Fundamentos da Combusto

1. Estequiometria das reaes de combustoReaes de combusto so reaes qumicas que envolvem a oxidao completa de um combustvel. Materiais ou compostos so considerados combustveis industriais quando sua oxidao pode ser feita com liberao de energia suficiente para aproveitamento industrial. Os principais elementos qumicos que constituem um combustvel so o carbono, hidrognio e alguns casos o enxofre. Estes elementos reagem com oxignio, e na sua forma pura apresentam a seguinte liberao de calor, segundo as reaes: C + O2 CO2 - 393.500 kj/kmol H2 + O2 H2O - 241.800 kj/kmol S + O2 SO2 - 29.300 kj/kmol A maioria dos processos industriais de combusto utiliza o ar ambiente como fonte de fornecimento de oxignio para a combusto. O conhecimento das necessidades de ar para combusto, bem como da composio e volume dos produtos de combusto fundamental para o projeto e controle de equipamentos de combusto. A estequiometria qumica nos fornece os principais dados necessrios aos clculos de combusto. Os pesos atmicos dos principais elementos envolvidos em combusto, bem como a composio do ar ambiente encontram-se nas tabelas abaixo: Elemento Carbono Hidrognio Oxignio Nitrognio Enxofre Composio do ar Atmosfrico Elemento Oxignio Nitrognio Relao molar O2/N2 em massa 23,2% 76,8% em volume 21% 79% 3,76 Peso Atmico 12 1 16 14 32

Qualquer combustvel convencional requer, de acordo com sua composio, uma quantidade especfica e calculvel de oxignio (e portanto de ar, uma vez que este o agente comum de fornecimento) para atingir teoricamente uma reao completa. Menos do que essa quantidade, gera perdas excessivas de calor atravs do gs de combusto. Na prtica, a fim de se garantir combusto completa, utilizado um pouco mais do que a quantidade terica necessria, por razes posteriormente explicadas.

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Para um composto simples tal como o metano, constituinte principal do gs natural, pode ser escrita a equao de combusto: CH4 + 2 (O2 + 3,76N2) CO2 + 2H2O + 7,52N2 Pela equao acima, temos que 1 mol de CH4 necessita de 2 moles de O2 para ocorrer combusto completa. No caso de ar atmosfrico, envolvido obrigatoriamente mais (2 x 3,76) moles de N2 no processo de combusto. A princpio, admite-se que o N2 no participa das reaes, e sai do processo no modificado. Com base nesses dados possvel calcular as massas de combustvel e ar envolvidos, a partir dos pesos moleculares dos componentes da reao: Combustvel: 1 mol CH4 = 16 gramas Ar atmosfrico: 2 moles O2 = 2 x 32 = 64 gramas (2x 3,76) moles N2 = 2 x 3,76 x 28 = 210,56 gramas r A/C = ___Massa de Ar_____ __ Massa de combustvel = 274,56 = 17,16 16

A relao Ar/Combustvel estequiomtrica em base de massa 17,61 : 1 O clculo estequiomtrico como ilustrado acima permite determinar-se a relao A/C estequiomtrica para qualquer combustvel de composio conhecida. Quando se tratar de combustvel de composio molecular indeterminada, como o caso da biomassa, ou com uma grande quantidade de compostos envolvidos, como o caso de derivados lquidos de petrleo, deve ser conhecida a composio elementar do combustvel, que a proporo, em massa, dos elementos qumicos constituintes (C, H, S, etc..). A partir desta composio elementar em massa, transformando-os em composio molar, o processo de clculo o mesmo. A tabela abaixo apresenta valores tpicos da relao A/C estequiomtrica para os principais combustveis utilizados no Brasil. Relao A/C estequiomtrica, valores tpicos para alguns combustveis:

COMBUSTVEL leo combustvel 1% S leo combustvel 3% S GLP Gs natural Lenha (base seca) Bagao (base seca) Lenha 25% umidade Bagao 50% umidade

A/C ESTEQUIOMTRICA (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 como a relao entre o n de moles realmente utilizados na combusto e o n de moles estequiomtricamente necessrio: = N mol realO2 N mol - esqO2 = Mreal O2 M esteqO2

Por exemplo, se um combustvel for queimado com 20% de excesso de ar, ento a proporo de trabalho de ar/combustvel 1,20 vezes a proporo estequiomtrica. O ar em excesso, ento, no participa diretamente da combusto, e sai do processo junto com os produtos da combusto. Como vimos, as equaes de estequiometria qumica permitem o clculo das necessidades de ar de combusto e por consequncia, a previso da composio dos gases de combusto desde que: - seja conhecida a composio do combustvel, - seja admitida combusto completa, - e seja conhecido o excesso de ar aplicado. Da mesma maneira, se for conhecido a composio dos produtos de combusto, ou a frao molar de um de seus componentes, possvel calcular-se o excesso de ar aplicado a anlise qumica dos produtos de combusto permite tal determinao e um meio extremamente til e confivel para controle do processo de combusto. Os teores de CO2 e O2 so as medidas mais usadas para determinao do excesso de ar atravs da anlise dos gases de combusto. Desde que a composio elementar da maioria dos combustveis industriais no varia consideravelmente, possvel construir um grfico que relaciona o excesso de ar com o teor de CO2 ou O2 nos produtos de combusto.

As regras so simples:Ar em demasia desperdia calor Ar insuficiente desperdia combustvel Combustvel no queimado causa poluio Melhor faixa operacional obtida com baixos excessos de ar e baixo CO

2. Condies para combusto completaA combusto completa obtida quando os elementos qumicos componentes do combustvel so oxidados completamente para o seu mais baixo potencial qumico, portanto, C,H,S so oxidados respectivamente para CO2, H2O e SO2. Para que haja combusto completa necessrio reunir algumas condies especiais, a saber: - temperatura suficiente para correr a reao - tempo de permanncia dos reagentes nesta temperatura - contato fsico entre combustvel e oxidante, ou seja, uma boa mistura entre o combustvel e ar de combusto.

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As condies acima so necessrias para que ocorra a maioria das reaes qumicas e as reaes de combusto esto includas. As reaes qumicas necessitam de uma energia mnima de ativao das mesmas, e isto obtido normalmente pelo aumento de temperatura. Uma vez que a reao inicia-se, necessrio um certo tempo para que seja completada e da a necessidade de um tempo de residncia nesta temperatura para a ocorrncia de combusto completa. O contanto fsico obviamente necessrio j que os tomos do combustvel juntamse a um ou mais tomos de oxignio para ocorrer a combusto. Num processo de combusto, estas condies so obtidas atravs de: - uma fonte de ignio, para iniciar a reao - uma cmara de combusto, para confinar a reao de um volume determinado, manter alta temperatura e suprir o tempo de permanncia necessrio e - um dispositivo de mistura entre o combustvel e ar: o queimador. Uma vez que a combusto iniciada, a temperatura do volume onde ocorre a combusto mantida pelo equilbrio entre a gerao de calor proveniente da queima do combustvel e do calor transferido ao meio, por exemplo, para gerar vapor ou aquecer algum material. O queimador tem papel fundamental neste processo, j que o contato entre o ar e o combustvel feito atravs deste dispositivo de mistura utilizando-se de efeitos aerodinmicos tais como a turbulncia para promover a mistura ar-combustvel. Com combustveis gasosos, esta mistura relativamente fcil de se obtida na fase gasosa, situao onde ocorre as reaes de combusto. Para combustveis lquidos necessrio que haja vaporizao das fraes leves e devolatizao das fraes pesadas de lquidos e isto obtido normalmente atravs do processo de nebulizao de lquidos. A nebulizao, transformando o lquido em uma infinidade de gotculas, aumenta grandemente a rea superficial de contato entre ar e combustvel, proporcionando condies para vaporizao e mistura do mesmo. Em combustveis slidos, algumas reaes de combusto e devolatizao iniciam-se no seio da massa slida, e mais uma vez, a rea interfacial de contato entre combustvel e ar importante no processo. Para garantir o contato entre combustvel e ar utilizado, na prtica um excesso de ar. O excesso de ar deve ser maior quanto mais difcil for o contato e mistura entre combustvel e ar. Assim, maior o excesso de ar necessrio para combustveis slidos, diminuindo para combustveis lquidos e muitas vezes at desnecessrio para combustveis gasosos.

3. Energia liberada durante a combustoO Poder Calorfico de um combustvel definido como a quantidade de calor desprendido pela combusto completa do combustvel. Se esta quantidade de calor medida com os produtos de combusto saindo completamente na fase gasosa, este denominado Poder Calorfico Inferior. Se, por outro lado, a gua nos produtos de combusto for considerada na fase lquida, ou seja, com os produtos de combusto temperatura ambiente, o calor desprendido denominado Poder Calorifico Superior. A diferena entre os dois valores exatamente a entalpia de vaporizao da gua formada na combusto do hidrognio constituinte e da gua presente no combustvel na forma de umidade. O clculo do PCI considera o teor de H constituinte do combustvel e a umidade presente no mesmo, e deve ser feito segundo a equao abaixo: Onde: PCI = (1 u) PCS ( 1- u) 2440 (9h) 2440u

PCI = Poder Calorfico Inferior, base mida (kJ/kg) PCS = Poder Calorfico Superior (kj/kg) h = teor de hidrognio constituinte do combustvel, base seca (kg/kg) u = teor de umidade no combustvel (kg H2O /kg) base mida4

As medies de Poder Calorfico em laboratrios so realizadas em bomba calorimtrica com temperatura do meio controlada prximo a temperatura ambiente, e o valor obtido sempre o Poder Calorfico Superior. A avaliao do PCI feita atravs da equao acima, e portanto deve ser conhecida o teor de hidrognio do combustvel, ou pelo menos, estimado com algumas margens de segurana. A maioria dos processos industriais tem seus produtos de combusto exauridos a temperaturas onde a gua esta na forma de vapor, e por esta razo o conhecimento do Poder Calorfico Inferior til e facilita os clculos de aproveitamento de calor.

4. Eficincia energtica da combustoO principal objetivo da queima de algum combustvel o aproveitamento de energia, geralmente feito com a gerao de vapor de gua ou o aquecimento de algum material ou produto. Seja qual for o processo, a energia introduzida ao sistema na forma do poder calorfico do combustvel transformado em calor til e perdas de calor conforme a equao:

Qu= E 1 - perdasOnde :

Qu: energia til produzida E1:energia total que entra

perdas: soma de todas as perdas de calor e energia na operao do sistema.Definindo o rendimento trmico de equipamentos como a relao entre a energia til produzida e a energia consumida, temos que: N=

E 1 - perdas = 1 E1

perdas E1

bvio que a diminuio das perdas aumenta o aproveitamento da energia do combustvel. A principal perda de calor em equipamentos de combusto est contida no calor arrastado pelos produtos de combusto e dispersados na atmosfera. Outras perdas so as perdas de calor atravs das paredes dos equipamentos, o calor sensvel de cinzas cadas no cinzeiro de combustores de slidos, a radiao atravs de frestas e portas de fornalhas, e diversas outras especificadas e inerentes a cada tipo de equipamento. Devido ao fato que, na prtica, a perda de calor por entalpia dos produtos de combusto normalmente a mais preponderante, o controle desta perda mostra-se extremamente til.

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Aplicando-se um balano genrico de massa e energia num equipamento de combusto, a porcentagem de perda de calor pelos produtos de combusto pode ser calculada atravs da equao:

P= [1+(A/C) esteq ] Cp (Tg Tar)

PCOnde: P = percentagem de perdas pelos gases de combusto (A/C)esteq = relao Ar/Combustvel estequiomtrica do combustvel = coeficiente de excesso de ar Cp = calor especifico mdio dos gases de combusto (1050 J/kg C) Tg = temperatura de sada dos gases de combusto Tar = temperatura ambiente Atravs do exame da equao acima, conclui-se que duas variveis importantes tem influencia na perda de calor pelos gases de combusto: A temperatura de sada dos gases O coeficiente de excesso de ar

Para minimizao das perdas, a menor temperatura de sada desejvel, com o objetivo de melhor aproveitamento do calor sensvel contido nos gases. A temperatura de sada nem sempre possvel de ser controlada, j que dependendo do aumento da troca de calor dos gases com o fludo de trabalho ou material a ser aquecido. Isto implica normalmente em aumento da rea de troca de calor, que um parmetro original do projeto e construo de equipamentos. O aumento da rea de troca pode ser feito atravs da adio de recuperadores de calor, pr-aquecendo o ar de combusto ou a gua de alimentao de caldeiras. A limitao na reduo de temperatura de sada dos gases est na temperatura de processo, j que h sempre a necessidade de um diferencial de temperatura para haver transmisso de calor, e na temperatura de orvalho dos produtos de combusto quando se trata de combustveis com enxofre. A outra varivel o excesso de ar, que deve ser mnimo at o limite onde possa ocorrer combusto incompleta. Isto normalmente pode ser obtido atravs da regulagem do queimador com o menor excesso de ar possvel, identificando pela anlise dos produtos de combusto, determinando-se o teor de CO2 ou O2 para o controle de excesso de ar e CO ou HC totais para determinao de combusto completa.

5. Formao e emisso de poluentes no processo da combustoRigorosamente impossvel atingir-se condies para combusto completa em processos de combusto industrial, e alm de CO2 e H2O, formado e emitido ao meio ambiente alguns poluentes atmosfricos. Alm disso, mesmo os produtos de combusto completa, como o SO2 considerando um poluente. Assim, os processos de combusto produzem e emitem (dependendo tambm da composio do combustvel) normalmente os seguintes poluentes atmosfricos: - Material particulado - Monxido de carbono : CO - xidos de enxofre; SO2 e SO3 - xidos de nitrognio NOx - Compostos orgnicos volteis e outros produtos de combusto incompleta.6

5.1 Material Particulado - MPA formao e emisso de material particulado ocorre principalmente na combusto de combustveis slidos e lquidos, sendo que resultado de duas fontes principais: Material inorgnico presente no combustvel (cinzas) Fuligem formada pela combusto incompleta.

As cinzas volantes so xidos de elementos inorgnicos constituintes dos combustveis, tais como CaO, Al2O3, KO, etc... Sua formao e emisso depende fundamentalmente do teor de cinzas presente no combustvel, normalmente maior em combustveis slidos. leos combustveis pesados tambm apresentam algum teor de cinzas, que pode chegar at 0,1% em massa. O arraste das cinzas pelos produtos de combusto dependem do sistema de combusto. Para combusto de lquidos o arraste praticamente total, enquanto que para combustveis slidos em grelha ou similar, o arraste de cinzas depende do projeto do sistema da fornalha e das condies de operao.

5.2 FuligemFuligem o produto de combusto incompleta de fraes orgnicas do combustvel. A fuligem pode ser formada devido a recombinaes de volteis ou fraes leves de combustvel, sob condies especificas, ainda no muito bem conhecidas e determinadas. Pode ser formada tambm devido a devolatizao incompleta de gotas ou do combustvel slido, os quais no tiveram tempo, temperatura e oxignio suficiente para oxidao completa. A formao de fuligem indesejvel do ponto de vista ambiental e tambm de aproveitamento de energia, j que representa combustvel no queimado, porm pode ser importante para certas condies de transferncia de calor, j que a fuligem a maior responsvel pela emissividade de radiao trmica da chama. No ncleo da chama, a emisso de radiao devido a existncia de fuligem, ou partculas de carbono incandescentes. As principais razes de formao de fuligem so: Falta de ar de combusto, ou mistura no homognea Pulverizao deficiente (gotas grandes) Zonas de baixa temperatura (interrupo da combusto) A perfeita nebulizao de lquidos (com formao de dimetro pequeno de gotas) e a mistura homognea de ar e combustvel normalmente evitam a emisso de fuligem.

5.3 Monxido de Carbono - COO monxido de carbono produto da combusto incompleta do carbono e pode ser formado devido dissociao do CO2, que ocorre em altas temperaturas, segundo a reao: CO2 CO + O2 ou devido a no oxidao completa de CO formado pela devolatizao de slidos ou gotas de combustveis lquidos. A prtica mostra que a formao de CO sempre acompanhada pela formao de outros produtos de combusto incompleta e o seu teor nos produtos de combusto pode ser utilizado como um indicador de combusto incompleta. Queimadores industriais a leo pesado, p.ex., bem regulados emitem CO da ordem de 30 a 100 ppm e um aumento desta concentrao normalmente acompanhado pela emisso de fuligem e outros produtos.7

5.4 xidos de enxofre - SOx A combusto de produtos contendo enxofre origina dixido de enxofre como produto de combusto atravs da reao: S + O2 SO2 Uma parcela de SO2 produzido na cmara de combusto, conforme as condies de temperatura e excesso de ar oxidado at SO3, conforme a reao: SO2 + O2 SO3 Esta reao ocorre tambm na atmosfera, e ativada pelos raios ultravioletas do sol. Nas partes mais frias do processo, ou aps o efluente gasoso ter sido exaurido para a atmosfera, a umidade dos gases, ou do ar atmosfrico reage com o trixido de enxofre produzindo cido sulfrico. H2O + SO3 H2SO4 Os gases cidos de enxofre so um dos principais causadores da chuva cida, juntamente com xidos de nitrognio. A emisso de xidos de enxofre altamente indesejvel e seu controle e preveno tem dispensado grandes esforos em tecnologia e investimentos Carvo mineral e leos combustveis pesados so os principais insumos energticos que contm enxofre, no caso de leo combustvel, a presena de alguns metais, como o vandio, catalisa a reao de produo de trixido de enxofre aumenta mais o potencial corrosivo dos gases de combusto. A presena de cido sulfrico nos produtos de combusto aumenta a temperatura de orvalho dos gases e cido sulfrico, o qual pode ser condensado nas partes mais frias do equipamento, danificando-o rapidamente. O ponto de orvalho dos produtos de combusto contendo xidos de enxofre depende fortemente da associao do SO2 para o SO3, cuja taxa de reao difcil de prever, pois tem dependncia do histrico de temperatura dos gases de combusto e do excesso de ar. Em condies normais num gerador de vapor, a formao de SO3 de cerca de 0,01 a 3% do SO2 calculado estequiometricamente. A figura abaixo mostra o ponto de orvalho dos gases de combusto tpicos para leos combustveis:

Ponto de orvalho para gases de combusto de leos combustveis, valores tpicos. (fonte: Combusto e Combustveis Industriais, Esso Bras. de Petrleo S.A)

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Na combusto de combustveis contendo enxofre no h como evitar a formao de seus xidos. O controle ambiental feito absorvendo os gases cidos em uma corrente nebulizada de lquido alcalino, atravs de lavadores de gases, e neutralizando-os em sulfatos e sulfitos. Em alguns casos especiais, a absoro feita in situ utilizando-se a tecnologia de combusto em leito fluidizado com a adio de calcrio, absorvendo o enxofre em meio slido, no interior da cmara de combusto, atravs da produo de sulfatos.

5.5 xidos de Nitrognio - NOxNo estudo da estequiometria da combusto o nitrognio contido no ar atmosfrico no foi considerado como participante das reaes. Embora tal considerao seja aceitvel para o clculo estequiomtrico das necessidades de ar e do excesso de ar, isto no rigorosamente verdade devido as condies de altas temperaturas e ambiente altamente relativo. Na chama, o nitrognio do ar pode ser dissociado e re-combinado com oxignio formando o xido ntrico: N2 + O2 2NO

Reaes secundrias na atmosfera, ativadas pela radiao ultravioleta e por hidrocarbonetos produzem a partir do xido ntrico, o dixido de nitrognio. Os xidos de nitrognio contribuem para a formao da chuva cida atravs da combinao com umidade, formando cido ntricos. A presena de NOx na atmosfera, tem sido relacionada com diversos efeitos na sade humana e diminuio da produtividade de culturas agrcolas. A preocupao em relao ao NOx relativamente recente, em comparao com outros poluentes atmosfricos conhecidos, e deve tomar grande importncia em um futuro prximo. A formao de NO no justificada pela simples reao mostrada anteriormente. Uma sequncia de reaes, altamente dependentes da temperatura devido a sua elevada energia de ativao constitui o denominado mecanismo de Zeldovich, proposto em 1947: O + N2 N + O2 N + OH NO + N NO + O NO + H

Desde ento, diversas teorias tem sido propostas para explicar e prever a formao dos xidos de nitrognio. So trs as rotas bsicas que se admite para explicar a formao de NOx: -

O NO trmico, correspondente ao mecanismo de Zeldovich O NO rpido, proveniente da reao do nitrognio com radicais de hidrocarbonetos que so formados na base da chama e O NO combustvel, proveniente da oxidao do nitrognio constituinte do combustvel.

A mais importante destas rotas a do NO trmico, que ocorre nas regies de altas temperaturas no interior da chama. O controle ps-combusto da emisso de NOx muito difcil, j que o NO pouco solvel em meio aquoso, impossibilitando a absoro tal qual se faz com o SO2. A formao de NO deve ser controlada no processo, evitando-se as duas condies principais que colaboram para a produo do NO trmico: -

Altas temperaturas locais Alto excesso de ar

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Este controle s pode ser feito atravs do projeto adequado do queimador e cmara de combusto, utilizando-se diversos artifcios, tais como: - combusto estagiada: com a adio gradativa de ar, ou adio gradativa de combustvel para controle das temperaturas de reao e da concentrao de oxignio livre. Recirculao dos produtos de combusto, internamente atravs do projeto aerodinmico do combustor, ou externamente atravs do retorno de parcela dos produtos de combusto base da chama. Equipamentos que se utilizam deste artifcio so os chamados queimadores de baixo NOx e tem sido gradativamente desenvolvidos e disponibilizados pelos fabricantes de equipamentos de combusto.

5.6 Compostos Orgnicos Volteis COVsDiversos compostos orgnicos volteis podem ser emitidos pelo processo de combusto e so originados principalmente da combusto incompleta do combustvel. Estes compostos podem ser parcelas do prprio combustvel que no conseguiu ser queimado e saiu junto com outros produtos de combusto, ou compostos formados a partir de radicais hidrocarbonetos no oxidados completamente. A medio destes compostos nos produtos de combusto denominado de hidrocarbonetos totais e juntamente com o monxido de carbono pode ser utilizado como um indicador de combusto completa para fins de controle do processo de combusto. As principais razes de formao de HC totais nos gases de combusto so basicamente as mesmas para a formao de CO e outros produtos de combusto incompleta: -

Mistura no homognea entre combustvel e ar M distribuio do tempo de residncia dos gases Esfriamento da chama, interrompendo as reaes.

6. Breve descrio dos mecanismo de combustoPara queima eficiente de um combustvel, temos que conhecer suas propriedades e seu comportamento. A combusto de slidos se diferencia da combusto de gases e de lquidos pela dependncia de um nmero maior de parmetros operacionais como o conhecimento da umidade, teor de volteis, geometria, dimenses, porosidade da partcula, etc. Na combusto de gases os parmetros mais importantes so a temperatura e a mistura entre os gases ou vapores reagentes. Na de lquidos, o dimetro de gotas passa a ser um parmetro relevante. Desta forma, queimar slidos exige maiores esforos, maiores excessos de ar, melhores fornalhas e controle de mais parmetros como os mencionados. A queima de lquidos necessita de boa mistura entre ar e combustvel alm de diminuto tamanho da gota, exigindo, dependendo do processo baixos excessos de ar e a queima de gases, este j na forma perfeita para combusto necessita tambm de uma boa relao ar/gs para desenvolver boas temperaturas e queima completa, podendo-se em alguns casos chegar condies estequiomtricas. O aparelho de combusto, fornalhas e queimadores, tem papel fundamental para desenvolvimento de uma boa combusto. Projeto de fornalhas so baseados numa determinada carga calorfica por volume de queima e queimadores tem que ter a funo de promover uma tima mistura ar/combustvel, mas nem sempre isso pode ser conseguido, exigindo o controle da queima para evitar consumo excessivo de combustvel e de calor. A grande preocupao promover queima eficiente, com o mximo aproveitamento das calorias do combustvel, obteno de timas trocas de calor e baixas emisses para atender aos padres dos rgos ambientais.

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6.1 Parmetros de interesse para queima de combustveis slidos Principais fatores que influem no comportamento de chama Teor de umidade Poder calorfico Tamanho da partcula Distribuio granulomtrica (se pulverizado) Temperatura do ar secundrio Temperatura da cmara de combusto Coeficiente de excesso de ar Volume de fornalha Poderes Calorficos Tpicos (PCI) de alguns combustveis slidos Bagao de cana (50% umid) Lenha (eucalipto 40% umid) Carvo vegetal (b.s) Carvo vapor (35% cinzas) Casca de caju Casca de cco Casca de babau Serragem (20 % umid) Sisal (10% umid) Borra de caf 1.795 kcalkg 2.450 kcalkg 7.200 kcalkg 3.800 kcalkg 4.700 kcalkg 4.000 kcalkg 4.000 kcalkg 3.500 kcalkg 3.350 kcalkg 1.570 kcalkg

Obs.: a) O PCI pode variar em funo da qualidade, umidade, composio do combustvel b) Qto mais velho for o combustvel slido, menor os volteis e piores sero as condies de queima.

6.1.1 Comportamento de queima, aspectos principais a serem verificados Seqncia de queima deve ser completada, como secagem, gaseificao, pirlise, xido-reduo e precipitao de cinzas. Umidade alta reduz o poder calorfico, maiores comprimentos de chama so conseguidos e maiores so as emisses de particulado. A gua contida evaporada pelo calor gerado na prpria fornalha, portanto, a gua subtrai calor do processo. O comprimento de chama proporcional a quantidade de gua e determina acrscimos na altura da fornalha. Quantidade de cinzas no combustvel reduz eficincia da queima. Teor de volteis determina tambm o comprimento de chama e formas de injeo de ar de complementao de queima. Condies da atmosfera comburente (ar quente ou frio) influem no comportamento de combusto.

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6.2 Parmetros de interesse para queima de leos combustveis pesados

Principais fatores que influem no comportamento de chama Viscosidade (temp. de aquecimento) Tamanho da gota (atomizao) Sedimentos e gua Poderes Calorficos Tpicos (PCI) de alguns combustveis lquidos leos combustveis pesados leo de xisto Querosene leo Diesel lcool de cana leo de soja leo de babau leo de amendoim leo de algodo Sebo bovino (lquido) Metanol 9.400 a 9.650 kcalkg 9.700 kcalkg 8.300 kcall 8.600 kcall 5.500 kcall 8.125 kcall 7.700 kcall 8.000 kcall 8.050 kcall 8.200 kcall 5.040 kcall

Obs.: O PCI dos combustveis apresentados pode variar em funo de sua composio.

6.2.1 Comportamento de queima, aspectos principais a serem verificados Qualidade da mistura deve ser controlada segundo tecnologia de atomizao (queimadores pulv. mec., atomizao a vaporar comprimido ou copo rotativo) Tamanho da gota, dimenses e geometria do jato de leo Projeto mecnico do bico atomizador e bocal de ar podem influenciar na qualidade da atomizao. Controle adequado da temperatura garante viscosidade constante no bico de pulverizao para os leos pesados. Teor de enxofre nos leos pesados causam corroso nas reas mais frias de fornos e caldeiras Teor de metais nos leos pesados como o vandio, se fundem a altas temp. corroendo tubos e refratrios. Dimenses da fornalha devem ser compatveis com dimenses e geometria de chama

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6.3 Parmetros de interesse para queima de gases

Principais fatores que influem no comportamento de chama Velocidade da mistura ar/gs Composio do gs Coeficiente de excesso de ar ndice de rotao do escoamento Temperatura da mistura ar-gs Poderes Calorficos Tpicos (PCI) de alguns gases Gs Natural (RJSPMG) GLP (50%) Metano Propano Gs de refinaria Gs de coqueria Gs de alto forno Gs pobre (gasognio a lenha) Biogs CO (mon. de carbono) Hidrognio 8.700 kcalm3 11.025 kcalkg 8.570 kcalm3 11.080 kcalkg 8.235 kcalm3 4.460 kcalm3 980 kcalm3 1.200 kcalm3 5.800 kcalm3 3.000 kcalm3 2.570 kcalm3

Obs.: O PCI dos combustveis apresentados pode variar em funo de sua composio.

6.3.1 Comportamento de queima, aspectos principais Radiao de chama do GN e GLP menor que nos leos combustveis pesados Formato da chama depende da geometria do bocal Geometria da cmara de combusto influencia na estabilidade de chama Dimenses da fornalha devem ser compatveis com dimenses e geometria de chama CO2 e H2O na fase gasosa so responsveis por maior emissividade de chama, portanto, para obteno de altas temperaturas, deve-se reduzir o excesso de ar. Pr-aquecimento de ar a baixas temps. no 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 caractersticas do gs, velocidades de queima, forma de transferncia trmica entre outros aspectos tcnicos.

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7. Formas de Controle da Combusto fcil identificar o que acontece em uma fornalha quando os gases da combusto so cinzentos e fuliginosos. Certamente uma parte do combustvel no queima e isso se traduz em perda de energia. Tambm fcil obter considervel economia com a eliminao da fuligem atravs de simples ajustes na atomizao do leo e no ar de combusto. Porm, uma vez transparentes, os gases da combusto (fumos) no oferecem referncia visual alguma para a regulagem da combusto e, provavelmente ainda haja muito a se fazer. Como podemos determinar o excesso de oxignio na mistura ar/combustvel? Como podemos conhecer o rendimento de uma combusto? Vamos responder estas questes a seguir. Operadores de fornos e caldeiras devem possuir o sentido e comando do fogo e o controle da queima feito pelo: Controle Visual , observando: - a densidade da fumaa no topo da chamin - a cor da chama - o aspecto e forma da chama Indstrias controlam a eficincia de seus processos de queima atravs da: - medio do consumo de combustvel. - medio da produo de vapor (caldeiras). - medio da produo e pelo consumo de combustvel (consumo especfico). Porm, para garantir rendimento contnuo do processo necessrio o controle operacional para se conhecer o que se passa dentro de fornalhas afim de garantir operao segura e queima eficiente do combustvel, sendo assim necessrio se conhecer e estabelecer parmetros operacionais, medindo, comparando e ajustando a relao arcombustvel, temperaturas e presses, pois no h outra forma de controle seguro seno medindo uma srie de parmetros alm de manter o equipamento de queima tambm sob vigilncia.

8. Medio dos Gases da CombustoA anlise de gases utilizada como um mtodo de controle de algumas variveis e parmetros de operao de fornos, estufas e caldeiras, tais como: excesso de ar, vazo de gases, etc. Os vrios instrumentos utilizados para determinar a composio de gases possuem diferentes princpios de operao e necessitam de cuidados especficos, quando de sua utilizao. Os instrumentos para determinao da composio de gases mais utilizados so descritos a seguir:

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8.1 Mtodo de Orsat O aparelho de Orsat (mtodo de Orsat), consiste de um conjunto de pipetas e de recipientes de vidro. Este mtodo, desenvolvido por Orsat (sc XIX), baseia-se na determinao dos constituintes gasosos, mediante tcnicas de absoro do gs em reagente qumico e da combusto deste gs na presena de um filamento de platina aquecido. Alguns componentes da amostra analisada so quantificados atravs de sucessivas absores, de cada um dos componentes, em reagentes adequados, medindo-se o volume residual aps cada absoro. Outros componentes, que englobam os constituintes capazes de queimar em presena de excesso de oxignio ou do ar, so determinados fazendo-se a combusto da amostra e medindo-se os efeitos da combusto (volume de ar ou de oxignio consumido, contrao de volume e volume de dixido de carbono formado). Os resultados da anlise so dados em percentuais volumtricos em base seca, sendo o volume dos gases medidos temperatura e presso ambientes. Dessa forma, quando do incio da anlise, deve-se ter o aparelho e amostra em equilbrio com o ambiente, que no deve sofrer grandes variaes de temperatura e presso durante as determinaes. Podem ocorrer erros de at 1% ou mais caso ocorra variaes de temperatura ou presso durante a determinao.

Aparelho de Orsat

O aparelho de Orsat presta anlise por absoro de CO2, O2 e CO na faixa de 0 a 100% com preciso de +/- 0,2%, independentemente do valor lido e dependendo dos seguintes fatores: Aspectos importantes que influenciam na determinao so: a) Forma de coleta e armazenamento de amostra de gs. Ampolas de vidro ou de metais so as mais adequadas. Amostras coletadas em bales de ltex ou de plstico podem sofrer alterao da composio devido permeabilidade do CO2 atravs destes materiais. b) Presena de ar na sonda ou nos bales de coleta, mascarando ou diluindo a composio com ar. c) Qualidade dos reagentes empregado no preparo das solues.15

Vantagens do Orsat: Embora tenha cado em desuso, ainda empregado muito mais pela determinao do CO2 do que pelos outros gases, O2 e CO2, p.ex. o mtodo de Orsat est descrito em vrias normas para determinao de gases em fontes estacionrias, Cetesb, ABNT, USEPA, porm, para alguns gases, rgos ambientais j aceitam outros mtodos de anlise. Desvantagens: a) A soluo absorvedora de O2, se oxida rapidamente, obstruindo a ampola e intensos cuidados devero ser tomados para a sua manuteno. b) O CO dado somente em % volumtrica e o reagente de difcil preparao. c) Requer pessoal especializado para seu manuseio e com conhecimento do mtodo de anlise. d) Difcil de se usar no campo. As amostras tem que ser coletadas e levadas at o laboratrio para a anlise. e) H a necessidade de amostras complementares para confirmao dos testes. 8.2 Analisador Testoryt de CO2 ou de O2 qumico Conhecidos comercialmente pelo nome de Testoryt (Confor, fabr. Brasil) ou Fyrite (Bacharach, fabr. USA), so largamente usados em todo o mundo. A amostra do gs introduzida no aparelho por meio de um bulbo de suco, entrando o gs em um reservatrio que contm uma soluo que absorve apenas um de seus componentes. O gs em contato com a soluo (o aparelho invertido para fazer essa mistura), promove a absoro deste e parte do volume gasoso corresponde ao gs absorvido, causa uma contrao volumtrica (depresso), um vcuo parcial. Essa reduo de presso provoca o deslocamento da soluo para a coluna graduada e a leitura feita diretamente em percentagem volumtrica (base seca). Estes analisadores so encontrados para medir o teor de CO2 nas faixas de 0 20% ou de at 60% e de O2 na faixa de 0 a 21%. O conjunto de medio compreende um dispositivo que coleta os gases na chamin, este dispositivo destina-se a resfriar os gases, fazendo-se resfriar a amostra gasosa antes de ser analisada. As solues absorvedoras vo se saturando medida que o instrumento vai sendo utilizado. O fluido de CO2, alcalino e tem durabilidade para absoro de aproximadamente 300 amostras de gs 10% de CO2. O fludo de O2 base de sais de cromo, esta soluo de cor caracterstica azul, vai se oxidar em presena do O2, tem durabilidade para aproximadamente 60 medies de O2 21% (ar atmosfrico), podendo durar at 100 medies para nveis de oxignio na amostra de 10%.

Introduzir a sonda no duto da chamin/ duto de gases/ ou no processo desejado.

Aperte o conector de borracha sobre a vlvula de entrada do Testoryt, bombeando 18 vezes.

Analisador TestorytSolte o con ector e vir e o Testoryt mistu rando o flu ido com o gs. Compare o nive l d o fludo na esca la de % CO2 o u O2

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Alguns aspectos importantes serem considerados na anlise com esse tipo de aparelho so listados a seguir: a) O analisador calibrado para uma amostra de gs saturada com gua. Portanto, o material de enchimento do filtro da bomba de suco deve permanecer levemente umedecido durante as anlises. b) Deve-se verificar todos os acessrios de coleta antes do incio da anlise. No deve haver vazamento entre as vrias junes do coletor de gs. c) Os acessrios de coleta podem conduzir amostras temperatura mxima de 450 C, a amostra deve entrar no aparelho temperatura ambiente. O aparelho deve estar em equilbrio trmico com o ambiente para incio de operao. d) Durante uma srie de anlise consecutivas, deve-se, esporadicamente, verificar as solues absorvedoras de CO2 e de O2. Para isso necessrio, terminada uma anlise, estando a amostra ainda no analisador, tornar a promover o contato da amostra com a soluo e voltar a ler o valor do CO2 ou do O2. Um acrscimo superior 0,5% entre a leitura recente e a anterior indicar a saturao da soluo. Outro modo rpido de testar as solues analisar o ar ambiente (21% de O2) e o ar expirado (4% de CO2). e) Estes aparelhos tem preciso, na faixa de +/- 0,5% da leitura e para processos que requeiram muita preciso deve ser utilizado com reservas. 8.3 Determinao do ndice de Fuligem O ndice de fuligem (Smoke Spot Number) pode ser determinado pelo mtodo ASTM D 2156 (USA) ou DIN 51402 (Alemo). O mtodo consiste basicamente, em reter o produto slido presente em uma amostra de gs proveniente da queima de um combustvel destilado de petrleo. Pode-se citar, como aplicao tpica do mtodo, a regulagem do excesso de ar de combusto em uma fornalha. Deve-se minimizar o excesso de ar de tal modo a maximizar o teor de CO2 nos gases de combusto sem, no entanto, aumentar o ndice de fuligem. Esta determinao se restringe a uma anlise qualitativa do teor de fuligem nos gases, sendo til apenas para monitoramento da qualidade da queima, no podendo auxiliar na determinao em massa de cinzas ou fuligem.

Smoke Test Operao.

Fixe o papel de amostra no Smoke Test.

Introduza a sonda na chamin Compare a macha no papel e puxe a haste 10 vezes. filtro com a escala padro.

Medidor de fuligem Smoke Test.

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8.4 Analisadores eletrnicos com sensores eletroqumicos Estes analisadores renem a tecnologia de circuitos microprocessados com a tecnologia dos sensores eletroqumicos. Possuem sensores especficos para determinar o gs a ser medido e uma e uma bomba de suco interna. Assim que os gases passam sobre os sensores, a leitura feita diretamente e em tempo real no display. A sonda estando inserida no duto da chamin, todos os parmetros so medidos ao mesmo tempo e os clculos da combusto tambm, vo sendo executados, como % de excesso de ar, eficincia de queima, entre outros parmetros.

Tempest - analisador eletrnico de gases de combusto e de emisses.

Sprint - analisador porttil de gases de combusto

8.4.1 Funcionamento do sensor eletroqumico Os sensores eletroqumicos operam reagindo com o gs a ser detectado, produzindo um sinal eltrico proporcional a sua concentrao. Um sensor eletroqumico consiste de um eletrodo de deteco e um eletrodo reagente separados por uma fina camada de eletrlito. Quando o gs entra em contato com o sensor, este atravessa uma pequena abertura do tipo capilar e ento, difunde-se por uma barreira hidrofbica (onde retm gua e slido e passa somente o gs), eventualmente alcana a superfcie do eletrlito reagindo com o gs, neste processo os ons OH so criados e migram do eletrlito lquido para o nodo, estes ons produzem uma corrente eltrica. Neste processo, um resistor conectado aos eletrodos gera uma corrente proporcional taxa de concentrao do gs, a corrente pode ser medida para determinar esta concentrao.

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8.4.2 Aplicaes tpicas dos analisadores eletrnicos Devido rapidez na amostragem dos gases, tempo de resposta e custo, os analisadores portteis eletroqumicos vem ganhando um grande mercado mundial. Estes so produzidos para atender a aplicaes de: - monitoramento da combusto, regulagem e determinao de eficincia - monitoramento das emisses poluentes Como padro todo analisador possui sensor para medio do teor de O2 e do CO e adicionalmente estas unidades de medio possuem sensores para medio da temperatura dos gases e sensor para medir presso do fluxo de ar/gases. Existem vrias configuraes, segundo as aplicaes, para monitoramento da combusto se faz necessrio a indicao do teor de CO2 correspondente ao combustvel utilizado, clculos de excesso de ar e do rendimento da combusto, entre outros. Para medio das emisses poluentes estes analisadores incluem sensores de NO, NO2 , HC, H2S ou HCl e podem executar clculos de emisses segundo normas preconizadas pelo fabricante do pas de origem. Existem analisadores de uso misto, conjugado com sensores que podem monitorar tanto a combusto como o ar ambiente interno, analisando CO ambiente, detectando vazamentos de gs inflamvel ou at mesmo medindo umidade relativa e velocidade do ar e dos gases em dutos e chamins. 8.4.3 Parmetros calculados pelos analisadores eletrnicos Clculo do teor de CO2 O CO2 nestes analisadores no medido e sim calculado com base no valor do CO2 estequiomtrico (isto , para excesso de ar igual a zero) do combustvel: leos pesados CO2 mx = 15,8% Gs natural CO2 mx = 12,1% Bagao de cana CO2 max = 19, 8% O CO2 calculado conforme o teor de O2 medido, utilizando-se a seguinte expresso: CO2 calc = CO2 max (20,9% - %O2 medido) 20,9%

Clculo do excesso de ar ou do coeficiente de ar O excesso de ar dado pela seguinte expresso: Exc ar = 20,9 . 20,9 - %O2 med -

(lambda)

1 X 100

o coeficiente de ar

(lambda) no 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 Ar21 20 19 18 17 16

%CO2 ou O2 nos Gases de Combusto

15 14 13LP GLe

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2

nh a

O2

CO

2

0

70

Percentagem de Excesso de Ar

O grfico mostra o teor do O2 medido e a curva do CO2 calculado para vrios combustveis e a percentagem do excesso de ar correspondente. Exemplo: Medido o teor de 5% de O2 no gs de combusto da queima de leo pesado, determine o CO2 e o excesso de ar correspondente: R: CO2 = 11,8% Exc. Ar = 32%

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Clculo do NOx Nos analisadores que possuem somente o sensor de NO, o clculo do NOx dado por: NOx = NO . 1,05 (ppm) Clculo do rendimento da combusto O clculo do rendimento da combusto est baseado no calor especfico mdio do gs de combusto a uma dada temperatura e a um dado excesso de ar. Estes parmetros podem ser considerados como indicadores do rendimento , dependendo das normas adotadas o clculo do rendimento pode se tornar muito complexo. A princpio adota-se o mtodo abreviado de Siegert para se determinar estas perdas de calor sensvel nos gases da combusto.

Pc = K (t to) %CO2 medonde: Pc = perdas de calor sensvel nos gases da combusto com base no PCI do combustvel utilizado K = coeficiente que depende do combustvel que est sendo queimado T = temperatura dos gases no duto de sada To = temperatura do ar de combusto %CO2 = CO2 medido na chamin Os valores mais freqentes de k so: - 0,57 para leos pesados - 0,48 para gs natural Clculo da relao CO/CO2 - ratio Essa relao a razo do CO em % vol. pelo teor do CO2 medido ou calculado em % vol e um parmetro para indicar combusto higinica entre o mximo teor de CO2 alcanado e a mnima liberao de CO para o ambiente, onde podemos dizer que a relao ar/combustvel est sendo feita em boas condies, isto , a formao de CO2 a mais alta possvel para uma baixa emisso de CO, os valores so dados em percentagem e esta relao deve tender a zero para aplicao prtica. P. ex: Calcular o ratio onde o CO2 9% e o CO de 50 ppm. Ratio = 0,005/9 = 0,0005 Este valor bem aceitvel, no entanto se obtivermos 300 ppm de CO e mantido o mesmo CO2, o ratio ser de 0,003, um resultado insatisfatrio.

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9. Componentes dos gases da combusto 9.1 Dixido de carbono CO2 Gerado nos processos de combusto e presente em pequenas quantidades no ar atmosfrico (300 a 400 ppm), este nos oferece informaes sobre o total de carbono convertido e o excesso de ar empregado na queima, alm disso, o CO2 um timo meio de transporte de calor nos processos trmicos e quanto maior for sua quantidade na queima, melhores sero as transferncias de calor e menores sero os excessos de ar utilizados. Valores tpicos em queimadores a leo so de 12% a 14% e queimadores a gs de 10%, sistemas a biomassa dependendo do material queimado podem ficar entre 10 e 16%. O CO2 mximo estequiomtrico quando todo o carbono queimado com o oxignio se converte para CO2. Este valor depende da composio de cada combustvel, CO2 max. Para leos pesados de 15,8%, para GLP 14%, gs natural 12% e para biomassa 20%, estes valores podem variar em funo dos constituintes de cada combustvel. 9.2 Oxignio O2 O oxignio um componente do ar atmosfrico, presente com 21%, uma quantidade excessiva presente nos gases da combusto indica queima com excesso de ar . Alm disso o O2 dissolvido com o ar , combina com o hidrognio em combustvel para formar vapor de gua. Livre na atmosfera, acelera os processos de corroso em metais. Valores tpicos de 2 a 5% em queimadores a leo e de 2 a 3% para queimadores a gs podem ser bastante satisfatrios. 9.3 Monxido de carbono CO O CO um indicador de combusto incompleta, quanto maior for sua presena nos gases da combusto indicar anomalias e deficincia de queimadores. Combustores a leo queimando com valores abaixo de 50 ppm e a gs abaixo de 30 ppm so satisfatrios. Fornalhas a biomassa, dependendo de seu projeto podem apresentar emisses acima de 3000 ppm e valores abaixo de 500 ppm so satisfatrios. 9.4 xidos de nitrognio NOx O nitrognio presente na composio dos combustveis e do ar, combinam em altas temperaturas para formar o NO e quando este sofre uma oxidao d origem ao NO2 e a uma cadeia de gases nitrosos. Estes so componentes venenosos e causam danos sade e ao meio ambiente. So facilmente solveis em gua. Teores na faixa de 100 a 300 ppm so encontrados em queimadores a leo e inferiores a 100 ppm em queimadores a gs. 9.5 Dixido de enxofre SO2 Formado pelo enxofre presente nos leos combustveis e carves, em combinao com o ar ambiente forma o cido sulfrico. Queimadores a leo com teor de enxofre mx. de 1% podem emitir SO2 na faixa de 250 a 600 ppm, o controle do teor do oxignio nestes queimadores fundamental para se reduzir estas emisses.

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9.6 Fuligem Fuligem so partculas de carbono no queimado, oriundos da combusto incompleta, em queimadores a leo ndices de nmero 1 a 3 da escala padro so satisfatrios. Na queima incompleta de gases como GLP e o gs natural, pode ocorrer a formao de fuligem e observada na superfcie de troca da cmara de combusto como uma fina camada que recobre estas superfcies. Queimadores que operam em condies de baixos excessos de ar ou com chama redutora (falta de ar) podem apresentar formao de fuligem nos gases da combusto. 9.7 Hidrocarbonetos totais - HCt So formados quando a combusto incompleta e contribui para o aumento do efeito estufa, estes gases so o metano, butano e o benzeno, valores inferiores a 50 ppm so tpicos em queimadores a leo ou gs. 9.8 Cinzas Estas esto presentes na composio dos combustveis slidos e lquidos, formadas por materiais orgnicos e componentes minerais como alumnio, cobre, zinco, slica, etc. A queima incompleta do combustvel aumenta esta quantidade de cinza (no confundir com a fuligem) e boas condies devero ser mantidas na combusto para se obter sua reduo. Em combustveis slidos este aspecto mais crtico.

10. Controlando a combusto pela anlise dos gasesComo visto nos captulos anteriores, a determinao do excesso de ar nos processos de combusto de suma importncia, atravs dele podemos conhecer melhor o desenvolvimento da queima, a relao ar/combustvel empregada, a eficincia do processo, as perdas de calor sensvel nos gases e ainda determinar os nveis de emisses para o meio ambiente. Esta ficando cada vez mais difcil , nos dias de hoje, a operao dos equipamentos trmicos sem a medio dos gases, visto o avano de sistemas de controle e automatismos empregados e principalmente custos envolvidos. 10.1 Condies para combusto satisfatria Para que ocorra a combusto em condies satisfatrias, seja qual for o combustvel, alguns fatores devem ser observados, como: - Temperatura constante no processo Excesso de ar adequado ao tipo de combustvel - Queima completa do combustvel Volume de combusto suficiente (cmara adequada)

-

Para se obter a queima completa de um combustvel necessrio: perfeita nebulizao do combustvel no caso de leos - baixa umidade no caso de biomassa - temperatura e viscosidade adequada nos leos - tima relao ar/combustvel com mistura adequada - perfeita mistura com ar e boa turbulncia23

10.2 O que nos informa a medio dos gases Geralmente nos processos de combusto industrial, a inteno se reduzir ao mximo o teor de oxignio (O2), aumentar o teor de dixido de carbono (CO2), reduzir o monxido de carbono (CO) e os ndices de emisso de fuligem. . o O2 nos informa sobre a falta ou excesso de ar. . CO2 indica a taxa de converso do carbono e tambm o excesso de ar empregado. . o CO nos informa sobre as anomalias decorrentes da queima, isto , os incombustos. Percentual de CO2 Quanto maior o teor de CO2, menor o excesso de ar , maior a taxa de converso de carbono e menores sero as perdas de calor sensvel nos fumos. No entanto, o aparecimento de fumaa densa ou muito CO nos fumos significa que a quantidade de ar no foi necessria para completar a queima. CO2 mximo para combustveis mais usuais: leo pesado 15,8% leos leves (Diesel) 15,5% Lenha 20,1% Bagao de cana 19,8% Gs natural 12,1% a) Um baixo teor de CO2 pode ser devido : - excesso de ar - tiragem excessiva - entrada de ar falso no sistema b) Um elevado teor de CO2 e a ocorrncia de fumaa densa podem ser motivados: - excesso de combustvel na fornalha - falta de ar - umidade excessiva na biomassa - viscosidade inadequada do leo - baixa temperatura na fornalha Temperatura dos gases Quanto maior for a temperatura dos gases na sada do processo, maiores sero as perdas de calor sensvel pela chamin. A temperatura ideal para caldeiras flamotubulares, est na faixa de 200 a 250 C. Em caldeiras aquotubulares a temperatura vai depender do projeto da caldeira, podendo chegar a 400 C ou mais. Pr aquecedores de ar ou economizadores so adicionados sada de gases para recuperao do calor para o processo. Em fornos, a temperatura de sada dos gases para a chamin vai depender do tipo de material que est sendo processado. O estudo correto da temperatura de sada dos gases do processo requer ateno especial para os tcnicos em combusto, pois necessrio sempre se conhecer calores especficos e cargas trmicas aplicadas para facilitar estes estudos.

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a) A temperatura dos gases aumenta excessivamente quando o consumo de combustvel superior ao normal as superfcies da caldeira so recobertas internamente por incrustaes calcreas ou exteriormente os tubos esto recobertos de fuligem a tiragem excessiva a fornalha inadequada a parte refratria est danificada a chama longa e bate no fundo da fornalha as caractersticas do combustvel no so adequadas para a fornalha projetada

Concentraes de CO Normalmente sempre existe um pouco de CO na queima de qualquer combustvel, a nveis de ppm (partes por milho). Para queimadores a leo, nveis de at 50 ppm podem ser admissveis, no entanto, nveis superiores podem ser preocupantes pois leva uma maior emisso de particulados e hidrocarbonetos. A formao de CO resultante da m combinao do comburente com o combustvel, e defeito na mistura o grande causador da formao do CO. Falta de ar um caso tpico de formao de CO elevado. No entanto, tem-se observado que o CO pode ser resultado tambm do grande excesso de ar, deslocando as reaes para uma queima incompleta. Em caldeiras a biomassa, a grande formao do CO2 est relacionada com o tempo de reteno do material sobre as grelhas, com a quantidade de volteis no combustvel e com a temperatura da fornalha. O que limita o ajuste de ar dos queimadores ou na fornalha o teor de CO. a) Uma formao excessiva de CO deve-se : - falta de ar no sistema - defeito de tiragem - defeito na mistura ar/combustvel - defeito mecnico (bocais sujos, esbarros de chama na fornalha) - umidade excessiva no caso da biomassa - velocidade excessiva da reao de combusto - projeto da cmara de combusto - projeto deficiente do queimador, relacionados ao ndice de rotao e mistura Medio da tiragem Toda instalao de queima deve ter presso negativa (depresso) constante na chamin, porque esta incide diretamente no volume de ar de combusto. Consegue-se uma queima constante, somente quando a tiragem permanecer constante. Se a tiragem for insuficiente, aos gases de combusto demoram ao deixar a cmara, podendo aparecer pulsaes na chama. Se a tiragem for excessiva, introduz-se um grande volume de ar na cmara. Em caldeiras ou sistemas que aproveitam o calor como pr-aquecedores, estes normalmente promovem uma pequena perda de carga, porm a mesma dever permanecer negativa na sada da fornalha. A altura da chamin, a temperatura dos gases, a altitude do local e a presso baromtrica influenciam no sistema de tiragem.25

Fuligem O ndice de fuligem determinado pelo mtodo ASTM/DIN , indica rapidamente a qualidade da queima, e aplicado somente para sistemas de queima a leo leve ou pesado. Este mtodo determina a qualidade da queima e indica a presena de sujeira na cmara ou nos tubos da caldeira ou ainda m atomizao do leo pelo queimador. A escala de comparao um guia para mostrar a qualidade da emisso de fumaa que pode variar para cada tipo de queimador. Para leos leves o ndice de fuligem no dever ultrapassar o n 3 da escala de comparao, um ndice maior de fumaa provoca o depsito de fuligem nos tubos e superfcie de troca, dificultando a transmisso de calor, alm de aumentar os ndices de poluio atmosfrica. Recomenda-se fazer ajustes no ar de combusto para que o ndice de fuligem no ultrapasse ao ndice 4 da escala de comparao. ndice de fuligem acima de 4 podem se tornar visveis no topo da chamin. Pode-se fazer uma correlao, caso a caso, do ndice de fuligem, mtodo ASTM/DIN com a escala de Ringelmann. Fuligem excessiva pode ter como causas: a) Modificao da relao ar/combustvel - Diminuio do ar insuflado permanecendo constante o combustvel - Aumento do consumo do combustvel sem aumento do ar b) c) d) Diminuio da tiragem por: Entradas secundrias de ar na chamin Diminuio da temperatura exterior M ventilao da casa de caldeiras Nebulizao defeituosa Sujeira no bocal do queimador ou no difusor Viscosidade inadequada Operao inadequada do sistema Presso insuficiente do ar ou do leo Mistura defeituosa do leo/ar Presso insuficiente de ar M distribuio do ar pelo queimador Bocal do queimador danificado Cmara defeituosa

Ao detectar fuligem densa na chamin procure verificar tambm: estado da correia dos ventiladores e o balanceamento do rotor sujeira nos dutos de ar entupimento de bicos sujeira depositada nos filtros e aquecedores variao muito grande da temperatura nos tanques sujeira depositada no fundo de tanques de leo linhas de leo ou pr-aquecedores com leo craqueado em seu interior vazamento de vapor nas linhas de leo

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O ponto de fumaa deve ser ajustado com o ponto mximo do CO2 e o mnimo de CO. Observar que nem sempre um alto ndice de fuligem determina altas concentraes de CO nos gases, estes se do devido ao arraste de sujeita e coque formado na queima. Depsitos de fuligem nas superfcies de troca causam aumento no consumo de combustvel.

9A U 8 M E 7 N T 6 O N O

EFEITO DA FULIGEM NO CONS UMO DE LEO

5 4

C O 3 N S U 2 M O 1 (%)

1 / 32

1 / 16

1/8

Espessura da fuligem

Para um depsito com espessura de 1/32 o aumento no consumo de combustvel ser de 2,5%.

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11. Valores de referncia para ajuste de sistemas de queima*

Combustvel leos pesados Gs natural GLP Lenha (grelha fixa) Lenha (basculante) Bagao de cana(grelha fixa)

CO2 12 a 14% 9 a 10,5% 10 a 13% 11 a 13% 13 a 16% 12 a 14% 14 a 16%

ndice 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

O2

CO

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%

Bagao de cana(grelha basculanterotativa)

Nota: Estes valores podem variar em funo do projeto da cmara de combusto, do processo, das caractersticas do queimador, do sistema de controle da combusto instalado, da qualidade do combustvel entre outros fatores. (*) Valores usualmente encontrados

12. Problemas tpicos de combusto

Operao Alto exc. de ar

Baixo exc. de ar

timas condies

leo Pesado Baixa eficincia Produo cida Alto NOx Alto SOx Alto CO Alto mat. Particulado M distribuio calor Corroso por vanadatos CO baixo Baixo MP Baixo exc. de ar

Biomassa Baixa eficincia Alto mat. Particulado Arraste de cinzas Alta condensao Alto CO Incombustos Alto MP M distr. calor CO baixo Baixo arraste

Gs Baixa eficincia CO alto Alta condensao Alto CO Alto HC M distr. Calor Avano de chama CO baixo Baixo exc. de ar

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Controle da Eficincia de Combusto

1. Estequiometria das reaes de combusto 2. Condies para combusto completa 3. Energia liberada durante a combusto 4. Eficincia energtica da combusto 5. Formao e emisso de poluentes da combusto 5.1 Material particulado MP 5.2 Fuligem 5.3 Monxido de carbono - CO 5.4 xidos de enxofre SOx 5.5 xidos de nitrognio NOx 5.6 Compostos orgnicos volteis COVs 6. Breve descrio dos mecanismos de combusto 6.1 Parmetros de interesse para queima de combustveis slidos 6.1.1 Comportamento de queima, aspectos principais a serem verificados 6.2 Parmetros de interesse para queima de leos combustveis pesados 6.2.1 Comportamento de queima, aspectos principais a serem verificados 6.3 Parmetros de interesse para queima de gases 6.3.1 Comportamento de queima, aspectos principais 7. Formas de controle da combusto 8. Medio dos gases da combusto 8.1 Mtodo de Orsat 8.2 Analisador Testoryt de CO2 ou de O2 qumico 8.3 Determinao do ndice de Fuligem 8.4 Analisadores eletrnicos com sensores eletroqumicos 8.4.1 Funcionamento do sensor eletroqumico 8.4.2 Aplicaes tpicas dos analisadores eletrnicos 8.4.3 Parmetros calculados pelos analisadores eletrnicos 9. Componentes dos gases da combusto 9.1 Dixido de carbono CO2 9.2 Oxignio O2 9.3 Monxido de carbono CO 9.4 xidos de nitrognio NOx 9.5 Dixido de enxofre SOx 9.6 Fuligem 9.7 Hidrocarbonetos totais HCt 9.8 Cinzas 10. Controlando a combusto pela anlise dos gases 10.1 Condies para combusto satisfatria 10.2 O que nos informa a medio dos gases 11. Valores de referncia para ajuste de sistemas de queima 12. Problemas tpicos de combusto Anexos

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