Fundamentos da Combustão
1. Estequiometria das reações de combustão Reações de combustão são reações químicas que envolvem a oxidação completa de um combustível. Materiais ou compostos são considerados combustíveis industriais industri ais quando sua oxidação pode ser feita com liberação de energia suficiente para aproveitamento industrial. Os principais elementos químicos que constituem um combustível são o carbono, hidrogênio e alguns casos o enxofre. Estes elementos reagem com oxigênio, e na sua forma pura apresentam a seguinte liberação de calor, segundo as reações: C + O2 → CO2 - 393.500 kj/kmol H2 + ½ O2 → H2O - 241.800 kj/kmol S + O2 → SO2 - 29.300 kj/kmol A maioria dos processos industriais de combustão utiliza o ar ambiente como fonte de fornecimento de oxigênio para a combustão. O conhecimento das necessidades de ar para combustão, bem como da composição e volume dos produtos de combustão é fundamental para o projeto e controle de equipamentos de combustão. A estequiometria química nos fornece os principais dados necessários aos cálculos de combustão. Os pesos atômicos dos principais elementos envolvidos em combustão, bem como a composição do ar ambiente encontram-se nas tabelas abaixo: Elemento Carbono Hidrogênio Oxigênio Nitrogênio Enxofre
Peso Atômico 12 1 16 14 32
Composição do ar Atmosférico Elemento Oxigênio Nitrogênio Nitrogêni o Relação molar O 2 /N /N2
em massa 23,2% 76,8%
em volume 21% 79% 3,76
Qualquer combustível convencional requer, de acordo com sua composição, uma quantidade específica e calculável de oxigênio (e portanto de ar, uma vez que este é o agente comum de fornecimento) para atingir teoricamente uma reação completa. Menos do que essa quantidade, gera perdas excessivas de calor através do gás de combustão. Na prática, a fim de se garantir combustão completa, é utilizado um pouco mais do que a quantidade teórica necessária, por razões posteriormente explicadas.
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Fundamentos da Combustão
1. Estequiometria das reações de combustão Reações de combustão são reações químicas que envolvem a oxidação completa de um combustível. Materiais ou compostos são considerados combustíveis industriais industri ais quando sua oxidação pode ser feita com liberação de energia suficiente para aproveitamento industrial. Os principais elementos químicos que constituem um combustível são o carbono, hidrogênio e alguns casos o enxofre. Estes elementos reagem com oxigênio, e na sua forma pura apresentam a seguinte liberação de calor, segundo as reações: C + O2 → CO2 - 393.500 kj/kmol H2 + ½ O2 → H2O - 241.800 kj/kmol S + O2 → SO2 - 29.300 kj/kmol A maioria dos processos industriais de combustão utiliza o ar ambiente como fonte de fornecimento de oxigênio para a combustão. O conhecimento das necessidades de ar para combustão, bem como da composição e volume dos produtos de combustão é fundamental para o projeto e controle de equipamentos de combustão. A estequiometria química nos fornece os principais dados necessários aos cálculos de combustão. Os pesos atômicos dos principais elementos envolvidos em combustão, bem como a composição do ar ambiente encontram-se nas tabelas abaixo: Elemento Carbono Hidrogênio Oxigênio Nitrogênio Enxofre
Peso Atômico 12 1 16 14 32
Composição do ar Atmosférico Elemento Oxigênio Nitrogênio Nitrogêni o Relação molar O 2 /N /N2
em massa 23,2% 76,8%
em volume 21% 79% 3,76
Qualquer combustível convencional requer, de acordo com sua composição, uma quantidade específica e calculável de oxigênio (e portanto de ar, uma vez que este é o agente comum de fornecimento) para atingir teoricamente uma reação completa. Menos do que essa quantidade, gera perdas excessivas de calor através do gás de combustão. Na prática, a fim de se garantir combustão completa, é utilizado um pouco mais do que a quantidade teórica necessária, por razões posteriormente explicadas.
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Para um composto simples tal como o metano, constituinte principal do gás natural, pode ser escrita a equação de combustão: CH4 + 2 (O2 + 3,76N 2)
→ CO2
+ 2H2O + 7,52N2
Pela equação acima, temos que 1 mol de CH 4 necessita de 2 moles de O 2 para ocorrer combustão completa. No caso de ar atmosférico, é envolvido obrigatoriamente mais (2 x 3,76) moles de N2 no processo de combustão. A princípio, admite-se que o N 2 não participa das reações, e sai do processo não modificado. Com base nesses dados é possível calcular as massas de combustível e ar envolvidos, a partir dos pesos moleculares dos componentes da reação: Combustível: 1 mol CH4 = 16 gramas Ar atmosférico: 2 moles O 2 = 2 x 32 = 64 gramas (2x 3,76) moles N 2 = 2 x 3,76 x 28 = 210,56 gramas r A/C = ___Massa de Ar_____ __ = 274,56 2 74,56 = 17,16 Massa de combustível 16 A relação Ar/Combustível estequiométrica em base de massa é 17,61 : 1 O cálculo estequiométrico como ilustrado acima permite determinar-se a relação A/C estequiométrica para qualquer combustível de composição conhecida. Quando se tratar de combustível de composição molecular indeterminada, como o caso da biomassa, ou com uma grande quantidade de compostos envolvidos, como o caso de derivados líquidos de petróleo, deve ser conhecida a composição elementar do combustível, que é a proporção, em massa, dos elementos químicos constituintes (C, H, S, etc..). A partir desta composição elementar em massa, transformando-os em composição molar, o processo de cálculo é o mesmo. A tabela abaixo apresenta valores típicos da relação A/C estequiométrica estequiométri ca para os principais combustíveis utilizados no Brasil. Relação A/C estequiométrica, valores típicos para alguns combustíveis:
COMBUSTÍVEL Óleo combustível 1% S Óleo combustível 3% S GLP Gás natural Lenha (base seca) Bagaço (base seca) Lenha 25% umidade Bagaço 50% umidade
A/C ESTEQUIOMÉTRICA (EM MASSA) 14,3 13,9 15,5 16,4 5,97 5,73 4,5 2,9
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Define-se o coeficiente de excesso de ar ϕ como a relação entre o nº de moles realmente utilizados na combustão e o nº de moles estequiométricamente necessário: ϕ
=
N mol – realO 2 N mol - esqO 2
=
Mreal O2 M esteqO2
Por exemplo, se um combustível for queimado com 20% de excesso de ar, então a proporção de trabalho de ar/combustível é 1,20 vezes a proporção estequiométrica. O ar em excesso, então, não participa diretamente da combustão, e sai do processo junto com os produtos da combustão. Como vimos, as equações de estequiometria química permitem o cálculo das necessidades de ar de combustão e por consequência, a previsão da composição dos gases de combustão desde que: - seja conhecida a composição do combustível, - seja admitida combustão completa, - e seja conhecido o excesso de ar aplicado. Da mesma maneira, se for conhecido a composição dos produtos de combustão, ou a fração molar de um de seus componentes, é possível calcular-se o excesso de ar aplicado a análise química dos produtos de combustão permite tal determinação e é um meio extremamente útil e confiável para controle do processo de combustão. Os teores de CO 2 e O2 são as medidas mais usadas para determinação do excesso de ar através da análise dos gases de combustão. Desde que a composição elementar da maioria dos combustíveis industriais não varia consideravelmente, é possível construir um gráfico que relaciona o excesso de ar com o teor de CO2 ou O2 nos produtos de combustão.
As regras são simples: • • • •
Ar em demasia desperdiça calor Ar insuficiente desperdiça combustível Combustível não queimado causa poluição Melhor faixa operacional é obtida com baixos excessos de ar e baixo CO
2. Condições para combustão completa A combustão completa é obtida quando os elementos químicos componentes do combustível são oxidados completamente para o seu mais baixo potencial químico, portanto, C,H,S são oxidados respectivamente para CO 2, H2O e SO 2. Para que haja combustão completa é necessário reunir algumas condições especiais, a saber: - temperatura suficiente para correr a reação - tempo de permanência dos reagentes nesta temperatura - contato físico entre combustível e oxidante, ou seja, uma boa mistura entre o combustível e ar de combustão. 3
As condições acima são necessárias para que ocorra a maioria das reações químicas e as reações de combustão estão incluídas. As reações químicas necessitam de uma energia mínima de ativação das mesmas, e isto é obtido normalmente pelo aumento de temperatura. Uma vez que a reação inicia-se, é necessário um certo tempo para que seja completada e daí a necessidade de um tempo de residência nesta temperatura para a ocorrência de combustão completa. O contanto físico é obviamente necessário já que os átomos do combustível juntamse a um ou mais átomos de oxigênio para ocorrer a combustão. Num processo de combustão, estas condições são obtidas através de: - uma fonte de ignição, para iniciar a reação - uma câmara de combustão, para confinar a reação de um volume determinado, manter alta temperatura e suprir o tempo de permanência necessário e - um dispositivo de mistura entre o combustível e ar: o queimador. Uma vez que a combustão é iniciada, a temperatura do volume onde ocorre a combustão é mantida pelo equilíbrio entre a geração de calor proveniente da queima do combustível e do calor transferido ao meio, por exemplo, para gerar vapor ou aquecer algum material. O queimador tem papel fundamental neste processo, já que o contato entre o ar e o combustível é feito através deste dispositivo de mistura utilizando-se de efeitos aerodinâmicos tais como a turbulência para promover a mistura ar-combustível. Com combustíveis gasosos, esta mistura é relativamente fácil de se obtida na fase gasosa, situação onde ocorre as reações de combustão. Para combustíveis líquidos é necessário que haja vaporização das frações leves e devolatização das frações pesadas de líquidos e isto é obtido normalmente através do processo de nebulização de líquidos. A nebulização, transformando o líquido em uma infinidade de gotículas, aumenta grandemente a área superficial de contato entre ar e combustível, proporcionando condições para vaporização e mistura do mesmo. Em combustíveis sólidos, algumas reações de combustão e devolatização iniciam-se no seio da massa sólida, e mais uma vez, a área interfacial de contato entre combustível e ar é importante no processo. Para garantir o contato entre combustível e ar é utilizado, na prática um excesso de ar. O excesso de ar deve ser maior quanto mais difícil for o contato e mistura entre combustível e ar. Assim, maior o excesso de ar é necessário para combustíveis sólidos, diminuindo para combustíveis líquidos e é muitas vezes até desnecessário para combustíveis gasosos.
3. Energia liberada durante a combustão O Poder Calorífico de um combustível é definido como a quantidade de calor desprendido pela combustão completa do combustível. Se esta quantidade de calor é medida com os produtos de combustão saindo completamente na fase gasosa, este é denominado Poder Calorífico Inferior. Se, por outro lado, a água nos produtos de combustão for considerada na fase líquida, ou seja, com os produtos de combustão à temperatura ambiente, o calor desprendido é denominado Poder Calorifico Superior. A diferença entre os dois valores é exatamente a entalpia de vaporização da água formada na combustão do hidrogênio constituinte e da água presente no combustível na forma de umidade. O cálculo do PCI considera o teor de H constituinte do combustível e a umidade presente no mesmo, e deve ser feito segundo a equação abaixo: Onde:
PCI = (1 – u) PCS – ( 1- u) 2440 (9h) – 2440u
PCI = Poder Calorífico Inferior, base úmida (kJ/kg) PCS = Poder Calorífico Superior (kj/kg) h = teor de hidrogênio constituinte do combustível, base seca (kg/kg) u = teor de umidade no combustível (kg H 2O /kg) base úmida 4
As medições de Poder Calorífico em laboratórios são realizadas em bomba calorimétrica com temperatura do meio controlada próximo a temperatura ambiente, e o valor obtido é sempre o Poder Calorífico Superior. A avaliação do PCI é feita através da equação acima, e portanto deve ser conhecida o teor de hidrogênio do combustível, ou pelo menos, estimado com algumas margens de segurança. A maioria dos processos industriais tem seus produtos de combustão exauridos a temperaturas onde a água esta na forma de vapor, e por esta razão o conhecimento do Poder Calorífico Inferior é útil e facilita os cálculos de aproveitamento de calor.
4. Eficiência energética da combustão O principal objetivo da queima de algum combustível é o aproveitamento de energia, geralmente feito com a geração de vapor de água ou o aquecimento de algum material ou produto. Seja qual for o processo, a energia introduzida ao sistema na forma do poder calorífico do combustível é transformado em calor útil e perdas de calor conforme a equação:
Qu= ∑ E 1 - ∑ perdas
Onde :
Qu: energia útil produzida ∑ E1: energia total que entra ∑ perdas: soma de todas as perdas de calor e energia na operação do sistema.
Definindo o rendimento térmico de equipamentos como a relação entre a energia útil produzida e a energia consumida, temos que: N= ∑ E 1 - ∑ perdas = 1 ∑ E 1
∑ perdas ∑ E 1
É óbvio que a diminuição das perdas aumenta o aproveitamento da energia do combustível. A principal perda de calor em equipamentos de combustão está contida no calor arrastado pelos produtos de combustão e dispersados na atmosfera. Outras perdas são as perdas de calor através das paredes dos equipamentos, o calor sensível de cinzas caídas no cinzeiro de combustores de sólidos, a radiação através de frestas e portas de fornalhas, e diversas outras especificadas e inerentes a cada tipo de equipamento. Devido ao fato que, na prática, a perda de calor por entalpia dos produtos de combustão é normalmente a mais preponderante, o controle desta perda mostra-se extremamente útil.
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Aplicando-se um balanço genérico de massa e energia num equipamento de combustão, a porcentagem de perda de calor pelos produtos de combustão pode ser calculada através da equação:
P= [1+(A/C) esteq
ϕ] Cp (T g –Tar)
PC
Onde: P = percentagem de perdas pelos gases de combustão (A/C)esteq = relação Ar/Combustível estequiométrica do combustível ϕ = coeficiente de excesso de ar Cp = calor especifico médio dos gases de combustão (1050 J/kg ºC) Tg = temperatura de saída dos gases de combustão Tar = temperatura ambiente Através do exame da equação acima, conclui-se que duas variáveis importantes tem influencia na perda de calor pelos gases de combustão: • •
A temperatura de saída dos gases O coeficiente de excesso de ar
Para minimização das perdas, a menor temperatura de saída é desejável, com o objetivo de melhor aproveitamento do calor sensível contido nos gases. A temperatura de saída nem sempre é possível de ser controlada, já que dependendo do aumento da troca de calor dos gases com o fluído de trabalho ou material a ser aquecido. Isto implica normalmente em aumento da área de troca de calor, que é um parâmetro original do projeto e construção de equipamentos. O aumento da área de troca pode ser feito através da adição de recuperadores de calor, pré-aquecendo o ar de combustão ou a água de alimentação de caldeiras. A limitação na redução de temperatura de saída dos gases está na temperatura de processo, já que há sempre a necessidade de um diferencial de temperatura para haver transmissão de calor, e na temperatura de orvalho dos produtos de combustão quando se trata de combustíveis com enxofre. A outra variável é o excesso de ar, que deve ser mínimo até o limite onde possa ocorrer combustão incompleta. Isto normalmente pode ser obtido através da regulagem do queimador com o menor excesso de ar possível, identificando pela análise dos produtos de combustão, determinando-se o teor de CO 2 ou O2 para o controle de excesso de ar e CO ou HC totais para determinação de combustão completa.
5. Formação e emissão de poluentes no processo da combustão Rigorosamente é impossível atingir-se condições para combustão completa em processos de combustão industrial, e além de CO 2 e H2O, é formado e emitido ao meio ambiente alguns poluentes atmosféricos. Além disso, mesmo os produtos de combustão completa, como o SO 2 é considerando um poluente. Assim, os processos de combustão produzem e emitem (dependendo também da composição do combustível) normalmente os seguintes poluentes atmosféricos: - Material particulado - Monóxido de carbono : CO - Óxidos de enxofre; SO 2 e SO3 - Óxidos de nitrogênio NOx - Compostos orgânicos voláteis e outros produtos de combustão incompleta. 6
5.1 Material Particulado - MP A formação e emissão de material particulado ocorre principalmente na combustão de combustíveis sólidos e líquidos, sendo que é resultado de duas fontes principais: •
Material inorgânico presente no combustível (cinzas) • Fuligem formada pela combustão incompleta.
As cinzas volantes são óxidos de elementos inorgânicos constituintes dos combustíveis, tais como CaO, Al2O3, KO, etc... Sua formação e emissão depende fundamentalmente do teor de cinzas presente no combustível, normalmente maior em combustíveis sólidos. Óleos combustíveis pesados também apresentam algum teor de cinzas, que pode chegar até 0,1% em massa. O arraste das cinzas pelos produtos de combustão dependem do sistema de combustão. Para combustão de líquidos o arraste é praticamente total, enquanto que para combustíveis sólidos em grelha ou similar, o arraste de cinzas depende do projeto do sistema da fornalha e das condições de operação.
5.2 Fuligem Fuligem é o produto de combustão incompleta de frações orgânicas do combustível. A fuligem pode ser formada devido a recombinações de voláteis ou frações leves de combustível, sob condições especificas, ainda não muito bem conhecidas e determinadas. Pode ser formada também devido a devolatização incompleta de gotas ou do combustível sólido, os quais não tiveram tempo, temperatura e oxigênio suficiente para oxidação completa. A formação de fuligem é indesejável do ponto de vista ambiental e também de aproveitamento de energia, já que representa combustível não queimado, porém pode ser importante para certas condições de transferência de calor, já que a fuligem é a maior responsável pela emissividade de radiação térmica da chama. No núcleo da chama, a emissão de radiação é devido a existência de fuligem, ou partículas de carbono incandescentes. As principais razões de formação de fuligem são: • Falta de ar de combustão, ou mistura não homogênea • Pulverização deficiente (gotas grandes) • Zonas de baixa temperatura (interrupção da combustão) A perfeita nebulização de líquidos (com formação de diâmetro pequeno de gotas) e a mistura homogênea de ar e combustível normalmente evitam a emissão de fuligem.
5.3 Monóxido de Carbono - CO O monóxido de carbono é produto da combustão incompleta do carbono e pode ser formado devido à dissociação do CO 2, que ocorre em altas temperaturas, segundo a reação: CO2
→
CO + ½ O2
ou devido a não oxidação completa de CO formado pela devolatização de sólidos ou gotas de combustíveis líquidos. A prática mostra que a formação de CO é sempre acompanhada pela formação de outros produtos de combustão incompleta e o seu teor nos produtos de combustão pode ser utilizado como um indicador de combustão incompleta. Queimadores industriais a óleo pesado, p.ex., bem regulados emitem CO da ordem de 30 a 100 ppm e um aumento desta concentração é normalmente acompanhado pela emissão de fuligem e outros produtos. 7
5.4 Óxidos de enxofre - SOx A combustão de produtos contendo enxofre origina dióxido de enxofre como produto de combustão através da reação: S + O2 → SO2 Uma parcela de SO 2 produzido na câmara de combustão, conforme as condições de temperatura e excesso de ar é oxidado até SO 3, conforme a reação: SO2 + ½ O2
→ SO3
Esta reação ocorre também na atmosfera, e é ativada pelos raios ultravioletas do sol. Nas partes mais frias do processo, ou após o efluente gasoso ter sido exaurido para a atmosfera, a umidade dos gases, ou do ar atmosférico reage com o trióxido de enxofre produzindo ácido sulfúrico. H2O + SO3 → H2SO4 Os gases ácidos de enxofre são um dos principais causadores da chuva ácida, juntamente com óxidos de nitrogênio. A emissão de óxidos de enxofre é altamente indesejável e seu controle e prevenção tem dispensado grandes esforços em tecnologia e investimentos Carvão mineral e óleos combustíveis pesados são os principais insumos energéticos que contém enxofre, no caso de óleo combustível, a presença de alguns metais, como o vanádio, catalisa a reação de produção de trióxido de enxofre aumenta mais o potencial corrosivo dos gases de combustão. A presença de ácido sulfúrico nos produtos de combustão aumenta a temperatura de orvalho dos gases e ácido sulfúrico, o qual pode ser condensado nas partes mais frias do equipamento, danificando-o rapidamente. O ponto de orvalho dos produtos de combustão contendo óxidos de enxofre depende fortemente da associação do SO 2 para o SO 3, cuja taxa de reação é difícil de prever, pois tem dependência do histórico de temperatura dos gases de combustão e do excesso de ar. Em condições normais num gerador de vapor, a formação de SO 3 é de cerca de 0,01 a 3% do SO 2 calculado estequiometricamente. A figura abaixo mostra o ponto de orvalho dos gases de combustão típicos para óleos combustíveis:
Ponto de orvalho para gases de combustão de óleos combustíveis, valores típicos . (fonte: Combustão e Combustíveis Industriais, Esso Bras. de Petróleo S.A)
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Na combustão de combustíveis contendo enxofre não há como evitar a formação de seus óxidos. O controle ambiental é feito absorvendo os gases ácidos em uma corrente nebulizada de líquido alcalino, através de lavadores de gases, e neutralizando-os em sulfatos e sulfitos. Em alguns casos especiais, a absorção é feita “in situ” utilizando-se a tecnologia de combustão em leito fluidizado com a adição de calcário, absorvendo o enxofre em meio sólido, no interior da câmara de combustão, através da produção de sulfatos.
5.5 Óxidos de Nitrogênio - NOx No estudo da estequiometria da combustão o nitrogênio contido no ar atmosférico não foi considerado como participante das reações. Embora tal consideração seja aceitável para o cálculo estequiométrico das necessidades de ar e do excesso de ar, isto não é rigorosamente verdade devido as condições de altas temperaturas e ambiente altamente relativo. Na chama, o nitrogênio do ar pode ser dissociado e re-combinado com oxigênio formando o óxido nítrico: N2 + O2
→
2NO
Reações secundárias na atmosfera, ativadas pela radiação ultravioleta e por hidrocarbonetos produzem a partir do óxido nítrico, o dióxido de nitrogênio. Os óxidos de nitrogênio contribuem para a formação da chuva ácida através da combinação com umidade, formando ácido nítricos. A presença de NOx na atmosfera, tem sido relacionada com diversos efeitos na saúde humana e diminuição da produtividade de culturas agrícolas. A preocupação em relação ao NOx é relativamente recente, em comparação com outros poluentes atmosféricos conhecidos, e deve tomar grande importância em um futuro próximo. A formação de NO não é justificada pela simples reação mostrada anteriormente. Uma sequência de reações, altamente dependentes da temperatura devido a sua elevada energia de ativação constitui o denominado mecanismo de Zeldovich, proposto em 1947: O + N2 N + O2 N + OH
↔ ↔ ↔
NO + N NO + O NO + H
Desde então, diversas teorias tem sido propostas para explicar e prever a formação dos óxidos de nitrogênio. São três as rotas básicas que se admite para explicar a formação de NOx: -
O NO térmico, correspondente ao mecanismo de Zeldovich O NO rápido, proveniente da reação do nitrogênio com radicais de hidrocarbonetos que são formados na base da chama e O NO combustível, proveniente da oxidação do nitrogênio constituinte do combustível.
A mais importante destas rotas é a do NO térmico, que ocorre nas regiões de altas temperaturas no interior da chama. O controle pós-combustão da emissão de NOx é muito difícil, já que o NO é pouco solúvel em meio aquoso, impossibilitando a absorção tal qual se faz com o SO 2. A formação de NO deve ser controlada no processo, evitando-se as duas condições principais que colaboram para a produção do NO térmico: -
Altas temperaturas locais Alto excesso de ar
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Este controle só pode ser feito através do projeto adequado do queimador e câmara de combustão, utilizando-se diversos artifícios, tais como: - combustão estagiada: com a adição gradativa de ar, ou adição gradativa de combustível para controle das temperaturas de reação e da concentração de oxigênio livre. Recirculação dos produtos de combustão, internamente através do projeto aerodinâmico do combustor, ou externamente através do retorno de parcela dos produtos de combustão à base da chama. Equipamentos que se utilizam deste artifício são os chamados queimadores de baixo NOx e tem sido gradativamente desenvolvidos e disponibilizados pelos fabricantes de equipamentos de combustão.
5.6 Compostos Orgânicos Voláteis – COV’s Diversos compostos orgânicos voláteis podem ser emitidos pelo processo de combustão e são originados principalmente da combustão incompleta do combustível. Estes compostos podem ser parcelas do próprio combustível que não conseguiu ser queimado e saiu junto com outros produtos de combustão, ou compostos formados a partir de radicais hidrocarbonetos não oxidados completamente. A medição destes compostos nos produtos de combustão é denominado de hidrocarbonetos totais e juntamente com o monóxido de carbono pode ser utilizado como um indicador de combustão completa para fins de controle do processo de combustão. As principais razões de formação de HC totais nos gases de combustão são basicamente as mesmas para a formação de CO e outros produtos de combustão incompleta: -
Mistura não homogênea entre combustível e ar Má distribuição do tempo de residência dos gases Esfriamento da chama, interrompendo as reações.
6. Breve descrição dos mecanismo de combustão Para queima eficiente de um combustível, temos que conhecer suas propriedades e seu comportamento. A combustão de sólidos se diferencia da combustão de gases e de líquidos pela dependência de um número maior de parâmetros operacionais como o conhecimento da umidade, teor de voláteis, geometria, dimensões, porosidade da partícula, etc. Na combustão de gases os parâmetros mais importantes são a temperatura e a mistura entre os gases ou vapores reagentes. Na de líquidos, o diâmetro de gotas passa a ser um parâmetro relevante. Desta forma, queimar sólidos exige maiores esforços, maiores excessos de ar, melhores fornalhas e controle de mais parâmetros como os mencionados. A queima de líquidos necessita de boa mistura entre ar e combustível além de diminuto tamanho da gota, exigindo, dependendo do processo baixos excessos de ar e a queima de gases, este já na forma perfeita para combustão necessita também de uma boa relação ar/gás para desenvolver boas temperaturas e queima completa, podendo-se em alguns casos chegar à condições estequiométricas. O aparelho de combustão, fornalhas e queimadores, tem papel fundamental para desenvolvimento de uma boa combustão. Projeto de fornalhas são baseados numa determinada carga calorífica por volume de queima e queimadores tem que ter a função de promover uma ótima mistura ar/combustível, mas nem sempre isso pode ser conseguido, exigindo o controle da queima para evitar consumo excessivo de combustível e de calor. A grande preocupação é promover queima eficiente, com o máximo aproveitamento das calorias do combustível, obtenção de ótimas trocas de calor e baixas emissões para atender aos padrões dos órgãos ambientais.
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6.1 Parâmetros de interesse para queima de combustíveis sólidos Principais fatores que influem no comportamento de chama Teor de umidade Poder calorífico Tamanho da partícula Distribuição granulométrica (se pulverizado) Temperatura do ar secundário Temperatura da câmara de combustão Coeficiente de excesso de ar Volume de fornalha Poderes Caloríficos Típicos (PCI) de alguns combustíveis sólidos Bagaço de cana (50% umid) Lenha (eucalipto 40% umid) Carvão vegetal (b.s) Carvão vapor (35% cinzas) Casca de caju Casca de côco Casca de babaçu Serragem (20 % umid) Sisal (10% umid) Borra de café
1.795 kcal⁄kg 2.450 kcal⁄kg 7.200 kcal⁄kg 3.800 kcal⁄kg 4.700 kcal⁄kg 4.000 kcal⁄kg 4.000 kcal⁄kg 3.500 kcal⁄kg 3.350 kcal⁄kg 1.570 kcal⁄kg
Obs.: a) O PCI pode variar em função da qualidade, umidade, composição do combustível b) Qto mais velho for o combustível sólido, menor os voláteis e piores serão as condições de queima.
6.1.1 Comportamento de queima, aspectos principais a serem verificados • • • • • • •
Seqüência de queima deve ser completada, como secagem, gaseificação, pirólise, óxido-redução e precipitação de cinzas. Umidade alta reduz o poder calorífico, maiores comprimentos de chama são conseguidos e maiores são as emissões de particulado. A água contida é evaporada pelo calor gerado na própria fornalha, portanto, a água subtrai calor do processo. O comprimento de chama é proporcional a quantidade de água e determina acréscimos na altura da fornalha. Quantidade de cinzas no combustível reduz eficiência da queima. Teor de voláteis determina também o comprimento de chama e formas de injeção de ar de complementação de queima. Condições da atmosfera comburente (ar quente ou frio) influem no comportamento de combustão.
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6.2 Parâmetros de interesse para queima de óleos combustíveis pesados
Principais fatores que influem no comportamento de chama Viscosidade (temp. de aquecimento) Tamanho da gota (atomização) Sedimentos e água Poderes Caloríficos Típicos (PCI) de alguns combustíveis líquidos Óleos combustíveis pesados Óleo de xisto Querosene Óleo Diesel Álcool de cana Óleo de soja Óleo de babaçu Óleo de amendoim Óleo de algodão Sebo bovino (líquido) Metanol
9.400 a 9.650 kcal⁄kg 9.700 kcal⁄kg 8.300 kcal⁄l 8.600 kcal⁄l 5.500 kcal⁄l 8.125 kcal⁄l 7.700 kcal⁄l 8.000 kcal⁄l 8.050 kcal⁄l 8.200 kcal⁄l 5.040 kcal⁄l
Obs.: O PCI dos combustíveis apresentados pode variar em função de sua composição.
6.2.1 Comportamento de queima, aspectos principais a serem verificados • • • • • • •
Qualidade da mistura deve ser controlada segundo tecnologia de atomização (queimadores pulv. mec., atomização a vapor ⁄ ar comprimido ou copo rotativo) Tamanho da gota, dimensões e geometria do jato de óleo Projeto mecânico do bico atomizador e bocal de ar podem influenciar na qualidade da atomização. Controle adequado da temperatura garante viscosidade constante no bico de pulverização para os óleos pesados. Teor de enxofre nos óleos pesados causam corrosão nas áreas mais frias de fornos e caldeiras Teor de metais nos óleos pesados como o vanádio, se fundem a altas temp. corroendo tubos e refratários. Dimensões da fornalha devem ser compatíveis com dimensões e geometria de chama
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6.3 Parâmetros de interesse para queima de gases
Principais fatores que influem no comportamento de chama Velocidade da mistura ar/gás Composição do gás Coeficiente de excesso de ar Índice de rotação do escoamento Temperatura da mistura ar-gás Poderes Caloríficos Típicos (PCI) de alguns gases Gás Natural (RJ ⁄ SP ⁄ MG) GLP (50%) Metano Propano Gás de refinaria Gás de coqueria Gás de alto forno Gás pobre (gasogênio a lenha) Biogás CO (mon. de carbono) Hidrogênio
8.700 kcal ⁄ m3 11.025 kcal ⁄ kg 8.570 kcal ⁄ m3 11.080 kcal ⁄ kg 8.235 kcal ⁄ m3 4.460 kcal ⁄ m3 980 kcal ⁄ m3 1.200 kcal ⁄ m3 5.800 kcal ⁄ m3 3.000 kcal ⁄ m3 2.570 kcal ⁄ m3
Obs.: O PCI dos combustíveis apresentados pode variar em função de sua composição.
6.3.1 Comportamento de queima, aspectos principais • • • • • • •
Radiação de chama do GN e GLP é menor que nos óleos combustíveis pesados Formato da chama depende da geometria do bocal Geometria da câmara de combustão influencia na estabilidade de chama Dimensões da fornalha devem ser compatíveis com dimensões e geometria de chama CO2 e H2O na fase gasosa são responsáveis por maior emissividade de chama, portanto, para obtenção de altas temperaturas, deve-se reduzir o excesso de ar. Pré-aquecimento de ar a baixas temps. não contribui para aumentar emissividade de chama (fator negativo para equipamentos de baixa temperatura). Emprego da queima de gases deve ser realizado segundo tipo do processo, observando-se características do gás, velocidades de queima, forma de transferência térmica entre outros aspectos técnicos.
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7. Formas de Controle da Combustão É fácil identificar o que acontece em uma fornalha quando os gases da combustão são cinzentos e fuliginosos. Certamente uma parte do combustível não queima e isso se traduz em perda de energia. Também é fácil obter considerável economia com a eliminação da fuligem através de simples ajustes na atomização do óleo e no ar de combustão. Porém, uma vez transparentes, os gases da combustão (fumos) não oferecem referência visual alguma para a regulagem da combustão e, provavelmente ainda haja muito a se fazer. Como podemos determinar o excesso de oxigênio na mistura ar/combustível? Como podemos conhecer o rendimento de uma combustão? Vamos responder estas questões a seguir. Operadores de fornos e caldeiras devem possuir o sentido e comando do fogo e o controle da queima é feito pelo: Controle Visual , observando: - a densidade da fumaça no topo da chaminé - a cor da chama - o aspecto e forma da chama Indústrias controlam a eficiência de seus processos de queima através da: - medição do consumo de combustível. - medição da produção de vapor (caldeiras). - medição da produção e pelo consumo de combustível (consumo específico). Porém, para garantir rendimento contínuo do processo é necessário o controle operacional para se conhecer o que se passa dentro de fornalhas afim de garantir operação segura e queima eficiente do combustível, sendo assim é necessário se conhecer e estabelecer parâmetros operacionais, medindo, comparando e ajustando a relação ar ⁄ combustível, temperaturas e pressões, pois não há outra forma de controle seguro senão medindo uma série de parâmetros além de manter o equipamento de queima também sob vigilância.
8. Medição dos Gases da Combustão A análise de gases é utilizada como um método de controle de algumas variáveis e parâmetros de operação de fornos, estufas e caldeiras, tais como: excesso de ar, vazão de gases, etc. Os vários instrumentos utilizados para determinar a composição de gases possuem diferentes princípios de operação e necessitam de cuidados específicos, quando de sua utilização. Os instrumentos para determinação da composição de gases mais utilizados são descritos a seguir:
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8.1 Método de Orsat O aparelho de Orsat (método de Orsat), consiste de um conjunto de pipetas e de recipientes de vidro. Este método, desenvolvido por Orsat (séc XIX), baseia-se na determinação dos constituintes gasosos, mediante técnicas de absorção do gás em reagente químico e da combustão deste gás na presença de um filamento de platina aquecido. Alguns componentes da amostra analisada são quantificados através de sucessivas absorções, de cada um dos componentes, em reagentes adequados, medindo-se o volume residual após cada absorção. Outros componentes, que englobam os constituintes capazes de queimar em presença de excesso de oxigênio ou do ar, são determinados fazendo-se a combustão da amostra e medindo-se os efeitos da combustão (volume de ar ou de oxigênio consumido, contração de volume e volume de dióxido de carbono formado). Os resultados da análise são dados em percentuais volumétricos em base seca, sendo o volume dos gases medidos à temperatura e pressão ambientes. Dessa forma, quando do início da análise, deve-se ter o aparelho e amostra em equilíbrio com o ambiente, que não deve sofrer grandes variações de temperatura e pressão durante as determinações. Podem ocorrer erros de até 1% ou mais caso ocorra variações de temperatura ou pressão durante a determinação.
A arelho de Orsat
O aparelho de Orsat presta à análise por absorção de CO 2, O2 e CO na faixa de 0 a 100% com precisão de +/- 0,2%, independentemente do valor lido e dependendo dos seguintes fatores: Aspectos importantes que influenciam na determinação são: a) Forma de coleta e armazenamento de amostra de gás. Ampolas de vidro ou de metais são as mais adequadas. Amostras coletadas em balões de látex ou de plástico podem sofrer alteração da composição devido à permeabilidade do CO2 através destes materiais. b) Presença de ar na sonda ou nos balões de coleta, mascarando ou diluindo a composição com ar. c) Qualidade dos reagentes empregado no preparo das soluções. 15
Vantagens do Orsat: Embora tenha caído em desuso, ainda é empregado muito mais pela determinação do CO 2 do que pelos outros gases, O 2 e CO2, p.ex. o método de Orsat está descrito em várias normas para determinação de gases em fontes estacionárias, Cetesb, ABNT, USEPA, porém, para alguns gases, órgãos ambientais já aceitam outros métodos de análise. Desvantagens: a) A solução absorvedora de O 2, se oxida rapidamente, obstruindo a ampola e intensos cuidados deverão ser tomados para a sua manutenção. b) O CO é dado somente em % volumétrica e o reagente é de difícil preparação. c) Requer pessoal especializado para seu manuseio e com conhecimento do método de análise. d) Difícil de se usar no campo. As amostras tem que ser coletadas e levadas até o laboratório para a análise. e) Há a necessidade de amostras complementares para confirmação dos testes. 8.2 Analisador Testoryt de CO 2 ou de O2 – químico Conhecidos comercialmente pelo nome de Testoryt (Confor, fabr. Brasil) ou Fyrite (Bacharach, fabr. USA), são largamente usados em todo o mundo. A amostra do gás é introduzida no aparelho por meio de um bulbo de sucção, entrando o gás em um reservatório que contém uma solução que absorve apenas um de seus componentes. O gás em contato com a solução (o aparelho é invertido para fazer essa mistura), promove a absorção deste e parte do volume gasoso corresponde ao gás absorvido, causa uma contração volumétrica (depressão), um vácuo parcial. Essa redução de pressão provoca o deslocamento da solução para a coluna graduada e a leitura é feita diretamente em percentagem volumétrica (base seca). Estes analisadores são encontrados para medir o teor de CO 2 nas faixas de 0 – 20% ou de até 60% e de O 2 na faixa de 0 a 21%. O conjunto de medição compreende um dispositivo que coleta os gases na chaminé, este dispositivo destina-se a resfriar os gases, fazendo-se resfriar a amostra gasosa antes de ser analisada. As soluções absorvedoras vão se saturando à medida que o instrumento vai sendo utilizado. O fluido de CO 2, é alcalino e tem durabilidade para absorção de aproximadamente 300 amostras de gás à 10% de CO 2. O fluído de O 2 é à base de sais de cromo, esta solução de cor característica azul, vai se oxidar em presença do O 2, tem durabilidade para aproximadamente 60 medições de O 2 à 21% (ar atmosférico), podendo durar até 100 medições para níveis de oxigênio na amostra de 10%.
Introduzir a sonda no duto da chaminé/ duto de gases/ ou no processo desejado.
Aperte o conector de borracha sobre a válvula de entrada do Testoryt, bombeando 18 vezes.
Analisador Testor t Solte o conector e vire o Testoryt misturando o fluido com o gás.
Compare o nivel do fluído na escala de % CO2 o u O2
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Alguns aspectos importantes serem considerados na análise com esse tipo de aparelho são listados a seguir: a) O analisador é calibrado para uma amostra de gás saturada com água. Portanto, o material de enchimento do filtro da bomba de sucção deve permanecer levemente umedecido durante as análises. b) Deve-se verificar todos os acessórios de coleta antes do início da análise. Não deve haver vazamento entre as várias junções do coletor de gás. c) Os acessórios de coleta podem conduzir amostras à temperatura máxima de 450 ºC, a amostra deve entrar no aparelho à temperatura ambiente. O aparelho deve estar em equilíbrio térmico com o ambiente para início de operação. d) Durante uma série de análise consecutivas, deve-se, esporadicamente, verificar as soluções absorvedoras de CO 2 e de O 2. Para isso é necessário, terminada uma análise, estando a amostra ainda no analisador, tornar a promover o contato da amostra com a solução e voltar a ler o valor do CO 2 ou do O 2. Um acréscimo superior à 0,5% entre a leitura recente e a anterior indicará a saturação da solução. Outro modo rápido de testar as soluções é analisar o ar ambiente (21% de O 2) e o ar expirado (4% de CO 2). e) Estes aparelhos tem precisão, na faixa de +/- 0,5% da leitura e para processos que requeiram muita precisão deve ser utilizado com reservas. 8.3 Determinação do Índice de Fuligem O índice de fuligem (Smoke Spot Number) pode ser determinado pelo método ASTM D 2156 (USA) ou DIN 51402 (Alemão). O método consiste basicamente, em reter o produto sólido presente em uma amostra de gás proveniente da queima de um combustível destilado de petróleo. Pode-se citar, como aplicação típica do método, a regulagem do excesso de ar de combustão em uma fornalha. Deve-se minimizar o excesso de ar de tal modo a maximizar o teor de CO 2 nos gases de combustão sem, no entanto, aumentar o índice de fuligem. Esta determinação se restringe a uma análise qualitativa do teor de fuligem nos gases, sendo útil apenas para monitoramento da qualidade da queima, não podendo auxiliar na determinação em massa de cinzas ou fuligem.
Smoke Test – Operação.
Fixe o papel de amostra no Smoke Test.
Introduza a sonda na chaminé Compare a macha no papel e puxe a haste 10 vezes. filtro com a escala padrão.
Medidor de fuli em – Smoke Test.
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8.4 Analisadores eletrônicos com sensores eletroquímicos Estes analisadores reúnem a tecnologia de circuitos microprocessados com a tecnologia dos sensores eletroquímicos. Possuem sensores específicos para determinar o gás a ser medido e uma e uma bomba de sucção interna. Assim que os gases passam sobre os sensores, a leitura é feita diretamente e em tempo real no display. A sonda estando inserida no duto da chaminé, todos os parâmetros são medidos ao mesmo tempo e os cálculos da combustão também, vão sendo executados, como % de excesso de ar, eficiência de queima, entre outros parâmetros.
Tempest - analisador eletrônico de gases de combustão e de emissões.
Sprint - analisador portátil de gases de combustão
8.4.1 Funcionamento do sensor eletroquímico Os sensores eletroquímicos operam reagindo com o gás a ser detectado, produzindo um sinal elétrico proporcional a sua concentração. Um sensor eletroquímico consiste de um eletrodo de detecção e um eletrodo reagente separados por uma fina camada de eletrólito. Quando o gás entra em contato com o sensor, este atravessa uma pequena abertura do tipo capilar e então, difunde-se por uma barreira hidrofóbica (onde retém água e sólido e passa somente o gás), eventualmente alcança a superfície do eletrólito reagindo com o gás, neste processo os íons OH são criados e migram do eletrólito líquido para o ânodo, estes íons produzem uma corrente elétrica. Neste processo, um resistor conectado aos eletrodos gera uma corrente proporcional à taxa de concentração do gás, a corrente pode ser medida para determinar esta concentração.
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8.4.2 Aplicações típicas dos analisadores eletrônicos Devido à rapidez na amostragem dos gases, tempo de resposta e custo, os analisadores portáteis eletroquímicos vem ganhando um grande mercado mundial. Estes são produzidos para atender a aplicações de: monitoramento da combustão, regulagem e determinação de eficiência monitoramento das emissões poluentes Como padrão todo analisador possui sensor para medição do teor de O 2 e do CO e adicionalmente estas unidades de medição possuem sensores para medição da temperatura dos gases e sensor para medir pressão do fluxo de ar/gases. Existem várias configurações, segundo as aplicações, para monitoramento da combustão se faz necessário a indicação do teor de CO 2 correspondente ao combustível utilizado, cálculos de excesso de ar e do rendimento da combustão, entre outros. Para medição das emissões poluentes estes analisadores incluem sensores de NO, NO 2 , HC, H2S ou HCl e podem executar cálculos de emissões segundo normas preconizadas pelo fabricante do país de origem. Existem analisadores de uso misto, conjugado com sensores que podem monitorar tanto a combustão como o ar ambiente interno, analisando CO ambiente, detectando vazamentos de gás inflamável ou até mesmo medindo umidade relativa e velocidade do ar e dos gases em dutos e chaminés. 8.4.3 Parâmetros calculados pelos analisadores eletrônicos Cálculo do teor de CO 2 O CO2 nestes analisadores não é medido e sim calculado com base no valor do CO 2 estequiométrico (isto é, para excesso de ar igual a zero) do combustível: Óleos pesados – CO 2 máx = 15,8% Gás natural – CO 2 máx = 12,1% Bagaço de cana – CO 2 max = 19, 8% O CO2 é calculado conforme o teor de O 2 medido, utilizando-se a seguinte expressão: CO2 calc = CO2 max (20,9% - %O 2 medido) 20,9% Cálculo do excesso de ar ou do coeficiente de ar (lambda) O excesso de ar é dado pela seguinte expressão: Exc ar = o coeficiente de ar
20,9 . 20,9 - %O2 med
-
1 X 100
(lambda) não expressa o excesso de ar em percentagem, portanto: = 1 (excesso de ar igual a zero) > 1 (excesso de ar) < 1 (falta de ar) 19
O2 x CO2 x Excesso de Ar 21 20 19 18 17 16
o ãt s u b m o e d s e s a G s o n O u o O %
15 14 13
G L P
12
L e n h a O2
11 10
C O 2
9
2
8 7
2
6 5 4 3 2
0
70
Percentagem de Excesso de Ar
O gráfico mostra o teor do O 2 medido e a curva do CO 2 calculado para vários combustíveis e a percentagem do excesso de ar correspondente. Exemplo: Medido o teor de 5% de O 2 no gás de combustão da queima de óleo pesado, determine o CO 2 e o excesso de ar correspondente: R: CO2 = 11,8% Exc. Ar = 32%
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Cálculo do NOx Nos analisadores que possuem somente o sensor de NO, o cálculo do NOx é dado por: NOx = NO . 1,05 (ppm) Cálculo do rendimento da combustão O cálculo do rendimento da combustão está baseado no calor específico médio do gás de combustão a uma dada temperatura e a um dado excesso de ar. Estes parâmetros podem ser considerados como indicadores do rendimento , dependendo das normas adotadas o cálculo do rendimento pode se tornar muito complexo. A princípio adota-se o método abreviado de Siegert para se determinar estas perdas de calor sensível nos gases da combustão.
Pc = K (t – to) %CO2 med onde: Pc =
perdas de calor sensível nos gases da combustão com base no PCI do combustível utilizado K = coeficiente que depende do combustível que está sendo queimado T = temperatura dos gases no duto de saída To = temperatura do ar de combustão %CO2 = CO2 medido na chaminé Os valores mais freqüentes de k são: 0,57 para óleos pesados 0,48 para gás natural Cálculo da relação CO/CO 2 - ratio Essa relação é a razão do CO em % vol. pelo teor do CO 2 medido ou calculado em % vol e é um parâmetro para indicar combustão higiênica entre o máximo teor de CO 2 alcançado e a mínima liberação de CO para o ambiente, onde podemos dizer que a relação ar/combustível está sendo feita em boas condições, isto é, a formação de CO 2 é a mais alta possível para uma baixa emissão de CO, os valores são dados em percentagem e esta relação deve tender a zero para aplicação prática. P. ex: Calcular o ratio onde o CO 2 é 9% e o CO de 50 ppm. Ratio = 0,005/9 = 0,0005 Este valor é bem aceitável, no entanto se obtivermos 300 ppm de CO e mantido o mesmo CO 2, o ratio será de 0,003, um resultado insatisfatório.
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9. Componentes dos gases da combustão 9.1 Dióxido de carbono – CO 2 Gerado nos processos de combustão e presente em pequenas quantidades no ar atmosférico (300 a 400 ppm), este nos oferece informações sobre o total de carbono convertido e o excesso de ar empregado na queima, além disso, o CO 2 é um ótimo meio de transporte de calor nos processos térmicos e quanto maior for sua quantidade na queima, melhores serão as transferências de calor e menores serão os excessos de ar utilizados. Valores típicos em queimadores a óleo são de 12% a 14% e queimadores a gás de 10%, sistemas a biomassa dependendo do material queimado podem ficar entre 10 e 16%. O CO2 máximo estequiométrico é quando todo o carbono queimado com o oxigênio se converte para CO 2. Este valor depende da composição de cada combustível, CO 2 max. Para óleos pesados é de 15,8%, para GLP 14%, gás natural 12% e para biomassa 20%, estes valores podem variar em função dos constituintes de cada combustível. 9.2 Oxigênio – O 2 O oxigênio é um componente do ar atmosférico, presente com 21%, uma quantidade excessiva presente nos gases da combustão indica queima com excesso de ar . Além disso o O 2 dissolvido com o ar , combina com o hidrogênio em combustível para formar vapor de água. Livre na atmosfera, acelera os processos de corrosão em metais. Valores típicos de 2 a 5% em queimadores a óleo e de 2 a 3% para queimadores a gás podem ser bastante satisfatórios. 9.3 Monóxido de carbono – CO O CO é um indicador de combustão incompleta, quanto maior for sua presença nos gases da combustão indicará anomalias e deficiência de queimadores. Combustores a óleo queimando com valores abaixo de 50 ppm e a gás abaixo de 30 ppm são satisfatórios. Fornalhas a biomassa, dependendo de seu projeto podem apresentar emissões acima de 3000 ppm e valores abaixo de 500 ppm são satisfatórios. 9.4 Óxidos de nitrogênio – NOx O nitrogênio presente na composição dos combustíveis e do ar, combinam em altas temperaturas para formar o NO e quando este sofre uma oxidação dá origem ao NO 2 e a uma cadeia de gases nitrosos. Estes são componentes venenosos e causam danos à saúde e ao meio ambiente. São facilmente solúveis em água. Teores na faixa de 100 a 300 ppm são encontrados em queimadores a óleo e inferiores a 100 ppm em queimadores a gás. 9.5 Dióxido de enxofre – SO 2 Formado pelo enxofre presente nos óleos combustíveis e carvões, em combinação com o ar ambiente forma o ácido sulfúrico. Queimadores a óleo com teor de enxofre máx. de 1% podem emitir SO2 na faixa de 250 a 600 ppm, o controle do teor do oxigênio nestes queimadores é fundamental para se reduzir estas emissões.
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9.6 Fuligem Fuligem são partículas de carbono não queimado, oriundos da combustão incompleta, em queimadores a óleo índices de número 1 a 3 da escala padrão são satisfatórios. Na queima incompleta de gases como GLP e o gás natural, pode ocorrer a formação de fuligem e observada na superfície de troca da câmara de combustão como uma fina camada que recobre estas superfícies. Queimadores que operam em condições de baixos excessos de ar ou com chama redutora (falta de ar) podem apresentar formação de fuligem nos gases da combustão. 9.7 Hidrocarbonetos totais - HCt São formados quando a combustão é incompleta e contribui para o aumento do efeito estufa, estes gases são o metano, butano e o benzeno, valores inferiores a 50 ppm são típicos em queimadores a óleo ou gás. 9.8 Cinzas Estas estão presentes na composição dos combustíveis sólidos e líquidos, formadas por materiais orgânicos e componentes minerais como alumínio, cobre, zinco, sílica, etc. A queima incompleta do combustível aumenta esta quantidade de cinza (não confundir com a fuligem) e boas condições deverão ser mantidas na combustão para se obter sua redução. Em combustíveis sólidos este aspecto é mais crítico.
10. Controlando a combustão pela análise dos gases Como visto nos capítulos anteriores, a determinação do excesso de ar nos processos de combustão é de suma importância, através dele podemos conhecer melhor o desenvolvimento da queima, a relação ar/combustível empregada, a eficiência do processo, as perdas de calor sensível nos gases e ainda determinar os níveis de emissões para o meio ambiente. Esta ficando cada vez mais difícil , nos dias de hoje, a operação dos equipamentos térmicos sem a medição dos gases, visto o avanço de sistemas de controle e automatismos empregados e principalmente custos envolvidos. 10.1 Condições para combustão satisfatória Para que ocorra a combustão em condições satisfatórias, seja qual for o combustível, alguns fatores devem ser observados, como: Temperatura constante no processo Excesso de ar adequado ao tipo de combustível Queima completa do combustível Volume de combustão suficiente (câmara adequada) -
-
Para se obter a queima completa de um combustível é necessário: -
-
perfeita nebulização do combustível no caso de óleos baixa umidade no caso de biomassa temperatura e viscosidade adequada nos óleos ótima relação ar/combustível com mistura adequada perfeita mistura com ar e boa turbulência 23
10.2 O que nos informa a medição dos gases Geralmente nos processos de combustão industrial, a intenção é se reduzir ao máximo o teor de oxigênio (O 2), aumentar o teor de dióxido de carbono (CO 2), reduzir o monóxido de carbono (CO) e os índices de emissão de fuligem. . o O2 nos informa sobre a falta ou excesso de ar. . CO2 indica a taxa de conversão do carbono e também o excesso de ar empregado. . o CO nos informa sobre as anomalias decorrentes da queima, isto é, os incombustos. Percentual de CO 2 Quanto maior o teor de CO 2, menor o excesso de ar , maior é a taxa de conversão de carbono e menores serão as perdas de calor sensível nos fumos. No entanto, o aparecimento de fumaça densa ou muito CO nos fumos significa que a quantidade de ar não foi necessária para completar a queima. CO2 máximo para combustíveis mais usuais: Óleo pesado – 15,8% Óleos leves (Diesel) – 15,5% Lenha – 20,1% Bagaço de cana – 19,8% Gás natural – 12,1% a) Um baixo teor de CO2 pode ser devido à: excesso de ar tiragem excessiva entrada de ar falso no sistema b) Um elevado teor de CO 2 e a ocorrência de fumaça densa podem ser motivados: excesso de combustível na fornalha falta de ar umidade excessiva na biomassa viscosidade inadequada do óleo baixa temperatura na fornalha Temperatura dos gases Quanto maior for a temperatura dos gases na saída do processo, maiores serão as perdas de calor sensível pela chaminé. A temperatura ideal para caldeiras flamotubulares, está na faixa de 200 a 250 ºC. Em caldeiras aquotubulares a temperatura vai depender do projeto da caldeira, podendo chegar a 400 ºC ou mais. Pré – aquecedores de ar ou economizadores são adicionados à saída de gases para recuperação do calor para o processo. Em fornos, a temperatura de saída dos gases para a chaminé vai depender do tipo de material que está sendo processado. O estudo correto da temperatura de saída dos gases do processo requer atenção especial para os técnicos em combustão, pois é necessário sempre se conhecer calores específicos e cargas térmicas aplicadas para facilitar estes estudos.
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a) A temperatura dos gases aumenta excessivamente quando -
o consumo de combustível é superior ao normal as superfícies da caldeira são recobertas internamente por incrustações calcáreas ou exteriormente os tubos estão recobertos de fuligem a tiragem é excessiva a fornalha é inadequada a parte refratária está danificada a chama é longa e bate no fundo da fornalha as características do combustível não são adequadas para a fornalha projetada
Concentrações de CO Normalmente sempre existe um pouco de CO na queima de qualquer combustível, a níveis de ppm (partes por milhão). Para queimadores a óleo, níveis de até 50 ppm podem ser admissíveis, no entanto, níveis superiores podem ser preocupantes pois leva à uma maior emissão de particulados e hidrocarbonetos. A formação de CO é resultante da má combinação do comburente com o combustível, e defeito na mistura é o grande causador da formação do CO. Falta de ar é um caso típico de formação de CO elevado. No entanto, tem-se observado que o CO pode ser resultado também do grande excesso de ar, deslocando as reações para uma queima incompleta. Em caldeiras a biomassa, a grande formação do CO 2 está relacionada com o tempo de retenção do material sobre as grelhas, com a quantidade de voláteis no combustível e com a temperatura da fornalha. O que limita o ajuste de ar dos queimadores ou na fornalha é o teor de CO. a) Uma formação excessiva de CO deve-se à: falta de ar no sistema defeito de tiragem defeito na mistura ar/combustível defeito mecânico (bocais sujos, esbarros de chama na fornalha) umidade excessiva no caso da biomassa velocidade excessiva da reação de combustão projeto da câmara de combustão projeto deficiente do queimador, relacionados ao índice de rotação e mistura Medição da tiragem Toda instalação de queima deve ter pressão negativa (depressão) constante na chaminé, porque esta incide diretamente no volume de ar de combustão. Consegue-se uma queima constante, somente quando a tiragem permanecer constante. Se a tiragem for insuficiente, aos gases de combustão demoram ao deixar a câmara, podendo aparecer pulsações na chama. Se a tiragem for excessiva, introduz-se um grande volume de ar na câmara. Em caldeiras ou sistemas que aproveitam o calor como pré-aquecedores, estes normalmente promovem uma pequena perda de carga, porém a mesma deverá permanecer negativa na saída da fornalha. A altura da chaminé, a temperatura dos gases, a altitude do local e a pressão barométrica influenciam no sistema de tiragem. 25
Fuligem O índice de fuligem determinado pelo método ASTM/DIN , indica rapidamente a qualidade da queima, e é aplicado somente para sistemas de queima a óleo leve ou pesado. Este método determina a qualidade da queima e indica a presença de sujeira na câmara ou nos tubos da caldeira ou ainda má atomização do óleo pelo queimador. A escala de comparação é um guia para mostrar a qualidade da emissão de fumaça que pode variar para cada tipo de queimador. Para óleos leves o índice de fuligem não deverá ultrapassar o nº 3 da escala de comparação, um índice maior de fumaça provoca o depósito de fuligem nos tubos e superfície de troca, dificultando a transmissão de calor, além de aumentar os índices de poluição atmosférica. Recomenda-se fazer ajustes no ar de combustão para que o índice de fuligem não ultrapasse ao índice 4 da escala de comparação. Índice de fuligem acima de 4 podem se tornar visíveis no topo da chaminé. Pode-se fazer uma correlação, caso a caso, do índice de fuligem, método ASTM/DIN com a escala de Ringelmann. Fuligem excessiva pode ter como causas : a) Modificação da relação ar/combustível - Diminuição do ar insuflado permanecendo constante o combustível - Aumento do consumo do combustível sem aumento do ar b) -
Diminuição da tiragem por: Entradas secundárias de ar na chaminé Diminuição da temperatura exterior Má ventilação da casa de caldeiras
c) -
Nebulização defeituosa Sujeira no bocal do queimador ou no difusor Viscosidade inadequada Operação inadequada do sistema Pressão insuficiente do ar ou do óleo
d) -
Mistura defeituosa do óleo/ar Pressão insuficiente de ar Má distribuição do ar pelo queimador Bocal do queimador danificado Câmara defeituosa
Ao detectar fuligem densa na chaminé procure verificar também: • • • • • • • •
estado da correia dos ventiladores e o balanceamento do rotor sujeira nos dutos de ar entupimento de bicos sujeira depositada nos filtros e aquecedores variação muito grande da temperatura nos tanques sujeira depositada no fundo de tanques de óleo linhas de óleo ou pré-aquecedores com óleo craqueado em seu interior vazamento de vapor nas linhas de óleo
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O ponto de fumaça deve ser ajustado com o ponto máximo do CO 2 e o mínimo de CO. Observar que nem sempre um alto índice de fuligem determina altas concentrações de CO nos gases, estes se dão devido ao arraste de sujeita e coque formado na queima. Depósitos de fuligem nas superfícies de troca causam aumento no consumo de combustível.
9 A U 8 M E 7 N T 6 O N O
EFEITO DA FULIGEM NO CONSUMO DE ÓLEO
5 4
C O 3 N S U 2 M O 1 (%) 1 / 32 “
1 / 16 “
1/8
Es essura da fuli em Para um depósito com espessura de 1/32” o aumento no consumo de combustível será de 2,5%.
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11. Valores de referência para ajuste de sistemas de queima*
Combustível
CO2
Óleos pesados Gás natural GLP Lenha (grelha fixa) Lenha (basculante) Bagaço de cana
12 a 14% 9 a 10,5% 10 a 13% 11 a 13% 13 a 16% 12 a 14%
Bagaço de cana
14 a 16%
(grelha fixa)
(grelha basculante ⁄ rotativa)
O2
CO
Índice de fuligem 3 a 5% < 50 ppm 3 2 a 5% < 30 ppm 0 2 a 6% < 30 ppm 0 7,5 a 9,5% < 1000 ppm 4 4 a 7,5 % < 500 ppm 4 6 a 8% < 1000 ppm 4 4 a 6%
< 500 ppm
4
Faixa de excesso de ar 15 a 30% 10 a 30% 10 a 40% 55 a 85% 25 a 55% 40 a 65% 25 a 40%
Nota: Estes valores podem variar em função do projeto da câmara de combustão, do processo, das características do queimador, do sistema de controle da combustão instalado, da qualidade do combustível entre outros fatores. (*) Valores usualmente encontrados
12. Problemas típicos de combustão
Operação Alto exc. de ar
Baixo exc. de ar
Ótimas condições
Óleo Pesado Baixa eficiência Produção ácida Alto NOx Alto SOx Alto CO Alto mat. Particulado Má distribuição calor Corrosão por vanadatos CO baixo Baixo MP Baixo exc. de ar
Biomassa Baixa eficiência Alto mat. Particulado Arraste de cinzas Alta condensação Alto CO Incombustos Alto MP Má distr. calor
Gás Baixa eficiência CO alto Alta condensação
CO baixo Baixo arraste
CO baixo Baixo exc. de ar
Alto CO Alto HC Má distr. Calor Avanço de chama
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