 = 18. H2O. o peso molecular do monóxido de carbono. ou o gmol do monóxido de carbono pesa 28 gramas. O. é: 12 + 16 = 28 da água. ela pode ser tomada para representar as quantidades relativas de reagentes em termos destas unidades práticas. que é em efeito. o kgmol.EM 722 . Os pêsos atômicos dos principais elementos envolvidos em combustão. o lbmol. bem como a composição do ar ambiente encontram-se na tabela abaixo: Elemento oxigênio nitrogênio em massa 23.. etc. CO. 1. Assim a molécula grama. Análogamente pode ser utilizado a molécula-quilograma. um pouco mais do que a quantidade teórica é usada por razões posteriormente explicadas. 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. constituinte principal do gás natural. Os pesos atômicos são usados para elementos que são gasosos em CNTP. Mais do que essa quantidade. o desprendimento potencial de calor e temperatura e a composição ideal dos produtos gasosos de combustão produzido. Para produtos e combustíveis gasosos. não só indica a reação e os produtos em termos de moléculas-kg mas também em termos de volumes. no final. na verdade. Na prática. 1 kmol de dióxido de carbono. gera perdas excessivas de gás de combustão e da temperatura. quando escrita para combustíveis gasosos. esta situação de combustão potencialmente complicada pode ser reduzida a uma consideração sobre os materiais de partida . Felizmente para a maioria das aplicações. Segue-se que a reação molecular. temos: CH4 1 kmol 1 volume + 2 O2 2 kmol → CO2 1 kmol 1 volume + 2 H2 O 2 kmol 2 volumes 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.Cálculo da proporção teórica de Ar/combustível Qualquer combustível convencional requer. que volumes iguais de gases diferentes sob as mesmas condições contém um número igual de moléculas de gás. 1.EM 722 .combustível mais oxigênio. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. pode ser escrita a equação de combustão: 3 . Por exemplo. uma vez que este é o agente comum de fornecimento) para atingir teoricamente uma reação completa. Em termos práticos ela estabelece que 1 kmol de carbono reage com 1 kmol de oxigênio para formar. Bizzo C + O2 -> CO2 é uma equação que indica o que acontece quando um átomo de carbono e uma molécula de oxigênio reagem completamente. normalmente como um componente do ar . 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. de acordo com sua composição. Por exemplo. Para um material simples tal como o metano. A teoria de Avogadro estabelece. 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. A utilização de pesos atômicos ou moleculares para os elementos vai se tornar evidente quando os cálculos acima forem estudados.e os produtos finais. Menos do que essa quantidade vai produzir combustão incompleta e portanto perda de calor potencial.Geração. Tal simplificação facilita por exemplo o cálculo do ar ou do oxigênio necessário para um combustível. esta prática pode ser levada um estágio adiante. uma quantidade específica e calculável de oxigênio (e portanto de ar.4 . 25: 1. significa a separação de parte dos produtos da combustão em outros compostos que não sejam CO2 e H2O. apesar de sua importância ser reconhecida. carbono. para cada molécula de oxigênio do ar. com ar atmosférico.1: Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível para o propano.2% de oxigênio por peso. o número de átomos que existirá nos produtos de combustão é o mesmo número de átomos dos reagentes. É visto que.Geração.53 : 1 . a dissociação não está muito em evidência. não modificado) A rigor. pressões e concentrações. convertendo para uma base de massa. uma vez que o ar contém 23. ou seja. o fenômeno da dissociação vai alterar um pouco esta reação.76 moléculas de nitrogênio (a relação de volumes entre os dois gases no ar atmosférico). Exatamente o mesmo procedimento pode ser seguido em qualquer caso onde equações exatas possam ser formuladas para os constituintes reativos.EM 722 . Bizzo CH 4 +2O2 (+ N 2 do ar )→CO2 +2H 2O+(N 2 do ar. de fato. Segue-se da equação que 1 Kgmol de metano requer 2 Kgmol de oxigênio para a reação teórica completa. por exemplo. 16 Kg de metano requerem 64 Kg de oxigênio o que. 1 volume de metano requer 2 volumes de oxigênio de forma que a proporção volumétrica correspondente de ar/combustível é 9. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. ela não é levada em conta para os propósitos deste capítulo introdutório. O balanceamento das equações é feito levando-se em conta a conservação da massa dos elementos químicos. Exemplo 1. Isto. e consequentemente a perda de calor. tomando-se os inertes como não-afetados e qualquer oxigênio livre na mistura original como disponível para a combustão.76 N 2 )→3CO2 +4H 2O+ y N 2 A quantidade "x" é o número de moléculas de O2 necessários a combustão completa do propano. e. no caso. A necessidade de oxigênio "x" é calculada fazendo-se o balanceamento dos átomos de oxigênio: 4 . dá uma proporção teórica de ar/combustível de 17. de acordo com as condições exatas de equilíbrio relacionadas às temperaturas. As técnicas de cálculo estabelecidas estão disponíveis na literatura especializada. Tal mistura quimicamente correta é uma mistura estequiométrica. em base de volume. As situações em que uma equação exata pode ser escrita são poucas e são quase exclusivamente para combustíveis gasosos de composição conhecida ou determinada. para um determinado elemento. Como a combustão é feita. C3 H 8 + x(O2 + 3. é considerado obrigatóriamente 3. Portanto. A dissociação típica do dióxido de carbono é representada por: 2 CO2 → 2 CO + O2 Na maioria das condições industriais. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.8 : 1. ao modo pelo qual esses elementos são combinados no combustível. A proporção estequiométrica de ar/combustível para esta mistura gasosa em uma base de volume é. Exemplo 1. 23.76 x = 18. ou seja. A posição provável para tal oxigênio é que ele tenha combinado com a estrutura dos combustíveis.8 volumes de ar atmosférico.Geração.2 : 5 .8 Isto significa que para cada mol de propano. qualquer que seja. uma simplificação pode ser aplicada de tal forma que a análise química básica (quantidade de elementos constituintes) possa ser avaliada.76) = 23.6 : 1. metros cúbicos. Para os constituintes ativos. No entanto.4 kg. devido à sua composição indeterminada. a relação A/C em massa é 15. tais equações exatas não são possíveis devido à complexidade delas e em alguns casos. levando-se em conta a sua devida proporção: (5 × 32) + (5 × 3. Bizzo 2 x=(3 × 2 ) + 4 x=5 y = 3. tendo assim o mesmo resultado final. moléculas e moléculas-Kg estejam bem estabelecidas é um problema fácil converter em base de massa. Não é necessário dizer que.76 × 28) = 686. as reações são escritas levando-se em conta o número de volumes presentes por 100 volumes da mistura. ou cada volume de propano são necessários 5 volumes de oxigênio e consequentemente: 5 × (1 + 3.EM 722 . que pesa 686. não fazendo nenhuma referência. A massa de ar necessária foi calculada multiplicando-se diretamente o índice "x" pelos pesos moleculares do oxigênio e nitrogênio. ou qualquer unidade que seja apropriada. as exigências de peso líquido de oxigênio são obviamente as mesmas e assume-se que qualquer oxigênio no combustível está disponível para reação. Uma vez que a relação entre volumes.4 O2 N 2 Para a maioria dos combustíveis sólidos e líquidos. todos os volumes relativos precisam ser medidos sob condições semelhantes. então. a relação ar/combustível em massa pode ser calculada com base nos pesos moleculares: 1 mol de propano pesa 44 kg e necessita 23.A análise básica é comumente determinada em base gravimétrica ou de peso e usada com referência a Kgmol. Para combustão completa.8 kmol de ar. É conveniente para os combustíveis gasosos tomar-se uma base arbitrária de 100 volumes. No exemplo acima. O modo de aplicação é ilustrado melhor pelo exemplo. Exemplo 1. C H O N S 6 .17 × 2 + 7 x = 10.0%.3 : Um combustível fóssil tem uma composição em peso de: Carbono. 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. Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível. Enxofre. Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível.76 × 28 = 1464. Kg/Kg é 14. Bizzo Uma amostra de querosene tem uma análise básica de 86% de carbono e 14% de hidrogênio por peso.17CO2 +7 H 2O+ yN 2 2 x = 7. 8. 14. Hidrogênio.8 = 14.17C +14H + x(O2 + 3. qualquer que seja. Nitrogênio.0%. 3. Observe que nenhuma referência.6 100 Assim a proporção estequiométrica de ar/combustível. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. 72.8%. que corresponde a 86 = 7 .67 × 32 + 10. 2.8 kg relação A/C em massa : 1464. é feita à maneira em que o carbono e o hidrogênio são ou podem estar combinados no querosene.67 × 3.76 N 2 ) → 7.Geração.67 massa de ar necessária : 10.2%.17 kgmol de C 12 14 = 14 kgmol de H 1 14 kg de H.EM 722 . que corresponde a a reação estequiométrica pode ser escrita. Oxigênio. fazendo-se o devido balanceamento: 7.6:1. Um exemplo a mais ilustra o tratamento dos materiais inertes e do oxigênio composto.0%. 8 x 1.5O + 0.6 = 12.Geração.2 0. Se um cálculo for feito para incluir uma quantidade de ar em excesso. isto pode mostrar: 7 .6 kg relação A/C em massa : 1283. então a proporção de trabalho de ar/combustível é 1. Vamos definir aqui o coeficiente de excesso de ar ϕ como a relação entre o nº de moles realmente utilizado na combustão e o nº de moles estequiométricamente necessário: ϕ= nmol − realO2 nmol − esteqO2 = mrealO2 mesteqO2 Por exemplo.1× 2 x = 9.2 N + 0.8:1. Observe que se assume que o conteúdo de enxofre está convertido em dióxido de enxofre. com um fator de excesso sendo introduzido na última etapa. kg/100 kg de combustível kgmol de cada 72 6.1 a equação estequiométrica fica: 6C + 14H + 0.1S + x(O2 + 3.0 14 14.35 × 3.Avaliação do rendimento da combustão Se a composição do combustível e a composição dos produtos de sua combustão são medidos. o procedimento é como o de cima. 1.8 100 A proporção estequiométrica de ar/combustível em base de peso é 12.76 × 28 = 1283.35 massa de ar necessária : 9. o rendimento da combustão pode ser calculado.20 vezes a proporção estequiométrica.36 : 1.5 = 6 × 2 + 7 + 0.1SO2 + yN 2 2 x + 0. Quando um combustível contém cinza ou umidade.2 3.35 × 32 + 9.5 2.76 N 2 ) → 6CO2 + 7 H 2 O + 0. Os principios utilizados nestes exemplos podem ser aplicados com igual facilidade a todos os combustíveis.5 .0 8 0. Bizzo massa do constituinte.20 = 15. A proporção ar/combustível com 20% de excesso de ar = 12.EM 722 . 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. estas podem ser tratadas como constituintes inertes para aparecerem como tais nos produtos finais da combustão. se este combustível fosse queimado com 20% de excesso de ar. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.8 0. A análise dos gases de combustão ou de gases perdidos dos processos de combustão é comumente relatada em base sêca de volume. A proporção máxima de CO2 nos produtos de combustão será encontrada quando a relação ar/combustível for estequiométrica. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. 8 .EM 722 . à descoberta de deficiências no processo de combustão. 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. A aplicação do bom senso ao interpretar a análise do gás de combustão pode levar. 1. um pouco antes da produção da fumaça prêta (fuligem). Orsat e Fyrit aos mais sofisticados aparelhos contínuos. figura 1. Como foi observado previamente. Abaixo desta quantidade prática.6 . desde os tipos simples de aparelhos. Bizzo a) que quantidade de calor está sendo desperdiçada em aquecer quantidades excessivas de gases de combustão. Observemos que em relações abaixo da estequiométrica. que é uma função do tipo de combustível. o calor é perdido junto com quantidades excessivas de gás de combustão e é reconhecido pela grande quantidade de oxigênio no gás de combustão. fuligem. Isto é demostrado pela presença de CO. combustível não queimado e possivelmente hidrogênio nos produtos combustíveis. com alguma quantidade adicional para atingir praticamente a combustão completa. porém há o aparecimento de monóxido de carbono.1. isto é. 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. por exemplo.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. um combustível específico requer uma quantidade específica de ar para a combustão completa teórica. Uma grande variedade de equipamentos para análise do gás é usada. o teor de CO2 também cai. sem referência à água no gás.Geração. isto quer dizer que está sendo usado mais ar que o necessário. vazamento no forno ou no sistema condutor e inconsistências na análise e especificação do combustível. Acima desta quantidade. (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. a estimativa da análise do gás de combustão é um cálculo feito diretamente em base volumétrica. devido a pontos práticos observados anteriormente. Bizzo Fig. Para combustíveis gasosos. portanto. Para qualquer instalação que utiliza combustível.7 . existe 1 volume de CO2 para 7. daí a importância deste item para o rendimento total e como uma indicação das condições de 9 . 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. a análise teórica indica a situação ideal. a experiência vai ditar o limite desta aproximação. Valores típicos são: Gases: Líquidos: Sólidos: 0 a 10% 2 a 30% > 50% 1. Suponha que o metano seja queimado completamente com sua quantidade estequiómetrica de ar: CH 4 + 2 O2 + 7 .Determinação da Análise Teórica do Gás de Combustão Uma vez que.1 . 52 N 2 (sem modificar) Nos gases de combustão secos.73%.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. e quando mais perto a análise prática estiver desta tanto melhor. A quantidade de excesso de ar necessária decresce com o aumento da capacidade e com o rendimento maior no equipamento de combustão. A qualificação teórica está assinalada aqui porque. algumas diferenças podem ser encontradas entre a análise real do gás e a proposta nas mesmas condições iniciais. a determinação das proporções de ar/combustível está encaminhada a partir dos produtos da análise teórica do gás de combustão. 1.Geração. 52 N 2 (do ar) → CO2 + 2 H 2 O + 7 . Então.52 volumes de N2. o Kgmol e o volume são numericamente parâmetros permutáveis sob condições adequadas. Isto dá um conteúdo de dióxido de carbono (talvez o ítem mais utilizado em tais análises) de 11.EM 722 . Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. segundo a Lei de Avogadro. incluídos o excesso de ar fica: 10 .76 N 2 ) → 95CO2 + 110 H 2 O + yN 2 balanço de oxigênio : 25 + 2 × 10 + 2 × 5 + 2 x = 2 × 95 + 110 x = 122. Dessa forma.Geração.4: Um gás de composição: C3H8 20 CO 25 H2 30 N2 10 CO2 10 O2 5 %. em volume. é queimado com 20% de excesso de ar.5 volumes de oxigênio. haverá 553 volumes de nitrogênio para se acrescentar aos 100 de combustível. gás de combustão sêco. A composição em volumes dos produtos de combustão. inalterado. para ir através do sistema sem se alterar.76 = 583. 20% de excesso significa que 24.5 volume de ar necessário : 122. Bizzo operação. Balanço estequiométrico: Determine a análise do 20C 3 H 8 + 25CO + 30 H 2 + 10 N 2 + 10CO2 + 5O2 + x(O2 + 3.EM 722 . Associado a este total de 147 volumes de oxigênio.5 volumes extra de oxigênio são fornecidos. o ar excedente passa através do sistema. 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.5 × 3.83 100 Foi mostrado que 100 volumes deste gás requer 122.Quando é fornecido ar em excesso. Exemplo 1. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.1 = 5.5 + 122. ou 583 volumes de ar atmosférico.1 relação ar/combustível estequiométrica : 583. 2 552 .7 + 24.EM 722 . sua reação pode ser representada como: é H4 + O2 → 2 H2 O Portanto sobram 0.2 24 . 823 95 + 110 + 552.5 782 .7 672 . 706 Exemplo 1.9 O2 para oxidação de 1 C. 036 = 0 . Bizzo 95 CO2 + 110 H 2 O + 552 . a combustão completa de metano com ar pode ser representada como antes: CH 4 +2(O2 + 3. Calcule a análise do gás de combustão. 7 N 2 + 24 .2 110 782 .5 : Metano é queimado com uma deficiência de 5% de ar estequiométrico.7 782 .140 = 0 .76 N 2 ) → aCO2 + bCO + c H 2O+ 7. Estequiométricamente.9(O2 + 3.121 = 0 . 2 = 0 . Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. 7 + 24 .14 N 2 É assumido que a oxidação do hidrogênio do combustível inicialmente completada. representada em 2 etapas: 11 .5 = 782.141 = 0 .76 N 2 ) →CO2 +2H 2 O +7. 5 O2 volume total dos gases secos: composição dos gases secos: CO 2 : O2 : N2: 95 672. 031 = 0 .2 = 0 .2 volume total dos gases úmidos: composição dos gases úmidos: CO 2 : H 2 O: O2 : N2: 95 782 .2 24 .52 N 2 e com uma deficiência de de ar de 5%: CH 4 + 1. 5 = 672 .2 552 .2 95 + 552 .Geração.5 672 . 14 N 2 aplicado a combustíveis mais esta simples aproximação tem Um processo semelhante pode complexos mas precisa-se lembrar limitações específicas. se intencionalmente fornecido para a integridade da combustão ou se involuntariamente fornecido através de vazamento.8 e b=0. N2 86. consiste essencialmente em fazer os cálculos anteriores ao inverso e equilibrar os elementos que entram no processo com aqueles que saem. e não em quantidades absolutas. uma vez que as análises são usualmente apresentadas em percentagens. 4 O2 CO + 0.52N 2 Observe que o oxigênio estequiométricamente excedente. 1.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.EM 722 . 8 CO2 ser que + 2 H 2 O + 7 . é produzido um total de : 12 . bem como o nitrogênio associado sai junto com os produtos da combustão. de forma que toda a equação é: CH 4 + 1. Calcule a quantidade de ar excedente utilizada.76N 2 ) →CO2 +2H 2O +(ϕ − 1)2O2 +ϕ 7. Exemplo 1.27 % por volume (ou kmol/100 kmol). O2 4. Bizzo C + 0.2. 90 O2 + 7 . Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Para cada kmol de metano queimado nestas condições.8 . 2 CO Assim a=0.Geração.58%. compondo assim a massa total dos gases na saída. Alguns exemplos vão demonstrar a aproximação utilizada.14 N 2 → 0 . Reescrevemos agora a equação da combustão do metano incluído o coeficiente de excesso de ar: CH 4 +ϕ 2(O2 + 3. Esses equilíbrios dos elementos é necessário. 9 O2 → CO + 0.15%.6 : O metano é queimado com excesso de ar e dá uma análise de gás de combustão seco de: CO2 9. 8 CO2 + 0. 4 O2 → 0. 52 ϕ − 1 Quando a combustão foi incompleta e algum monóxido de carbono foi produzido.0 8. O aparecimento de monóxido de carbono. 25 9.1)2 + 7.0 1. Existem três etapas para resolver neste cálculo: (1) Calcular as exigências teóricas de ar. Determine a quantidade de ar excedente que é fornecida. Bizzo 1 + 2 + (ϕ − 1)2 + 7.15% nos gases secos.7 : Um combustível de composição C H O N 2. o cálculo de ar excedente precisa levar isto em conta e fazer concessão ao oxigênio presente no gás de combustão.Geração. num gás de combustão em que ar excedente é utilizado.2 Cinzas 5. que pertence ao monóxido de carbono. considerando a devida proporção entre CO2 e CO e O2.52ϕ = 9.52ϕ = 1 + 9.EM 722 . por unidade de combustível queimado. 0915 = 1 ⇒ ϕ = 1. não é prontamente previsível mas o efeito de sua presença é visto na análise do gás.52ϕ kmol de produtos de combustão úmido. devido à combustão incompleta.4 8.0 5. é possível determinar o coeficiente de excesso de ar: 0. 13 .0 (porcentagem em massa) produz uma análise de gás de combustão sêco de: CO2 O2 CO N2 por diferença 12.2 (porcentagem em volume) e o resíduo sólido da combustão contém 25% de carbono. (2) Fazer o balanceamento do carbono.6 72.52ϕ − 1 kmol de produtos de combustão secos Se a concentração de CO2 é de 9.8 S 3. determinando assim a parcela de carbono que queimou esaiu com os produtos de combustão. ou 1 + (ϕ . Exemplo 1. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. (3) Fazer o balanço de oxigênio. mol/100 Kg de combustível 2ª etapa: Para 100 kg de combustível existem 72. A determinação de ϕ acusou um excesso de 20.31 + 0.2)N 2 + 0.2) = 29.76 N 2 ) → 6CO2 + 4.mol (72 kg .892ϕ + 8.1SO2 + zO2 + (ϕ 3.4H + 0.16C (nas cinzas) %O2 5 = = 0.1 × 2 ⇒ x = 7.31 = 2.1S + ϕ 7.2 N + 0.21 + (ϕ 3. Bizzo 1ª etapa: partindo de l00 kg de combustível.4 H + 0.53 + 0. 6C + 8.87 Kg de C.1S + x(O2 + 3. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.31CO2 + 0.95 + 0.87 kg). e foi mantido a relação CO2/CO.53CO + 4.0 Kg de carbono.4167 × 5. de oxigênio devido ao 14 .2 + 0. incluso as cinzas.2H 2 O + 0.5 + 2 x = 6 × 2 + 4.1SO2 + x3.4167⇒ z = 0.EM 722 .76 N 2 ) → 5.1 + 2.95 + 0.Geração.95 Kg.1.76 N 2 0.2 N + 0.76 × 7. A quantia de C queimado é dessa forma. 5.95 exigência de oxigênio = 7. o coeficiente de excesso de ar é calculado : 5.95(O2 + 3.84 Kg.35 0. relativo ao O2.2 H 2 O + 0. O resíduo total é assim 5.5O + 0. O resíduo sólido da combustão contém a cinza indicada na análise mais carbono não queimado (25%). já calculamos diretamente o nº de kmol de cada elemento: 6C + 8. e portanto o excesso precisa ser relatado nesta base.21 %CO2 12 Observe que foi descontado o parcela de carbono que não queimou.892ϕ + 8.20 29.76 × 7.31 ⇒ϕ = 1.0%. pela relação O2/CO2. 3º etapa: o volume total de gases seco produzido é : 5. possibilitando o balanceamento correto da equação e o cálculo do coeficiente z.12 = A avaliação do excesso de ar assume combustão completa.6 de cinza mais 1. O Oxigênio em excesso é devido a somatória das parcelas de oxigênio oriundos do próprio ar em excesso fornecido.5O + 0.35 sendo o teor de CO 2 igual a 12%. são estabelecidas reações para se atingir os produtos. fundamentado no método de cálculo anterior. pode ser geralmente representada pelo esquema: reagentes (cadeia de reação)→ produtos Vamos apresentar isto simbolicamente como: A + B → C + D Na verdade. a qual deveria ser representada como: A + B ←→ C + D Naturalmente. é atingida uma situação de equilíbrio. é flexível e amplamente aplicável. Antes. 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. Os fatores que controlam o grau de dissociação para qualquer reação dada (isto é. 1. Um enfoque de tais situações pode ser feito. e de oxigênio devido a formação de monóxido de carbono. os traços de A e B serão detectados qualquer que sejam as circustâncias. podemos esperar encontrar traços dos materiais de cadeia. a posição de equilíbrio) são: temperatura. Existem situações aqui minimizadas para maior clareza. Não está implícito que o método de cálculo demonstrado aqui seja o único método ou mesmo o melhor. então a posição de equilíbrio é deslocada para se opor à mudança. e como tal. O princípio de Le Chatelier diz que se uma variável que afeta o equilíbrio de um sistema é modificada. se os intrumentos analíticos são bons o bastante. como por exemplo.Geração. com C e D predominando. pressão e concentração. na verdade qualquer reação química. 15 . Também. Bizzo Carbono que não queimou e apareceu nos residuos de cinzas.EM 722 . Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. e muito mais sofisticados. que não foi oxidado completamente em CO2. mas é um enfoque dos princípios básicos. como a reação é uma cadeia de reações.Temperatura de Chama Qualquer reação de combustão. os processos de altas temperaturas onde os efeitos da dissociação são mais importantes. de forma que na maioria das circustâncias usuais o equilíbrio é muito mais para a direita. não vai haver nunca uma transformação completa de A e B para C e D.9 . No entanto. nas quais os cálculos necessários são muitos. a água nos produtos de combustão for considerada na fase líquida. 16 . estimado com alguma margem de segurança. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. e portanto deve ser conhecida o teor de hidrogênio do combustível. onde os níveis de temperatura são usuais até um máximo de 1500 ~1600 K. a relação ar ( ou oxigênio) /combustível e o grau de complexidade da combustão. 1.EM 722 . por outro lado. A avaliação do PCI é feita através da equação acima. 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. tais como nos processos de incineração térmica. A dissociação do CO começa a ser detectada por volta de 2000 K. ou pelo menos. A maioria dos processos industriais tem seus produtos de combustão exauridos a temperaturas onde a água está na forma de vapor. ou seja. Bizzo Para efeito de cálculos de combustão industrial. 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: PCi = PCs − 2440(9h + u ) onde : PCi : Poder Calorífico Inferior (kJ/kg) PCs : Poder Calorífico Superior (kj/kg) h : teor de hidrogênio constituinte do combustível (kg/kg) u : teor de umidade no combustível (kg H 2 O / kg de combustível sêco) As medições de Poder Calorífico em laboratório são realizadas em bomba calorimétrica com temperatura do meio controlada próximo a temperatura ambiente. a dissociação assume pouca ou nenhuma importância. Se. este é denominado Poder Calorífico Inferior. e o valor obtido é sempre o Poder Calorífico Superior. e apresenta-se como um caso particular dos processos gerais de combustão e não será aqui tratada em detalhes.Geração. na gaseificação de carvão e lenha.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. e por esta razão o conhecimento do Poder Calorífico Inferior é útil e facilita os cálculos de aproveitamento de calor. ou na fabricação de combustíveis sintéticos. o calor desprendido é denominado Poder Calorífico Superior. 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. com o produtos de combustão à temperatura ambiente. conhecido a temperatura de saída dos gases de combustão. o cálculo pode ser útil para efeito de comparação de potenciais de combustíveis para uma dada necessidade de calor e temperatura. A temperatura adiabática de chama pode ser então calculada para uma massa unitária de combustível desde que se estabeleça a relação ar/combustível. sem nenhuma perda de calor por radiação ao ambiente externo (uma situação. na prática. Observe que no cálculo da massa de gases produzidos está implícito a relação ar/combustível. De qualquer maneira.Geração. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.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. Além disso. e tanto mais difícil em altas temperaturas.EM 722 . a dissociação começa a se fazer sentir em temperaturas acima de 2000 K. Se for assumido que todo o calor gerado é transformado em entalpia dos produtos de combustão. geralmente produzidas em condições de chama. Bizzo 1.11 . pois nenhum processo real pode ser adiabático. impossível) ou perda de temperatura por dissociação. e o calor desprendido tende a ser menor que o calculado. é possível calcular a Temperatura Adiabática de Chama: mc PCi = m g Cp g (Tg − Tar ) onde : mc : taxa de consumo de combustível (kg/s) PCi : Poder Calorífico Inferior (kJ/kg) m g : massa de gases de combustão (kg/s) Cp g : Calor Específico dos gases de combustão (kJ/kg K) T g : temperatura de saída dos gases de combustão(Temperatura Adiabática de Chama)(K) Tar : temperatura de entrada do ar de combustão (K) A temperatura Adiabática de Chama é uma abstração. o qual será a diferença entre a entalpia dos gases à temperatura adiabática de chama e entalpia de saída dos produtos de combustão: Q = mc PCi − m g Cp g (Ts g − Tar ) onde : Q : calor recebido pela fornalha (kJ/s) Ts g : temperatura de saída dos gases de combustão na fornalha (K) 17 . pois os produtos de combustão é a soma das massas do ar de combustão e do combustível consumido no processo. De modo inverso. é possível calcular o calor recebido pelo processo de combustão. .5 %.s.). H2S 16. Se os produtos de combustão tem temperatura de 180º C. Etano 51.u. 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. H 8%.s.865. qual deve ser o teor de CO (b.u.) nos produtos de combustão em função do excesso de ar. cinzas 16. CO2 5% e N2 4%.) e o resíduo sólido do cinzeiro tem 90% de carbono não queimado.) para combustão do etanol hidratado com 25% de excesso de ar.7% CO2 (b.. etano 8%. o resíduo da combustão acusa um teor médio de 12% de carbono não queimado. H2S 1%.488. H2S 1%. Supondo apenas dissociação do CO2. Caldeira queima 2000 kg/h de lenha com 20% umidade(b. qual deve ser a capacidade em 3 m /h do exaustor dos gases de combustão? Determine a temperatura dos produtos de combustão saindo de uma fornalha. Determine o teor de CO2 (b.s. queimando GLP com 10% de excesso de ar. porém com 50% de umidade (b.) e a análise dos gases de combustão resultou em 8. S 7%. Faça um gráfico do teor de CO2 (b. Determine o excesso de ar real (b.u. Assumir propriedades dos produtos de combustão iguais a do ar atmosférico. como corrigi-la? Calcule a temperatura adiabática de chama a 10% de excesso de ar de uma mistura de composição volumétrica Metano 82%.s. Considere a composição elementar do bagaço semelhante a composição da lenha. A função estabelecida anteriormente ainda é valida? Se não. Calcule a relação Ar/Combustível estequiométrica para combustão de Etanol hidratado (96ºGL).).560 kJ/kg. Determine o teor de SO2 com 5% de excesso de ar.) para combustão do etanol hidratado com 3% de falta de ar? Gás residual tem composição volumétrica Metano 82%.5%. Para controle computadorizado você deve estabelecer uma função do teor de O2 nos gases de chaminé em relação ao excesso de ar.EXERCICIOS CAP. CO2 5% e N2 4%. 1 Determine a composição dos produtos de combustão do bagaço de cana. considerando que 50% do calor gerado é perdido por radiação. sem dissociação. O 1. Após a instalação e testes iniciais do sistema da questão anterior. dados os PCS: Metano 55. queimando com 100% de excesso de ar. etano 8%. Carvão mineral tem composição C 67%. . Num forno de reaquecimento de lingotes.6 15% Uma câmara de combustão adiabática queima metano com relação A/C estequiométrica. operando a 1250 ºC. 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). Nos produtos de combustão estão presentes 5% CO (em volume).5% de enxôfre e densidade relativa 0. Determine a composição dos produtos de combustão base sêca. Determine a temperatura adiabática de chama na condição de operação. . com ar estequiométrico e com 30% de excesso de ar e determinar a concentração de CO2 e SO2 base seca.965 13. Carvão mineral tem composição C 63%. que ainda seria abaixo dos limites de emissão permitidos? Escrever a reação de combustão do óleo combustível. Determine a temperatura adiabática de chama.218 15. cinzas 24%. utilizando 60% de excesso de ar.Uma câmara adiabática opera com metano.6 5% óleo diesel 10. sendo que a concentração em massa de CO nos produtos de combustão é 5%. justificando matematicamente: Combustível PCI (kcal/kg) A/C esteq Excesso de Ar óleo BTE 9. O 1%. O equipamento está enquadrado na legislação? Qual seria o máximo teor de enxôfre do carvão que poderia ser utilizado nas condições da questão anterior. 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). H 9%. Considerar óleo com 3. escolha o sistema de combustão mais adequado para maior transferência de calor. S 3%.98.7 40% GLP 10.250 14. com relação estequiométrica. os derivados de petróleo preencheram a maioria destas características e se tornaram o tipo mais utilizado de combustível industrial. Bizzo cap. principalmente aqueles que produzem menor impacto ambiental que os combustíveis fósseis. possibilidade de utilização dentro de tecnologias disponíveis. 18 .COMBUSTÍVEIS Combustíveis para utilização em energia e aquecimento industrial apresentam características importantes tais como baixo custo por conteúdo energético. facilidade de transporte e armazenamento. Durante muitos anos.EM 722 . líquidos ou gases. Nas décadas recentes. representados pela tabela abaixo. baixo custo operacional e de investimento.Geração. outros tipos de combustíveis tem sido utilizados e pesquisados. disponibilidade. Origem Combustível Básico Petróleo Derivado GLP Gasolina FÓSSEIS Óleo Diesel Óleo Combustível Óleos Residuais Gás Natural Xisto Betuminoso Carvões Minerais Cana-de-açucar Bagaço de cana Alcool Etílico Lenha VEGETAIS Carvão Vegetal Gases manufaturados Metanol Resíduos Vegetais Biogás Gases manufaturados Quanto a utilização de combustíveis é conveniente classificá-los e estudá-los quanto a sua forma física: sólidos. 2 . Do ponto de vista de origem. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. etc. os combustíveis podem ser classificados como: fósseis (não renováveis) e vegetais (renováveis). Potássio e Manganês. que irá atacar as partes mais frias da instalação. bem como as exigências teóricas de ar de combustão. ou outros compostos. . principalmente nos combustíveis sólidos.Os produtos de combustão. Embora o enxôfre seja também combustível. que são perigosos e produzem mal cheiro. porém de efeitos não menos importantes. Cálcio. SO2 e SO3. aumentando os problemas de corrosão. Outros elementos ocorrem eventualmente nos combustíveis em concentrações muito pequenas. pdendo inclusive atacar materias refratários. e traz duas consequências: . Nitrogênio é responsável pela formação de diversos óxidos: N2O. NO e NO2. Bizzo Composição dos combustíveis: Os combustíveis industrias apresentam em sua composição alguns dos seguintes elementos ou compostos: Carbono Hidrogênio Oxigênio Enxôfre Nitrogênio Água Cinzas C H O S N H2O (Z) Carbono e hidrogênio são os elementos que mais contribuem para o poder calorífico dos combustíveis e oxigênio é geralmente presente em combustíveis vegetais. 19 . com consequências desastrosas ao meio ambiente. Sódio e potássio (metais alcalinos) contribuem para a corrosão a baixa temperatura formando compostos de baixo ponto de fusão. A água é normalmente encontrada em todos os combustíveis. que é catalizador da reação de formação de ácido sulfúrico. 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). Os metais são mais frequentes: Níquel.Geração.diminui o poder calorífico. Vanádio. Sódio. na forma de umidade. agravando as consequencias de corrosão com combustíveis que contenham enxofre. em presença de umidade formam ácido sulfúrico. pode haver formação de H2S. que são compostos de alta irritabilidade para as mucosas além de reagirem com o ozona da atmosfera (O3). Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. este traz consequências prejudiciais ao meio ambiente e aos equipamentos: . H2SO4 é o principal causador de "chuva ácida". O vanádio forma um óxido: V2O5. sendo que sua presença diminui o poder calorífico do combustíveis.EM 722 .aumenta a temperatura do ponto de orvalho do ácido sulfúrico. .seu poder calorífico é menor que o carbono e hidrogênio .se a atmosfera da combustão for redutora. Os principais elementos que constituem o petróleo são apresentados no quadro abaixo. A caracterização dos combustíveis líquidos compreende a medição de algumas propriedades aplicáveis a estes.EM 722 .Geração. Importante propriedada para a segurança de armazenamento. Temperatura de auto-ignição: temperatura mínima de uma mistura ar/combustível na qual a combustão é iniciada e se mantém. O poder calorífico de combustível. Todas as propriedades tem normas e métodos de medição e algumas podem variar em resultado conforme o método utilizado. sob a ação de uma chama escorvadora sobre a superfície líquida do mesmo. tais como a octanagem. sem a presença de uma chama escorvadora. mínima necessária que vai ecônomico para que o Viscosidade: importante propriedade temperaturas de armazenamento. provoca uma ignição e combustão transitória. Propriedades de combustíveis líquidos Ponto de fulgor: é a temperatura do combustível na qual. etc.COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS Os combustíveis líquidos são amplamente utilizados na indústria pelas facilidades de armazenamento. operação e transporte. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. e os derivados de petróleo praticamente estão presentes na maioria das aplicações. idade. Ponto de fluidez: temperatura combustível se torne um fluido. Derivados de Petróleo O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos que apresenta composição variável e dependente de fatores geológicos tais como localização da jazida. as quais serão definidas a seguir. óleo diesel). com sua correspondente faixa de variação da composição: 20 . como definido no capítulo anterior é aplicável a todos os tipos de combustíveis. determinar as e pulverização Outras propriedades de combustíveis líquidos são aplicáveis apenas a combustíveis automotivos (gasolina. Ponto de ignição: temperatura do combustível na qual a chama escorvadora provoca uma combustão continuada sobre a superfície do mesmo. o período de indução e a cetanagem.1 . e não serão tratadas neste texto. Bizzo 2. profundidade. bombeamento (atomização) para combustão. O resíduo de destilação à vácuo é utilizado para produção de asfalto ou complementação da produção de óleo combustível. também se concentram nas frações mais pesadas. bàsicamente em dois tipos de processos: . V. .) % em massa 83 a 87 11 a 14 0.Aromáticos. são compostos de anéis saturados.Alcanos (ou parafinas). ocasionam problemas no processamento de petróleo por envenenamento de catalizadores de processo. etc. . Ni. quanto maior a densidade do petróleo. ajustando o perfil da produção com as necessidades de mercado consumidor.EM 722 .Impurezas inorgânicas. e são responsáveis pela acidez.destilação atmosférica. . mas em geral.1 a 1. . Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. maior o teor de enxôfre.craqueamento térmico ou catalítico. cadeias carbônicas retas. de fórmula geral CnH2n .Compostos oxigenados. onde é extraído no resíduo de fundo da coluna atmosférica mais frações leves. Bizzo Elemento Carbono Hidrogênio Enxôfre Nitrogênio Oxigênio Metais(Fe. argila. e de baixo peso molecular. onde grupos de frações são separadas por diferença de ponto de ebulição (ou pressão de vapor). .destilação à vácuo do resíduo. tais como o ciclo pentano e ciclo-hexano.5 ~0. presentes em todos os tipos de óleo cru.7 ~0. .Ciclanos (ou naftênicos). onde é possível transformar frações pesadas do óleo em frações mais leves. escurecimento e o forte odor dos derivados de petróeleo. Um esquema básico de refino é apresentado na figura 1.Compostos nitrogenados. de fórmula geral CnH2n+2 e seus isômeros. 21 .Compostos metálicos.Compostos sulfurados.Geração. Os derivados de petróleo são produtos do processamento do óleo cru. são compostos organo-metálicos e também predominam nas frações mais pesadas. areia e óbviamente a água. numa coluna de destilação. ficam em solução ou suspensão na água emulsionada ou no corpo do petróleo: sais minerais. presentes nas frações mais pesadas. os quais contém o anel benzênico.3 Os principais constituintes orgânicos do petróleo são : . . .05 a 8 0. . Gás residual .Geração.Óleo Diesel . Apesar de no ínicio da utilização do petróleo.Óleos residuais .Nafta petroquímica . atualmente.Óleo Combustível .Asfaltos Óleo Combustível O óleo combustível é a fração mais importante para os sistemas de aquecimento industrial.EM 722 . 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 22 . embora os processos adicionais como o craqueamento permitam uma pequena variação do ajuste. frações mais leves tais como o diesel e o querosene terem sido utilizadas. em ordem crescente de densidade são as seguintes: . Esquema da destilação atmosférica de petróleo. As principais frações produzidas.Lubrificantes . devido a seu baixo preço. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. tais derivados são reservados a utilizações com maior exigência de qualidade de combustível.Gás Liquefeito de Petróleo .Gasolina . Bizzo Figura 1. A qualidade e característica do petróleo determina a faixa de extração de cada componente principal.Querosene . Os tipos de viscosímetros mais utilizados são: .Geração. As especificações atuais brasileiras para os óleos combustíveis são apresentados na tabela 2.Redwood A conversão em viscosidade cinemática. dada em centipoises está apresentada na tabela 1. A viscosidade é determinada em aparelhos que se baseiam no tempo de escoamento de um dado volume de óleo a uma temperatura constante.EM 722 . é necessário conhecer-se pelo menos a viscosidade em duas temperaturas. Bizzo pela indústria tem sua densidade e viscosidades aumentadas.8 ºC (100 F) X X X 50 ºC (122 F) 98. A especifição básica para os óleos combustíveis são a viscosidade. Segundos Saybolt Furol . com dois tipos: SSU Segundos Saybolt Universal e SSF. o ponto de fluidez e o teor de enxôfre. além do maior teor de enxofre.Engler . Uma tabela de equivalencia de denominações também esta anexo. As temperaturas utilizadas são as seguintes: 20 ºC (68 F) SSU SSF Engler Redwood X X 37. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. e com o auxílio do gráfico da figura 2.Saybolt.9 ºC (210 F) X X 100 ºC (212 F) Os óleos combustíveis apresentam várias faixas de viscosidades conforme sua classificação. sendo que análises de laboratório são apresentadas nas tabelas 3 e 4. traça-se uma reta que reproduz o comportamento da viscosidade em relação a temperatura para derivados de petróleo. Para se conhecer a viscosidade de um óleo em qualquer temperatura. Antiga Atual Antiga Atual A(BPF) 1A GN 6A D(BTE) 1B HN 6B GP 7A E 2A F 2B HP 7B GD 3A 8A HD 3B - GK 4A HK 4B 9A GM 5A - HM 5B OC4 C 8B 9B 23 . Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo Tabela 1 – Equivalência entre viscosidades.EM 722 .Geração. 24 . EM 722 . Gráfico para determinação da curva viscosidade x temperatura para derivados de petróleo. Bizzo Figura 2. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.Geração. 25 . Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.0 2. igual ao indicado na tabela anexa de 6oC. s Máximo Máximo Máximo Mínimo Máximo 5. Gráfico típico de ponto de orvalho em função do teor de enxofre no combustível.9 (150) (3) 66 (5) 0. reportando-se às temperaturas por extrapolação.0) (124) 66 1.5 2.00 600 (285) 31.0 (6) (33.) TipoC (óleo no 4) TipoD (B.O ponto de fluidez superior deverá ser. deverá ser feita a dedução da cifra total na quantidade de óleo combustível. Viscosidade (2) Água e Cinemátic Teor Cinemática a Sedimen a a 60oC.) Tipo E 66 Cinzas .Para óleos combustíveis cuja diferença entre a temperatura de referência de da viscosidade deverão viscosidade e o ponto de fluidez seja menor que 20oC. no máximo. Especificações do CNP para óleos combustíveis. através da Resolução no 02/82. igual ao indicado na tabela anexa.0 2. Entende-se por Ultra-Viscoso um óleo combustível com viscosidade cinemática acima de 600 cSt a 65oC (285 SSF a 65oC).EM 722 .00 390 (185) 31. 5) .Em vigor a partir de 02/02/82.00 390 (185) 31.9 (150 (3) 66 5. 3) .E. Tabela 2.50 2. s peso Furol a 65oC. 4) .Geração. 37. os valores ser obtidos em temperaturas mais altas.00 390 (185) 31. 26 .8oC. % em peso Máximo (4) Máximo - 2. sendo que as demais características atendem as especificações constantes da Resolução 1/82 que estabelece o Regulamento.9 (150) (3) 66 5. OBS. Bizzo Figura 3. de 37.F.: A partir de 02/02/82.8oC.) TipoB (A. cSt ou tos % enxofr eSt ou Saybolt Universal e % em em peso (Saybolt.0 2. o Conselho Nacional de Petróleo autorizou em caráter experimental. 6) .00 600 (285) 31.O resultado de água e sedimentos para o óleo combustível tipo “C” é expresso em % por volume.P. através do Regulamento Técnico CNP 09/82.P.F. mediante acordo com o comprador a utilização do Óleo Combustível Ultra-Viscoso”.10 0.9 (150) (3) Tipo F 66 1. no máximo.9 (150) (3) 1) .A quantidade de água e sedimento exceder 1. 2) .O ponto de fluidez superior deverá ser.11 26.00%.0 Ponto Ponto de de fulgor fluidez Óleo Combustíve em oC superio l r oC Mínimo TipoA (B.T. e consequentemente do teor de enxôfre no óleo. Os gráficos e tabelas fornecem dados com exatidão suficiente para os cálculos de combustão industrial.300 - Cinza s Mínimo - 2.0 1 .5 Máximo (600) (600) (900) (900) (2400) (2400) 10. A formação e condensação de ácido sulfúrico depende do teor de SO2 .000. como a densidade.5 1. Nem sempre está disponível dados sobre a análise elementar dos óleos combustíveis.0 2. cSt sedimento Saybolt Furol % 37. superior o . Uma dedução na quantidade deverá ser feita para toda a água e sedimento em excesso de 1.0 2.).0 5. % peso Máximo 5.000.000 1. oC C 1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B 5A 5B 6A 6B 7A 7B 8A 8B 9A 9B C Mínimo 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 Máximo (2) (3) Teor de enxofre .0 - V I S C O S I D A D E Água e Cinemática. 2 .Geração.0 0.000 80. mais a do sedimento por extração.000 30. o enxôfre ocasiona a formação de SO2 e SO3. Bizzo Ponto Ponto de de TIPOS fluidez Fulgor. igual ao indicado na tabela anexa. s volume (1) Máximo 2.0 5.5 1.0 5. e da pressão parcial do vapor de água nos gases de combustão.000 30.0 2.0 2.0 2. O teor de enxôfre é umas característica importantíssima para especificação e utilização de óleos combustíveis. Um gráfico típico do ponto de orvalho deo ácido em função do teor de enxôfre no óleo é apresentado na figura 3.0 2.0 2.000 (sem limite) (sem limite) Máximo 620 620 960 2. 5 e 6 auxiliam no estabelecimento da composição química elementar.10 26. e mesmo o poder calorífico.1. no máximo. diminuído de 6oC. 27 .5 1.0 2.0%.5 1.000 300.5 1. fornecendo dados estimativos a partir de propriedades facilmente mensuráveis. igual ao indicado na tabela anexa. Como explicado.0 5. os gráficos das figuras 4.0 2. 3 .000 80.0 2.300 2. por ser de importância fundamental na especificação dos óleos.0 2.O ponto de fluidez superior deverá ser. No caso em que não existe uma análise laboratorial.A quantidade de água por destilação. normalmente é fornecido.000 1.5 1.0 2. o qual em reação com a água dos produtos de combustão dever formar ácido sulfúrico. a 0.0 5.0 2.5 1.0 2.000 300.0 2.5 1.8oC 60 oC a 50oC.0% (percentagem em vol.0 1. no máximo.0 2. O teor de enxôfre.0 5.0 2. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.0 5.000 10.O ponto de fluidez superior deverá ser.EM 722 .0 5. não deverá exceder 2. % peso Água por destilação.10 4º 0. Bizzo Tabela 3.EM 722 . C Ponto de fulgor. C Viscosidade SSF a 50 C cSt a 60 C Poder calorífico inferior. Relação entre peso específico do óleo combustível e seu teor de hidrogênio.5 (max) 0.7 max) 3 0.1 0.0100 1.0 (max) 1º 0.78 9 1. kcal/kg Poder calorífico superior. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.75 6 0. Análise de óleo combustível tipo 1 B.1 0.10 2º 0. MÉDIA TRIMESTRAL ENSAIOS Água e sedimentos.10 OBS.1 0. kcal/kg *Dados obtidos por extrap.96 6 0.0035 0. Ensaio a 65 C 10470 10470 10470 10470 66 (min) 600 (max) 620 (max) 76 600 9880 74 600 9880 68 600 9880 66 600 9880 5. % volume Densidade relativa. 28 .1 RESOLUÇÃO CNP 2.0122 0.Geração. % peso Ponto de fluidez superior. 20/4 C Enxofre.9932 0. Figura 4.10 3º 0. 92 45832 kJ/kg 10954 kcal/kg 42944 kJ/kg 10263 kcal/kg 0 1.998 95 F 0.85 43501 kJ/kg 10397 kcal/kg 40935 kJ/kg 9784 kcal/kg 280 12 4.Geração.06 46420 kJ/kg 110940 kcal/kg 43406 kJ/kg 10374 kcal/kg 2 56 0.801 41 Diesel 0. oC Ponto de Fluidez.99 36 - 39.978 90 BTE 0. Análises típicas de derivados de petróleo.EM 722 .892 80 BPF 0.5 44857 kJ/kg 10721 kcal/kg 40867 kJ/kg 9.829 - OC-4 0.1 43103 kJ/kg 10397 kcal/kg 40935 kJ/kg 9784 kcal/kg 278 12.5 0.958 97 2. oC Índice de Cetano Enxofre % Peso Poder Calorífico Superior Poder Calorífico Inferior Querosene 0. Bizzo Figura 4.0 32 - 2. Relação entre peso específico do óleo combustível e seu teor de hidrogênio. oC Viscosidade CIN 20oC. Tabela 4.4 - 15420 520 15230 502 23060 790 22000 775 0. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. ANÁLISES TÍPICAS Densidade 20/4oC Ponto de Fulgor.0 43270 kJ/kg 10327 kcal/kg 41186 kJ/kg 9844 kcal/kg 170 14 0.76 43865 kJ/kg 10484 kcal/kg 41388 kJ/kg 9892 kcal/kg 29 .976 kcal/kg 173 12 4.946 88 E 0. cSt Viscosidade SSU 100oF Viscosidade SSF 122oF Viscosidade SSF a 65oC Ponto de Névoa. 30 . Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Figura 6. Bizzo Figura 5. Relação entre a densidade de um óleo combustível à temperatura T e sua densidade à 15 ºC. densidade relativa.Geração. Relação entre Poder Calorífico. teor de enxofre e carbono/hidrogênio para óleos combustíveis.EM 722 . 815 106 89 158 1.81 8.860 73 73 73 1.3/1 78. Propriedade Fórmula química Peso molecular Densidade a 20oC Relação estequiométrica ar / combustível % Carbono em peso % Hidrogênio em peso % Oxigênio em peso Início temp.5 99. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. 31 .79 9.2 78.5 Metanol Anidro CH3OH 32 0. Características Técnicas do Álcool Etílico No quadro apresentam-se as características do álcool etílico hidratado e anidro.2 Etanol Hidratado C2H5OH 19H2O 0.815 110 92 162 1.063 7% 99.077 9% 95 93.0 35 78. lemi. de ebulição o C Calor latente de vaporizacão kcal/kg Temp.0 250 90 367 10 500 0. Ebulição o Gasolina (CH)x 144 0. comparando-o com a gasolina e álcool metílico. Tabela 5.0/1 52. além dos óleos combustiveis. aplicações específicas e algumas propriedades típicas estão disponíveis na tabela 4.5 12. Belo Horizonte 1983).5 50 65 65 270 570 4 600 0.760 110 90 160 1.2/1 84.79 6. apresentam.0 C 40.2 Término temp.2 237 580 5 952 0.0 16.73 15.Paulo Penido Filho.45/1 37.055 1. Bizzo Outros derivados.061 14% 99.3 216 550 6 400 0. e do álcool combustível na tabela 5.Geração.EM 722 .5 99.0 13.68% - Etanol Anidro C2H5OH 46 0. de auto-ignição o C Poder calorífico inferior kcal/kg Calor de combustão da mistura quimicamente correta kcal/litro Índice de octano método Research Índice de octano método motor Índice de octano calculado Fator de acréscimo do número de moléculas durante a combustão Efeito de superalimentação Graus GL (%Volume) Graus INPM (%peso) (extraído de “Os Motores de Combustão Interna” .3 78. 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. no que se refere a potencia de um dado queimador. Propriedade de combustíveis gasosos: Algumas propriedades importantes necessitam ser conhecidas para os combustíveis gasosos.o descolamento da chama. Outros gases. em cromatógrafos químicos. Velocidade de chama: é a velocidade de uma frente de chama de uma mistura ar/combustível. dada a necessidade de investimento em infraestrutura. Densidade relativa: é a densidade do gás relativa ao ar nas mesmas condições de temperatura e pressão. O conhecimento de parâmetros de velocidade de chama é útil também para a intercambiabilidade dos gases. Gás Liquefeito de Petróleo é importante combustível.2 . Bizzo 2.Geração. e 32 . respondendo a demanda por fontes de energia mais limpas e eficientes. que tem aproveitamneto restrito as proximidades desta. além de gases residuais de refinaria. tais como. os gases manufaturados de nafta são produzidos e distribuidos localmente por rede de tubulações. A composição química pode ser fácilmente determinada através da análise laboratorial. Gás Natural tem sido explorado recentemente. O poder calorífico é normalmente dado em termos de energia/volume. 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.EM 722 . o que dificulta sua maior utilização.COMBUSTÍVEIS GASOSOS Os combustíveis gasosos tem aumentado sua aplicabilidade na industria nacional. Dois fenômenos podem ocorrer em queimadores de gás: . A limitação de seu crescimento está na disponibilidade e distância dos centros consumidores pela sua maior dificuldade de transportes. efetuada sob determinas condições. Em alguns casos pode ser fornecido em termos de energia/massa. Em outras palavras. quando a velocidade da mistura não queimada é maior que a velocidade de chama. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. deve ser transportado por gasodutos. relativa a determinada condição de Temperatura e Pressão. no sentido de se garantir a estabilidade de combustão em queimadores. gases com o mesmo número de Wobbe vão apresentar o mesmo desempenho energético. tanto de aplicação industrial como doméstica. porém. 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. adotado como gás padrão. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. A fim de se utilizar este conceito o índice de Weaver...Geração. O índice de Weaver é definido como: S= Vgas VH2 Uma mistura de gases tem seu índice de Weaver calculada da seguinte forma: S= aFa + bFb +L +iFi A + 5z − 18. De qualquer maneira. se laminar ou turbulento.EM 722 . mas a maioria dos equipamentos industrias operam com combustão turbulenta . o conhecimento da velocidade de chama em laboratório dá uma medida qualitativa do combustível. A velocidade de chama varia com a temperatura da mistura. Diversos métodos existem para a medição de velocidade de chama.i: frações molares dos constituintes A : relação ar/combustível volumétrica e estequiométrica da z Q : fração molar dos inertes no combustível : fração molar do oxigênio no combustível A tabela abaixo apresenta o coeficiente para alguns gases: Gás H2 CO CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C2H4 C8H6 F 338 61 148 301 398 513 454 674 33 . Bizzo . a relação ar/combustível e com o padrão de fluxo. quando a velocidade de chama é maior que a velocidade da mistura ar/combustível.b. 8Q + 1 onde: mistura Fi : coeficiente de velocidade chama a. As medidas de velocidade de chama em laboratório são feitas quase sempre nos regimes laminares. dá uma medida da velocidade de chama em relação ao hidrogênio.o retôrno de chama. porém nenhum destes reproduz com exatidão uma situação operacional.. 34 . As tabelas 7.0 30. Bizzo Gás Liquefeito de Petróleo A aplicação industrial de GLP tem sido feita em processos em que a limpeza é fundamental. Algumas composições de gás natural em diversas bacias mundiais são apresentados na tabela 6. lenha e nafta petroquímica. apresentam alguns dados sobre gases manufaturados de carvão.Geração. ou em bacias produtoras de gás natural.79 Gás Natural A exploração do gás natural pode ser feita através da produção do " gás associado" a um poço de petróleo.7 32. com frações de gás leves que justifiquem seu aproveitamento. matalurgia e cerâmica fina. o gás é queimado localmente em chamas abertas na atmosfera (flare). Gás natural é basicamente metano. Sempre há produção de gases associados a exploração do petróleo. ou o centro consumidor está muito distante. Para efeitos práticos de combustão pode ser considerado como uma mistura em partes iguais de propano e butano. O GLP é uma mistura de frações leves de petróleo na faixa de 3 e 4 carbonos na cadeia. Gases manufaturados Gases são fabricados a partir de diversos combustíveis como carvão mineral.EM 722 .6 20. nafta e lenha. Sua composição pode variar de local a local. Quando a produção de gás é pequena. tais como em fornos alimentícios.9 14. 8 e 9. A composição varia principalmente em relação ao processo de fabricação e síntese e em relação a matéria prima. com algumas parcelas leves de etano e propano.7 22600 21050 2060 molecular 48. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. a seguir. Um resultado médio de diversas análises é dado na tabela a seguir: composição em massa etano propano propeno butano buteno PCS (kcal/Nm3) PCI (kcal/Nm3) densidade (kg/Nm3) massa média % 1. 69 3.10 93.EM 722 .90 0.62 0.30 9.02 90.26 0.20 2.60 0.15 2.70 9.48 0.72 0.60 0. Gás Natural Componentes % volume M 95 87.576 41.60 1.70 0.00 39.87 0.70 90.35 0.635 45.50 0.05 0.647 H2S 5.755 4.79 6. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.00 2.40 9.10 18.89 0.768 3.13 1. Bizzo Tabela 6.94 0.20 63.45 4 1 38.Geração.40 39.605 48.78 0.20 6.601 E Pr B Pe Hx CO2 O2 N2 MJ/Nm3 Densid ade (seco) Localidade Campo PCS Argentina Comodoro Rivadávia Canadá (Alberto) Turner Vallei Chile (Terra do Charnasci Sol) lla Arábia Saldita Air Dar Rússia Suretou Venezuela Santa Rosa Venezuela La Pica Observação: M = Metano E = Etano Pr = Propano B = Butano Pe = Pentano Hx = Hexano 35 .05 0.62 0.50 1.40 8.24 0.03 27.20 76.80 26.62 0.80 5.31 0. 269 4.6 63 20.6 7. % vol.1 10. O2 0.060 C2.4 gás de forno de carvão coque 0.8 62 559.617 4. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.490 1.Gases manufaturados de carvão.Geração.185 Total seco 7.43 4. Bizzo Tabela 7 .210 3.4 0.48 4.5 gás de retorta cont.425 4.7 9.5H2 CH4 0.572 0.904 C2.25 Densidade relativa 0.9 525. com vapor 0.2 2 2.0 471.407 0.3 .5H5 CH4 0.3 H2O N2 Ponto de orvalho. gás de gás de baixa retorta temperatu horizonta ra l Composição.5 CO 4 H2 30 CH2 52 N2 4 Composição assumida CnHm C4H8 CH4 C1.165 3.6 25 6 4 2 18 49. gás de retorta cont.917 5. vol/vol 8.5H5 CH4 0.106 8.7 69.EM 722 .439 1.779 5.156 3.0 21.269 0.2 466.950 H2O vol/vol 1.271 4.974 3. vert.500 0.3 21.62 ao ar Ar teórico.5 21.8 499.4 C2.769 0.4 20 6.0 62 540.4 71.690 N2 vol/vol 6.3 69.1 482.5 8 52 30 4 3 3 9 53. o C dos gases de exaustão Poder calorífico superior BTU/ft3 inferior BTU/ft3 30 in Hg 60oF saturado 36 18.743 3.545 Total úmido 9.4 0.667 5.2 420.5 CO2 C4H10 4 2 3.490 1.38 4.3 69.6 5.4 54 28 5.0 804.235 Gases produtos teóricos CO2 vol/vol 0.40 4.5 8.708 C1H5 CH4 0.3 59 889. vert.495 Gases produtos teóricos % volume CO2 10.1 61 69. Umidade . mas no Brasil está restrito a região Sul. dada ao seu potencial de utilização.Enxôfre total 37 .COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS Os principais combustíveis sólidos são a lenha e o carvão mineral. proximos aos centros produtores.3 . Este tem importância grande na produção de energia térmica e elétrica na Europa. Bizzo Tabela 8 -Composição típica de gás de lenha com umidade de 15 a 22%.EM 722 . Algumas propriedades devem ser conhecidas nos combustíveis sólidos: Análise imediata: São determinados alguns parâmetros relacionado com a utilização do combustível: .Cinzas . A lenha tem grande importância no Brasil. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.Material volátil . composição CO H2 CH4 H2O CO2 N2 PCI (kcal/Nm3) % volume 18 15 1 12 10 44 ~1000 Tabela 9 -Composição típica de gás de lenha com umidade de 15 a 22%. composição CO H2 CH4 H2O CO2 N2 PCI (kcal/Nm3) % volume 18 15 1 12 10 44 ~1000 2.Geração.Carbono fixo . 21 1.64 1.90 Crisciuma 46.2 12.79 1.27 17.96 42.8 13.29 0.0 Tubarão 46.0 49. tais como a alumina.35 0.05 3. Bizzo A matéria volátil é a parte do combustível que se separa em forma gasosa durante o aquecimento do mesmo. O teor de voláteis tem influência no comprimento de chama.76 15 33.8 Sta.6 - 4. óxido de magnésio.02 19.80 0.90 23.88 49.6 Cabo Frio (b) 12. Compões-se principalmente de carbono.10 27.51 9.50 27. Tabela 10. monóxido de carbono e metano. As principais propriedades de carvões brasileiros são apresentados na tabela 10. 38 .18 11.52 - 9. Propriedades dos carvões nacionais.5 33. Volátei s % 32.59 21. no acendimento e no volume necessário da fornalha.99 2.11 3.Geração.09 10 15. etc.58 - 13.34 - 0. É composto de hidrocarbonetos eventualmente presentes na estrutura sólida e outros gases. Catarina 20. Devido ao seu alto teor de cinzas e enxôfre.73 7. As cinzas englobam.2 PCS kcal/k g 4750 6340 6310 2895 3470 2520 é importante para Butiá Jacuí 42. O carbono fixo é o resíduo combustível deixado após a liberação do material volátil.0 3. todos os minerais incombustíveis e é composta basicamente de óxidos.: Os quadros em branco representam propriedades não avaliadas.63 12.6 Rezende Obs.82 40.85 1.42 29. não é muito utilizado industrialmente.10 1. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.4 11 25.6 Paraná 51. Procedência C % S % H2 % N2 % O2 % Cinzas % Umidade % Mat.5 Cabo Frio (a) 17. a não ser nas localidades próximas a minas produtoras. Carvão Mineral O carvão mineral brasileiro é utilizado principalmente na produção de energia termoelétrica e na indústria cimenteira. A umidade presente no combustível sólido determinação de seu poder calorífico inferior. óxido de cálcio. tais como o hidrogênio. que são formados num processo de pirólise.58 28. embora possa conter outros elementos não liberados durante a volatilização.EM 722 .0 RGS 56. O poder calorífico inferior vai depender muito do teor de umidade. quanto a sua forma física. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. a qual depende do tempo e método de aramzenagem. A lenha quando cortada possui por volta de 50% de umidade. como vem da colheita. a qual. Bizzo Lenha É um combustível amplamente utilizado no Brasil. dependendo da umidade relativa do ar é por volta de 15 a 25%.400 kcal/kg % água PCI (kcal/kg) 50 1990 35 2770 10 4070 Bagaço de cana O bagaço da cana-de-açucar é o combustível das usinas de açucar e alcool e utilizado localmente. A composição elementar é muito semelhante a lenha e suas propriedades podem ser tomadas como similares.EM 722 . É caracterizada por baixo teor de cinzas. Composição média da lenha sêca: Elemento % massa C 50. atinge a umidade de equilíbrio dentro de 3 a 6 meses. A análise elementar da lenha varia pouco com o tipo de árvore. logo após a moagem da cana.1 O 43. ausencia total de enxôfre e umidade variável.Geração. Outros combustíveis sólidos vegetais.2 Poder Calorífico Superior: 4. e isto é uma regra geral para todo material celulósico.2 cinzas 0. em toras empilhadas. "in natura" ou sêco e enfardado. principalmente em pequenas unidades produtoras. A variação do PCS quanto ao tipo de madeira também não é muito grande. geralmente resíduos de produção agro-industriais são utilizados ocasionalmente. exceto é claro. O bagaço é queimado diretamente com 50% de umidade.4 N 0. Estocada ao ar livre.2 H 6. As modernas usinas não consomem todo o bagaço produzido e o excedente pode ser fornecido a terceiros. tanto em aplicações domésticas como em aplicações industriais para geração de vapor. Algumas propriedade são apresentadas nas tabelas a seguir. e lista de alguns com propriedades típicas é apresentado na tabela 11. 39 . 1 15.6 13.9 25.9 39.0 9.4 0.9 7.EM 722 .5 Serragem 18.1 39.3 15.0 3. Composição elementar média para cálculos.9 (*) Análise feita no Laboratório de Combustíveis do DETF .7 arroz 15.3 N 0.0 0.1 18.3 7.3 café 21.9 44.s. base seca. % b. Poder calorífico (MJ/Kg.6 Cinzas .0 Bagaço de cana 9.8 19.2 86.8 1.9 39.4 obs.5 2.8 48. base seca base seca sem cinzas base seca base seca . % b.7 34. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.UNICAMP.4 6.6 12.1 0.1 Análise elementar.2 15.2 44.FEM . Propriedades de diversos combustíveis sólidos vegetais.0 15.0 Casca 65.3 2.FEM .0 57.0 0.8 48.4 0. 40 .8 O 35.5 0.s.3 % H 4.5 2.4 0.3 13.5 2.3 35.2 0.9 % N 0.7 Serragem 15.7 4.1 0.9 de arroz 69.4 Serragem 81.Geração.7 9.1 % Res. Biomassa %Voláteis %Cinzas Bagaço 73.3 0.3 59.1 5.2 de 24.0 14.2 % S 0.0 38.8 0.9 cana 16. Análise imediata (*).6 5.s.5 43.5 18.8 11.UNICAMP.2 de 19.4 4.3 5.2 % Cl 0.5 39. Bizzo Tabela 11.0 16.s.5 17.5 2.1 %C fixo 15. Análise imediata.3 S Cl 0.8 37.1 0.9 H 4.6 1.u Casca de arroz 12.2 Bagaço 17.1 5.7 17.8 10. base seca).6 45.4 0.0 0.) casca de arroz borra de café bagaço de cana serragem C 41.3 7.2 84.9 83.4 0.3 Borra 26. 18.3 de 15.1 0. Biomassa PCS PCI desvio Casca 16. % b. biomassa Componente % base seca (b.1 17.1 30.9 29.3 17.5 56.2 0.3 de cana 82.4 Borra de café 13.4 0. Biomassa Carbono fixo voláteis cinzas umidade % b.7 (*) Análise feita no Laboratório de Combustíveis do DETF . Biomassa % C % O Casca de arroz Borra de café Bagaço cana Serragem 41.0 72.7 14.1 0.3 5.4 5.3 16. com 25% de água em massa. com 45% de água (b. de custo menor. com as seguintes características: óleo combustível: densidade relativa 0. Calcule o PCI de uma emulsão de óleo vegetal. Caldeira queimando óleo combustivel com 1. 10% H em massa.u).EXERCICIOS CAP. óleo PCS 9421 kcal/kg PCI 8812 kcal/kg . utilizando-se 35% de excesso de ar. Óleo.5% enxôfre carvão mineral: jazidas de RGS* Para diminuir a viscosidade de óleos residuais.0% de enxôfre tem temperatura de saída dos produtos de combustão da ordem de 155 ºC. com 4% de enxôfre.)= 4400 kcal/kg Bagaço PCI (b. 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.5% de enxofre e densidade relativa 0. Supondo que seja ofertado um óleo de menor custo. está sendo testado uma emulsão de água + óleo. 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. PCS= 9. enumere os possiveis problemas que poderiam surgir.800 kcal/kg.u. Determine o poder calorífico inferior desta mistura. Dados: Bagaço PCS (b.s.95 2.s.).) = 4090 kcal/kg Determine a composição dos produtos de combustão (base seca) para queima de óleo combustível com 2. Determine o Poder Calorífico Inferior (base úmida) de bagaço de cana com 46% de umidade (b. dados.97. 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. paredes refratárias quentes vão irradiar o calor de volta para a chama. Do mesmo modo. novamente aumentando a intensidade da combustão. Temperatura e Turbulência.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. ele pode ter um efeito de esfriamento brusco e portanto o ar secundário é normalmente adicionado em etapas. a turbulência tem o efeito de fazer com que os gases quentes e os intermediários da combustão retornem para a zona de ignição. o ar secundário em excesso pode ter um efeito de esfriamento em qualquer chama. 41 .Geração. aumentando sua temperatura e a intensidade de combustão. Do mesmo modo. com a consequente redução no tempo de ignição. Se o ar secundário é adicionado rápido demais a uma chama que queima devagar. Se o ar secundário é adicionado com alta turbulência. seu desenvolvimento pode ser alterado pela proximidade das paredes da câmara. dando uma chama menor e mais intensa. De maneira semelhante. sobre a recirculação do gás. o contato eficiente depende de: Tempo. isto aumentará a turbulência dando uma chama menor e mais intensa a ignição mais estável. Enquanto que a turbulência inicial pode ser gerada pelo queimador. consequentemente sobre a sua temperatura. óleo pulverizado ou sólido pulverizado. Este efeito pode ser reduzido se usarmos ar secundário quente. Uma vez que a maioria das reações de combustão acontecem na fase gasosa. pode ser considerada semelhante no aspecto que a combustão ocorre na fase gasosa. Isto vai acontecer por exemplo. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. a chama vai perder calor rapidamente e sua temperatura pode ser tão reduzida que a queima cessa antes que se complete. 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.EM 722 . A combustão de gás de óleo vaporizado. Além de fazer uma boa mistura do combustível e do oxidante . Outro resultado de uma câmara de combustão fria será o alongamento da chama por causa das reações químicas mais lentas em temperatura reduzida. se o calor é irradiado para a base da chama ele vai reduzir a zona de pré-aquecimento. intensidade e estabilidade da chama. A maneira de introdução do ar secundário também pode afetar a forma. Considere as paredes da câmara de combustão fechada e fria. quando um forno é ligado frio. sobre o tempo em que os gases da chama são mantidos na zona de combustão e. Bizzo cap 3 . EM 722 . . incluindo o Brasil. Estes podem ser produzidos para utilização num processo perto do local de produção. Devido aos altos índices de Wobbe. Bizzo 3. existem os gases de baixo poder calorífico (gás de gasogênio) que são produzidos e queimados no mesmo local. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. No caso de GLP a velocidade de chama é semelhante à do metano.2 . ou serem produtos secundários de outros processos como por exemplo o gás de alto forno ou gás de forno de coque.6 .Geração. o gás vai precisar de uma velocidade maior para arrastar seu ar de combustão do que aquela exigida pelo gás de carvão.28. há uma tendência mundial em deslocar-se os gases do grupo 1 para o grupo 2. Tipos de queimadores de gases Podemos classificar os queimadores de gás em 3 tipos conforme a maneira em que é misturado o ar e o gás combustível: básicos. extraídos do carvão ou do óleo.87.Grupos de índice de Wobbe Grupo 1 2 3 Índice de Wobbe (MJ/m3) 24. Os gases combustíveis são frequentemente divididos em três grupos: Tabela 3. 42 . O índice de Wobbe é uma medida de energia do gás que passa através de um determinado orifício com uma determinada queda de pressão.queimadores com pré-mistura . mas o poder calorífico por volume e a razão ar/combustível por volume serão maiores.8 48. Assim. Os gases de baixo poder calorífico tem uma grande relação de volume/energia para serem economicamente distribuídos. Onde o gás natural não é disponível há tendência de produzir gases baseados em metano.4 .5 ~25 exemplo gás de rua gás natural GLP Além desses gases distribuídos. O gás do gasogênio caiu em desuso na década de 50 e nas últimas décadas voltou com um papel maior em alguns países. a capacidade de um sistema de distribuição em unidades de calor é aumentada através da mudança de gases do grupo 1 para o grupo 2.1 . Por causa da grande disponibilidade de gás natural.2 72.queimadores de chama de difusão .queimadores com bicos de mistura (ou de mistura direta). O metano tem uma razão ar de combustão/volume combustível cerca de duas vezes a do gás de carvão.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.1 .53.6 velocidade de chama alta baixa baixa A/C (vol) 3~4 7~8. Alguns tipos de queimadores de difusão 43 . Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. e portanto. especialmente os de pequenos tamanhos. utiliza-se então estabilizadores de chama na forma de jatos piloto que fornecem calor e espécies ativas para a base da chama. Alguns tipos de queimnadores de difusão são mostrados na figura 1. Alguns queimadores.EM 722 . Quando os gases do grupo 2 ou 3 são empregados num queimador de difusão. ou na forma de promotores de recirculação que fornecem calor e intermediários de cadeia para a base da chama principal. Bizzo 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. As chamas difusoras são usadas em queimadores pequenos porque elas são estáveis. tem boa faixa de controle e não requerem um ajuste de entrada de ar e de gás. uma chama muito intensa. Figura 1. o que permite que a estabilidade da chama seja mantida com valores úteis de fluxo de gás. silenciosas.Geração. dão uma chama permitindo uma grande área para a difusão do ar. a tendência é a chama se apagar na saída antes que ela possa arrastar uma quantidade útil de ar. Nêste caso. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 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. Figura 2. Queimador tipo Bunsen. Figura 3. Queimador de barra com pré mistura 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 44 EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo nafta. Gráficos de estabilidade representados na figura 4. de chama (diagrama fuidge) estão 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 45 EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 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). 46 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). intensifica a combustão. 47 . e portanto. Queimadores em túnel Nos queimadores de tunel a combustão ocorre dentro de um túnel refratário. O túnel refratário incandescente minimiza a perda de calor da chama.Geração. Bizzo Figura 7. Figura 8. Queimador DUAL óleo e gás. São em geral. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Este queimador se parece com um queimador de pré-mistura que opera numa condição permanente de retorno de chama. Combinação de injetor e câmara de combustão.EM 722 . O principal emprego dos tubos aquecedores por radiação é quando a contaminação do material com os produtos da combustão não é desejado. Queimadores a gás por radiação Podem ser do tipo de chapa radiante. Figura 9. mostra uma variação semelhante. o acendimento dos queimadores em túnel é difícil. tendo chamas de altas velocidades e maiores limites de inflamabilidade. Os queimadores com cuba radiante em que a chama incide sobre uma telha em forma de cuba. A proporção de calor radiante para o calor convectivo. raramente é mais do que 15%. diâmetro mínimo do tubo em que uma chama vai atravessar sem se extinguir. a gás. em que o gás/ar prémisturado sai passando às costas de um ladrilho poroso ou perfurado (figura 9). 48 . pode ser usado para dar um aquecimento indireto. altenativamente. 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. um tubo aquecedor radiante que pode ser simples ou com um sf terminal.EM 722 . Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Em geral. Queimadores típicos de radiação. Temperaturas até 1500 ºC na superfície são obtidas com tubos de cerâmica. As mudanças na contrapressão do forno podem fazer necessário uma pequena pressão positiva de gás. SEGURANÇA E CONTROLE DOS QUEIMADORES A GÁS Pode ser visto no diagrama da figura 10 que os gases que contém hidrogênio. Bizzo A forma do túnel utilizado pode alterar a eficiência da perda de pressão do queimador. emitido por um aquecedor radiante direto. apresentam maior risco de ignição.Geração. O diâmetro de esfriamento. Geração.4cm com Oxigênio Estes valores são aproximadamente a metade É claro que uma chama misturada anteriormente é perfeitamente segura. um aparelho corta chama que consista em diversos tubos de diâmetro pequeno.Vazamento de gás durante os períodos de inatividade. Figura 10.EM 722 . vai impedir a travessia da chama. Bizzo Tabela 1 . Diagrama de velocidade de chama adiabática horizontal pré misturada de diversos gases. causado por:. Num tubo de diâmetro maior. Mas na medida em que frente de chama avança dentro de um tubo. um grupo de tubos. desde que o diâmetro do tubo de mistura não exceda o diâmetro de esfriamento.5cm 0. à maioria dos outros tipos de queimadores).Uma tentativa de ignição sem sucesso. nas condições normais. 49 . o corta chama deve estar na boca do tubo de mistura.Diâmetro de esfriamento de diversos gases com Ar Metano Propano Butano Gás de rua Hidrogênio 1 cm 1 cm 1 cm 0. Portanto. ela pode acelerar e formar uma onda de denotação que não vai ser parada por um corta chama. ou um pacote de metal enrolado. A ignição nunca deve ser feita quando pode haver um volume considerável de mistura combustível na câmara de combustão. . Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Regras de segurança bem óbvias são aplicáveis aos queimadores a gás (e em menor extensão. O aquecimento do líquido e temperaturas mais altas que 260 ºC pode causar mudanças na estrutura do combustível com craqueamento e formação de carbono. a alta radiação da chama é vantajosa.Gás de combustão escapando através de um corta chama ou através de um maçarico de bico menor do que o diâmetro de esfriamento. . as linhas de conexão vão conter ar. ou depois que a manutenção tenha sido feita. especialmente em fornos metalúrgicos. Então o ciclo de ignição deve ser recomeçado. 2) Verifique o funcionamento do sistema de ignição. os queimadores a óleo são semelhantes aos queimadores a gás. os quais podem ser vaporizados diretamente do líquido. portanto.EM 722 .célula fotoelétrica (I.R. querosene ou óleo destilado. ou U. 3) Ligado o piloto ou o gás principal de baixa porcentagem. fazendo que a chama se torne luminosa e de grande emissividade. Se alguma vez correr o apagamento da chama. Verifique a presença da chama. pois são feitos para queimar o óleo na fase de vapor. Quando a transferência térmica convectiva é utilizada. tanto com:. verifique a presença da chama. Bizzo . 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.Um gás inerte . o fluxo de gás deve ser interrompido e a câmara de combustão deve ser purgada com ar.V.Perda de combustão. Isto se aplica para a combustão de gasolina. 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. 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. Todas as linhas deveriam ser purgadas antes do funcionamento.sensor de ionização. A presença de chama pode ser detectada por: . Dependendo da viscosidade do óleo. Para muitos propósitos. 4) Ligar a chama principal na potência normal. prefere-se em geral uma chama não luminosa. a proporção vaporizada será maior ou menor. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. 50 . ou via um pulverizador que produz gotículas que são totalmente vaporizados antes de entrarem na zona de combustão.Geração. além disso vai haver o craqueamento que irá produzir um resíduo de carbono.) QUEIMADORES DE ÓLEO Em geral. a mudança para o gás pode envolver uma mistura combustível num dado ponto. o qual apresenta queima lenta. Num queimador novo. Nos queimadores industriais esta sequência de segurança é automática. sendo que suas desvantagens são as de requerer boa filtragem do combustível nos tamanhos menores e que devido ao fluxo ser proporcional a e o tamanho da gotícula a 1/P. . menor deve ser o tamanho médio das gôtas. Uma desvantagem dos tamanhos menores é o pequeno tamanho do orifício de controle do fluxo ou jato atomizador que é necessário.Pulverizador de 2 fluídos para pressão baixa. com consequente risco de entupimento. As gotículas são formadas pela alta velocidade do jato de óleo saindo do orifício de encontro a massa de ar ambiente. Bizzo QUEIMADORES PULVERIZADORES Os queimadores pulverizadores são disponíveis em tamanhos de cerca de 15 kw para cima. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.nas unidades pequenas. Os métodos para se superar isto são: .Copo rotativo.EM 722 . Figura 11. O uso 51 . O pulverizador a jato por pressão é provavelmente o tipo mais usado. 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. ele é inflexível na variação do P1/2 fluxo se o tamanho da gotícula tiver que ser mantido. controle "liga/desliga". média e alta.nas unidades maiores. Os pulverizadores podem ser divididos em três tipos: . sem mudança dos tamanhos das gotas. . De modo geral. 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.Jato de pressão com fluxo constante ou fluxo variável.Geração. quanto maior a velocidade relativa entre líq uido e ar. pode ser usados os jatos múltiplos controlando a taxa de potência. . Queimador a óleo com atomização mecânica. variando-se a quantidade de pulverizadores em uso. para provocar a pulverizaçao do óleo. Queimador a óleo com pulverização a vapor. . Figura 12. Existem três tipos de pulverizadores de 2 fluídos:. sendo portanto. Os pulverizadores de 2 fluidos se utilizam de um fluido auxiliar. 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. o qual pode ser feito em muitos estágios. Bizzo destes não é muito comum. como fluído pulverizador. Até 30% do requisito de ar pode ser necessário para a pulverização.Pressão alta . Cerca de 2 a 3% da quantidade total necessária é utilizada para a pulverização em pressões acima de 100 kPa (1 atm). .Pode utilizar ar ou vapor levemente superaquecido.O ar é fornecido por um ventilador para pressões < 10 kPa (0. Novamente é a velocidade relativa dos fluidos que vai comandar o tamanho das partículas.EM 722 . As figuras 12 e 13 apresentam dois tipos de pulverizadores a 2 fluidos.Geração. geralmente ar ou vapor.Pressão baixa .Utilizam ar entre 7 e 100 kPa (0. mostrado na figura 11 Um exemplo de pulverizador a jato de pressão é Pulverizador de 2 fluídos. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. 52 .1 atm) .07 a 1 atm). O volume de ar utilizado é da ordem de 5% da quantidade total.Pressão média . mais apropriados para combustíveis de alta viscosidade. Um jato de fluido auxiliar corta o jato de óleo provocando a quebra das gotículas. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo Figura 13. Queimador de pulverização a ar Pulverizador com copo rotativo. 53 .Geração. Queimador de copo rotativo.EM 722 . Figura 14. Geração. æ medida que o óleo é arremessado da borda do copo num disco fino. Num forno industrial otimizado é possível manter-se a exigência de ar excedente abaixo de 20%. maior será a estabilidade da chama e menor e mais intensa a chama. se utilizamos pré-aquecimento do ar de combustão. O calor pode ser fornecido pela radiação de um cone de refratário quente ou como é mais frequente. devido a uma mistura inadequada. junto com a recirculação dos gases quentes da combustão. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. quando necessário. Um queimador para um forno de cimento é um exemplo onde a pulverização "grossa" é empregada. em geral. Bizzo Neste tipo de óleo é introduzido para o centro de um copo que gira rapidamente até 5000 rpm. este precisa ser feito principalmente através do ar secundário. Se for necessário usar um alto grau de pré-aquecimento do ar. e assim reduz-se a formação de SOx.EM 722 . que pode ser o injetor de óleo. A formação de fumaça nos queimadores a óleo. pode ser usado para fornecer o pré-aquecimento. apresentam a vantagem de que todo ou quase todo ar é fornecido como ar secundário e portanto. a recirculação interna é feita por uma turbulência rotacional no ar secundário ou pela utilização de um obstáculo. pode ser sinal de: . produzirão uma chama comprida e bem estável. Portanto. Geralmente. PROPORÇÃO DE AR PRIMÁRIO/SECUNDÁRIO Uma pulverização "grossa" pode ser empregada deliberadamente a fim de alongar a chama. a qual pode ser absoluta ou local. o pulverizador com jato por pressão e o pulverizador de dois fluídos com alta pressão. e nas instalações grandes tal como nas caldeiras de uma termoelétrica. 54 . A presença de gotículas maiores também vai aumentar a proporção de craqueamento antes da vaporização e daí aumentar a radiação da chama. Uma turbulência relativamente alta e pulverização "grossa". Em escala industrial. ele é pulverizado pela corrente de ar primário (10% do total). pode ser possível reduzir-se o excesso de ar para baixo de 5%.insuficiencia de ar para a combustão. figura 14. embora sempre possa provocar o aumento da emissão de material particulado. A quantidade de ar para combustão estequiométrica de óleo reside na faixa de 13-15 kg de ar por quilo de óleo. quando voltam para a base da chama. ESTABILIZAÇÃO DA CHAMA A chama é estabilizada pelo fornecimento de calor e intermediários das reações da combustão para a zona de ignição. A recirculação é em geral interna. quanto maior a quantidade de recirculação rotacional. Queimadores de pequeno porte podem utilizar um obstáculo como estabilizador de chama que atua tanto como "bluff body" como promotor de turbulência rotacional. pois a alta temperatura do ar primário pode causar craqueamento do óleo. Podemos classificar os queimadores de sólidos em 3 tipos básicos: .amolece. .queimadores de leito fluidizado 55 . .fazer a transferência de calor para o combustível que está entrando para iniciar a combustão. .formação fraca da chama. valor calorífico mais baixo tanto em base de massa como de volume.queimadores de leito fixo .3 . antes que seja completada a combustão.providenciar uma superfície de transferência térmica para absorver o calor útil. . a incidência da chama sobre superfícies frias (pode ser inevitável no primeiro acendimento). pode causar o resfriamento local e a formação de fumaça. Taxas de excesso de ar acima de 50% frequentemente vão causar fumaça. .Turbulência excessiva. .queimadores de combustível pulverizado . Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. que não é combustível.Geração. . que queima.resfriamento da chama. Outros combustíveis vão ter.fazer suficiente mistura dos voláteis e do ar de combustão. As áreas da grelha e os volumes da câmara de combustão geralmente serão maiores para a mesma potência que para a queima de carvão (coque ou carvão vegetal). . . .deixa um resíduo sólido .fornecer uma proporção adequada de transferência de massa entre o sólido e o ar.QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEL SÓLIDO O carvão é o combustível sólido mais usado mundialmente e o estudo acerca dos combustíveis sólidos vai ser largamente baseado na combustão do carvão mineral. ele: . e vão conter frequentemente alta proporção de água. Se uma quantidade excessiva de ar frio incidir numa chama.fornecer espaço para a combustão completa.Gotículas grandes que deixam a zona de combustão antes que a reação esteja completa. Isto pode ser causado por: .fazer contato entre o combustível sólido e o ar de combustão.cinza. Os requisitos para um queimador de combustível sólido são: . . A chama é esfriada abaixo da temperatura de reação. 3. Bizzo .providenciar a remoção da cinza.coque.Excesso de ar de combustão.deixa um resíduo sólido . antes que a reação da combustão seja completada.EM 722 . Em certas circunstâncias pode causar a formação de fumaça devido ao escape forçado de partículas da zona de queima. . que queima. Na combustão do carvão (ou material vegetal).solta material volátil. as principais reações depois da devotalização são: C 2 H2 + + O2 O2 → → CO2 2 H2O Quando o carvão mineral é aquecido. em geral. As partículas pequenas vão atingir a temperatura de reação rapidamente. A semelhança é reforçada por causa da similaridade das características de queima entre uma partícula de combustível pulverizado e uma gotícula de óleo combustível residual.A transferência de massa é feita principalmente por difusão. . e consequentemente vai dar uma chama mais longa e menos intensa do que a do óleo combustível sob as mesmas condições. Figura 14.Geração. e portanto. aquecidas pelas paredes laterais ou pela massa da chama através da radiação ou através da recirculação dos gases quentes. A partícula típica de combustível pulverizado vai ter um tempo maior de combustão.A área de contato entre as partículas e o ar é alta. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. . Bizzo Queimadores de Combustível Pulverizado O carvão pode ser queimado em partículas minúsculas que se movem com o fluxo de gás. . .A remoção da cinza é feita por elutriação no fluxo do gás de exaustão ou por sedmentação depois da coalescência das partículas de cinza liquefeitas. por micro-turbulência ou pela velocidade de evolução do gás das partículas. . é lenta (mas é compensada pela grande área de transferência de massa).A mistura dos voláteis e dos gases de combustão é feita por difusão.A transferência de calor é feita por convecção dos gases quentes e por radiação das partículas e do gás da zona de combustão. Tipos de queimadores pulverizadores.EM 722 . da maneira que ocorre na queima de óleo pesado pulverizado. No queimador de combustível pulverizado em que as partículas de carvão se movem em suspensão no fluxo de gás. 56 . a transferência de massa entre o combustível e o oxidante é uma função da micro-turbulência e difusão. A limpeza regular e frequente dos tubos é necessária nas caldeiras. por recirculação do gás quente ou em geral por uma mistura dos três. A fim de evitar o depósito de carvão nos tubos de alimentação. geralmente não são econômicos em tamanhos abaixo de 12-15 t/h. Devido à quantidade de calor necessária para estabilizar a combustão. .Geração.EM 722 . Para isto ser feito sem paralização. Os queimadores de combustível pulverizado são usados em grandes instalações. o que não é econômico numa unidade pequena. uma chama de combustível pulverizado precisa ser iniciada por um queimador grande a gás ou a óleo. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. O queimador utilizado para ignição vai ser em geral retrátil. Alternativamente. sendo da ordem de 85% < 75 µm. requerendo precipitadores eletroestásticos que são mais econômicos em larga escala. O tamanho do carvão usado para queima pulverizada varia com as características. e portanto. vai aderir ás superfícies de troca de calor. Uma vez que é difícil armazenar o carvão pulverizado.A cinza do combustível pulverizado é difícil de se remover do gás de saída. é necessário uma velocidade de ar de 20-30 m/seg. . Isto pode ser por radiação: do refratário quente. é necessário equipamento para soprar a fuligem. da chama. ele é geralmente moído até o tamanho adequado.O custo do equipamento de pulverização e de transporte se torna significativo. Bizzo Para combustão e ignição estável é essencial que uma quantidade suficiente de calor seja transferida para a base da chama. para evitar danos por superaquecimento quando o queimador de combustível pulverizado estiver em operação.A taxa de controle é limitada. a menos que sejam primeiramente resfriadas por radiação. a fim de se remover os acúmulos de cinza muita fina.Há a dificuldade de ignição e há falta de estabilidade para chamas pequenas de combustível pulverizado. e assim evita-se qualquer risco de retorno da chama. A figura 14 apresenta alguns tipos de chama de carvão pulverizado e a figura 15 apresenta um esquema de uma câmara de combustão de carvão. Normalmente a cinza do combustível pulverizado deixa a chama acima de seu ponto de fusão. Não é possível estabilizar-se uma chama pequena de combustível pulverizado fora da câmara de combustão. pois: . . Isto está bem além da velocidade de queima de combustível pulverizado da ordem de 10 m/s. a cinza pode ser mantida líquida e removida como escória. . o "abafamento" é impossível. 57 . transportado por ar quente que serve para secar o carvão e transportá-lo do moinho para o queimador: O ar de transporte atua como ar de combustão primário. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. . em gerador de vapor Queimadores de Leito Fixo O combustível pode ser apoiado numa grelha: .A remoção das cinzas é feita por baixo através das barras da grelha ou removendo-se as cinzas e borra da grelha.O leito fixo de combustível atua como um reservatório de calor mantendo a combustão e promovendo a ignição.A transferência de massa entre o ar e o combustível estacionário pode ser boa. Câmara de Combustão ciclônica para carvão pulverizado. Bizzo Figura 15. Os tipos de queimadores em que o combustível é queimado numa espécie de grelha são empregados em geral nas unidades pequenas e 58 .Os voláteis são normalmente queimados em cima do leito utilizando-se um fornecimento de ar secundário. . .A área de contato entre o sólido e o ar é pequena. . .EM 722 .A transferência de calor é feita por radiação da superfície quente do leito e por convecção dos gases quentes.Geração. Contém mais peças móveis perto da área de combustão. Grelha fixa Pequenas unidades para combustão de lenha em toras ou pedaços. facilmente abafado. Bizzo médias. com carvão até 12 t/h e em unidades maiores com bagaço de cana até aproximadamente 100 t/h. consequentemente.Geração.Ocupa volume do forno reduzindo a disponibilidade da área de troca de calor. Náo há necessidade de equipamento de pulverização. Alguns tipos de grelha em escada 59 . Vantagens: . Figura 16. figura 16.EM 722 . se utilizam de grelha de barras fixa. Desvantagens: . Não são necessários equipamentos sofisticados para a limpeza do gás de combustão. pode ter grandes exigências de manutenção. ou grelha em escada. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A.Boa taxa de controle. EM 722 . Este tipo de grelha é apropriado para queimar a maior parte dos tipos de carvão e também combustíveis vegetais tal como a serragem ou o bagaço. e também pode perder combustível junto com cinza muito fina. um ciclone vai remover de modo adequado toda a cinza do gás de exaustão. carregada por projeção 60 . Desvantagem: não vai queimar carvão grande ou antracita. Bizzo Grelha a Distribuidor. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Grelha a Distribuidor. carregada por projeção (figura 17) O combustível é impelido por um alimentador rotativo ou pneumático para cobrir toda a área de uma grelha móvel. sendo que a maior parte de combustível queima na grelha. Em geral. As partículas menores podem queimar em suspensão. Figura 17.Geração. tende a perder cinza muito fina por arraste. O ar primário para a combustão é alimentado através da grelha e o ar secundário acima da grelha. O ar secundário é fornecido acima do leito para queimar os voláteis e o CO. As características são: . . A presença de finos excessivos também vai causar perda de combustível através da grelha. A faixa de tamanho da grelha em esteira varia até 13 m de comprimento por 2 m de largura.Geração. através das barras da grelha. O alimentador em esteira vai queimar eficientemente a maior parte dos tipos de carvão. controlado por uma guilhotina de até 10 cm de profundidade. Figura 18. são preferidos os carvões com mais de 7% de cinza. Em geral. alimentando-se carvão com umidade da ordem de 15%. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. isto pode ser solucionado.A ignição é feita por meio de radiação dum arco de ignição acima do leito. Um carvão coquificante pode causar má distribuição de ar pela canalização. A taxa de controle é boa e a resposta às mudanças na taxa de queima é rápida.Um leito de carvão relativamente fino.O ar primário é fornecido por baixo do leito. . Um conteúdo de cinza relativamente alto no carvão é necessário a fim de proteger as barras da grelha do superaquecimento.EM 722 . Ela é mais usada para as instalações maiores. Bizzo Grelha em Esteira (figura 18) Esta categoria também pode ser utilizada para incluir grelha vibratória ou basculante. Grelha em esteira rotativa. 61 . desde que o tamanho de pulverização seja adequada: 15 a 50 mm. . a velocidade de transferência de massa e de combustão vai ser aumentada. mas nem sempre. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. 62 . mas em geral eles deixam pouca quantidade de cinza apfs a combustão. No caso limite as partículas de combustível vão ser suportadas pelo fluxo de ar ( figura .EM 722 . Um tipo de forno utilizado em geral. A figura 19 apresenta exemplo de forno deste tipo. formando uma pilha de combustível.Geração. Fornalha Ward para queima de bagaço de cana. .A área de contato entre o combustível e o ar é grande (apesar de ser menor do que para o queimador de combustível pulverizado).20). reduzido ainda mais por seu alto conteúdo de umidade. Bizzo Queima de Combustíveis Vegetais em Pilha A maioria dos combustíveis vegetais tem baixo poder calorífico. para o bagaço ou para resíduos de madeira empregada a alimentação de combustível por gravidade. O fornecimento de ar é feito através de aberturas mas paredes da câmara de combustão. o ar primário pode ser fornecido por baixo da grelha. em pilha. Figura 19. Queima fluidizada Se num leito fixo a velocidade do ar é aumentada e o tamanho da partícula é reduzido. líquido ou gasoso dentro de um leito inerte quente de partículas fluidizadas. as partículas passam a ser suportadas pela corrente de gás (fluidização incipiente). as partículas e as superfícies com as quais estão em contato são boas.O leito atua como um reservatório de calor. ainda mais a distância entre as partículas aumenta. num leito composto por partículas de tamanho ( ou densidade) mistas.Os voláteis são queimados dentro e em cima do leito fluidizado. vão ser elutriadas do leitor. o conteúdo de combustível no leito sob condições de equilíbrio pode ser da ordem 1%.Quando a velocidade do gás é aumentada ainda mais. é possível queimar-se qualquer combustível sólido.Geração. .EM 722 . a resitência ao fluxo vai ser uma função da velocidade do gás e do espaço livre entre as partículas. A fluidização ocorre entre a velocidade mínima em que a força total de arrasto é igual ao peso do leito e uma velocidade máxima relacionada à velocidade terminal de queda das partículas. . . 63 . Bizzo . menos boa no sentido transversal ao fluxo de gás. O leito se comporta como um fluído e uma densidade aparente pode lhe ser atribuída. e as partículas circulam dentro de leito. A queda de pressão no leito é dada por: ∆P = H (1 − φ )( ρ − ρ ) z s f Hz = altura do leito φ = porosidade do leito ρs = densidade do sólido ρf = densidade do líquido Em princípio. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. . Assim. . preferencialmente.A transferência de massa entre o combustível e o ar é feita por convecção forçada.a medida que a velocidade do gás é aumentada. . de forma que a resistência ao fluxo se iguale ao peso do leito. Se um gás flui para cima através de um leito de partículas sólidas.A velocidade limite do gás para a fluidização é aquela em que as partículas são arrastadas do leito pelo fluxo de gás. . Considerando queima fluidizada de carvão. As bolhas de gás vão aparecer dentro do leito. O espaço livre sai uma função do tamanho e da disposição da partícula: . A mistura é boa em paralelo ao fluxo de gás. Dentro de um leito fluidizado a transferência de massa e de calor entre o gás.A cinza vai se acumular no leito ou vai ser elutriada. as partículas vão primeiro se arranjar no leito para minimizar a resistência ao fluxo de gás. e uma combustão eficiente.A transferência de calor é feita principalmente por condução (e radiação) para as superfícies imersas no leito e por convecção dos gases de exaustão quentes. . assegurando uma ignição rápida. as partículas menores ou de densidade menor.Se a velocidade do gás é aumentada de forma que a resistência ao fluxo aproxima-se do peso do leito.Um maior aumento da velocidade do gás vai aumentar o tamanho e número das bolhas de gás de forma que algum gás pode passar através do leito sem contato eficiente entre esse gás e os sólidos (leito em fluidização turbulenta). Ainda assim. Não é necessário que o combustível esteja na mesma fase ou na mesma faixa de tamanho do material inerte. Se a densidade do leito é menor do que a densidade do sólido. Bizzo Normalmente a temperatura do leito não vai exceder 900 ºC. o material elutriado pode conter algum combustível e deve ser reciclado para o leito. é produzida uma cinza friável e os problemas de erosão são minimizados. Fases de fluidização em função da velocidade do gás. ou ser queimado numa câmara de combustão separada. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. é possível queimar carvão em pedaços grandes dentro de um leito fluidizado de material fino. Figura 21. por exemplo. a fim de se manter bem baixo da temperatura de amolecimento da cinza. 64 .EM 722 .Geração. A fim de se reduzir a elutriação do carvão não queimado do leito. o carvão pode ser injetado perto da base do reator. as partículas vão queimando em contato com a base e pode causar superaquecimento local. Assim. Figura 21.EM 722 .Geração. Bizzo As taxas de transferência de calor e de transferência de massa são pouco dependentes da velocidade de fluidização acima de uma velocidade crítica correspondente a um leito em ebulição. Caldeira de leito fluidizado. Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Um exemplo de caldeira de leito fluidizado está na figura 22. 65 . nº 1 nº 2 nº 3 queimador de óleo com queimador de óleo com queimador de óleo com pulverização mecânica pulverização a ar de baixa pulverização a vapor pressão Descreva sucintamente os fenômenos físico-químicos que ocorrem com a combustão de líquidos em queimadores a pulverização. Justifique sucintamente. queimando lenha picada em pedaços até 50 bagaço de cana sêco( até. 3 Faça uma escolha em ordem de prioridade para operar-se com o menor excesso de ar possível. para trabalhar-se com o menor excesso de ar possível. Faça uma escolha em ordem de prioridade. queimando sobre grelha em escada carregada por projeção.EXERCICIOS CAP. nº 1 nº 2 nº 3 lenha em toras. queimando em grelha a distribuidor sobre grelha fixa inclinada mm. 15mm). justificando sucintamente. .
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