Combustão Parte 1

Transcript

Combustão - 1ª parte A forma mais empregada para produção de calor na indústria é a combustão, definida como a reação entre os elementos químicos de um combustível e o oxigênio. A oxidação dos combustíveis é uma reação exotérmica, sendo a quantidade de calor liberada função da composição química do combustível e dos produtos finais de combustão. Observe as reações: C+ O2 —» CO2 Nessa reação, 1 Kg de C irá produzir 8.100 Kcal 2H2 + O2 —» 2H2O 1 Kg de H2 produzirá 34.100 kcal S+ O2 —» SO2 —» CO —» CO2 1 Kg de S produzirá 2.200 kcal C+ ½ O2 1 Kg de C produzirá 2.407 Kcal CO + ½ O2 1 Kg de CO produzirá 5.693 Kcal Os elementos que não participam da combustão se mantém inalterados. Na combustão o objetivo é obter o máximo possível de calor. Não basta porém que o rendimento calorífico atenda às necessidades requeridas, é preciso que isto seja feito de forma econômica. A fim de maximizar-se o rendimento da combustão, deve-se obter o melhor aproveitamento possível do potencial energético do combustível através de alguns fatores operacionais, como: - Regular a relação ar-combustível; - Proporcionar uma perfeita mistura ar-combustível. A íntima mistura do combustível com o ar aumenta a superfície de contato entre ambos e têm influência decisiva na velocidade de combustão. Quanto mais íntima a união dos elementos, melhor a combustão. - Ar para a Combustão Conhecendo-se a composição do combustível e com base na estequiometria da reação, consegue-se calcular o ar necessário para a queima do combustível. A quantidade de ar que fornece o oxigênio teoricamente suficiente para a combustão completa do combustível, é chamada de "ar teórico" ou "ar estequiométrico". Na prática, sabe-se que é muito difícil obter uma boa combustão apenas com o ar estequiométrico. Se utilizarmos somente o "ar teórico", há grande probabilidade do combustível não queimar totalmente (haverá formação de CO ao invés de CO2) e conseqüentemente a quantidade de calor liberada será menor. Para se garantir a combustão completa recorre-se a uma quantidade adicional de ar além do estequiométrico, garantindo desse modo que as moléculas de combustível encontrem o número apropriado de moléculas de oxigênio para completar a combustão. Essa quantidade de ar adicional utilizada é chamada de excesso de ar. O excesso de ar é a quantidade de ar fornecida além da teórica. O excesso de ar proporciona uma melhor mistura entre o combustível e o oxidante, mas deve ser criteriosamente controlado durante o processo de combustão. Deveremos conhecer a quantidade ideal mínima possível de excesso a ser introduzida na queima, pois o ar que não participa da combustão tende a esfriar a chama, sem contribuir para a reação. Quanto maior o excesso de ar, maior o volume de gases nos produtos de combustão e conseqüentemente maior a perda de calor pela chaminé, influindo negativamente na eficiência da combustão. Entretanto as perdas por excesso de ar aumentam em proporção muito menor que as perdas com combustível não queimado. Assim, nos processos de combustão industrial sempre se trabalha com excesso de ar. A figura abaixo apresenta uma relação entre a vazão de ar para a combustão e as perdas de calor nos gases de exaustão da caldeira. Pode-se observar que caminhando-se da esquerda para a direita, passa-se de uma zona onde as perdas de energia se dão através de combustíveis não queimados para outra onde estas perdas ocorrem por excesso de ar. Existe entretanto, na transição entre as duas curvas, uma zona de máxima eficiência de operação, ou seja, onde as perdas são mínimas. A largura desta faixa de perdas mínimas depende das particularidades da instalação, do tipo de queimadores e do combustível. O teor de excesso de ar a ser utilizado varia de acordo com o tipo de combustível a ser queimado e também com o equipamento de queima, sendo menor para combustíveis gasosos e maior para combustíveis líquidos e sólidos. - Cálculos Estequiométricos 1) Cálculo da necessidade teórica de ar Nos cálculos estequiométricos é de grande utilidade o emprego de unidades molares. O mol é a abreviação de molécula-grama (quantidade em gramas igual à massa molecular da substância considerada) e o Kmol a abreviação de molécula-quilograma (quantidade em quilogramas igual a massa molecular da substância considerada). Durante a combustão, a massa de cada elemento permanece a mesma. Considere inicialmente a reação: C+ O2 CO2 Nesta equação, 1 Kmol de carbono reage com 1 Kmol de oxigênio formando 1 Kmol de dióxido de carbono, ou então, 12 Kg de carbono reagem com 32 Kg de oxigênio para formar 44 Kg de dióxido de carbono: C+ 1 Kmol 12 Kg O2 1 Kmol 32 Kg CO2 1 Kmol 44 Kg Logo, 1 Kg de C necessita de 2,66 Kg de O2 (32/12) Para os outros constituintes do combustível, teremos: H2 + ½ O2 2 Kg 16 Kg H20 18 Kg Logo, 1 Kg de H2 necessita de 8 Kg de O2 S+ 32 Kg O2 32 Kg SO2 64 Kg Logo, 1 Kg de S necessita de 1 Kg de O2 Assim, a massa de oxigênio teórica necessária para a combustão completa do combustível será calculada pela seguinte expressão: mO2 = 2,66 x (%C) + 8 x (%H) + 1 x (%S) (kg O2/Kg comb.) onde: % C = porcentagem de carbono existente na composição do combustível; % H2= porcentagem de hidrogênio existente na composição do combustível; % S = porcentagem de enxofre existente na composição do combustível. Caso existia O2 na composição do combustível, deveremos descontar essa quantidade da massa total acima calculada. Assim: mO2 = 2,66 (%C) + 8 (%H) + 1 (%S) - 1 (%O2) (kg O2/Kg comb.) onde: %O2 = porcentagem de oxigênio existente na composição do combustível. Na maioria dos processos de combustão, o oxigênio é fornecido pelo ar atmosférico. A composição do ar em peso é aproximadamente: 23% de oxigênio e 77% de nitrogênio. Logo, a quantidade teórica de ar para a combustão completa será: moar = 11,5 (%C) + 34,8 (%H) + 4,35 (%S) – 4,35 (%O2) (kg ar/Kg comb.) onde: Se temos uma mO2 = 2,66 e sabemos que isso corresponde a 23% da composição em peso da ar, então a massa total de ar irá equivaler a: 2,66 – 23% x – 100% x = 11,5 Kg ar 8 – 23% x – 100% x = 34,8 Kg ar 1 – 23% x – 100% x = 4,35 Kg ar Obs.: Para obter o número de moles (n) estequiométrico do ar de combustão, basta utilizar a fórmula: n= Logo, teremos: n O2 =m O2 / 32 n N2 =m N2 / 28 Logo: nº moles ar estequiométrico = n 02 +n N2 Considerando a massa específica do ar a P = 1 atm e T = 0º C, r (ar) igual a 1,2928 Kg/m3, teremos que o volume teórico de ar para a combustão completa será: rar = V o ar = 8,89 (%C) + 26,9 (%H) + 3,36 (%S) - 3,36 (%O2) (m3 ar/ Kg comb.) Onde: 1,2928 = 11,5 / Var Var = 8,89 1,2928 = 34,8 / Var Var = 26,9 1,2928 = 4,35 / Var Var = 3,36 Como este volume se refere a condições de P = 1atm e T = 0ºC (273 K), devemos convertê-lo para condições de trabalho normais utilizando a seguinte expressão: Nesses cálculos não será levado em conta a formação de CO, uma vez que a priori, não se pode determinar quanto de carbono irá formar CO2 e quanto irá formar CO. Também admite-se que o nitrogênio não participe da reação. Caso não se disponha da composição elementar exata do combustível usado em determinado processo de queima, poderão ser utilizados os valores médios abaixo mostrados: %C %H2 %S %O2 %N2 Lenha 47-52 6-9 - 40-44 - Óleo combustível 83-87 11-16 Até 5 Gás natural 73-77 23-26 - 1,5-2 Bagaço cana 46-47 - 43-45 Exemplo composição média de um combustível 6-7 Até 7 1-2 2) Cálculo da necessidade real de ar Como dito anteriormente para conseguirmos uma queima completa do combustível, há necessidade de se introduzir um excesso de ar. A quantidade desse excesso depende de vários fatores, mas apresentamos a seguir os valores comumente utilizados para os combustíveis mais comuns: Combustível Excesso ar utilizado - a (%) Lenha 40 – 50 Óleo combustível 15 – 20 Gás natural 5 -10 Logo, a massa e volume reais de ar a ser introduzida para queima do combustível será: m V ar ar =m =V o o ar ar . a (Kg ar / Kg comb.) . a (m3 ar / Kg comb.) Pode-se também considerar a água presente no ar e para isso devemos fazer uso de uma carta psicrométrica, onde dependendo da umidade relativa do ar encontraremos a quantidade de água presente no ar: mtotal ar = mar + (mar . x) onde: x = quantidade de água no ar (kg água/kg ar seco) de acordo com a umidade relativa