Um dos mais importantes campos de estudo no conjunto das ciências e da tecnologia é, sem dúvida, o dos combustíveis.

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1 Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira MÁQUINAS TÉRMICAS AT-056 M.Sc. Alan Sulato de Andrade 1

2 INTRODUÇÃO: Um dos mais importantes campos de estudo no conjunto das ciências e da tecnologia é, sem dúvida, o dos combustíveis. Devido ao fato de serem utilizados para mover o mundo. INTRODUÇÃO: Somente com a grande atividade industrial atual tornou-se possível o crescente fornecimento de energia, que pode ser utilizada sob a forma conveniente de energia calorífica, obtida através dos combustíveis. 2

3 INTRODUÇÃO: Existem basicamente três grandes fontes de energia: As forças da natureza, tal como a gravidade em quedas de água, solar e outras, Os combustíveis, que podem ser sólidos, líquidos ou gasosos, A energia atômica, libertada de reações nucleares. Atualmente, os combustíveis ainda são a mais importante fonte de energia. Por quanto tempo? DEFINIÇÃO: De modo geral, denomina-se combustível como sendo qualquer substância natural ou artificial que em combinação química com o oxigênio libere energia térmica por meio de uma reação exotérmica. 3

4 COMPOSIÇÃO: Os elementos químicos que entram na composição da maioria dos combustíveis são: carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e enxofre. COMPOSIÇÃO: A qualidade do combustível é dada pelos elementos carbono (C) e hidrogênio (H); o enxofre (S), apesar de combustível, é indesejável, o oxigênio (O) diminui a quantidade unitária de calor desprendida, pois é considerado como já combinado com o hidrogênio; o nitrogênio (N) também não é desejável, pois não apresenta, no campo da combustão industrial, reação com oxigênio com liberação de calor. 4

5 UTILIZAÇÃO: Para que um material possa ser considerado industrialmente como sendo combustível, são necessários os seguintes requisitos técnicos e econômicos: Disponibilidade, Facilidade de uso, Não formação, durante a combustão, de substâncias tóxicas ou corrosivas, Fácil obtenção, Baixo custo de produção, Segurança no armazenamento e no transporte. UTILIZAÇÃO: Nos dias atuais, os combustíveis são representados pelos materiais carbonáceos comumente disponíveis e que podem ser queimados facilmente ao ar atmosférico com desprendimento de grande quantidade de calor e controlável sem grande esforço. 5

6 CONSUMO BRASILEIRO DE ENERGIA: CONSUMO MUNDIAL DE ENERGIA: 6

7 CONSUMO: CONSUMO DE ENERGIA : O consumo de energia no mundo está resumido, em sua grande maioria, pelas fontes de energias tradicionais como petróleo, carvão mineral e gás natural. Esses combustíveis são poluentes, nãorenováveis e a cada dia que passa seus preços tendem a aumentar. 7

8 PREÇO DO PETRÓLEO: 700%? PERSPECTIVAS FUTURAS: 8

9 PERSPECTIVAS FUTURAS: PERSPECTIVAS FUTURAS: 9

10 CLASSIFICAÇÃO: Os combustíveis podem ser classificados quanto: A sua origem: Fósseis e (Não-renováveis) Vegetais (Renováveis) A sua natureza: Natural e Artificial. CLASSIFICAÇÃO: O seu estado físico: Sólido, Líquido e Gasoso. 10

11 CLASSIFICAÇÃO: CLASSIFICAÇÃO: Combustíveis Sólidos: Para que sejam utilizados devem possuir poder calorífico elevado, alta disponibilidade e que queime com facilidade. Naturais: lenha, casca, turfa, carvão mineral, xisto Artificiais: coque, briquetes, carvão vegetal 11

12 CLASSIFICAÇÃO: Combustíveis Líquidos: Possuem certas vantagens em relação aos sólidos, tais como poder calorífico mais elevado, maior facilidade e economia de armazenagem e fácil controle de consumo. Naturais: petróleo bruto. Artificiais: produtos da destilação de petróleo, álcoois e óleos vegetais. CLASSIFICAÇÃO: Combustíveis Gasosos: Possuem certas vantagens em relação aos combustíveis sólidos, tais como: permitir a eliminação de parte da fumaça e cinzas, melhor controle de temperatura e comprimento das chama. Naturais: gás natural Artificiais: GLP, acetileno, propano, butano 12

13 PROPRIEDADES: Como visto, cada tipo de combustível em função de seu estado ou natureza pode apresentar uma grande diferença em suas propriedades, deste ponto em diante iremos discutir as principais propriedades dos combustíveis. PROPRIEDADES: Poder calorífico, Composição química, Viscosidade, Ponto de fluidez, Calor latente, Ponto de fulgor e Umidade, Densidade. 13

14 PODER CALORÍFICO: É a quantidade de energia desprendida por unidade de massa ou de volume na combustão completa de um material combustível. Depende basicamente da composição química de cada combustível sendo expressa em J/kg, cal/kg, ou J/Nm³. Existem dois poderes caloríficos: Poder Calorífico Superior e Poder Calorífico Inferior. PODER CALORÍFICO: Poder Calorífico Superior (PCS): É a quantidade de calor (energia) liberada quando um material entra em combustão e os gases da descarga são resfriados de modo que o vapor de água neles seja condensado. Poder Calorífico Inferior (PCI): É a quantidade de calor (energia) liberada quando um material entra em combustão e os gases de descarga são resfriados até o ponto de ebulição da água, evitando assim que a água contida na combustão seja condensada. 14

15 PODER CALORÍFICO: O PCS é dado por a soma da energia liberada na forma de calor e a energia gasta na vaporização da água que se forma numa reação de oxidação. O PCI corresponde somente a energia liberada na forma de calor. Para combustíveis que não contenham hidrogênio na sua composição, o valor de PCS é igual ao do PCI, porque não há a formação de água e consequentemente não há energia gasta na sua vaporização. Assim, o PCS é sempre maior ou igual ao PCI, pois o PCS. aproveita o a entalpia de condensação da água PODER CALORÍFICO: Como a temperatura dos gases de combustão é muito elevada nas máquinas térmicas, a água contida nelas se encontra sempre no estado de vapor, portanto, o que deve ser considerado é o poder calorífico inferior e não o superior. 15

16 PODER CALORÍFICO: Determinação do poder calorífico dos combustíveis. PODER CALORÍFICO: Determinação do poder calorífico dos combustíveis. PCS=(33900*%C)+(141800*(%H-(%O/8)))+(9200*%S) PCI=PCS-(2440*((9*%H)+%U)) % em Escala absoluta PCS=Poder Calorífico Superior (KJ/Kg) C=Teor de Carbono H=Teor de Hidrogênio S=Teor de Enxofre O=Teor de Oxigênio PCI=Poder Calorífico Inferior (KJ/Kg) U=Teor de umidade 16

17 PODER CALORÍFICO: Determine através das formulas o poder calorífico superior e inferior do combustível, sabendo que este apresenta a seguinte composição química: C=52% H=6% O=1% N=41% S=0% - (Apenas traços) U=30% (Umidade base seca) PODER CALORÍFICO: Construa um gráfico da variação do PCI em função Teor de umidade (Ubs) U=20% U=40% U=60% U=80% U=100% Calcule o ponto (Ubs) onde a energia contida no combustivel seria todo utilizado para promover a evaporação da água. 17

18 PODER CALORÍFICO: Estime a quantidade necessária de combustível (Ubu=40%) para promover o fornecimento de 250MJ de energia para um processo onde a eficiência de conversão é igual a 60%. PODER CALORÍFICO: 18

19 PROPRIEDADES: Composição química (% de C, H, O, N, S e Cinzas): Carbono e hidrogênio são os elementos que mais contribuem para o poder calorífico. O oxigênio presente em combustíveis diminui o poder calorífico, bem como as exigências teóricas de ar de combustão. PROPRIEDADES: Composição química (% de C, H, O, N, S e Cinzas): Embora o enxofre seja combustível este traz conseqüências prejudiciais ao meio ambiente e aos equipamentos, sendo que os produtos de sua combustão em presença de umidade formam acido sulfúrico que tende a atacar as partes mais frias dos equipamentos, causar "chuva acida e caso a atmosfera da combustão seja redutora pode haver formação de compostos que são perigosos e produzem mal cheiro. 19

20 PROPRIEDADES: Composição química (% de C, H, O, N, S e Cinzas): O Nitrogênio e responsável pela formação de diversos óxidos que são compostos de alta irritabilidade para as mucosas alem de reagirem com a camada atmosférica de ozônio. As cinzas podem promover mudança nas características de transferência de calor e problemas respiratórios (smog). Legislação vigente quanto a emissões. PROPRIEDADES: Viscosidade (mpas, cp): É uma indicação da resistência que o fluido apresentará para escoar, desta forma, quanto maior a viscosidade, maior será a coesão entre as moléculas e a resistência ao escoamento. Importante para o controle de armazenamento, bombeamento e pulverização para combustão. Graus SAE (Society of Automotive Engineers), são expressos por dezenas inteiras, sendo o óleo mais fino ou menos viscoso de grau igual a

21 PROPRIEDADES: Ponto de fluidez ( C), Indica a temperatura mínima para que os derivados de petróleo escoam sem apresentar problemas. PROPRIEDADES: Calor Latente (kcal, J): Corresponde a quantidade de calor absorvido pelos corpos na sua mudança de estado, sem que haja aumento aparentemente de temperatura. O calor latente necessário à fusão, liquefação ou gaseificação varia com sua natureza. Na passagem do estado a substancia não muda de temperatura enquanto dura sua transformação, e todo calor empregado é absorvido para produzir mudança de estado. 21

22 PROPRIEDADES: Ponto de Fulgor ( C): É a temperatura de inflamação do combustível; Coque = 660 C Álcool etílico = 402 C n-octano = 220 C PROPRIEDADES: Umidade (%): Quantidade de água contida no combustível. Normalmente encontrada em todos os combustíveis, principalmente nos sólidos, reduz o poder calorífico. Carvão mineral = 10% até 30% Lenha = 10% até 80% 22

23 PROPRIEDADES: Densidade (kg/m³, g/cm³): Massa por unidade de volume de um combustível. Coque = 1070 kg/m³ Madeira de Pinus = 450 kg/m³ Gasolina = 850 kg/m³ Metano = 0,680 kg/m³ SÓLIDOS: Pode ser encontrado em diversas formas na natureza como: Turfa, Linhita, Carvão Mineral, Biomassa (Lenha, Bagaço de cana, Serragem, Casca de arroz e Outros). 23

24 SÓLIDOS: Principais propriedades a serem avaliadas: Poder calorífico, Composição química, Umidade, Granulometria, Densidade. SÓLIDOS: Os principais combustíveis sólidos utilizados no mundo são a lenha e o carvão mineral na geração de energia no mundo. 24

25 SÓLIDOS: Turfa Se constitui na primeira fase de formação do carvão mineral. Apresenta elevada umidade, mas secadas ao ar reduz-se a umidade para cerca de 30%. Linhita Fase intermediária entre o turfa e o carvão betuminoso. Apresenta teor de umidade entre 30 e 50%, mas quando secada ao ar esta umidade pode cair para entre 10 e 20%. SÓLIDOS: Carvão Mineral Devido ao seu alto teor de cinzas e enxofre o carvão mineral brasileiro não e muito utilizado industrialmente, a não ser nas localidades próximas a minas produtoras na produção de energia e na industria de cimento. 25

26 SÓLIDOS: Classificação do Carvão Mineral SÓLIDOS: Composição do Carvão Mineral Nacional 26

27 SÓLIDOS: Biomassa Provavelmente o primeiro combustível a ser utilizado pelo homem foi a lenha. E um combustível amplamente utilizado no Brasil, tanto em aplicações domésticas como em aplicações industriais para geração de energia térmica. E caracterizada por baixo teor de cinzas, ausência total de enxofre e umidade variável a qual depende do tempo e do método de armazenagem. SÓLIDOS: Biomassa Poder Calorífico da Lenha: PCS = 4500 kcal/kg 18MJ/kg PCI 50%Umidade = 1990 kcal/kg PCI 35%Umidade = 2770 kcal/kg PCI 10%Umidade = 4070 kcal/kg 27

28 SÓLIDOS: Biomassa SÓLIDOS: Biomassa 28

29 LÍQUIDOS: Os combustíveis empregados são constituídos de: Hidrocarbonetos, Benzol e Álcoois. LÍQUIDOS: Os hidrocarbonetos são usualmente derivados de petróleo: Gasolina, nafta, querosene, óleo diesel e óleo combustível e consistem em frações obtidas da destilação de petróleo. Apenas o óleo combustível é queimado em geradores de energia industrial; Parâmetros avaliados: teor de enxofre, viscosidade, ponto de fluidez, ponto de fulgor e densidade; 29

30 LÍQUIDOS: LÍQUIDOS: 30

31 LÍQUIDOS: As característica do petróleo (Fatores geológicos como localização da jazida, idade e profundidade) determinam a faixa de extração de cada um dos componentes. GASOSOS: Visualiza-se um aumentado da aplicabilidade dos combustíveis gasosos na industria nacional. Respondendo a demanda por fontes de energia mais limpas e eficientes. A limitação de seu crescimento esta na disponibilidade e distancia dos centres consumidores pela sua maior dificuldade de transporte. Para curto e médio prazo há incertezas sobre o assunto GN no Brasil. 31

32 GASOSOS: Gás Natural é obtido em campos petrolíferos e tem sido muito explorado recentemente, porem deve ser transportado por gasodutos, o que dificulta sua maior utilização dada a necessidade de investimento em infra-estrutura. É uma composição de diversos gases: Metano, etano, propano, butano, nitrogênio e dióxido de carbono são os principais. Apresenta característica bastante variável. A presença de enxofre é pequena. GASOSOS: Gás Liquefeito de Petróleo é obtido no processo de destilação do petróleo e é um importante combustível, tanto de aplicação industrial como domestica. É composto basicamente por propano, propeno, butano e buteno; Liquefazem a pressões relativamente baixas. 32

33 RESÍDUOS: Resíduos e subprodutos: Urbanos, Agrícolas, Pecuários, Florestais, Agroindustriais. RESÍDUOS: RESÍDUOS URBANOS Compreendem os resíduos do lixo e esgoto. Não apresentam um alto poder calorífico, mas por apresentar elevado volume em grandes cidades sua utilização pode ser atraente. Necessidade de desenvolver tecnologia para minimizar os impactos ambientais 33

34 RESÍDUOS: RESÍDUOS AGRÍCOLAS Resultantes da colheita e do processamento de cultivos. Sua exploração dever ser feita de maneira racional e são constituídos basicamente pela palha de diversas culturas. RESÍDUOS: RESÍDUOS PECUÁRIOS São constituídos dos excrementos de bovinos, ovinos, suínos e de aves. Podem ser secos e utilizados para queima ou para a produção de biogás (decomposição anaeróbica). 34

35 RESÍDUOS: RESÍDUOS FLORESTAIS São constituídos dos subprodutos das atividades de silvicultura ou da fruticultura como: galhos, folhas, acículas e troncos deixados no campo. RESÍDUOS: RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS São provenientes da industrias de transformação de produtos agrícolas. Os principais resíduos utilizados são oriundos das seguintes atividades agroindustriais: indústria de açúcar e álcool, matadouros e frigoríficos, cortumes, industria da pesca, fábrica de doces e conservas, indústrias madeireiras, indústria de papel e celulose. A tecnologia para o usos enérgico dos resíduos agroindustriais são duas: queima em fornos e geradores de vapor ou biodigestão anaeróbica. 35

36 DENDROENERGIA: A utilização do termo dendroenergia é recente, contudo a utilização da dendroenergia remonta dos tempos pré-históricos. O termo dendroenergia hoje é utilizado para designar a energia das árvores e sua utilização em processos térmicos. Processos básicos de conversão dendroenergética: Combustão de biomassa; Pirólise da biomassa Gaseificação da biomassa; DENDROENERGIA: COMBUSTÃO DE BIOMASSA A queima direta é a tecnologia de conversão mais antiga e mais difundida comercialmente; O processo de combustão da biomassa ocorre em seis etapas consecutivas: Secagem, emissão de voláteis, ignição de voláteis, queima de voláteis em chama, extinção da chama dos voláteis e combustão do resíduo de carbono (coque). 36

37 DENDROENERGIA: PIRÓLISE DA BIOMASSA Promove a degradação térmica da biomassa em ausência total ou quase total de agente oxidante (ar) havendo a formação de outro combustível (sólido, líquido ou gasoso). Um caso particular de pirólise e a carbonização (produção de carvão vegetal), uma forma lenta de pirólise, pela queima direta da lenha com pouco oxigênio; Há tecnologias de pirólise orientadas para obtenção de alcatrão, acido pirolenhoso, bio-óleos e de gases combustíveis. DENDROENERGIA: GASEIFICAÇÃO DA BIOMASSA Neste processo a biomassa é oxidada (queimada) parcialmente. A gaseificação térmica é semelhante a pirólise, exceto que a transformação térmica dos resíduos sólidos é determinada em presença de uma quantidade limitada de ar ou oxigênio, produzindo assim um gás combustível. Este gás pode ser utilizado em caldeiras ou em turbinas/geradores a combustão. Este processo gera subprodutos sólidos e líquidos. 37

38 PONTOS COMPLEMENTARES. NÃO DISCUTIDOS EM AULA. MERCADO E DISPONIBILIDADE DE RECURSOS ENERGÉTICOS. ALTERNATIVOS. PROCESSOS ALTERNATIVOS. POLÍTICAS. 38