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
A analise energética é fundamental para assegurar o melhor aproveitamento de energia térmica do combustível e o bom estado operacional do equipamento e do sistema de controle. Para fazer essa análise, é necessário saber todos os fluxos da massa de água e do vapor, do combustível, do ar, dos produtos de combustão e do calor envolvidos no processo tecnológico de geração do vapor numa caldeira ou de aquecimento de um material num forno. A análise energética correta pode ser feita com base em uma instrumentação adequada e contemporânea das medições de vazões, pressão, temperaturas e outros parâmetros físicos e químicos dos fluidos envolvidos no processo tecnológico. Muitas vezes, em um empresa não existe toda a instrumentação necessária para analisar o funcionamento do equipamento, mas de qualquer modo é sempre importante que se faça uma estimativa preliminar dos resultados ou uma verificação da ordem de grandeza de cada parâmetro envolvido na avaliação do equipamento.
4.1 - Balança Energética e Rendimento do Gerador de Vapor No processos de geração de vapor as perdas de calor são inevitáveis. A economia na transformação de energia do combustível para energia térmica do vapor caracteriza-se pelo rendimento da caldeira. Para calcular o rendimento térmico da caldeira é necessário elaborar e analisar a equação do balanço energético (térmico) da caldeira. A equação do balanço energético para qualquer caldeira de combustível na forma geral para um kg de combustível expressa-se pela formula Onde Qdis calor disponível na câmara de combustão, em kj/kg; Q 1 calor útil, em kj/kg; Q 2 calor perdido com gases de escape, em kj/kg; Q 3 calor perdido devido à combustão química incompleta, em kj/kg; Q 4 calor perdido devido à combustão mecânica incompleta, em kj/kg; Q 5 calor perdido devido ao arrefecimento externo da caldeira, em kj/kg; Q 6 calor perdido com a escória, em kj/kg
Para combustível gasoso, elabora-se a equação de balanço para um metro cúbico de combustível. Se dividirmos as partes da esquerda e da direita da equação pela calor e multiplicamos por 100%, teremos a equação de balanço em percentagem, pois 100 = 100(Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 + Q 6 )/Q dis = q 1 + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + q 6 Onde q 1 porcentagem do calor útil, em %; q 2 - porcentagem relativa do calor perdido com gases de escape, em % etc
Os valores das perdas devem ser permanentemente controlados. Os valores aproximados das perdas relativas de geradores de vapor contemporâneos são dados abaixo Denominação da perda de calor Perda relativa Valor da perda % Nos gases de escape q 2 4-7 Combustão química incompleta q 3 0 0,5 Combustão mecânica incompleta q 4 0,5-5 Com arrefecimento externo q 5 0,2-3 Com calor físico da escória q 6 0-3 Soma das perdas q i 6-12
Rendimento do gerador de vapor Para avaliar a economia do funcionamento do gerador de vapor usa-se o rendimento térmico (rendimento bruto), que representa a razão entre a energia realmente aproveitada do total da energia fornecida no gerador de vapor. O rendimento é calculado pela formula (Método direto) O rendimento pode ser calculado de outra maneira, quando são conhecidas todas as perdas relativas do calor. Trata-se do método indireto = q1 = 100 (q2+q3+q4+q5+q6)
Rendimento do gerador de vapor O cálculo do rendimento da caldeira pelo método indireto é mais exato do que pelo método direto, porque a soma das perdas faz parte só de ~ 10% do calor útil e cada parcela das perdas pode ser calculada com razoável exatidão e segurança. O uso do método direto enfrenta dificuldades de medição exata do caudal do vapor (água), pois a exatidão da medição diminui com o aumento do caudal Para a avaliação completa do aproveitamento do calor na central térmica usa-se o rendimento líquido. Ele toma em conta o gasto próprio de calor pela central [kw]. O calor de gasto próprio é constituído pela energia usada para o acionamento do equipamento auxiliar da central. Por exemplo, acionamento de ventiladores, bombas, exaustores etc.
Rendimento do gerador de vapor O rendimento líquido calcula-se como Onde: B consumo do combustível, kg/s ou m 3 /s. O calor disponível é o que entra na câmara de combustão e que poderia ser aproveitado na caldeira. Ele é calculado pela fórmula Q dis = Q in t + Q 2 + Q c + Q ar + Q p + Q cx Onde: Q c - calor físico do combustível, em kj/kg; Q ar calor físico do ar, em kj/kg; Q p - calor do vapor usado para a pulverização do óleo combustível, em kj/kg Q cx - calor gasto para a decomposição de carbonatos do xisto, em kj/kg
Rendimento do gerador de vapor O calor físico do combustível calcula-se pela fórmula Onde: - calor específico médio do combustível, em kj/kgk; - temperatura do combustível à entrada da câmara de combustão, em o C. O calor físico do combustível sólido é muito menor que o poder calorífico dele, pois Q com << Q in e por isso pode ser desconsiderado. O calor físico do ar, se foi aquecido fora da caldeira, calcula-se pela fórmula Onde : - calor especifico do ar a pressão constante, em kj/m 3 K; t - diferença das temperaturas do ar aquecido e do ar ambiente, em o C
D - produtividade da caldeira ou caudal do vapor, em kg/s - entalpia do vapor na saída da caldeira, em kj/kg; - entalpia da água de alimentação; - entalpia da água pura, em kj/kg P - purgas da água na caldeira em porcentagem da caudal do vapor Rendimento do gerador de vapor O pré-aquecimento do ar é usado para melhorar as condições de queima do combustível na câmara de combustão. O ar quente prepara melhor o combustível para a combustão, aumenta a temperatura da chama e dos produtos de combustão e assim aumenta-se o fluxo do calor para as superfícies de aquecimentos. Muitas vezes, para aquecer o ar, aproveita-se o calor dos gases de escape. O calor útil ou calor aproveitado na caldeira para aquecer a água de alimentação e geração do vapor é calculado pela fórmula
Rendimento do gerador de vapor Os valores das entalpias do vapor e da água são tabeladas. Eles também podem ser obtidos de i-s (entalpia entropia) diagrama do superaquecimento intermediário do vapor. 4.2 Análise das perdas de calor completar
Capitulo 5: Combustão da Biomassa 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).
Capitulo 5: Combustão da Biomassa 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.
Capitulo 5: Combustão da Biomassa 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:
Capitulo 5: Combustão da Biomassa 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
Capitulo 5: Combustão da Biomassa 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).
Capitulo 5: Combustão da Biomassa 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.
Capitulo 5: Combustão da Biomassa 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.
Capitulo 5: Combustão da Biomassa 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.
Capitulo 5: Combustão da Biomassa 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.
Capitulo 5: Combustão da Biomassa 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.