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UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS - UFGD FACULDADE DE ENGENHARIA Prof. Dr. Omar Seye [email protected] Curso Engenharia de Energia

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE

DOURADOS - UFGD

FACULDADE DE ENGENHARIA

Prof. Dr. Omar Seye

[email protected]

Curso Engenharia de

Energia

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COMBUSTÃO E

COMBUSTÍVEIS

Disciplina:

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis para utilização em energia e aquecimento industrial

apresentam características importantes tais como baixo custo por

conteúdo energético, disponibilidade, facilidade de transporte e

armazenamento, possibilidade de utilização dentro de tecnologias

disponíveis, baixo custo operacional e de investimento, etc.

Durante muitos anos, os derivados de petróleo preencheram a

maioria destas características e se tornaram o tipo mais utilizado de

combustível industrial. Nas décadas recentes, outros tipos de

combustíveis tem sido utilizados e pesquisados, principalmente

aqueles que produzem menor impacto ambiental que os

combustíveis fósseis.

Definição

Toda substância capaz de reagir com o oxigênio e

liberar energia térmica é identificada como combustível.

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Capitulo 2: Combustíveis

Origem

Combustível Básico Derivado

FÓSSEIS

Petróleo

GLP. Gasolina Óleo Diesel, Óleo Combustível, Óleos Residuais

Gás Natural

Gases manufaturados

Xisto Betuminoso Carvões Minerais

VEGETAIS

Cana-de-açúcar Bagaço de cana, Álcool Etílico

Lenha Carvão Vegetal. Gases manufaturados, Metanol

Resíduos Vegetais Biogás

Do ponto de vista de origem, os combustíveis podem ser classificados como: fósseis (não renováveis) e vegetais (renováveis), representados pela tabela abaixo.

Classificação

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Capitulo 2: Combustíveis

Classificação

Naturais Artificiais

Sólidos Carvão mineral (turfa, hulha,

linhito ...);

Madeira (lenha, serragem, pó

de pinho ....);

Xistos (betuminosos e piro

betuminosos;

Resíduos industriais (bagaço de cana, cascas de

cereais ...)

Sólidos Carvão vegetal;

Coque de petróleo

Líquidos Petróleo Líquidos Álcool (etanol)

Derivados de petróleo (gasolina,

óleos, diesel,...)

Óleo de xisto

Gasosos Gás natural (metano) Gasosos Gás de alto forno

Gás de gasogênio

Gás liquefeito de petróleo (GLP)

Quanto a utilização de combustíveis é conveniente classificá-los e estudá-los quanto

a sua forma física: sólidos, líquidos ou gases. Os combustíveis podem ser

naturais ou artificiais, sendo estes subdivididos em sólidos, líquidos e gasosos

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Composição básica de um combustível: elementos químicos e

substâncias químicas

Elementos químicos

Podemos definir elementos

químicos como elementos

encontrados na natureza, em

seu estado primitivo. Para o

nosso curso seria

interessante salientar alguns,

bem como seus símbolos:

• Carbono (C)

• Hidrogênio (H)

• Nitrogênio (N)

• Enxofre (S)

Capitulo 2: Combustíveis

Substâncias químicas

Quando tivermos a união de dois ou mais

elementos químicos, iguais ou diferentes,

teremos como produto final uma substância

inorgânica ou orgânica como por exemplo:

• Dióxido de carbono ou gás carbônico (CO2)

• Monóxido de carbono (CO)

• Ácido sulfúrico (H2SO4)

• Ácido sulfuroso (H2SO3)

• Gás metano (CH4)

• Gás oxigênio (O2)

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Capitulo 2: Combustíveis

Composição típica dos combustíveis

A maior parte dos combustíveis fósseis são hidrocarbonetos e as suas composições típicas são de carbono, hidrogênio, oxigênio e outros elementos.

C H O N, S etc.

Gás Natural ~75 ~25 - -

Petróleo 84~86 11~14 0~3 0~5

Carvão

Mineral

78~95 ~7 1~15 1~5

Lenha 49 6 43 ~1

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Capitulo 2: Combustíveis

Análise de Combustíveis

Algumas propriedades devem ser conhecidas nos combustíveis:

Composição Elementar: A composição elementar é o conteúdo, por

porcentagem em massa, de carbono (C), Hidrogênio (H), Enxofre (S),

Oxigênio (O), Nitrogênio (N), Umidade (W) e Cinzas (A).

Utiliza-se as normas ASTM D 3176 e ASTM E 777, E 775 e E778 para

esta determinação.

É a característica técnica mais importante do combustível e constitui a base para análise dos processos de combustão, tais como cálculo dos volumes de ar, gases e entalpia, determinação do poder calorífico do combustível.

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Composição imediata: É o conteúdo em porcentagem de massa de

carbono fixo (F), voláteis (V), umidade (W) e cinzas (A). Determina-se

utilizando as normas ASTM Standard Methods for Proximate Analysis of

Coal and Coke, ASTM D3172 a D3175, ASTM D 1102 e ASTM E870 a E

872.

A material volátil é a parte do combustível que se separa em forma gasosa

durante o aquecimento do mesmo. O teor de voláteis tem influência no

comprimento de chama, no acendimento e no volume necessário da

fornalha.

O carbono fixo é o resíduo combustível deixado após a liberação do

material volátil. Compõe-se principalmente de carbono, embora possa

conter outros elementos não liberados durante a volatilização.

Os cinzas englobam, todos os minerais incombustíveis e é composta

basicamente de óxidos, tais como a alumina, óxido de cálcio, óxido de

magnésio etc...

Capitulo 2: Combustíveis

Análise de Combustíveis

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Capitulo 2: Combustíveis

Análise de Combustíveis

A umidade presente no combustível sólido é importante para determinação

de seu poder calorífico.

Os dados da composição elementar e imediata dos diferentes tipos de

combustíveis sólidos podem ser expressos na seguintes bases de

referencia:

(1) - Base de trabalho, ou seja, tal como se utiliza (com cinzas, umidade

etc...)

Ct + Ht + Ot + Nt + St + Wt = 100%

Vt + Ft + At + Wt = 100%

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Capitulo 2: Combustíveis

Análise de Combustíveis

(2) - Base de analítica, ou seja, tal como o combustível é analisado,

sem umidade externa (Wext)

Ca + Ha + Oa + Na + Sa + Wa = 100%

Va + Fa + Aa + Wa = 100%

Umidade externa é aquela que a amostra perde no trajeto até o

laboratório, apenas exposta ao ar ambiente de menor umidade

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(3) - Base seca, isto é, sem umidade:

Cs + Hs + Os + Ns + Ss = 100%

Vs + Fs + As = 100%

Após ter sido colocada em uma estufa

Capitulo 2: Combustíveis

Análise de Combustíveis

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(3) - Base combustível, sem umidade e sem cinzas:

Cc + Hc + Oc + Nc + Sc = 100%

Vc + Fc = 100%

Considerando-se apenas os principais componentes a serem

oxidados.

Capitulo 2: Combustíveis

Análise de Combustíveis

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Expressões para o cálculo da composição elementar ao se passar de

uma base a outra

Capitulo 2: Combustíveis

Análise de Combustíveis

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Composição imediata da biomassa, em base seca

Composição elementar da biomassa, em base seca

Capitulo 2: Combustíveis

Análise de Combustíveis

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Poder Calorífico É a quantidade de energia por unidade de massa que se desprende durante a

combustão completa do combustível. Define-se Poder Calorífico Superior, quando

a água proveniente da combustão é obtida na forma líquida e Poder Calorífico

Inferior quando a água proveniente da combustão é obtido na forma vapor.

Em instalações industriais, a temperatura dos gases de saída geralmente é maior

que a temperatura de condensação, portanto a entalpia de concentração da água

não é considerada. Mede-se o Poder Calorífico Superior pelo método ASTM D

2015-77

Capitulo 2: Combustíveis

Análise de Combustíveis

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Carvão Mineral

O carvão mineral brasileiro é utilizado principalmente na produção de

energia termoelétrico e na industria cimenteira. Devido ao seu alto teor de

cinzas e enxofre, não é muito utilizado industrialmente, a não ser nas

localidades próximas a minas produtoras. As principais propriedades de

carvões brasileiros são apresentados a seguir;

Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis sólidos

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis sólidos

Lenha

É um combustível amplamente utilizado no Brasil, tanto em aplicações

domésticas como em aplicações industriais para geração de vapor,

principalmente em pequenas unidades produtoras. É caracterizada por

baixo teor de cinzas, ausência total de enxofre e umidade variável, a qual

depende do tempo e método de armazenagem. A lenha quando cortada

possui por volta de 50% de umidade. Estocada ao ar livre, em toras

empilhadas, atinge a umidade de equilíbrio dentro de 3 a 6 meses, a

qual, depende da umidade relativa do ar é por volta de 15 a 25%. A

análise da lenha varia pouco com o tipo de árvore, e isto é uma regra

geral para todo material celulósico. Algumas propriedades são

apresentas nos quadros a seguir.

O poder calorífico inferior vai depender muito do teor de umidade. A

variação do PCS quanto ao tipo de madeira também não é muito grande.

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis sólidos

Composição média da lenha seca

Elemento C H O N Cinzas

% massa 50,2 6,1 43,4 0,2 0,2

Poder Calorífico Superior 4.400 kcal/kg

Variação do PCI em função do teor de umidade

% água 50 35 10

PCI (kcal/kg) 1990 2770 4070

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Bagaço de Cana

O bagaço de cana-de-açúcar é o combustível das usinas de açúcar e

álcool e utilizado localmente, logo após a moagem da cana. As modernas usinas

não consomem todo o bagaço produzido e o excedente pode ser fornecido a

terceiros, “in natura” ou seco e enfardado. O bagaço é queimado diretamente

com 50% de umidade, como vem da colheita.

A composição elementar é muito semelhante a lenha e suas propriedades podem

ser tomadas como similares, exceto é claro, quando a sua forma física.

A quantidade de bagaço obtida nas usinas é de aproximadamente 24 –

30% do peso inicial da cana, equivalente a 2,6 toneladas de bagaço (48% de

umidade, b.u.) por tonelada de açúcar.

Outra características importante do bagaço de cana é a composição

granulométrica que caracteriza a distribuição das partículas do bagaço em

frações determinadas por faixas de diferentes diâmetros médios. A composição

granulométrica é determinadas experimentalmente, utilizando-se um conjunto

padronizado de peneiras, e depende da variedade da cana, do esquema de

preparação e moagem da usina do grau de desgaste destes equipamento.

Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis sólidos

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Carvão Vegetal

Obtido através da carbonização da lenha.

Em média 2 m3 de lenha geram 1 m3 de carvão;

Poder calorífico aproximado de 7000 kcal/kg;

Usado principalmente para siderurgia e gasogênios

Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis sólidos

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis sólidos

Combustíveis oriundos da madeira

Cavaco

Pellet

Serragem

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Os combustíveis líquidos, normalmente empregados na geração de vapor,

são derivados do petróleo. Gasolina, nafta, querosene, óleo diesel e óleo

combustível são frações obtidas da destilação do petróleo. Apenas o óleo

combustível é usado em caldeiras. O óleo diesel, ainda que queimado em

algumas caldeiras, tem sua produção destina a motores de combustão

interna.

Os combustíveis líquidos são amplamente utilizados na industria pelas

facilidades de armazenamento, operação e transporte, e os derivados de

petróleo estão praticamente presentes na maioria das aplicações.

Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis líquidos

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis líquidos: Propriedades

Ponto de fulgor: é a temperatura do combustível na qual, sob a ação

de uma chama escorvadora sobre a superfície líquida do mesmo,

provoca uma ignição e combustão transitória. Importante propriedade

para a segurança de armazenamento.

Ponto de ignição: temperatura do combustível na qual a chama

escorvadora provoca uma combustão continuada sobre a superfície do

mesmo.

Ponto de auto-ignição: temperatura mínima de uma mistura

ar/combustível na qual a combustão é iniciada e se mantém, sem a

presença de uma chama ecorvadora.

Ponto de fluidez: temperatura mínima necessária para que o

combustível se torne um fluido.

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Viscosidade: importante propriedade que vai determinar as

temperaturas de armazenamento, bombeamento econômico e

pulverização (atomização) para combustão.

Poder Calorífico: é a quantidade de energia por unidade de massa que

se desprende durante a combustão completa do combustível. Define-se

poder Calorífico Superior, quando a água proveniente da combustão é

obtida na forma líquida e Poder calorífico Inferior quando a água

proveniente da combustão é obtida na forma de vapor.

Todas as propriedades tem normas e métodos para medição e algumas

podem variar em resultados conforme o método utilizado

Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis líquidos: Propriedades

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis líquidos: Derivados de petróleo

Os derivados de petróleo são produtos

do processamento do óleo cru,

basicamente em dois tipos de

processos:

Destilação atmosférica, onde grupos

de frações são separadas por

diferença de ponto de ebulição (ou

pressão de vapor), numa coluna de

destilação;

Destilação à vácuo do resíduo, onde

é extraído no resíduo de fundo da

coluna atmosférica mais frações leves.

O resíduo de destilação à vácuo é

utilizado para produção de asfalto ou

complementação da produção de óleo

combustível;

Craqueamento térmico ou catalítico, onde é possível transformar frações pesadas do óleo

em frações mais leves, ajustando o perfil da produção com as necessidades de mercado

consumidor.

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis líquidos: Óleo combustível

Os óleos combustíveis são divididos em dois tipos: óleos combustíveis

leves e óleos combustíveis pesados. Os óleos combustíveis leves chama-

se óleo diesel e são empregados em motores de combustão por

compressão de médias e altas rotações, enquanto que os óleos

combustíveis pesados são os óleos APF (alto ponto de fluidez) e BPF

(baixo ponto de fluidez), utilizados em motores de grande porte e de baixa

rotação. A diferença que existe entre os óleos combustíveis pesados e

leves é sobretudo sua viscosidade.

O teor de enxofre é uma característica importantíssima para especificação

e utilização de óleos combustíveis. Como explicado, o enxofre ocasiona a

formação de SO2 e SO3, o qual em reação com a água dos produtos de

combustão deve ser formar ácido sulfúrico. A formação e concentração de

ácido sulfúrico depende do teor de SO2, e conseqüentemente do teor de

enxofre no óleo. E da pressão parcial do vapor de água nos gases de

combustão.

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis Gasosos

Os combustíveis gasosos tem aumentando sua aplicabilidade na

indústria nacional, respondendo a demanda por fontes de energia mais

limpas e eficientes. A limitação de seu crescimento está na

disponibilidade e distância dos centros consumidores pela sua maior

dificuldade de transportes.

Gás Liquefeito de Petróleo (GLP) é importante combustível, tanto de

aplicação industrial como domestica. Gás Natural (GN) tem sido

explorado recentemente, porem, deve ser transportado por gasodutos, o

que dificulta sua maior utilização, dada a necessidade de investimento

em infra-estrutura.

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis Gasosos: Propriedades

Algumas propriedades importantes necessitam ser conhecidas para os

combustíveis gasosos. A composição química pode ser facilmente

determinada através da análise laboratorial, em cromatográficos

químicos. O poder calorífica é normalmente dado em termos de

energia/volume, relativa a determinada condição de temperatura e

Pressão. Em alguns casos pode ser fornecido em termos de

energia/massa.

Densidade Relativa: È a densidade do gás relativa ao ar nas mesmas

condições de temperatura e de pressão.

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Número de Wobbe: É uma relação entre poder calorífico e densidade

relativa dada pela equação:

A importância do número de Wobbe está ligada a intercambialidade de

gases para uma mesma aplicação ou queimador. Observe que a relação

de poder calorífico e a raiz quadrada da densidade relativa tem a ver com

a quantidade de energia (por volume ) que é possível passar por

determinado orifício com a queda de pressão correspondente. Em outras

palavras. No que se refere a potencia de um dado queimador, gases com

o mesmo número de wobbe vão apresentar o mesmo desempenho

energético.

Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis Gasosos: Propriedades

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis Gasosos: Propriedades

Velocidade de Chama: É a velocidade de uma frente de chama de uma

mistura ar/combustível, efetuada sob determinadas condições. O

conhecimento de parâmetros da velocidade de chama é útil também para

a estabilidade dos gases, no sentido de se garantir a estabilidade de

combustão em queimadores. Dois fenômenos podem ocorrer em

queimadores de gás:

O deslocamento da chama, quando a velocidade da mistura não

queimada é maior que a velocidade de chama, e

O retorno de chama, quando a velocidade de chama é maior que a

velocidade da mistura ar/combustível.

Ambos podem trazer conseqüências desastrosas aos equipamentos e um

queimador de gás deve ser projetado para determinadas faixas de

velocidades de chama para se garantir a estabilidade.

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis Gasosos: Exemplos

Gás Liquefeito de Petróleo: A aplicação industrial de GLP tem sido feito

em processo em que a limpeza é fundamental tais como em fornos

alimentícios, metalurgia e cerâmica fina. O GLP é uma mistura de frações

leves de petróleo na faixa de 3 e 4 carbono na cadeia. Para efeitos práticos

de combustão pode ser considerado como uma mistura em parte iguais de

propano e butano.

Composição em Massa %

etano

propano

propeno

butano

buteno

1,0

30,6

20,7

32,9

14,7

PCS (kcal/Nm3) 22600

PCI (kcal/Nm3) 21050

Densidade (kg/Nm3) 2060

Massa molecular média 48,79

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis Gasosos: Exemplos

Gás Natural: A exploração de gás natural pode ser feita através da

produção do “gás associado” a um poço de petróleo, com frações de

gás leves que justifiquem seu aproveitamento, ou em bacias

produtoras de gás natural. Sempre há produção de gases associados

a exploração do petróleo. Quando a produção de gás é pequena ou o

centro consumidor está muito distante, o gás é queimado localmente

em chamas abertas na atmosfera (flare). Gás natural é basicamente

metano, com algumas parcelas de leves de etano e propano. Sua

composição pode variar de local a local.

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis Gasosos: Exemplos: Gás Natural

O gás natural consiste em uma serie de diferentes hidrocarbonetos

sendo o metano (CH4), o principal. Caracteriza-se por:

Sua formação é semelhante a do petróleo e é encontrado em poços

perfurados na terra ou no mar, pode ser associado ou não com o

petróleo;

Poder calorífico variável de 9400 a 12800 kcal/m3;

combustão limpa e isenta de material particulado;

baixa emissão de poluente;

melhor eficiência de queima

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis Gasosos: Exemplos: Gás Natural

A composição química do gás natural varia em torno dos

seguintes valores:

% em volume

Metano CH4 73

Etano C2H6 14

Propano C3H8 3

Butano C4H10 2

Nitrogênio N2 7

Dióxido de carbono CO2 1

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis Gasosos: Exemplos: Gás Natural

A presença de enxofre é pequena. Para o gás natural tratada para

remoção de hidrocarbonetos maiores, para uso comercial, o teor de

enxofre é normalmente inferior a 22 mg/Nm3 e, por exemplo, pode

apresentar a seguinte composição química:

% em volume

Metano CH4 90

Etano C2H6 6

Nitrogênio N2 3

Dióxido de carbono CO2 1

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis Gasosos: Exemplos: Gás Manufaturados

São gases fabricados a partir de diversos combustíveis como carvão mineral, nafta e lenha. A composição varia principalmente em relação ao processo de fabricação e síntese e em relação a matéria prima.

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Capitulo 2: Combustíveis

Combustíveis Nucleares

As substâncias radioativas existentes, com o isótopo de urânio (U-235), são classificados como combustíveis nucleares. As substâncias radioativas, ao contrario dos combustíveis convencionais, liberam energia atômica por fissão ou por fusão nuclear. A fissão nuclear se processa em reatores, mediante bombardeiro controlado de nêutrons. Os perigos de radioatividade têm dificultado uma utilização mais ampla de reatores nucleares na geração de vapor e, portanto, na geração de energia elétrica.

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Capitulo 2: Comburente

É o elemento que alimenta a combustão. No nosso caso o comburente

é oxigênio O2, que é um dos componente do ar.

% em volume

Oxigênio O2 21,00

Dióxido de carbono CO2 0,03

Nitrogênio N2 78,00

Vapor d´ água 0,04

Gases raros (hélio, neônio) 0,93

Componente Fração molar, %

Nitrogênio 78,08

Oxigênio 20,95

Argônio 0,93

Dióxido de carbono 0,03

Gases raros (hélio, neônio) 0,01