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por Fernando Costa©

Gases Combustíveis

Os principais gases combustíveis comercializados no Brasil são os gases liqüefeitos do petróleo e o gás natural. Existe ainda o gás manufaturado reformado, com área de atuação restrita à cidade do Rio de Janeiro, e outros gases combustíveis com aplicações específicas como o gás de refinaria, o gás de coqueria, o gás de alto forno, o acetileno, o hidrogênio, o gás de decomposição anaeróbica e os gases oriundos da gaseificação da madeira, do carvão vegetal e do carvão mineral.

Composição

Os gases liqüefeitos do petróleo são comercializados sob diversas denominações, de acordo com suas composições:

1. GLP propriamente dito, distribuído em larga escala, é composto por uma mistura de hidrocarbonetos parafínicos (propano, n-butano e iso-butano) e olefínicos (propeno, n-buteno e iso-buteno), nas mais variadas proporções. Pode ocorrer também a presença de traços de etano, eteno, iso-pentano e butadieno-1,3.

2. Propano especial, de distribuição restrita, composto basicamente por propano (mínimo 90 %), propeno (máximo 5 %), butanos e butenos, também com a presença de traços dos hidrocarbonetos mais próximos, como no GLP.

3. Propano comercial, cuja composição apresenta preferencialmente propano e ou propeno.

4. Butano comercial, destinado a aplicações especiais como em aerossóis e isqueiros a gás. Sua composição contém predominantemente butanos e ou butenos, de forma que sua pressão de vapor não ultrapasse 5 kgf/cm² a 37,8ºC.

5. Propileno (ou propeno) grau químico (95%) ou grau polímero (99,8%) que, além de sua utilização como matéria prima, é também usado em pequena escala como gás para oxi-corte e aplicações afins.

O gás natural distribuído para consumo, após seu processamento nas UPGNs, é uma mistura composta basicamente por metano (cerca de 90 %), etano (de 5 a 8 %), propano e traços de hidrocarbonetos mais pesados. Além disso, apresenta gases inertes como nitrogênio, gás carbônico e, às vezes, hélio. A composição do gás natural também apresenta algumas variações, de acordo com a sua origem e o seu processamento.

TABELA 1. Composição Volumétrica dos Gases Naturais (%)

Componente GN de Campos GN de Santos GN da BolíviaMetano 89,35 88,321 91,800Etano 8,03 6,064 5,580Propano 0,78 3,073 0,970Iso-Butano 0,04 0,443 0,030N-Butano 0,03 0,704 0,020Pentano 0,01 0,273 0,100Hexano e superiores - 0,080 -Dióxido de carbono 0,48 0,157 0,800

Nitrogênio 1,28 0,683 1,420Poder Calorífico

O poder calorífico é a característica que mais desperta a atenção em um gás combustível, podendo ser expresso tomando-se por base uma massa unitária (kg) ou um volume unitário (m³). No caso da base ser volumétrica, é necessário referir-se às condições de temperatura e de pressão: Nm³, normal metro cúbico, a 760 mm Hg (1 atm abs) e 0ºC; Sm³ ou m³, metro cúbico standard, a 760 mm Hg e 15,6ºC (existem também referências a temperaturas de 20ºC, 21,1ºC ou 25ºC). No Brasil costuma-se exprimir o poder calorífico de um gás em kcal/Nm³, kcal/m³ ou kcal/kg, muito embora o correto fosse usar unidades do sistema internacional (kJ/Nm³).

O poder calorífico superior (PCS) de um gás combustível é o calor total obtido da queima de uma determinada quantidade unitária do gás com a correspondente quantidade de ar estequiométrico, ambos a 15,6ºC (60ºF) antes da queima, calor esse liberado até que os produtos da combustão sejam resfriados a 15,6ºC. Assim, a água gerada pela queima do hidrogênio presente no combustível estará no estado líquido.

O poder calorífico inferior (PCI) de um gás combustível é obtido pelo seguinte cálculo: poder calorífico superior menos o calor latente de vaporização da água formada pela combustão do hidrogênio presente no combustível.

Portanto, um gás combustível que não possua hidrogênio em sua composição, apresenta o mesmo valor para o PCS e o PCI, como por exemplo o monóxido de carbono (ver Tabela 2).

TABELA 2. Poderes Caloríficos dos Gases Combustíveis

GÁS kcal/Nm³ kcal/kg

PCS PCI PCS PCIHidrogênio 3050 2570 33889 28555Metano 9530 8570 13284 11946Etano 16700 15300 12400 11350Eteno ou etileno 15100 14200 12020 11270Gás natural de Campos

10060 9090 16206 14642

Gás natural de Santos

10687 9672 15955 14440

Gás natural da Bolívia

9958 8993 16494 14896

Propano 24200 22250 12030 11080Propeno ou propileno

22400 20900 11700 10940

n-Butano 31900 29400 11830 10930iso-Butano 31700 29200 11810 10900Buteno-1 29900 27900 11580 10830iso-Pentano (líquido)

- - 11600 10730

GLP (médio) 28000 25775 11920 10997Acetileno 13980 13490 11932 11514Monóxido de carbono

3014 3014 2411 2411

Densidade

A densidade de um gás combustível é uma característica importante sob o ponto de vista da segurança, além de participar de muitos cálculos como dimensionamento de

tubulações, vazões e fatores de correção.

Os gases com densidades superiores à do ar atmosférico, no caso de vazamento ou drenagem, apresentam a tendência de se acumularem temporariamente em partes baixas, como subsolos e rebaixos no piso ou nas edificações, infiltrando-se ainda em aberturas como bocas de lobo, valetas, poços e galerias subterrâneas.

Já os gases mais leves que o ar, ao serem liberados na atmosfera, tendem a subir e se acumular temporariamente em partes elevadas como abóbadas e ou se infiltrarem em aberturas superiores nas edificações.

O acúmulo de gases combustíveis em ambientes confinados ou mal ventilados pode causar um acidente desde que ocorra uma condição de ignição.

TABELA 3. Densidades dos Gases Combustíveis

GÁS Densidade Absoluta Densidade Relativa

(kg/Nm³) ao ar (adimensional)

Ar 1,29 1,00Hidrogênio 0,09 0,07Metano 0,72 0,56Etano 1,35 1,05Eteno (ou etileno) 1,26 0,98Gás natural de Campos 0,79 0,61Gás natural de Santos 0,83 0,64Gás natural da Bolívia 0,78 0,60Propano 2,01 1,56Propeno (ou propileno) 1,91 1,48n-Butano 2,69 2,09iso-Butano 2,68 2,08Buteno-1 2,58 2,00GLP (médio) 2,35 1,82Acetileno 1,17 0,91Monóxido de carbono 1,25 0,97

Número de Wobbe

O Número de Wobbe, também chamado de Índice de Wobbe, representa o calor fornecido pela queima de gases combustíveis através de um orifício submetido a pressões constantes, a montante e a jusante desse orifício. A pressão do gás a montante do orifício é aquela fornecida ao queimador e a pressão a jusante é a da câmara de combustão, normalmente a pressão atmosférica ou valores próximos dela, positivos ou negativos.

Os Números (ou Índices) de Wobbe são definidos como:

As unidades dos Números de Wobbe são as mesmas unidades que expressam o poder calorífico, já que a densidade relativa ao ar é adimensional. Porém, apesar de possuírem as mesmas unidades, as conceituações físicas do Número de Wobbe e do Poder Calorífico são diferentes.

TABELA 4. Números de Wobbe dos Gases Combustíveis

GÁS Nº de Wobbe Superior Nº de Wobbe Inferior

(kcal/Nm³) (kcal/Nm³)

Hidrogênio 11528 9714Metano 12735 11452Etano 16298 14931Eteno (ou etileno) 15253 14344Gás Natural de Campos 12837 11597Gás Natural de Santos 13307 12043Gás Natural da Bolívia 12834 11591Propano 19376 17814Propeno (ou propileno) 18413 17180n-Butano 22066 20336iso-Butano 21980 20247Buteno-1 21142 19728GLP (médio) 20755 19106Acetileno 14655 14141Monóxido de carbono 3060 3060O Número de Wobbe tem diversas aplicações como cálculo de injetores de gases combustíveis para queimadores e cálculo de misturas de ar propanado para substituição de gás natural.

Temperatura Adiabática de Chama

A temperatura adiabática de chama é aquela que seria atingida na condição hipotética onde a combustão ocorreria em um sistema termicamente isolado, sendo todo o calor liberado pela queima utilizado no aquecimento dos produtos da combustão. Na realidade, as temperaturas efetivas da chama são inferiores às respectivas temperaturas adiabáticas pois, a partir do momento em que a chama se estabelece, inicia-se um processo de troca de calor da chama com o meio onde ela se propaga, fazendo com que apenas parte do calor liberado seja utilizado para o aquecimento dos produtos da combustão.

A Tabela 5 fornece a temperatura adiabática de chama de alguns gases combustíveis, assumindo a hipótese de que o combustível e o comburente estejam na temperatura ambiente de 20ºC.

TABELA 5. Temperaturas Adiabáticas de Chama, em ºC

GÁS a 20ºC COMBURENTE a 20ºC

Ar (ºC) Oxigênio (ºC)

Metano 1957 2810Etano 1960 -Propano 1980 2820Butano 1970 -Hidrogênio 2045 2660Acetileno 2400 3100

Temperatura Mínima de Auto-Ignição

A temperatura mínima de auto-ignição é uma temperatura limite, a partir da qual uma mistura de um gás combustível e um comburente se inflamam espontaneamente, quer dizer, sem a presença de uma chama piloto ou centelha.

TABELA 6. Temperaturas Mínimas de Auto-Ignição na Pressão Atmosférica, em ºC

GÁS COMBURENTE

Ar (ºC) Oxigênio (ºC)

Metano 580 555Etano 515 -Propano 480 470Butano 420 285Monóxido de carbono 630 -Hidrogênio 570 560Acetileno 305 296Essa temperatura é muito importante para o estabelecimento das condições de proteção contra a falta de chama no interior de câmaras de combustão. As normas da ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – estabelecem a temperatura de 750ºC nas superfícies internas da câmara de trabalho como fronteira entre os processos de baixa e alta temperatura. Nos processos acima de 750ºC, estando garantida a auto-ignição da mistura ar-gás com alguma margem de segurança, as exigências aos sistemas de proteção contra falta de chama são menos intensas.

 Campo de Inflamabilidade

O campo de inflamabilidade define a faixa de proporções onde uma mistura gás-comburente se inflamará quando submetida a uma condição de ignição. O campo de inflamabilidade também é chamado de campo de explosividade. A ocorrência de uma inflamação ou de uma explosão dependerá do grau de confinamento da mistura inflamável e sua capacidade de aliviar a expansão dos gases gerada pela combustão.

A Tabela 7 indica a percentagem do combustível na mistura, em base volumétrica, estando ambos na temperatura de 20ºC e na pressão atmosférica.

 TABELA 7. Campos de Inflamabilidade

GÁS COMBURENTE

Ar Oxigênio

Limites >>Inf. (%) Sup. (%) Inf. (%) Sup. (%)

Metano 5,0 15,0 5,0 60,0Etano 3,0 12,4 3,0 66,0Eteno (etileno) 2,7 36,0 2,9 80,0Propano 2,8 9,5 2,3 45,0Propeno (propileno)

2,0 11,1 2,1 52,8

Butano 1,8 8,4 1,8 40,0Monóxido de carbono

12,0 75,0 - -

Hidrogênio 4,0 75,0 4,0 94,0Acetileno 2,2 80 / 85(*) 2,8 93,0(*)Valores apresentam divergência em diferentes literaturas.

Abaixo do limite inferior de inflamabilidade a mistura é chamada pobre (em combustível) e não se inflama. Acima do limite superior de inflamabilidade a mistura é chamada rica e, também, não se inflama.

Velocidades de Chama

A determinação da velocidade de chama de uma mistura gás-comburente, também chamada de velocidade de ignição, é um processo experimental e os valores encontrados dependem das condições do teste e dos métodos de medição.

Portanto, os valores indicados na Tabela 8 podem apresentar divergências, de acordo com a literatura consultada.

TABELA 8. Velocidades de Chama

GÁS COMBURENTE

Ar Oxigênio

(m/seg) (m/seg)

Metano 0,4 3,9Propano 0,45 / 0,5 3,3 / 3,9Butano 0,35 3,3Acetileno 1,46 7,6Hidrogênio 2,66 14,35A Tabela 8 mostra que os gases combustíveis podem ser divididos em dois grupos: gases de baixa velocidade (como o GLP e o gás natural) e gases de alta velocidade (como o acetileno e o hidrogênio). Também podemos constatar que as velocidades de chama aumentam significativamente na queima com oxigênio puro.

A velocidade de chama é uma característica muito importante para o projeto dos bocais dos queimadores. Enquanto as velocidades de saída das misturas ar-gás ou oxigênio-gás nos bocais tendem a expulsar a chama para fora do queimador, a velocidade da chama se desloca no sentido contrário, dirigindo-se ao bocal do queimador. Enquanto houver equilíbrio entre estas velocidades, a chama se manterá estável, definindo assim a faixa de potências de cada queimador.

O projeto dos bocais dos queimadores inclui dispositivos para manter a chama estável em uma ampla faixa de potências e respectivas velocidades de saída das misturas ar-gás e oxigênio-gás.

Combustão

A queima dos gases combustíveis pode ser feita com ar atmosférico ou com oxigênio puro. A constituição aproximada do ar atmosférico é a seguinte:

1. Em volume, 20,8% O2 e 79,2% N2

2. Em massa, 23% O2 e 77% N2

As principais reações da combustão estequiométrica são as seguintes:

TABELA 9. Combustão Estequiométrica dos Gases com Ar Atmosférico

GÁS Ar de combustão Produtos da Combustão

(Nm³ ar / Nm³ gás) (Nm³ p.c. / Nm³ gás)

Monóxido de carbono 2,40 2,90Metano 9,62 10,62Acetileno 12,02 12,52Eteno (etileno) 14,42 15,42Etano 16,83 18,33Propeno (propileno) 21,36 23,13Propano 24,04 26,04Buteno 28,85 30,85Butano 31,25 33,75Hidrogênio 2,40 2,90

TABELA 10. Combustão Estequiométrica dos Gases com Oxigênio Puro

GÁS O2 de combustão Produtos da Combustão

(Nm³ O2 / Nm³ gás) (Nm³ p.c. / Nm³ gás)

Monóxido de carbono 0,50 1,00Metano 2,00 3,00Acetileno 2,50 3,00Eteno (etileno) 3,00 4,00Etano 3,50 5,00Propeno (propileno) 4,50 6,00Propano 5,00 7,00Buteno 6,00 8,00Butano 6,50 9,00Hidrogênio 0,50 1,00Os valores indicados pelas Tabelas 9 e 10 referem-se à combustão estequiométrica. Na prática, os valores podem ser diferentes dos indicados nas tabelas, de acordo com os objetivos das aplicações dos gases combustíveis.

Principais Tipos de Chama

Chama Fuliginosa

Normalmente utilizada para depositar fuligem em uma superfície, com as finalidades de desmoldagem ou lubrificação.

O gás queima sem ar de pré-mistura, apenas arrastando o ar ambiente ao redor da chama, ou então com uma pré-mistura em proporções mínimas com ar ou com oxigênio.

Chama Redutora

É a chama que tem por objetivo a combustão incompleta do gás, com a presença de monóxido de carbono (preferencialmente) e/ou hidrogênio nos produtos da combustão, gerando uma atmosfera protetora contra a oxidação.

Este tipo de combustão é também chamado de combustão sub-estequiométrica, pois a proporção de comburente é inferior aos valores indicados nas Tabelas 9 e 10.

Chama Ligeiramente Oxidante

É uma chama praticamente neutra, onde o teor de oxigênio nos produtos da combustão é baixo, da ordem de 1 a 2%, para garantir a queima total do gás (embora sempre exista a presença de traços de CO, da ordem de ppm). Para atingir este objetivo, o excesso de ar de combustão deve ser da ordem de 5 a 10% acima das proporções estequiométricas indicadas na Tabela 9.

Sob o ponto de vista de economia de combustível, esta é a forma mais eficaz de se queimar um gás com a finalidade de geração de calor.

Chama Oxidante

Algumas aplicações exigem uma atmosfera oxidante, como no caso de incineração e outras aplicações onde se necessite garantir a queima do material a incinerar ou a não-redução de óxidos metálicos.

As chamas oxidantes exigem o fornecimento de ar ou oxigênio em proporções superiores aos valores indicados nas Tabelas 9 e 10. Por exemplo, para se obter uma atmosfera com 7% de oxigênio, gerada por produtos da combustão, é necessário praticar um excesso de ar de combustão da ordem de 50% acima dos valores indicados na Tabela 9.

Geração de Ar Quente

Esta aplicação resume-se em queimar um gás combustível e diluir a temperatura dos produtos da combustão com uma grande quantidade de ar, a fim de se produzir ar quente, geralmente para processos de secagem. Deve-se tomar o cuidado para efetuar esta diluição após a queima total do combustível, evitando-se o "congelamento" da chama, ou seja, a paralisação da reação de combustão por baixa temperatura. Este fenômeno da extinção da chama introduziria produtos da combustão incompleta no ar quente, além de aumentar desnecessariamente o consumo do gás.

Vantagens do Uso de Gases Combustíveis

1. Permitir o contato direto dos produtos da combustão do gás com a carga a aquecer, o que, com combustíveis líquidos, só seria possível através de tubos radiantes ou muflas. A grande vantagem é a redução do consumo de energia obtida com o uso de

um gás combustível, sem tubos radiantes nem muflas.

2. Conformação das mais diversas formas de chama, adequando-as com precisão aos processos e aumentando a eficiência da transmissão de calor.

3. Facilidade de ignição, mesmo com a câmara de combustão fria.

4. Possibilitar regulagens finas nas temperaturas de processos.

5. Reduzir o custo de manutenção das tubulações de distribuição e seus acessórios, do sistema de controle de potência, bloqueio de segurança, medição, dos queimadores e da instrumentação.

6. Dispensar os sistemas de aquecimento e bombeio de óleos combustíveis pesados.

7. Praticar baixo nível de excesso de ar de combustão, otimizando o uso da energia e reduzindo a formação de óxidos de nitrogênio (NOx).

8. Não contaminar o meio ambiente e prejudicar o desempenho e a vida útil dos equipamentos com fuligem, óxidos de enxofre, vanádio, sódio, aldeídos, chumbo etc., como ocorre com combustíveis líquidos.

9. Gerar menos gás carbônico por caloria queimada, contribuindo de uma forma menos acentuada para o efeito estufa.

Índice:Tipos de Gases Combustíveis

Composição

Tabela 1 - Composição Volumétrica dos Gases Naturais (%)

Poder Calorífico

Tabela 2 - Poderes Caloríficos dos Gases Combustíveis

Densidade

Tabela 3 - Densidade dos Gases Combustíveis

Número de Wobbe

Tabela 4 - Números de Wobbe dos Gases Combustíveis

Temperatura Adiabática de Chama

Tabela 5 - Temperaturas Adiabáticas de Chama (ºC)

Temperatura Mínima de Auto-Ignição

Tabela 6 - Temperaturas Mínimas de Auto-Ignição na Pressão Atmosférica (ºC)

Campo de Inflamabilidade

Tabela 7 - Campos de Inflamabilidade

Velocidades de Chama

Tabela 8 - Velocidades de Chama

Principais Reações de Combustão Estequiométrica

Tabela 9 - Combustão Estequiométrica dos Gases com Ar Atmosférico

Tabela 10 - Combustão Estequiométrica dos Gases com Oxigênio Puro

Principais Tipos de Chama

Vantagens do Uso de Gases Combustíveis