Curso Engenharia de Energia

Transcrição

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS - UFGD FACULDADE DE ENGENHARIA Curso Engenharia de Energia Prof. Dr. Omar Seye omarseye@ufgd.edu.br

2 Disciplina: COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEIS

3 A queima direta, ou combustão, é a tecnologia de conversão mais antiga e mais difundida comercialmente, aplicando -se fundamentalmente para a madeira e para os mais diversos resíduos agroindustriais como o bagaço de cana e a casca de arroz. A biomassa é um combustível rico em voláteis, que constituem quase ¾ de seu peso. Isto faz com que o processo de combustão transcorra em 6 etapas consecutivas bem definidas: 1. Secagem; 2. Emissão dos voláteis 3. Ignição dos voláteis; 4. Queima dos voláteis em chama; 5. Extinção da chama dos voláteis; 6. Combustão do resíduo de carbono (o coque).

4 Etapas da combustão da madeira A Figura relaciona a fração em massa consumida durante a combustão e a temperatura que corresponde a cada uma destas etapas para o caso da queima da madeira. Durante o processo de combustão da biomassa deve ter- se em conta que este processo transcorre primeiramente em uma etapa homogênea (queima dos voláteis) e depois em uma etapa heterogênea (combustão do resíduo de carbono ou coque). De acordo as condições de fornecimento e mistura de ar ao combustível, geralmente a velocidade das fases iniciais é superior à da última fase, quando o combustível queima no estado sólido.

5 Quando queima- se biomassa em leito fixo sobre uma grelha, os voláteis se desprendem e são queimados sobre o leito. Deste modo pode -se entender a conveniência de dividir o fluxo de ar de combustão em duas partes: ar primário, para a combustão do resíduo de coque e ar secundário, para a combustão dos voláteis, como é feito em sistemas industriais. Em alguns sistemas o carbono do combustível C se queima no leito somente até CO, concluindo sua combustão até CO2 juntamente com os voláteis. Neste caso o ar secundário é constituído tipicamente de 83 % do ar total, de acordo com a Tabela:

6 No caso da combustão completa do carbono sobre o leito ou grelha, o ar secundário representa em torno de 67 % do ar total. Esquema de uma grelha industrial

7 Resumidamente, a reação de combustão de um combustível com ar pode ser representada segundo o seguinte esquema: Combustível + Ar = CO 2 + SO 2 + H 2 O + N 2 + O 2 + CO + H 2 + CH 4 + fuligem cinzas No caso da biomassa, cada um dos grupos numerados de 1 a 4 corresponde a: 1. Produtos da oxidação completa: CO 2, SO 2 e H 2 O, como o conteúdo de enxofre da biomassa é quase sempre baixo, a percentagem de SO 2 é quase desprezível. 2. Ar em excesso (N2 + O2) e eventualmente a umidade do combustível e do ar. 3. Produtos gasosos (CO, H 2 e CH 4 ). 4. Sólidos (fuligem) de combustão incompleta e Fração mineral não combustível da biomassa (cinzas).

8 Em termos físico - químicos e com um pouco mais de detalhe, pode -se apresentar a combustão da madeira e, genericamente, da biomassa, como uma seqüência de três processos:secagem, gaseificação e oxidação, tal como é mostrado na Figura. É interessante analisar estas reações, especialmente para determinar o eventual excesso de ar na combustão, fator fundamental para a eficiência dos equipamentos que empregam biomassa. Deve ser observado na Figura que, a presença nos produtos de combustão combustíveis tais como o monóxido de carbono e hidrocarbonetos, a combustão é dita incompleta.

9 Todo processo de combustão deve atender a princípios fundamentais que assegurem economia ou eficiência na queima do combustível. Mesmo em condições normais de operação, os processos de combustão não garantem aproveitamento total da energia disponível no combustível. Uma parcela significativa de energia é diretamente perdida para o meio ambiente, seja com os gases pela chaminé, com as cinzas, pelas paredes do equipamento, ou mesmo, pela ocorrência de combustão incompleta. É no sentido de minimizar essas perdas que um trabalho de otimização procura sempre observar: Suprimento adequado de ar; Mistura ar/combustível; Temperaturas compatíveis; Tempo suficiente de combustão.

10 O suprimento de ar está intimamente relacionado ao tipo de combustível e ao equipamento de combustão. Em condições ideais de queima o suprimento de ar depende apenas da composição química do combustível. Em condições reais, entretanto, quantidades complementares são necessárias no sentido de minimizar a presença de material combustível no cinzeiro ou na chaminé. Mas, se por um lado, o excesso de ar minimiza as perdas por combustão parcial, por outro lado, maiores fluxos de ar implicam em maiores perdas por calor sensível com os gases de combustão. Deve -se observar, portanto, um ponto de equilíbrio que realmente signifique uma menor perda de energia. O ponto de equilíbrio da mistura entre ar e combustível dependerá, fundamentalmente, do tipo de combustível e do agente de combustão.

11 A razão de equivalência é a razão entre a verdadeira razão ar - combustível e a razão ar combustível para a combustão completa com a quantidade teórica de ar. Diz- se que os reagentes formam uma mistura pobre quando a razão de equivalência é menor do que a unidade. Quando esta razão for maior do que a unidade, diz- se que os reagentes formam uma mistura rica. A temperatura de combustão depende do tipo de combustível e do projeto da câmara de combustão. Embora limitada pelo tipo de material empregado no equipamento, ou pela própria temperatura de fusão das cinzas, a manutenção de temperaturas elevadas favorece a ignição, permitindo manter bem aquecidos os núcleos de carbono até sua queima completa. Maiores temperaturas são possíveis de se obter a partir do pré- aquecimento do ar de combustão, recirculação de gases quentes, ou utilização direta de oxigênio. O tempo de permanência de uma partícula de combustível no interior de uma fornalha deve ser suficiente para garantir queima completa e vai depender do suprimento de ar e da temperatura de combustão.

12 A presença de monóxido de carbono ou de fuligem na chaminé é conseqüência direta de temperaturas baixas, insuficiência de ar ou operação inadequada do equipamento. Para caracterização e controle do processo de combustão é fundamental que se conheça a composição química do combustível. Os combustíveis sólidos e líquidos, de uso mais comum na geração de vapor, têm sua composição química definida em termos de carbono, hidrogênio, enxofre, oxigênio, nitrogênio, umidade e cinzas. Carbono, hidrogênio e enxofre são os elementos que reagem com o oxigênio, liberando energia. Em condições ideais, a queima completa desses elementos deve envolver uma quantidade mínima de oxigênio, calculada a partir das reações químicas de combustão. Na prática é importante conhecer as condições reais de combustão. O tipo de combustível e o equipamento envolvido são fatores determinantes do coeficiente de excesso de ar e, portanto, das condições reais de combustão.