Combustão Industrial

Transcrição

1 Combustão Industrial 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 1

2 SUMÁRIO INTRODUÇÃO A COMBUSTÃO DEFINIÇÕES BÁSICAS COMBUSTÍVEIS CLASSIFICAÇÃO DE CHAMAS REGIMES DE COMBUSTÃO QUEIMADORES INDUSTRIAIS EMISSÕES 2

3 QUEIMADORES INDUSTRIAIS Definições 3 Razão de redução de queima (turn-down ratio) é a capacidade de operar além do valor mínimo de liberação de calor. Exemplo: 3/1 é um queimador que pode operar a 3 vezes sua capacidade mínima. Representa a flexibilidade do queimador. Ar primário é o ar diretamente misturado ao combustível. Ar secundário é o ar injetado na periferia do queimador e serve para completar a queima, resfriar os gases de combustão e confinar a chama numa região desejada. Retorno de Chama é o fenômeno causado quando a velocidade de chama da mistura combustível é maior que a velocidade de injeção da mistura no queimador. Sopro ou Descolamento de Chama ocorre quando a velocidade de chama da mistura combustível é menor que a velocidade de injeção da mistura no queimador. É o oposto do retorno de chama.

4 QUEIMADORES INDUSTRIAIS Tipos 4 Queimadores de gás Aspirante (tubo Venturi) Queima Direta (válvula borboleta ou ventaneiras operando por convecção natural) Queimadores de líquidos Injetor: Mecânico Vapor d água (para óleo combustível) Ar comprimido

5 QUEIMADORES INDUSTRIAIS Tipos Queimadores de líquidos Tiragem natural ou forçada Queimadores combinados Podem usar gás e/ou combustível líquido 5

6 QUEIMADORES INDUSTRIAIS Tipos Queimadores de alta eficiência Baixa emissão de NO x Alta razão de mistura por turbilhonamento do ar (swirl). Recirculação de gases queimados. Exige tiragem forçada. 6

7 QUEIMADORES INDUSTRIAIS 7 Dimensionamento de queimadores Capacidade de liberação de calor Razão de redução de queima Pressão de operação Pressão de alimentação de combustível, ar e fluidos auxiliares (água, vapor ou ar comprimido) Razão de mistura ar/combustível(s) Consumo de fluidos auxiliares Distâncias mínimas entre queimadores e das paredes (é função do comprimento e diâmetro da chama) Nível de ruído (<90 db(a) é o ideal) Emissão de CO 2 e NO x por kg de combustível Prever 20% mais capacidade que a nominal para especificar o número de queimadores, visando manutenção e sobrecarga do forno.

8 QUEIMADORES INDUSTRIAIS Intercambiabilidade de gases combustíveis Um queimador pode operar com diferente gases, sem necessitar grandes ajustes, desde que: Não apresente retorno ou sopro de chama. Manter o fluxo térmico do queimador. Apresentar uma combustão eficiente. Não aumentar as emissões de poluentes. O Índice de Wobbe (I W ) é usado como critério desta intercambiabilidade. O limite aceitável de diferença entre os índices é de E5%. 8 I W PCS comb

9 QUEIMADORES INDUSTRIAIS 9 Intercambiabilidade de gases combustíveis B S i Outro índice é o Fator de Velocidade de Chama de Weaver (S) que permite verificar se haverá mudança de posição da chama. X 1 1 5X U U 0 Li 0 L H 2 icomb. inertes B i 18,8X Outros métodos são: Múltiplos índices da AGA e o Índice de Knoy O 2 U U 0 L 0 L H para cm / s Gás B i Hidrogênio 339 CO 61 Metano 148 Etano 301 Propano 398 n-butano 513 i-butano 513 Pentano 600

10 QUEIMADORES INDUSTRIAIS Intercambiabilidade de gases combustíveis 10 Weaver flame speed factor Outros métodos são: Múltiplos índices da AGA e o Índice de Knoy

11 REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Laminar Exemplo Comparar o índice de Wobbe do metano e do n-butano, a 1 atmosfera e 45 o C. PCS (kcal/kg) PCS (kj/kg) PM (kg/kmol) Massa Específica (kg/nm3) PCS (kj/nm3) Massa Específica (kg/m3) Densidade Relativa ao Ar Índice Wobbe kj/nm3 Índice Wobbe kcal/nm3 Metano CH , ,8 16 0, ,2 0,6129 0, , ,2 n-butano C4H , ,0 58 2, ,6 2,2218 1, , ,6 11 Temperatura 45 oc 318,15 K Pressão 1 atm Pa Runiversal 8314 J/(kg.K) Condições Normais Temperatura 0 oc 273,15 K Pressão 1 atm Pa PM Ar 28,84 kg/kmol Massa específica 1,2868 kg/m3 Caloria 4,18 Joule Exercício Qual a velocidade de queima do CO em relação ao hidrogênio?

12 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, BARROS, J. E. M. Estudo de Motores de Combustão Interna Aplicando Análise Orientada a Objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado, Engenharia Mecânica, UFMG,

13 BIBLIOGRAFIA 13 BAUKAL Jr., C. E. Air-oxy/Fuel Burners. In: Industrial Burners Handbook, BAUKAL Jr., C. E. (ed.). Boca Raton: CRC Press, COSTA, M. Combustão sem Chama Visível (Flameless Combustion). Palestra, II Escola de Combustão. São José dos Campos: RNC, de Junho de ESCOLA DE COMBUSTÃO em ustao/, jan/2011.

14 BIBLIOGRAFIA 14 GARCIA, R. Combustíveis e Combustão Industrial. Rio de Janeiro: Interciência, GLASSMAN, I. Combustion. New York: Academic Press, KUO K. K. Principles of Combustion. New York: John Willey & Sons, LEFEBVRE, A. Gas Turbine Combustion. Philadelphia: Taylor&Francis, LEVENSPIEL, O. Engenharia das Reações Químicas. São Paulo: Edgar Blucher, vol. 2, 1974.

15 BIBLIOGRAFIA REDE NACIONAL DE COMBUSTÃO (RNC) em jan/2011. SHARMA, S. P. et MOHAN, C. Fuels and Combustion. New Delhi: Tata McGraw-Hill, SMITH, J. M. e VAN NESS, H. C. Introdução a Termodinâmica da Engenharia Química. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 3ª Ed.,1980. STREHLOW, R. A. Combustion Fundamentals. New York: McGraw-Hill,

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