Queimadores Industriais Definição: Queimador é o equipamento encarregado de processar a queima de um
combustível (gás ; liquido, sólido) numa fornalha ou câmara de combustão. As principais funções de um queimador são; • promover uma boa mistura ar combustível de tal forma que a chama seja estável e bem conformada. • dosar o combustível e o ar em proporções que estejam dentro dos limites de flamabilidade para ignição e uma queima estável. • garantir que não haverá retorno de chama nem descolamento. • Permitir que o combustível e o oxidante fiquem em contato o tempo suficiente para ocorrer e completar a reação de combustão. Na escolha ou projeto de um queimador alguns dos itens importantes são; •
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Boa razão de redução de queima: representa uma medida da flexibilidade de variação de cargas do queimador. É definido como sendo a razão entre a liberação máxima de calor e a liberação mínima de calor. Um valor comum para queimador de óleo é 3/1, o que significa que o queimador é capaz de operar no máximo com até 3 vezes a sua capacidade mínima de liberação de calor. Facilidade de operação Nível de ruído baixo Emissão de SOX e NOX reduzidas. Emissão de particulados reduzida Baixa necessidade de manutenção.
Queimadores de gases Tipos de Chama:
As chamas de gás, em processo de combustão contínua, são obtidas através da descarga contínua dos reagentes pelo bocal ou bocais do queimador; basicamente, estas chamas são classificadas em chamas de difusão ou chamas pré-misturadas, que por sua vez, dependendo da velocidade do escoamento podem ser laminares ou turbulentas. Chamas de difusão são obtidas ao se realizar descargas de gás combustível e do
comburente (ar ou oxigênio) separadamente na região onde ocorre a combustão. •
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Se as velocidades do gás e do comburente forem baixas (baixo número de Reynolds) a mistura entre o gás, o comburente e os produtos da combustão será basicamente por difusão, estabelecendo-se portanto uma chama de difusão laminar . Exemplos; chamas de isqueiro, vela, lampião, fósforo, etc. Entretanto se pelo menos uma das velocidades for alta, elevado número de Reynolds, a mistura entre o gás, o comburente e os produtos da combustão ocorrerá devido ao transporte macroscópico de massa caracterizando um escoamento turbulento, formando então uma chama de difusão turbulenta; exemplos desta chama são os “flares”.
Chamas pré-misturadas são obtidas em queimadores que promovem a mistura dos
reagentes, com teor de combustível dentro dos limites de flamabilidade; antes da descarga pelo bocal. Dependendo da velocidade de escoamento da mistura, a chama poderá ser laminar ou turbulenta. Os reagentes escoam através de bocais, tanto nas chamas de difusão como nas chamas pre-misturadas e para se obter uma chama estacionária é necessário que, a velocidade da mistura, onde ocorre a ignição, tenha o mesmo valor da velocidade de propagação da chama. A propagação da chama depende da natureza da mistura obtida no escoamento e das condições de contorno, “paredes do queimador e da câmara de combustão”. Devido à influência do escoamento na estabilização, dimensão e formato da chama, é conveniente introduzir alguns conceitos de aerodinâmica do escoamento de jatos de gás com e sem rotação “swirl”, e a perturbação do jato na presença de obstáculos. Jatos:
O escoamento de um fluido (gás ejetor) descarregado por um bocal num meio gasoso é denominado de jato. O gás ejetor arrasta os gases da vizinhança (“gás arrastado”) para o interior do jato e se expande geralmente em forma de cone como ilustrado na figura abaixo. • É importante observar que o jato é composto pela mistura do gás ejetor com o gás arrastado. • Nos queimadores, tanto o gás combustível como o comburente podem ser o gás ejetor, formando um jato com mistura reagente. Jato Livre
O jato pode ser dividido em várias zonas; • A primeira zona é caracterizada pela existência de duas regiões, uma contendo somente o gás ejetor, descarregado pelo bocal, e na outra já há a formação da mistura dos gases. • A segunda zona é a da transição do formato dos perfis da concentração e da velocidade,
A terceira zona é denominada de jato estabelecido. Nesta os formatos dos perfis da concentração e da velocidade são semelhantes para qualquer seção transversal do jato. Os jatos podem ser livres ou confinadas; • Os jatos livres não são influenciados pela parede e há gases na vizinhança em abundância em qualquer zona para se incorporar ao jato. • Os jatos confinados são influenciados pelas paredes, e podem propiciar recirculação dos gases do jato quanto há insuficiência de gases da vizinhança a serem arrastados. O formato do jato depende da geometria do bocal. São apresentados a seguir três tipos de jatos que são os mais utilizados: 1. jato livre com descarga por um bocal singular e área simples, por exemplo circular. 2. jato livre com descarga por um bocal cuja área de descarga é anular, 3. jato livre com descarga de dois fluidos, por exemplo um escoamento anular concêntrico com uma descarga circular, •
Jato em bocal anular
Jato de dois fluidos em bocais concêntricos
Jatos com rotação Um jato poderá ter três componentes de velocidade, u, v e w, respectivamente nas direções axial (u), radial (v) e tangencial (w). Se houver componente tangencial de velocidade se diz que o jato possui um índice de rotação (S) definido como a relação entre a componente axial do momento da quantidade de movimento tangencial ( I φ ) e a quantidade de movimento axial ( I x ) multiplicado por uma dimensão característica no bocal de descarga. S=
Iφ I x r o
A figura ao lado mostra um queimador que promove um jato com rotação “swirl”.
O jato ejetor com rotação também arrasta os gases da vizinhança para o interior do jato, promovendo a mistura dos gases. Um jato com elevado índice de rotação reduz consideravelmente a extensão das zonas potencial e de transição. A figura a seguir mostra esquematicamente a comparação do desenvolvimento do escoamento de um jato com e sem rotação.
Jato confinado sem rotação
Jato confinado com rotação
Exemplos de dispositivos para obtenção de escoamento com rotação;
Tipos de queimadores:
Os queimadores de gases combustíveis podem ser divididos em aspirantes (de prémistura) e de queima direta Nos queimadores de queima direta o gás é injetado puro, diretamente na zona de combustão, através de bicos com furos de pequeno diâmetro. Estes queimadores normalmente apresentam baixo ruído, chamas longas e elevada redução de queima Queimadores aspirantes: nos queimadores aspirantes a maior parte do ar de combustão é aspirado pela expansão do gás combustível num venturi, onde se misturam o ar e o gás combustível. Assim o ar primário é apenas função da vazão de gás combustível. Mistura no bocal do queimador:
Este sistema apresenta uma faixa ampla de operação, com possibilidade de redução da potência até 1:20; pode aquecer fornos a temperatura de até 1500oC. É utilizado em qualquer aplicação industrial, assim como; fornos de tratamento térmico, fornos de aquecimento para forja e caldeiras. • Em geral estes queimadores são instalados com pedra refratária para estabilizar a chama • Não apresentam risco de retorno de chama • Requerem pressões em torno de: para o gás 250 - 1500 Pa para o ar 1250 - 2000 Pa
Mistura parcial do comburente
Este sistema promove a mistura parcial do combustível e ar primário, dentro dos limites de flamabilidade, com λ < 0,6, obtida através do ejetor, e a mistura é encaminhada ao bocal ou bocais do queimador. • •
A velocidade usual de descarga da mistura pelo bocal é da ordem de 0,25 a 6 m/s. Os queimadores com bocal único, normalmente possuem estabilizador de chama, cujo princípio é o da recirculação de gases quentes, obtidos com a instalação de obstáculos, tipo grelha, na saída do bocal.
à descarga de um jato com mistura rica, λ < 0,6, é necessário uma quantidade considerável de ar secundário, restringindo a sua utilização para os casos em que o excesso de ar não é indesejável; e a sua temperatura de operação é inferior a 900oC. • Apresenta limitação de utilização em câmaras pressurizadas, podendo ocorrer retorno de chama, em operações inadequadas. •
A ilustra um queimador, mostrando o ejetor, a região da mistura e a cabeça do queimador com diversos bocais de descarga; além disso é esquematizada a cabeça de um queimador de bocal único, com estabilizador de chama.
Mistura completa: (mistura próximo da estequimétrica)
Este sistema é utilizado em processos em que se requer controle da atmosfera, e a sua temperatura de operação com ar pode chegar a 1600oC. Normalmente é utilizado em trabalhos de acabamento em artigos de vidro, cuja operação é denominada requeima e que necessita de temperaturas elevadas e aquecimento localizado em certas regiões da peça processada. A figura mostra um esquema, em que o ar é utilizado como ejetor, arrastando o gás combustível.
Mistura completa usando misturador mecânico: (mistura próximo da estequimétrica)
Este sistema é análogo ao sistema anterior e é indicado para ser usado em câmara pressurizada. O sistema pode suprir vários queimadores; e é necessária a instalação de sistema de segurança, constituído de válvula de retenção e válvula corta chama.
