COMBUSTÃO JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS

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1 COMBUSTÃO JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS Professor Adjunto da Universidade Federal de Minas Gerais Coordenador do Laboratório de Combustíveis e Combustão Doutor em Engenharia Mecânica - Térmica (UFMG) Doutor em Engenharia Aeronáutica - Energia (ITA) Engenheiro Químico (UFMG) mautone@demec.ufmg.br

2 Concentrações Usadas Fórmula mínima Atmosfera padrão Razão de mistura Excesso de ar misturas pobres Excesso de combustível misturas ricas Enriquecimento de ar com O Emissões de CO e SO

3 Concentrações Usadas Fração molar (X i ) e Percentagem molar (% molar) no.de moles do componente i ni Ci PM X i no.de moles totais n PM Fração volumétrica (Y i ) e Percentagem volume/volume (% v/v) i Y i volume do componente volume total i Vi V 3 Para gases ideais Y i = X i Fração mássica (C i ) e Percentagem peso/peso (% p/p) C i massa do componente massa total i mi m ρi ρ X i PM PM i

4 Concentrações Usadas 4 Peso molecular PM i = peso molecular do componente i PM = peso molecular médio da mistura com n componentes Partes por Milhão (ppm) Elemento Peso Molecular (kg/kmol) C H O 6 N 4 S 3 Representa um litro do componente diluído em 0 6 litros de mistura. Usado para representar traços de poluentes (CO, SO, NO x, etc.) nos gases de combustão. PPM Y i 0 6 PM n i X i PM i

5 Concentrações Usadas 5 Partes por Milhão (ppm) As concentrações de poluentes são dadas em base seca, ou seja, retirando a água do gás de combustão. A água interfere nas medições de concentração quando se usam sensores infravermelhos. A água é retirada antes da análise, usando uma substância higroscópica e/ou condensadores térmicos. Gases da Combustão de GLP Base úmida Base seca % v/v % v/v ppm AR 0,88 0, ,7 O 0,0000 0,00 0,0 N 69,7 79, , HO,559 C3H8 0,0000 0,00 0,0 C4H0 0,0000 0,00 0,0 CO,683 4, , CO 0,000 0,000, H 4,66 4,87 487,9 Total 00 00,00 Sem água 87,48

6 Concentrações Usadas Exemplo Gasolina C Gasolina A Álcool Etílico (kg/m3) Composição (% v/v) Erro (% v/v) Densidade(5ºC) Massa(kg) Composição(% p/p) Fração Mássica (p/p) 76,0,0 74, ,6 74,9 0,749 4,0,0 789, ,6 5, 0,5 00,0 Média 753, , 00,0,000 6 Gasolina A Álcool Etílico Obs: Fórmula Mínima Peso Molecular Composição(% p/p) NoMoles Composição(Molar) C8H8 4 74,9 0,6567 0,546 CH6O 46 5, 0,5464 0,454 83, 00,0,03,000 A gasolina A foi considerada como 00% n-octano. As densidades estão em kg/m3, medidas a 5ºC e atm (Perry et Chilton, 973). Percentuais segundo Portaria da ANP No. 97 de 8//999. Exercícios Biogás Composição % v/v % v/v CO 39 N 0 49 H CH Gás de Alto Forno Composição % v/v % v/v CO N CO 30 H Gás de Madeira Composição % v/v % v/v HO CO 7 59 N 40 CO 4 H 4 4 CH Carvão Mineral Santa Catarina %p/p C 80,8 H 5,4 O 7, N,4 S 5, 00

7 Fórmula Mínima O Combustível mais usado é um hidrocarboneto. A Fórmula Mínima de um hidrocarboneto combustível informa o teor molar de carbono, hidrogênio, oxigênio e enxofre presentes. C a H b O g N d S w Fórmula Molecular Fórmula Mínima Metano CH 4 C H 4 Gasolina A C 8 H 8 C 7 H 3,0 Metanol CH 3 OH C H 4 O Etanol C H 5 OH C H 6 O Diesel C 6 H 34 C 6,88 H 3, Biodiesel CH 3 (CH ) 3 (CH CH=CH) (CH ) 7 CO CH 3 C,9 H 3,4 O 0, Carvão Mineral C (s) C 0,48 H 8,4 O 0,7 N 0,6 S 0,5 7 Óleo Combustível C 0 H 40 C 0 H 6,9 N 0,3

8 Fórmula Mínima 8 Exemplo Gasolina C Fórmula Mínima Peso Molecular Composição(% p/p) NoMoles Composição(Molar) Gasolina A C8H8 4 74,9 0,6567 0,546 Álcool Etílico CH6O 46 5, 0,5464 0,454 83, 00,0,03,000 Fórmula Mínima da Mistura Gasolina/Álcool Átomo No átomos Gasolina No átomos Álcool No átomos Mistura C 8 5,3 H 8 6,6 O 0 0,5 N 0 0 0,0 S 0 0 0,0 Exercícios Biogás Composição % v/v % v/v CO 39 N 0 49 H CH Gás de Alto Forno Composição % v/v % v/v CO N CO 30 H C 5,3 H,6 O 0,5 Gás de Madeira Composição % v/v % v/v HO CO 7 59 N 40 CO 4 H 4 4 CH Carvão Mineral Santa Catarina %p/p C 80,8 H 5,4 O 7, N,4 S 5, 00

9 Atmosfera Padrão O Oxidante mais frequente é o Ar Atmosférico Componentes típicos N, O, Ar e H O (umidade) Composição simplificada: % v/v O e 79 % v/v N Padrões de Atmosfera CNTP (condições normais de temperatura e pressão) ou NTP (normal temperature and pressure) 73,5 K (0 o C) e 035 Pa ( atm). CPTP (condições padrão de temperatura e pressão) ou STP (standard temperature and pressure) 73,5 K (0 o C) e 0 5 Pa ( bar). Condições de referência para termodinâmica: 98,5 K (5 o C) e 035 Pa. Atmosfera ISA (International Standard Atmosphere) condições ao nível do mar 88,5 K (5 o C) e 035 Pa ( atm) as propriedades variam com a altitude (Barros, 003 pg. 70 a 7). 9

10 ln(pv/po) DEFINIÇÕES BÁSICAS Atmosfera Padrão 0 A Umidade Relativa (%UR) é a medida da quantidade de água dissolvida no ar atmosférico. A Umidade Relativa padrão é normalmente zero, mas em algumas normas se usa 3,7 %UR. A Umidade Relativa pode ser convertida em fração molar de água através de uma equação de pressão de vapor da água apresentada na norma NBR 5484 de 985 e modificada por Barros, Pressão de Vapor da Água (-37 a 47ºC) 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 /T (/K) Clausius-Clapeyron NBR5484/985 Perry e Chilton, 973 Ajuste Atual

11 Umidade Relativa Definição de umidade relativa: P v é pressão de vapor da água (Pa) %UR 00 P sat é a pressão de saturação da água, em Pascal, na pressão e temperatura local (equação válida de -37 a 47 o C) P P v, H O sat, H O P sat, H O 534,5 Pexp 4, 354 T P é a pressão atmosférica local (Pa) P seca é a pressão atmosférica se a umidade for retirada do ar (Pa) T é a temperatura local (K) X HO é a concentração volumétrica (molar) de vapor d água no ar P P X HO %UR 00 P P seca sat, H O v, H P O (T,P)

12 Umidade Relativa Exemplo Calcular o teor de água (%v/v) em uma atmosfera padrão com 3,7 %UR, a atmosfera e 0 o C. Pressão atmosférica atm 035 Pa Temperatura atmosférica 0 oc 93,5 K Umidade relativa 3,7 %UR Pressão saturaçao HO 3,4 mbar 34, Pa Pressão parcial HO 7,37 mbar 736,8 Pa Pressão seca,006 bar 00588, Pa % HO 0,77 %v/v Exercícios Calcular o teor de água (%v/v) em uma atmosfera com 60 %UR, a bar e 45 o C. Calcular a pressão seca. Para que serve a pressão seca?

13 A estuda o balanço da equação química da combustão completa, sem considerar excesso de oxidante (ar) ou combustível. Combustão Completa é a queima de um hidrocarboneto gerando somente CO e H O. Também pode ser considerado a formação de SO no caso do combustível conter enxofre. A Condição Estequiométrica é dada pela seguinte reação para um hidrocarboneto combustível genérico: C H CO O N S H (0,O O 3 N 0, 79 N 4 SO ) 3

14 4 DEFINIÇÕES BÁSICAS Balanço de átomos (base molar) Permite o cálculo das concentrações dos gases de combustão (fumos ou fumaça) 4 3 SO N O H CO ) 79 N 0, (0,O S N O H C : S 79 0, N : 0, O : H : C :

15 5 C H CO O N S H (0,O O 3 Razão estequiométrica molar combustível/ar (ε) Razão estequiométrica molar ar/combustível (x) 4 no.de moles de ar 0, no.de moles de combustível N 0, 79 N 4 SO ) 0, no.de moles de combustível no.de moles de ar 4

16 f AC estq C H CO O N S H (0,O O 3 Razão estequiométrica mássica ar/combustível (f AC estq ) massa de ar PM massa de combustível PM N ar combustível 0, 79 N 4 f SO CAestq ) Elemento Peso Molecular (kg/kmol) C H O 6 N 4 S 3 PM PM ar 0,6 0, 79 4 combustível 8,84 kg / kmol kg / kmol 6

17 Razão de Mistura 7 Razão combustível/ar real Razão de equivalentes combustível/ar (F) (Razão de Equivalência) Razão ar/combustível real massade ar f AC massade combustível massa decombustível f CA massade ar CAestq Razão de equivalentes ar/combustível (l) (Fator Lambda) f f AC AC estq f f CA

18 Razão de Mistura Mistura Estequiométrica f f CA AC f f CAestq AC estq Mistura Rica (excesso de combustível) f CA f CAestq f AC f AC estq Mistura Pobre (excesso de ar) f CA f CAestq 8 f AC f AC estq

19 Razão de Mistura 9 Exemplos Cálculo das razões de mistura estequiométricas Metano (C H 4 ) Gasolina C (C 5,3 H,6 O 0,5 ) Etanol (C H 6 O ) Óleo Combustível (C 0 H 6,9 N 0,3 ) Exercícios - Cálculo das razões de mistura estequiométricas Gás de carbonização de madeira Gás de alto forno Biogás GLP GLP Composição %(v/v) C3H8 50 C4H0 50 Mistura 00

20 0 DEFINIÇÕES BÁSICAS Excesso de ar Misturas Pobres Excesso de ar (σ) Balanço de átomos (base molar) O SO N O H CO ) 79 N 0, (0,O S N O H C : S 79 0, N : 0, O : H : C : arestq ar arestq ar Y Y X X

21 DEFINIÇÕES BÁSICAS Excesso de combustível Misturas Ricas Excesso de combustível (ψ) Balanço de átomos (base molar) H CO O SO N O H CO ) 79 N 0, (0,O S N O H C l estq combustíve l combustíve X X 0 combustível de Excesso : S 79 0, N : 0, O : H : C :

22 Excesso de combustível Misturas Ricas Falta uma equação para que o sistema tenha solução Hipótese de Equilíbrio Químico a uma equação CO + H CO + H O Constante de equilíbrio (K eq ) (da tabela JANNAF por Ferguson, 986) ln K eq,743,76 T Temperatura reduzida (T R ) R,6 0,803 3 T T R R 6 ln 7 T R = T/000 [T em K]

23 3 DEFINIÇÕES BÁSICAS Excesso de combustível Misturas Ricas Colocando o número de moles dos produtos em função de do número de moles da água? B 0,4 79 0, 0 B A A ) C (

24 4 Excesso de combustível Misturas Ricas Usando a equação de equilíbrio para o CO. Solução para u P0 K A a a v eq 6 K A B B CK BCK K b A B B CK c BCK b c 0 b 7 eq b a 4ac eq B 0,4 C Os outros números de moles dos produtos são calculados a partir do número de moles da água. eq eq eq eq 0

25 Composição dos gases de combustão - Soluções computacionais Equilíbrio Químico Método das Constantes de Equilíbrio Adequado para poucas espécies químicas (máx. 30) Exemplo em 5

26 Composição dos gases de combustão - Soluções computacionais Equilíbrio Químico Método de Minimização da Energia Livre de Gibbs Adequado para muitas espécies químicas (>00) Exemplo em CEAWeb/ 6

27 7 Composição dos gases de combustão - Soluções computacionais Equilíbrio Químico Método de Minimização da Energia Livre de Gibbs Adequado para muitas espécies químicas (>00) Exemplo em

28 8 Composição dos gases de combustão - Soluções computacionais Cinética Química Método de integração da cinética de combustão Utiliza mecanismos de reação detalhados Prevê emissões e dinâmica de queima Programa CHEMKIN Detalhes em

29 9 Exemplos Cálculo da composição dos gases de combustão GLP (C 3,5 H 9 ) T= 700 o C, P= atmosfera, F=, T= 700 o C, P= atmosfera, F=,0 T= 700 o C, P= atmosfera, F=0,9 Exercícios Cálculo da composição dos gases de combustão Óleo Combustível (C 0 H 40 ) T= 600 o C, P= atmosfera, F=, T= 600 o C, P= atmosfera, F=,0 T= 600 o C, P= atmosfera, F=0,9 GLP Composição %(v/v) C3H8 50 C4H0 50 Mistura 00

30 30 Enriquecimento do ar com O Miniusinas de retirada do O do ar, usando peneiras moleculares, se difundiram a partir da década de 990. Estas usinas tornaram viável economicamente o enriquecimento do ar atmosférico com oxigênio puro. Os objetivos são aumentar o calor liberado e reduzir o volume de fumaça dos equipamentos térmicos que utilizam combustíveis de baixo poder calorífico.

31 Enriquecimento do ar com O Mistura com ao ar Mistura na chama 3 Fator de enriquecimento (W) Q O 0,Q Q Q O Ar Ar Q vazões volumétricas [ Nm 3 / h]

32 3 Níveis de enriquecimento do ar Baixo nível: Ω<0,30 Pode-se usar queimadores convencionais. Médio nível: 0,3< Ω<0,90 Implica em modificações nos queimadores. Alto nível: Ω>0,90 Implica em modificações nos queimadores. Adequado para queimadores de alta potência e baixo volume de fumos. Q O 0,Q Q Q O Ar Ar

33 33 DEFINIÇÕES BÁSICAS Enriquecimento do ar com O Reação Balanço de átomos (base molar) 4 3 SO N O H CO ) N ( O S N O H C : S N : O : H : C :

34 Enriquecimento do ar com O Razões de mistura no.de moles de combustível no.de moles de ar enriquecido 4 f AC estq massa de ar enriquecido massa de combustível PM PM ar rico combustível f CAestq 34 PM PM ar 6 combustível 4 kg / kmol kg / kmol

35 Exemplos Cálculo da razão estequiométrica ar rico/ combustível. Calcular o percentual enriquecimento do ar necessário? Metano/ Ar com W = 0,6 Q O % Enriquecimento do ar 00 Q C átomos C átomos H 4 átomos H 4 átomos PM CH4 6 kg/kmol PM CH4 6 kg/kmol PM Ar 8,84 kg/kmol PM Ar 9,04 kg/kmol Gama rico 0, Gama rico 0,6 Epson rico 0,05 Epson rico 0,30 Razão AC 7,7 kgar/kgch4 Razão AC 3,96 kgar/kgch4 %O/Ar 0 % v/v do Ar %O/Ar 5 % v/v do Ar Ar 35

36 Exercícios Cálculo da razão estequiométrica ar rico/ combustível para o: GLP/ Ar com W = 0,90 GLP Composição %(v/v) C3H8 50 C4H0 50 Mistura 00 36

37 37 Emissões de CO e SO O cálculo de quantidade gerada de poluentes principais se tornou necessária para executar o Inventário de Emissões dos equipamentos e unidades industriais. C : Estes cálculos são essenciais para projeto que envolvam venda de Créditos de Carbono. Reação estequiométrica: C H O N S (0,O 0, 79 N N : 0, 79 S : 4 H : O : 0, 3 4 CO H O Balanço de átomos (base molar) 3 N 4 SO )

38 Emissões de CO e SO Emissões em base molar (E m ) e E E nco mco em base mássica (E m ), que é a mais empregada. no. de moles deco Um mol de combustível PM PM CO combustível 44 PM combustível kg de CO kg de combustível 38 E E nso mso 4 PM PM no. de moles de SO Um mol de combustível SO combustível 64 PM combustível kg de SO kg de combustível

39 Emissões de CO e SO Emissões em base volumétrica (E V ) é a mais empregada para combustíveis gasosos. E E Vpoluente Vpoluente P R combustível seca m PM T universal poluente combustível ambiente m poluente kg 3 Nm de de poluente combustível R universal 834 J /( kmol K ) 39

40 Emissões de CO e SO Emissões em base energética (E G ) é a mais empregada para comparar emissões entre diferentes fontes. E ou G poluente E m poluente kg de poluente GigaJoule / PCI ou kg de poluente Joule kg de poluente Gigacaloria 40 caloria = cal = 4,868 Joules GJ = x0 9 J

41 Exemplos Cálculo da emissão de CO Óleo Combustível (C 0 H 6,9 N 0,3 ) Óleo combustível pesado Peso Molecular % p/p No moles % molar Fórmula mínima C kg/kmol C 85,00 7,08 36,7 0,0 H kg/kmol H,00,00 6,8 6,9 N 4 kg/kmol N 3,00 0,, 0,3 O 6 kg/kmol Total 00,00 9,30 00,00 Óleo 4, kg/kmol CO 44 kg/kmol Emissão CO 3, kg/kg óleo Exercícios Cálculo da emissão de CO GLP, Gás Natural e Etanol 4 Exercícios Cálculo da emissão de SO Carvão Mineral de Santa Catarina

42 BIBLIOGRAFIA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5484: Motores alternativos de combustão interna de ignição por compressão (Diesel) ou ignição por centelha (Otto) de velocidade angular variável Ensaio Método de ensaio. Rio de Janeiro, 985. BARROS, J. E. M. Estudo de Motores de Combustão Interna Aplicando Análise Orientada a Objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado, Engenharia Mecânica, UFMG,

43 BIBLIOGRAFIA 43 BAUKAL Jr., C. E. Air-oxy/Fuel Burners. In: Industrial Burners Handbook, BAUKAL Jr., C. E. (ed.). Boca Raton: CRC Press, 003. COSTA, M. Combustão sem Chama Visível (Flameless Combustion). Palestra, II Escola de Combustão. São José dos Campos: RNC, -6 de Junho de 009. ESCOLA DE COMBUSTÃO em ustao/, jan/0.

44 BIBLIOGRAFIA 44 GARCIA, R. Combustíveis e Combustão Industrial. Rio de Janeiro: Interciência, 00. GLASSMAN, I. Combustion. New York: Academic Press, 977. KUO K. K. Principles of Combustion. New York: John Willey & Sons, 986. LEFEBVRE, A. Gas Turbine Combustion. Philadelphia: Taylor&Francis, 998. LEVENSPIEL, O. Engenharia das Reações Químicas. São Paulo: Edgar Blucher, vol., 974.

45 BIBLIOGRAFIA REDE NACIONAL DE COMBUSTÃO (RNC) em jan/0. SHARMA, S. P. et MOHAN, C. Fuels and Combustion. New Delhi: Tata McGraw-Hill, 984. SMITH, J. M. e VAN NESS, H. C. Introdução a Termodinâmica da Engenharia Química. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 3ª Ed.,980. STREHLOW, R. A. Combustion Fundamentals. New York: McGraw-Hill,

46 BIBLIOGRAFIA TURNS, S. R. An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. Boston: McGraw-Hill, 000. WILLIAMS, F. A. Combustion Theory. New York: Benjamin Cumings Pub.,

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