UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS - UFGD FACULDADE DE ENGENHARIA Curso Engenharia de Energia Prof. Dr. Omar Seye omarseye@ufgd.edu.br
Disciplina: COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEIS
Definição Toda substância capaz de reagir com o oxigênio e liberar energia térmica é identificada como combustível. Combustíveis para utilização em energia e aquecimento industrial apresentam características importantes tais como baixo custo por conteúdo energético, disponibilidade, facilidade de transporte e armazenamento, possibilidade de utilização dentro de tecnologias disponíveis, baixo custo operacional e de investimento, etc. Durante muitos anos, os derivados de petróleo preencheram a maioria destas características e se tornaram o tipo mais utilizado de combustível industrial. Nas décadas recentes, outros tipos de combustíveis tem sido utilizados e pesquisados, principalmente aqueles que produzem menor impacto ambiental que os combustíveis fósseis.
Classificação Do ponto de vista de origem, os combustíveis podem ser classificados como: fósseis (não renováveis) e vegetais (renováveis), representados pela tabela abaixo. Origem Combustível Básico Derivado FÓSSEIS Petróleo Gás Natural GLP. Gasolina Óleo Diesel, Óleo Combustível, Óleos Residuais Gases manufaturados VEGETAIS Xisto Betuminoso Carvões Minerais Cana-de-açúcar Lenha Resíduos Vegetais Bagaço de cana, Álcool Etílico Carvão Vegetal. Gases manufaturados, Metanol Biogás
Naturais Classificação Quanto a utilização de combustíveis é conveniente classificá-los e estudá-los quanto a sua forma física: sólidos, líquidos ou gases. Os combustíveis podem ser naturais ou artificiais, sendo estes subdivididos em sólidos, líquidos e gasosos Sólidos Carvão mineral (turfa, hulha, linhito...); Madeira (lenha, serragem, pó de pinho...); Xistos (betuminosos e piro betuminosos; Resíduos industriais (bagaço de cana, cascas de cereais...) Sólidos Artificiais Carvão vegetal; Coque de petróleo Líquidos Petróleo Líquidos Álcool (etanol) Derivados de petróleo (gasolina, óleos, diesel,...) Óleo de xisto Gasosos Gás natural (metano) Gasosos Gás de alto forno Gás de gasogênio Gás liquefeito de petróleo (GLP)
Composição básica de um combustível: elementos químicos e substâncias químicas Elementos químicos Podemos definir elementos químicos como elementos encontrados na natureza, em seu estado primitivo. Para o nosso curso seria interessante salientar alguns, bem como seus símbolos: Carbono (C) Hidrogênio (H) Nitrogênio (N) Enxofre (S) Substâncias químicas Quando tivermos a união de dois ou mais elementos químicos, iguais ou diferentes, teremos como produto final uma substância inorgânica ou orgânica como por exemplo: Dióxido de carbono ou gás carbônico (CO 2 ) Monóxido de carbono (CO) Ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) Ácido sulfuroso (H 2 SO 3 ) Gás metano (CH 4 ) Gás oxigênio (O 2 )
Composição típica dos combustíveis A maior parte dos combustíveis fósseis são hidrocarbonetos e as suas composições típicas são de carbono, hidrogênio, oxigênio e outros elementos. C H O N, S etc. Gás Natural ~75 ~25 - - Petróleo 84~86 11~14 0~3 0~5 Carvão Mineral 78~95 ~7 1~15 1~5 Lenha 49 6 43 ~1
Análise de Combustíveis Algumas propriedades devem ser conhecidas nos combustíveis: Composição Elementar: A composição elementar é o conteúdo, por porcentagem em massa, de carbono (C), Hidrogênio (H), Enxofre (S), Oxigênio (O), Nitrogênio (N), Umidade (W) e Cinzas (A). Utiliza-se as normas ASTM D 3176 e ASTM E 777, E 775 e E778 para esta determinação. É a característica técnica mais importante do combustível e constitui a base para análise dos processos de combustão, tais como cálculo dos volumes de ar, gases e entalpia, determinação do poder calorífico do combustível.
Análise de Combustíveis Composição imediata: É o conteúdo em porcentagem de massa de carbono fixo (F), voláteis (V), umidade (W) e cinzas (A). Determina-se utilizando as normas ASTM Standard Methods for Proximate Analysis of Coal and Coke, ASTM D3172 a D3175, ASTM D 1102 e ASTM E870 a E 872. A material volátil é a parte do combustível que se separa em forma gasosa durante o aquecimento do mesmo. O teor de voláteis tem influência no comprimento de chama, no acendimento e no volume necessário da fornalha. O carbono fixo é o resíduo combustível deixado após a liberação do material volátil. Compõe-se principalmente de carbono, embora possa conter outros elementos não liberados durante a volatilização. Os cinzas englobam, todos os minerais incombustíveis e é composta basicamente de óxidos, tais como a alumina, óxido de cálcio, óxido de magnésio etc...
Análise de Combustíveis A umidade presente no combustível sólido é importante para determinação de seu poder calorífico. Os dados da composição elementar e imediata dos diferentes tipos de combustíveis sólidos podem ser expressos na seguintes bases de referencia: (1) - Base de trabalho, ou seja, tal como se utiliza (com cinzas, umidade etc...) C t + H t + O t + N t + S t + W t = 100% V t + F t + A t + W t = 100%
Análise de Combustíveis (2) - Base de analítica, ou seja, tal como o combustível é analisado, sem umidade externa (W ext ) C a + H a + O a + N a + S a + W a = 100% V a + F a + A a + W a = 100% Umidade externa é aquela que a amostra perde no trajeto até o laboratório, apenas exposta ao ar ambiente de menor umidade
Análise de Combustíveis (3) - Base seca, isto é, sem umidade: C s + H s + O s + N s + S s = 100% V s + F s + A s = 100% Após ter sido colocada em uma estufa
Análise de Combustíveis (3) - Base combustível, sem umidade e sem cinzas: C c + H c + O c + N c + S c = 100% V c + F c = 100% Considerando-se apenas os principais componentes a serem oxidados.
Análise de Combustíveis Expressões para o cálculo da composição elementar ao se passar de uma base a outra
Análise de Combustíveis Composição elementar da biomassa, em base seca Composição imediata da biomassa, em base seca
Análise de Combustíveis Poder Calorífico É a quantidade de energia por unidade de massa que se desprende durante a combustão completa do combustível. Define-se Poder Calorífico Superior, quando a água proveniente da combustão é obtida na forma líquida e Poder Calorífico Inferior quando a água proveniente da combustão é obtido na forma vapor. Em instalações industriais, a temperatura dos gases de saída geralmente é maior que a temperatura de condensação, portanto a entalpia de concentração da água não é considerada. Mede-se o Poder Calorífico Superior pelo método ASTM D 2015-77
Carvão Mineral Combustíveis sólidos O carvão mineral brasileiro é utilizado principalmente na produção de energia termoelétrico e na industria cimenteira. Devido ao seu alto teor de cinzas e enxofre, não é muito utilizado industrialmente, a não ser nas localidades próximas a minas produtoras. As principais propriedades de carvões brasileiros são apresentados a seguir;
Lenha Capitulo 2: Combustíveis Combustíveis sólidos É um combustível amplamente utilizado no Brasil, tanto em aplicações domésticas como em aplicações industriais para geração de vapor, principalmente em pequenas unidades produtoras. É caracterizada por baixo teor de cinzas, ausência total de enxofre e umidade variável, a qual depende do tempo e método de armazenagem. A lenha quando cortada possui por volta de 50% de umidade. Estocada ao ar livre, em toras empilhadas, atinge a umidade de equilíbrio dentro de 3 a 6 meses, a qual, depende da umidade relativa do ar é por volta de 15 a 25%. A análise da lenha varia pouco com o tipo de árvore, e isto é uma regra geral para todo material celulósico. Algumas propriedades são apresentas nos quadros a seguir. O poder calorífico inferior vai depender muito do teor de umidade. A variação do PCS quanto ao tipo de madeira também não é muito grande.
Combustíveis sólidos Composição média da lenha seca Elemento C H O N Cinzas % massa 50,2 6,1 43,4 0,2 0,2 Poder Calorífico Superior 4.400 kcal/kg Variação do PCI em função do teor de umidade % água 50 35 10 PCI (kcal/kg) 1990 2770 4070
Bagaço de Cana Combustíveis sólidos O bagaço de cana-de-açúcar é o combustível das usinas de açúcar e álcool e utilizado localmente, logo após a moagem da cana. As modernas usinas não consomem todo o bagaço produzido e o excedente pode ser fornecido a terceiros, in natura ou seco e enfardado. O bagaço é queimado diretamente com 50% de umidade, como vem da colheita. A composição elementar é muito semelhante a lenha e suas propriedades podem ser tomadas como similares, exceto é claro, quando a sua forma física. A quantidade de bagaço obtida nas usinas é de aproximadamente 24 30% do peso inicial da cana, equivalente a 2,6 toneladas de bagaço (48% de umidade, b.u.) por tonelada de açúcar. Outra características importante do bagaço de cana é a composição granulométrica que caracteriza a distribuição das partículas do bagaço em frações determinadas por faixas de diferentes diâmetros médios. A composição granulométrica é determinadas experimentalmente, utilizando-se um conjunto padronizado de peneiras, e depende da variedade da cana, do esquema de preparação e moagem da usina do grau de desgaste destes equipamento.
Combustíveis sólidos Carvão Vegetal Obtido através da carbonização da lenha. Em média 2 m 3 de lenha geram 1 m 3 de carvão; Poder calorífico aproximado de 7000 kcal/kg; Usado principalmente para siderurgia e gasogênios
Combustíveis sólidos Combustíveis oriundos da madeira Cavaco Serragem Pellet
Combustíveis líquidos Os combustíveis líquidos, normalmente empregados na geração de vapor, são derivados do petróleo. Gasolina, nafta, querosene, óleo diesel e óleo combustível são frações obtidas da destilação do petróleo. Apenas o óleo combustível é usado em caldeiras. O óleo diesel, ainda que queimado em algumas caldeiras, tem sua produção destina a motores de combustão interna. Os combustíveis líquidos são amplamente utilizados na industria pelas facilidades de armazenamento, operação e transporte, e os derivados de petróleo estão praticamente presentes na maioria das aplicações.
Combustíveis líquidos: Propriedades Ponto de fulgor: é a temperatura do combustível na qual, sob a ação de uma chama escorvadora sobre a superfície líquida do mesmo, provoca uma ignição e combustão transitória. Importante propriedade para a segurança de armazenamento. Ponto de ignição: temperatura do combustível na qual a chama escorvadora provoca uma combustão continuada sobre a superfície do mesmo. Ponto de auto-ignição: temperatura mínima de uma mistura ar/combustível na qual a combustão é iniciada e se mantém, sem a presença de uma chama ecorvadora. Ponto de fluidez: temperatura mínima necessária para que o combustível se torne um fluido.
Combustíveis líquidos: Propriedades Viscosidade: importante propriedade que vai determinar as temperaturas de armazenamento, bombeamento econômico e pulverização (atomização) para combustão. Poder Calorífico: é a quantidade de energia por unidade de massa que se desprende durante a combustão completa do combustível. Define-se poder Calorífico Superior, quando a água proveniente da combustão é obtida na forma líquida e Poder calorífico Inferior quando a água proveniente da combustão é obtida na forma de vapor. Todas as propriedades tem normas e métodos para medição e algumas podem variar em resultados conforme o método utilizado
Combustíveis líquidos: Derivados de petróleo Os derivados de petróleo são produtos do processamento do óleo cru, basicamente em dois tipos de processos: Destilação atmosférica, onde grupos de frações são separadas por diferença de ponto de ebulição (ou pressão de vapor), numa coluna de destilação; Destilação à vácuo do resíduo, onde é extraído no resíduo de fundo da coluna atmosférica mais frações leves. O resíduo de destilação à vácuo é utilizado para produção de asfalto ou complementação da produção de óleo combustível; Craqueamento térmico ou catalítico, onde é possível transformar frações pesadas do óleo em frações mais leves, ajustando o perfil da produção com as necessidades de mercado consumidor.
Combustíveis líquidos: Óleo combustível Os óleos combustíveis são divididos em dois tipos: óleos combustíveis leves e óleos combustíveis pesados. Os óleos combustíveis leves chamase óleo diesel e são empregados em motores de combustão por compressão de médias e altas rotações, enquanto que os óleos combustíveis pesados são os óleos APF (alto ponto de fluidez) e BPF (baixo ponto de fluidez), utilizados em motores de grande porte e de baixa rotação. A diferença que existe entre os óleos combustíveis pesados e leves é sobretudo sua viscosidade. O teor de enxofre é uma característica importantíssima para especificação e utilização de óleos combustíveis. Como explicado, o enxofre ocasiona a formação de SO 2 e SO 3, o qual em reação com a água dos produtos de combustão deve ser formar ácido sulfúrico. A formação e concentração de ácido sulfúrico depende do teor de SO 2, e conseqüentemente do teor de enxofre no óleo. E da pressão parcial do vapor de água nos gases de combustão.
Combustíveis Gasosos Os combustíveis gasosos tem aumentando sua aplicabilidade na indústria nacional, respondendo a demanda por fontes de energia mais limpas e eficientes. A limitação de seu crescimento está na disponibilidade e distância dos centros consumidores pela sua maior dificuldade de transportes. Gás Liquefeito de Petróleo (GLP) é importante combustível, tanto de aplicação industrial como domestica. Gás Natural (GN) tem sido explorado recentemente, porem, deve ser transportado por gasodutos, o que dificulta sua maior utilização, dada a necessidade de investimento em infra-estrutura.
Combustíveis Gasosos: Propriedades Algumas propriedades importantes necessitam ser conhecidas para os combustíveis gasosos. A composição química pode ser facilmente determinada através da análise laboratorial, em cromatográficos químicos. O poder calorífica é normalmente dado em termos de energia/volume, relativa a determinada condição de temperatura e Pressão. Em alguns casos pode ser fornecido em termos de energia/massa. Densidade Relativa: È a densidade do gás relativa ao ar nas mesmas condições de temperatura e de pressão.
Combustíveis Gasosos: Propriedades Número de Wobbe: É uma relação entre poder calorífico e densidade relativa dada pela equação: A importância do número de Wobbe está ligada a intercambialidade de gases para uma mesma aplicação ou queimador. Observe que a relação de poder calorífico e a raiz quadrada da densidade relativa tem a ver com a quantidade de energia (por volume ) que é possível passar por determinado orifício com a queda de pressão correspondente. Em outras palavras. No que se refere a potencia de um dado queimador, gases com o mesmo número de wobbe vão apresentar o mesmo desempenho energético.
Combustíveis Gasosos: Propriedades Velocidade de Chama: É a velocidade de uma frente de chama de uma mistura ar/combustível, efetuada sob determinadas condições. O conhecimento de parâmetros da velocidade de chama é útil também para a estabilidade dos gases, no sentido de se garantir a estabilidade de combustão em queimadores. Dois fenômenos podem ocorrer em queimadores de gás: O deslocamento da chama, quando a velocidade da mistura não queimada é maior que a velocidade de chama, e O retorno de chama, quando a velocidade de chama é maior que a velocidade da mistura ar/combustível. Ambos podem trazer conseqüências desastrosas aos equipamentos e um queimador de gás deve ser projetado para determinadas faixas de velocidades de chama para se garantir a estabilidade.
Combustíveis Gasosos: Exemplos Gás Liquefeito de Petróleo: A aplicação industrial de GLP tem sido feito em processo em que a limpeza é fundamental tais como em fornos alimentícios, metalurgia e cerâmica fina. O GLP é uma mistura de frações leves de petróleo na faixa de 3 e 4 carbono na cadeia. Para efeitos práticos de combustão pode ser considerado como uma mistura em parte iguais de propano e butano. Composição em Massa % etano propano propeno butano buteno 1,0 30,6 20,7 32,9 14,7 PCS (kcal/nm 3 ) 22600 PCI (kcal/nm 3 ) 21050 Densidade (kg/nm 3 ) 2060 Massa molecular média 48,79
Combustíveis Gasosos: Exemplos Gás Natural: A exploração de gás natural pode ser feita através da produção do gás associado a um poço de petróleo, com frações de gás leves que justifiquem seu aproveitamento, ou em bacias produtoras de gás natural. Sempre há produção de gases associados a exploração do petróleo. Quando a produção de gás é pequena ou o centro consumidor está muito distante, o gás é queimado localmente em chamas abertas na atmosfera (flare). Gás natural é basicamente metano, com algumas parcelas de leves de etano e propano. Sua composição pode variar de local a local.
Combustíveis Gasosos: Exemplos: Gás Natural O gás natural consiste em uma serie de diferentes hidrocarbonetos sendo o metano (CH4), o principal. Caracteriza-se por: Sua formação é semelhante a do petróleo e é encontrado em poços perfurados na terra ou no mar, pode ser associado ou não com o petróleo; Poder calorífico variável de 9400 a 12800 kcal/m3; combustão limpa e isenta de material particulado; baixa emissão de poluente; melhor eficiência de queima
Combustíveis Gasosos: Exemplos: Gás Natural A composição química do gás natural varia em torno dos seguintes valores: % em volume Metano CH 4 73 Etano C 2 H 6 14 Propano C 3 H 8 3 Butano C 4 H 10 2 Nitrogênio N 2 7 Dióxido de carbono CO 2 1
Combustíveis Gasosos: Exemplos: Gás Natural A presença de enxofre é pequena. Para o gás natural tratada para remoção de hidrocarbonetos maiores, para uso comercial, o teor de enxofre é normalmente inferior a 22 mg/nm 3 e, por exemplo, pode apresentar a seguinte composição química: % em volume Metano CH 4 90 Etano C 2 H 6 6 Nitrogênio N 2 3 Dióxido de carbono CO 2 1
Combustíveis Gasosos: Exemplos: Gás Manufaturados São gases fabricados a partir de diversos combustíveis como carvão mineral, nafta e lenha. A composição varia principalmente em relação ao processo de fabricação e síntese e em relação a matéria prima.
Combustíveis Nucleares As substâncias radioativas existentes, com o isótopo de urânio (U-235), são classificados como combustíveis nucleares. As substâncias radioativas, ao contrario dos combustíveis convencionais, liberam energia atômica por fissão ou por fusão nuclear. A fissão nuclear se processa em reatores, mediante bombardeiro controlado de nêutrons. Os perigos de radioatividade têm dificultado uma utilização mais ampla de reatores nucleares na geração de vapor e, portanto, na geração de energia elétrica.
Capitulo 2: Comburente É o elemento que alimenta a combustão. No nosso caso o comburente é oxigênio O 2, que é um dos componente do ar. % em volume Oxigênio O 2 21,00 Dióxido de carbono CO 2 0,03 Nitrogênio N 2 78,00 Vapor d água 0,04 Gases raros (hélio, neônio) 0,93 Componente Fração molar, % Nitrogênio 78,08 Oxigênio 20,95 Argônio 0,93 Dióxido de carbono 0,03 Gases raros (hélio, neônio) 0,01