capÍtulo 3 combustÍveis e combustÃo
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1
CAPÍTULO 3
COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
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2
PORQUE CONHECER ESTE ASSUNTO ?
Devemos conhecer os combustíveis e as técnicas de combustão para
poder utilizar os combustíveis de uma maneira racional, aproveitando
melhor a energia gerada nesta queima evitando assim o desperdício de
dinheiro e contribuindo com o meio ambiente
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3
COMBUSTÃO
É a combinação química da substância que queima
(COMBUSTÍVEL), com o oxigênio do ar (COMBURENTE),
acompanhada de uma liberação de calor
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FATORES QUE INFLUENCIAM A COMBUSTÃO
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Ausência de
combustível
NÃO EXISTIRÁ COMBUSTÃO NA:
Ausência de
Comburente (ar)
Ausência de
temperatura
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COMBUSTÍVEL
É qualquer substância, natural ou artificial que se
apresenta no estado físico sólido, líquido ou gasoso capaz
de reagir com o oxigênio do ar, liberando calor e luz
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COMBUSTÍVEIS INDUSTRIAIS
Para que uma substância seja considerada um combustível industrial é necessário:
- Disponibilidade (existe em grande quantidade)?
- Baixo custo (preço acessível no local de consumo)
- Aplicabilidade (tecnologia associada ao seu uso deve estar disponível)
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COMPOSIÇÃO DO COMBUSTÍVEL
(água, nitrogênio e cinzas)
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9
COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS
- Foram amplamente utilizados nas indústrias do Brasil;
- Fácil transporte, armazenamento e operação;
- São basicamente derivados do petróleo;
- São amplamente utilizados nas indústrias fora do Brasil;
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PROCESSOS DE REFINO
Torre de
destilação
a vácuo
Torre de
craqueamento
catalítico
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ÓLEO COMBUSTÍVEL
É a fração de petróleo mais utilizada para aquecimento industrial pelo seu baixo
custo;
O óleo combustível Brasileiro tem as seguintes especificações:
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COMBUSTÍVEIS GASOSOS
Tem aumentado seu uso na industria (energia mais limpa e mais eficiente);
Inconveniente está no transporte deste combustível aos centros consumidores
GÁS LIQUEFEITO DE PETRÓLEO
Aplicado em processo aonde a limpeza é fundamental
- fornos alimentícios , metalurgia, cerâmica fina.
Para efeitos de cálculo tem-se:
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GÁS NATURAL
Gás contido no poço de petróleo;
Quando a quantidade de gás produzido é pequena ou o centro consumidor
está distante, o gás é queimado localmente;
GÁS MANUFATURADO
Gás obtido a partir de outro combustível (carvão mineral, nafta, lenha);
Gás de lenha com 15 a 22 % de umidade
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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS
Os principais combustíveis sólidos são: LENHA e CARVÃO MINERAL
CARVÃO MINERAL
- Encontrado principalmente na região Sul: RS, SC e PR
- Utilizado em centrais TERMELÉTRICAS e INDUSTRIA DE CIMENTO
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CARVÃO SENDO TRANSPORTADO PELO RIO
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DEPÓSITO DE CARVÃO MINERAL EM UMA CENTRAL TERMELÉTRICA
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COMPOSIÇÃO DOS CARVÕES LATINO AMERICANOS
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COMPOSIÇÃO DOS CARVÕES NACIONAIS
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LENHA
- Amplamente usada no Brasil (aplicações domésticas e industriais);
- Usadas em caldeiras de pequeno porte;
- Baixo teor de cinzas, ausência de enxofre e umidade variável;
Teor de umidade
para lenhas usadas
em caldeiras
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BIOMASSA
- Bagaço da cana é usado nas usinas de açúcar e álcool;
- Não é todo consumido pela industria;
- O bagaço é queimado diretamente com 50 % de umidade.
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COMBURENTE
- Elemento fundamental para combustão;
- É o AR ATMOSFÉRICO - OXIGÊNIO
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COMPOSIÇÃO DO AR ATMOSFÉRICO
NITROGÊNIO – OXIGÊNIO – VAPOR DE ÁGUA – DIÓXIDO DE
CARBONO – ARGÔNIO – NEÔNIO – OUTROS GASES
Para fins práticos de combustão
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TEMPERATURA DE COMBUSTÃO
Todo o combustível começa a queimar em uma temperatura mínima chamada:
“PONTO DE INFLAMAÇÃO”
Para a Lenha o ponto de inflamação é de 300 ºC
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REAÇÕES QUÍMICAS BÁSICAS DA COMBUSTÃO
Elementos combustíveis
Reações químicas notáveis
nas fornalhas
C + ½ O2 CO
H2 + ½ O2 H2 O
C + O2 CO2
S + O2 SO2
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TODAS AS REAÇÕES QUÍMICAS VISTAS SÃO EXOTÉRMICAS
LIBERAM CALORCALOR DE
COMBUSTÃO
(Kcal ou kJ)
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PODER CALORÍFICO
É a quantidade de calor liberada pela combustão completa
de uma unidade de massa de um combustível
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PODER CALORÍFICO SUPERIOR (PCS)
É o poder calorífico apresentado por um combustível, englobando
o calor consumido na vaporização da água, tanto a existente no
combustível, quanto aquela formada durante o processo de
combustão
PODER CALORÍFICO INFERIOR (PCI)
É o poder calorífico apresentado por um combustível, sem
englobar o calor consumido pela vaporização da água existente
no combustível e daquela formada durante o processo de
combustão
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Nos cálculos de combustão é utilizado sempre o PCI
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DETERMINAÇÃO DO PCI
Para combustíveis sólidos
Onde:
C = teor de carbono (kg de carbono/kg de combustível);
H = teor de hidrogênio (kg de hidrogênio/kg de combustível);
S = teor de enxofre (kg de enxofre/kg de combustível);
W = teor de umidade (kg de umidade/kg de combustível)
d = densidade do óleo combustível
HWSO
HCPci .9600.22008
.34100.8140
(Kcal/kg)
Para óleos combustíveis
).210012400( 2dPci (Kcal/kg)
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30
EXERCÍCIOS
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FATORES QUE INFLUENCIAM A VELOCIDADE DA COMBUSTÃO
Estado físico do combustível
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Temperatura do combustível
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Área específica do combustível
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34
Existência de não queimáveis no combustível
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35
Volume do ar de combustão
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Características da fornalha (câmara de combustão)
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CÁLCULO DA COMBUSTÃO
1kg (C) + 2,667 kg (O2) 3,667 kg (CO2) + 8140 kcal/kg carbono
1kg (C) + 1,333 kg (O2) 2,333 kg (CO) + 2450 kcal/kg carbono
1kg (S) + 1kg (O2) 2 kg (SO2) + 2200 kcal/kg de enxofre
1kg (H2) + 8 kg (O2) 9 kg (H2 O) + 34100 kcal/kg hidrogênio
Combustão completa de 1 kg de carbono
Combustão incompleta de 1 kg de carbono
Combustão completa de 1kg de hidrogênio
Combustão completa de 1kg de enxofre
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OBSERVAÇÃO IMPORTANTE
1kg (C) + 2,667 kg (O2) 3,667 kg (CO2) + 8140 kcal/kg carbono
Combustão completa de 1 kg de carbono
1kg (C) + 1,333 kg (O2) 2,333 kg (CO) + 2450 kcal/kg carbono
Combustão incompleta de 1 kg de carbono
O MÁXIMO PODER CALORÍFICO DE UM COMBUSTÍVEL SERÁ
OBTIDO, QUANTO MAIOR FOR A PORCENTAGEM DE CO2 NOS
GASES DE COMBUSTÃO
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INCOVENIENTES DO ENXOFRE
SO2 + ½ O2 SO3
SO3 + H2O H2 SO4 (Ácido sulfúrico) ALTAMENTE
CORROSIVO
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40
CÁLCULO DAS QUANTIDADES DE AR E DE GASES DE COMBUSTÃO
IDEAIS (Estequiométricas)
Válidas para combustíveis sólidos e líquidos
Quando se conhece a composição química do combustível
comb
ar
kg
kgS
OHCm
ar.32,4
8.56,34.55,11*
comb
ar
arkg
mS
OHCV
3* .33,3
8.65,26.85,8
comb
gases
gkg
kgS
OHCm .32,5
8.56,35.55,12*
comb
gases
gkg
mS
OHCV
3* .31,3
8.52,31.84,8
Massa de ar
estequiométrica
Volume de ar
estequiométrica
Massa de gases
estequiométrica
Volume de gases
estequiométrica
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41
Caso não se tenha a composição do combustível, somente seu PCI
Para combustíveis sólidos
5,0
1000
.01,1* PciVar
(m3/kg)
65,1
1000
.89,0* PciVg
(m3/kg)
Para óleos combustíveis
2
1000
.85,0* PciVar
(m3/kg)
1000
.10,1* PciVg
(m3/kg)
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42
EXERCÍCIOS
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43
EXCESSO DE AR
1kg (C) + 2,667 kg (O2) 3,667 kg (CO2) + 8140 kcal/kg carbono
1kg (C) + 1,333 kg (O2) 2,333 kg (CO) + 2450 kcal/kg carbono
Combustão completa de 1 kg de carbono
Combustão incompleta de 1 kg de carbono
SUPRIMENTO DE AR INSUFICIENTE
Para evitar a combustão incompleta do combustível devemos sempre
fornecer uma quantidade de ar superior a teórica – EXCESSO DE AR
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44
INCOVENIENTES DA COMBUSTÃO INCOMPLETA
- FULIGEM -
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45
INCOVENIENTES DA COMBUSTÃO INCOMPLETA
- REIGNIÇÃO -
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46
INCOVENIENTES DA COMBUSTÃO INCOMPLETA
- INCRUSTAÇÃO POR FULIGEM -
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47
DETERMINAÇÃO DO EXCESSO DE AR (e)
(CONDIÇÕES DE COMBUSTÃO REAIS)
*. arar VeV ** ).1(ar
VeVV gg
*. arar mem ** ).1(ar
memm gg
Onde:
= volume real de ar de combustão (m3/kg);
= volume real de gases de combustão (m3/kg)
= massa real de gases de combustão (kg/kg)
= massa real de ar de combustão (kg/kg)
e = coeficiente de excesso de ar
arV
gV
gm
arm
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48
EXERCÍCIOS
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49
INCOVENIENTES DO EXCESSO DE AR
- Perda de calor pelos gases da chaminé;
- Perda de calor pela redução da temperatura da chama de combustão;
- Baixos valores de CO2 nos gases da chaminé.
écha
CO
COe
min2
2
*
%
%
*2
*
.12
2240%
arV
CCO
A porcentagem de CO2 teórico pode ser obtido através:
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50
ANALIZADOR DE GASES - ORSAT
Hidróxido de potássio
(absorve o CO2)
Ácido Pirogálico em
Hidróxido de potássio
(absorve o O2)
Cloreto Cuproso em
Amônia (absorve o CO)
Custo: R$ 3.700,00
Amostra dos
gases da
chaminé
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51
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52
EXERCÍCIOS
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53
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54
EXERCÍCIOS
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55
VÍDEO – ANALIZADOR DIGITAL DE GASES DE
COMBUSTÃO
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56
CÁLCULO DO CALOR RESIDUAL NOS GASES DE
COMBUSTÃO
).(. 12 ttcVQ pg
Onde:
Q = quantidade de calor nos gases de combustão (kcal);
cp = calor específico dos gases de combustão (kcal/m3.ºC);
t2 = temperatura dos gases na base da chamine(ºC);
t1 = temperatura dos gases na saida da chamine (ºC);
Calor específico médio dos gases na chaminé = 0,338 kcal/m3.ºC
CALOR QUE ESTÁ
SENDO PERDIDO
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57
RECOMENDAÇÃO PRÁTICA
Quando a temperatura dos gases de combustão é maior do que 200 ºC
recomenda-se o aproveitamento do calor residual da seguinte forma:
1 – pré aquecer o ar de combustão
2 – pré aquecer a água de alimentação da caldeira
3 – aquecer o combustível utilizado
4 – secagem de matérias primas e outros materiais
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TEMPERATURA DA COMBUSTÃO
Calor específico médio dos gases na combustão = 0,376 kcal/m3.ºC
pg
ccV
Pcit
.
tc = temperatura teórica da combustão (ºC)
Seu cálculo é indicado para:
-Especificar o material da fornalha;
-Especificar os queimadores;
-Fazer o balanço térmico;
-Etc
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EXERCÍCIOS
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60
FORNALHAS E QUEIMADORES
Fornalha – local aonde se dá a queima do combustível
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61
QUEIMA EM SUSPENSÃO
- Óleo combustível, gás, carvão pulverizado, serragem, casca de arroz;
Queimador
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62
QUEIMADORES ou MISTURADORES
- São compactos, instalados na fornalha e promovem a mistura do ar e do
combustível.
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63
VÍDEO – QUEIMADOR FORA DA FORNALHA
VÍDEO – QUEIMADOR DENTRO DA FORNALHA
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64
QUEIMA EM GRELHA
- Queimam Combustível sólido;
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65
QUEIMA EM SUPENSÃO OU GRELHA
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66
DIMENSIONAMENTO DE FORNALHAS
- Área do suporte do combustível;
g
gS
BK
Kg = carga da grelha (kg/m2.h)- tabelado;
B = consumo de combustível (kg/h);
Sg = área do suporte do combustível (m2).
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VOLUME DA FORNALHA
c
fV
PCIBK
.
Kf = carga da fornalha (kcal/m3.h)- tabelado;
Vc = volume da câmara de combustão (m3);
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68
EXERCÍCIOS