COMBUSTÃO. A termodinâmica permite um estudo elementar de combustão através da termoquímica.

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1 COMBUSTÃO A termodnâmca permte um estudo elementar de combustão através da termoquímca. Aplcação de balanço de massa e energa (1º le) e de defenção de condções de equlíbro e sentdo de evoluções termodnâmcas (ª le). Reacção químca exotérmca e auto sustentada que se pode propagar no tempo e/ou no espaço. Em geral processo a alta temperatura e com grande lbertação de calor com produtos gasosos. O fogo é utlzado à 500 ml anos mas o homem só o controla à 30 ml anos. Combustão de madera. Incêndos Combustão ndesejada florestas, edífcos Chama Processo de combustão acompanhado por emssão de luz e portanto vísvel. Combustão sem chama por exemplo em sóldos Brasas. Explosão Regme de combustão muto rápdo assocado a ondas de pressão normalmente a evtar. O regme de combustão normalmente utlzado é também conhecdo por detonação. Aplcações de combustão - Energa térmca para aquecmento, processos ou conversão em mecânca.

2 Para a combustão são necessáros, combustível, oxdante e condções de gnção. Oxdante Excepto em alguns casos onde se utlza o oxgéno (corte ox-acetleno, fornos de alta temperatura) utlza-se o ar atmosférco. Para combustão a composção do ar atmosférco seco é aproxmada agrupando todos os nertes. Para além do oxgéno e azoto, o ar contém Ar (0.93%v), CO (0.03%v) e vapor de água (0,-3% mássco). Defnndo o azoto atmosférco como a mstura de azoto com argon e doxdo de carbono pode-se defnr a sua massa molecular como 8,15 kg/kmol enquanto o azoto molecular tem 8,0 kg/kmol. Composção do ar atmosférco seco: Molar Mássca Base Fracção de azoto atmosférco (N +CO +Ar) 79% (0,7905) 77% (0,7686) Fracção de oxgéno (O ) 1% (0,095) 3% (0,314) Razão entre azoto e oxgéno 3,76 3,31 Com base na composção e na massa molar de oxgéno (3,05 kg/kmol) pode-se defnr a massa molar de ar seco como: 8,97 kg/kmol. Para cálculos utlzar valor ntero mas próxmo 3, 9

3 Combustível Os combustíves têm mutas classfcações. Quanto ao estado: - Gasosos: Gás Natural, GPL (Etano, Butano) - Líqudos: Gasolna, Desel, Fuel-óleo, Alcoos - Sóldos: Carvão, Madera, Resíduos, propelantes Grande parte dos combustíves gasosos e líqudos são hdrocarbonetos, ou seja são consttuídos por moléculas com Carbono e Hdrogêno C x H exstndo váras famílas: Alcanos (x+; saturados), Alquenos (x) e Alqunos (x-; não saturados). Alcanos: Metano(x1), Etano, Propano, Butano... Alquenos: Eteno(x), Propeno, Buteno... Alqunos: Benzeno(x6), Metlbenzeno, Etlbenzeno... Outros: Acetleno C H, Tolueno C 7 H 8,... Uma mstura de hdrocarbonetos em geral pode ser aproxmada por C x H, podendo ser aproxmada por um hdrocarboneto puro: Gasolna (Octano C 8 H 18 ), Desel Dodecano (C 1 H 6 ), Gás Natural (CH 4 ) Para além do Carbono e Hdrogéno os combustíves mas usuas contêm anda oxgéno e outras espéces em pequenas quantdades, como por exemplo azoto e enxofre que formam poluentes. Alcoos: Metílco (CH 3 OH), Etílco (C H 5 OH),... Madera: (50% C, 5% H, 45% O) em massa.

4 Para gases e os combustíves líqudos mas leves a composção é especfcada em base molar, enquanto para líqudos mas pesados e sóldos a composção é especfcada em base mássca, que pode nclur nertes (cnzas e humdade). Exemplos /... Produtos de combustão Consderando apenas C, H e O no combustível e N e O no oxdante os produtos de combustão (gasosos) mas mportantes são: CO, CO, H O, H, N. Na realdade durante o processo de combustão exstem mutas espéces ntermédas (OH, O, C) mas para efetos globas quantfcam-se as mas estáves, com excepção do carbono nas cnzas de carvão. /... Estequometra Proporção entre substâncas reagentes numa reacção Determnada pela composção dos reagentes e produtos, portanto refere-se a uma reacção químca. A reacção químca é apresentada em equações que mostram os reagentes, produtos e sentdo da reacção Ex: Oxdação completa de monóxdo de carbono CO + ½ O CO ou CO + O CO Na realdade nenhum destes processos ocorre mas é uma representação global e podem ser nº de moles.

5 A mesma reacção em base mássca pode ser: 8 kg CO + 16 kg O 44 kg CO Quando só se consdera CO e H O nos produtos de combustão dá-se o nome de reacção completa e os coefcentes da equação são os estequométrcos. Estes coefcentes podem ser defndos em termos molares (½ para O ) ou másscos (16/8 para O ). Consderando a combustão estequométrca de CO com ar temos: CO + ½ (O + 3,76 N ) CO + 1,88 N Acerto de equações estequométrcas: Para um hdrocarboneto C x H com ar: C x H + (x+/4) (O N ) -> x CO + / H O (x+/4) N Para (1kg) de combustível sóldo com fracções másscas x (sem N, S, Humdade e Cnzas no combustível): (x C C+x H C+x O O) + (3/1x C +16/x H -x O ) (O +3.31N ) 44/1x C CO +18/x H H O+3,31(3/1x C +16/x H -x O ) N No caso de se consderar N, S, humdade e cnzas no combustível tera anda de se consderar os produtos formados a partr destes N forma parcalmente NO, S SO, HumdadeH O, Cnzas Inertes sóldos.

6 Excesso de ar À excepção do motor de explosão com gnção por faísca (gasolna), o processo de combustão em geral verfca-se com excesso de ar para garantr conversão. Para calderas usa-se aproxmadamente 5% para gás, 10% para fuel, 0% para carvão (pode r a 50% dependente do sstema de quema. Motor Desel (Ignção por compressão) de %. Turbnas a gás com excesso de ar maor que 50%. O excesso de ar (ou de oxgéno) defne-se como a fracção de ar (%) que exste em excesso para além da necessára para a combustão estequométrca. Pode-se utlzar um coefcente de excesso de ar λ λ1+e.a. sendo então: λ<1 Combustão redutora ou rca λ1 Combustão neutra ou estequométrca λ>1 Combustão oxdante ou pobre Usa-se também outra grandeza nversa desgnada por Razão de Equvalênca Φ 1/ λ A quantdade de ar necessára para efectuar a quema de um combustível é outro parâmetro que se defne normalmente como A/F (Ar/Fuel). Em base mássca a razão A/F estequométrca para hdrocarbonetos vara entre 13, e 17,.

7 Deduzr (A/F) Est para C x H que dá: A F 137,3 + 34,3 1 + x x Em base molar a razão A / F tem mas nteresse para combustíves gasosos pos essa razão concde com a razão entre os caudas volumétrcos nas mesmas condções de pressão e temperatura. Normalmente os caudas de gases na ndústra são expressos em Nm 3 /h, onde o sufxo N ndca que se consderam condções normas (P1 atm, T0ºC). Composção dos Produtos de Combustão Dependendo da rqueza da mstura podem obter-se produtos dferentes exstndo CO e H quando exste defce de oxgéno, quando a combustão é ncompleta ou quando exste dssocação (a ver com a ª le T). Exemplo da combustão de hdrocarboneto com excesso de ar ea >0 ou λ>1 C x H + λ (x+/4) (O N ) x CO + / H O + (λ-1) (x+/4) O λ (x+/4) N Consderando os produtos de combustão todos no estado gasoso, permte determnar a composção molar ou volumétrca a partr da razão entre o número de moles de uma determnada espéce e o número de moles globas (Para o caso acma n T 4,76 λ (x+/4)+/4)

8 x CO 4,76 + x M M ( ) H O λ x ,76λ ( x + 4) + 4 ( λ 1)( x + 4) 3,76λ( x + 4) λ( x + 4) N 4 4,76λ( x + 4) + 4 O 4,76 + Com estas fracções molares podemos calcular a massa molar méda da mstura de M M e com esta as fracções másscas de : ou a partr de: ( ) 18 1x + + 4,76 λ ( x 4)9 x H O + A composção dos gases mede-se em termos de fracções volumétrcas na mstura dos produtos e na maor parte dos casos essa determnação é efectuada numa base seca (sto é retrando o vapor de água dos produtos de combustão). Defne-se assm a composção dos gases em base seca com fracções molares d (dr) a partr da composção dos gases em base húmda: d ou a partr dos produtos de combustão: 1 do H O ( λ 1)( x + 4) λ( x + 4) 4 4,76 A condensação do vapor de água nos produtos de combustão acontece quando se arrefece a mstura de

9 gases a uma temperatura nferor à de saturação para a pressão parcal do vapor de água nos produtos de combustão. Este valor pode ser consultado a partr da curva de mudança de fase (em tabelas de vapor). No caso do combustível conter enxofre exste SO nos produtos de combustão e quando se verfca o arrefecmento dos gases dá-se a formação de ácdo sulfúrco (H SO 4 ) a uma temperatura que depende da fracção molar de SO e H O. Composção mássca Em dversas crcunstâncas utlza-se a composção mássca para os produtos de combustão. Esta pode ser obtda a partr da massa molar da mstura: 1 x M x M M ou a partr dos produtos de combustão da reacção consderando agora com um excesso de ar ea: (x C C+x H C+x O O)+(1+ea)(3/1x C +16/x H -x O )(O +3.31N ) 44/1x C CO +18/x H H O+3,31(1+ea)(3/1x C +16/x H -x O ) N + ea (3/1x C +16/x H -x O ) O x ea S O 1+ 4,31 onde S 3 1 xc + 18 xh x O ( 1+ ea) S M

10 A equação de balanço de massa para combustíves sóldos pode também ser escrta numa base molar para um kg de combustível, permtndo obter as quantdades dos produtos em número de moles: xc xh xo xc xh xo C + H + O + λ + ( O + 3,76N ) xc xh xc xh xo CO + H O + + { ( λ 1) O + 3,76λN } Nesta equação as espéces H, O e C consderadas no combustível não têm nenhum sgnfcado físco mas permtem representar as quantdades dos elementos H, O e C. Excesso de Oxgéno nos Produtos de Combustão O excesso de ar em calderas é normalmente um parâmetro utlzado para controle da operação, por exemplo para controlar o caudal de ar de combustão, enquanto o caudal de combustível é utlzado para controlar a potênca térmca da caldera. Como não é fácl a medção do caudal de ar para regulá-lo utlza-se a medção da fracção molar de oxgéno nos produtos de combustão. Estes valores servem também para normalzar as emssões de calderas de modo a serem comparáves: Calderas a gás e fúel-óleo 3%, carvão 6%, bomassa 15%, etc Normas em mg/nm %