Fundamentos da Combustão

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1 Fundamentos da Combustão based on the works of Stephen Turns An Introduction to Combustion and Francisco Domingues de Sousa Curso de Combustão Combustão de Sólidos 1

2 Fundamentos da Combustão Etapas da Combustão de Sólidos Partículas de Combustível Sólido Queimador Aquecimento e Pirólise. Perda dos voláteis Início da Combustão dos Voláteis Zona Luminosa Início da Combustão da Fuligem Aumento da concentração dos voláteis Início da combustão dos voláteis. Aumento da concentração das cinzas Partículas de coque (combustível sem material volátil). Nesta região, ocorre a queima das partículas de coque Produtos de combustão carregando partículas de coque (fuligem). Essas partículas serão consumidas até a saída da zona de alta temperatura 2

3 Fundamentos da Combustão Não necessitam de oxigênio Etapa Aquecimento Pirólise liberação de material volátil Hidrocarbonetos, CO e alcatrões Combustão de Material Volátil Combustão de resíduo carbonoso partícula sem o material volátil coque do combustível Necessitam de oxigênio 3

4 Representa apenas 10% da massa SemTec Curitiba Fundamentos da Combustão Etapas da Combustão de Sólidos Tempos estimados para cada fase da combustão de sólidos em um forno de clinquer: Combustível: petcoke Temperatura do forno: 2000 C Tamanho da partícula: 45 μm Etapa Tempo Observações Aquecimento 0.1 s De 800 C a 2000 C Pirólise 0.2 s Ocorre simultaneamente ao aquecimento Combustão de Partículas Sólidas (coque) TOTAL 2.0 s Reações heterogêneas entre C e O2 2.2 s FASE LIMITANTE representa 90% da massa e demora 90% do tempo 4

5 Fundamentos da Combustão Circuito Elétrico Equivalente para a Combustão de Sólidos. m c Taxa de Reação. m c = (Y O2, - 0) R kin + R dif Y O2 =0 Y O2 =Y O2,s Y O2 =Y O2, R Kinetics R Diffusion. m O2 Coeficiente da Reação: C+O 2 CO 2 Determinado pela equação de Arrhenius: Aumenta exponencialmente com a elevação de temperatura Onde: R kin = R dif = v 1 *R*T s 4*π*r s2 *M mixt *k c *P V 1 +Y O2,s 4*π*r s *ρ*d - k c = A*e E 1 R * T s Difusão de O2 na mistura de gases: CO 2, N 2 e O 2 É proporcional a T s segundo a equação: D = α T s 1,5 5

6 Fundamentos da Combustão Tempo de Queima Regime Misto Diffusion-Kinetics Kinetic Mixture Tempo Queima v v = 1 *R*T s 1 +Y O2,s ρ * r rs 2 c s + * * M mist *k c *P 2*ρ*D Y O2, Como diminuir o tempo queima? Aumentando a temperature da partícula Aumentando a Turbulência Diminuindo o diâmetro da partícula Aumentando a concentração de oxigênio 6

7 Fundamentos da Combustão Temperatura e Tempo de Queima (partícula de carvão ~Ø 0,5 mm) 7

8 Fundamentos da Combustão Teor de Oxigênio e Tempo de Queima (partícula de carvão ~Ø 0,5 mm) 8

9 Amount of fuel cosumed (%) SemTec Curitiba Fundamentos da Combustão Influência da Granulometria 100,0 90,0 80,0 Combustion of pulverised coal and sawdust 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 Coke 88 Sawdust 200 Sawdust 400 Sawdust 600 Sawdust 800 Sawdust 1000 Sawdust ,0 0, Distance from burner nozzle (m) 9

10 Resumindo SemTec Curitiba Fundamentos da Combustão Os Conceitos da Combustão mostram que o projeto do Queimador pode interferir na qualidade da combustão da seguinte forma: Temperatura Promovendo recirculações internas Possibilitando a entrada de ar secundário - entrainment (ar quente) MAIORES TEMPERATURAS DE CHAMA Difusão de oxigênio nos demais gases em direção à partícula sólida Difusão de CO 2 para longe da partícula sólida Mecanismos de mistura mais eficiente que a Difusão Possibilitando melhor MISTURA Traz ar para próximo das partículas TURBULÊNCIA Aumento da concentração de oxigênio próximo da partícula Promovendo a entrada de ar secundário TURBULÊNCIA 10

11 Fundamentos da Combustão Fenômenos importantes a serem maximizados no projeto do queimador Aspiração de Ar Secundário Turbulência 11

12 Queimadores para Fornos de Clinquer Aspiração do Ar Secundário ENTRAINMENT do Ar Secundário Perfil de Pressões Vetores de Velocidade Os Fluxos de Ar Primário criam uma Zona de Baixa Pressão Aspiração de Ar Secundário 12

13 Queimadores para Fornos de Clinquer Um NOVO CONCEITO: EFICIÊNCIA DO IMPULSO *...+ To compare different possible axial tip configurations, a new criterion was established: the impulse efficiency. This characterizes the ratio between the relative amount of secondary air that is absorbed within the first 2 m of the flame (kg/s) and the axial momentum (N/MW). (Gael Le Piver, Fives Pillard, World Cement, Novembro/2012) Energia Gasta Potência do Ventilador de Ar Primário Principal Função do Queimador Principal 13

14 Queimadores para Fornos de Clinquer Superfície que circunda o fluxo de Ar de Transporte + Coque de Petróleo O fluxo de ar que atravessa esta superfície vem de onde? Cabeça de Queima 14

15 Queimadores para Fornos de Clinquer 15

16 Queimadores para Fornos de Clinquer 16

17 Impacto da Geometria da Cabeça de Queima Aspiração mais tardia e menor 17

18 Impacto da Geometria da Cabeça de Queima Linhas de corrente de ar secundário que atravessam a superfície ao redor do canal de sólidos 18

19 Impacto da Geometria da Cabeça de Queima D-Flame Anular 19

20 Sumário Maximização da MISTURA de Ar Secundário com Combustível TURBULÊNCIA Altas VELOCIDADES de Injeção Elevada PRESSÃO nos fluxos de Ar Primário Menor ÂNGULO do Ar Tangencial Maiores FLUXOS de Ar Tangencial CABEÇA DE QUEIMA Injeções DISCRETAS de Ar Deixar CAMINHOS para a entrada de Ar Secundário 20

21 Conclusão: SemTec Curitiba Queimadores para Fornos de Clinquer Áreas de injeção Diâmetro de furos Distância entre furos Ângulo de rotação do Swirl A GEOMETRIA da Cabeça de Queima é FUNDAMENTAL 21

22 QUEIMADORES D-FLAME Melhorias no Processo: Menores tamanhos dos cristais de C3S Maior purga de enxofre Aumento da vida do revestimento refratário 22

23 QUEIMADORES D-FLAME Cristais de C3S: ~14% menores 23

24 QUEIMADORES D-FLAME Aumento na produtividade do Moinho de Cimento: diminuição do consumo específico elétrico de 55,7 kwh/ton em dez/15 para 51,6 kwh/ton em fev/16 24