Parte 05 - Biomassa UFJF

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Aproveitamento Energético de Biomassa
Universidade Federal de Juiz de Fora – UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Energia Elétrica
Aproveitamento Energético de Biomassa
ENE105
Parte 05
Professor: Leonardo Willer de Oliveira
E-mail: leonardo.willer@engenharia.ufjf.br
Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de OliveiraBalanço de Massa
e Energia na Combustão
Importância
Dimensionamento e avaliação da eficiência de
fornalhas
22
fornalhas
 Seleção de ventiladores de tiragem induzida (exaustores) e
forçada (sopradores)
 Projeto de condutos de ar
 Determinação da velocidade relativa entre gases e
superfícies de aquecimento (transferência por convexão)
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Prof. Leonardo Willer de Oliveira
Exemplo de Cálculo
 Em uma planta de queima de eucalipto para produção de
energia, conhecendo-se a composição dos gases
produzidos na saída da fornalha (RO2f = 17,7% e O2f = 3,5%)
e na saída da caldeira (RO2ge = 13,7% e O2ge = 7,01%), e a
33
e na saída da caldeira (RO2ge = 13,7% e O2ge = 7,01%), e a
temperatura na saída da caldeira (tge = 200 ºC), determinar:
a) Volume teórico de ar para a combustão
b) Volume real de ar para a combustão
c) Volume teórico de gases da combustão na saída da caldeira
d) Volume real de gases da combustão na saída da caldeira
e) Volume de vapor
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Exemplo de Cálculo
 Eucalipto
44
 Composição química elementar
Cs = 49%, Hs = 5,87%, Os = 43,97%,
Ns = 0,3%, Ss = 0,01%, As = 0,72%, Wt = 30%
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Quantidade teórica de ar para combustão
Combustível + Va = (VCO2 + VSO2 + VH2O)
+ (V + V + V )
55
+ (VCO + VH2 + VCH4)
+ (VN2 + VO2 + VVA)
Volume de ar teórico (Vao)
Va =volume de ar fornecido
(VCO2 + VSO2 + VH2O): produtos da oxidação completa
(VCO + VH2 + VCH4) : produtos da oxidação incompleta
(VN2 + VO2 + VVA) : ar em excesso, umidade do combustível e do ar
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Reações estequiométricas de combustão
C + O2 → CO2 + ΔQ1
S + O2 → SO2 + ΔQ2
2H + O → 2H O + ΔQ
66
2H2 + O2 → 2H2O + ΔQ3
C + 1/2O2 → CO + ΔQ4 para 1 kmol de cada elemento
ΔQ1 = (-353,146 ± 0,046) kJ/mol
ΔQ3 = (-241,595) kJ/mol
ΔQ4 = (-110,436 ± 0,167) kJ/mol
ΔQ =calor liberado na reação a 298,15 K
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Substituindo as massas moleculares
1 kg C + 2,66 kg O2 = 3,66 kg CO2
1 kg S + 1 kg O2 = 2 kg SO2
1 kg H2 + 8 kg O2 = 9 kg H2O
77
1 kg H2 + 8 kg O2 = 9 kg H2O
Densidades em CNTP (0ºC e 0,1013 MPa)
ρO2 = 1,429 kg/m3 , ρCO2 = 1,977 kg/m3 ,
ρSO2 = 2,86 kg/m3 , ρH2O = 0,805 kg/m3
1 kg C + 1,866 m3 O2 = 1,866 m3 CO2
1 kg S + 0,7 m3 O2 = 0,7 m3 SO2
1 kg H2 + 5,6 m3 O2 = 11,1 m3 H2O
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Exemplo
1 kg de combustível contém:
Ct/100 kg de Carbono, St/100 kg de Enxofre,
Ht/100 kg de Hidrogênio, Ot/100 kg de Oxigênio
88
Volume teórico de Oxigênio necessário para a combustão
3
2
1
1 866 0 7 5 6
100 100 100 1 429 100
, , , /
,
t t t t
o
O
C S H O
V m kg       
 
2
1 866 0 375 5 6 0 7
100
, , , ,t t t t
o
O
C S H O
V
      

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Dada a composição do ar seco:
O2 : 21,00% vol, N2 : 78,05% vol, Ar : 0,92% vol, CO2: 0,03% vol
 
oV
99
 2 0 0889 0 375 0 265 0 0333
0 21
, , , ,
,
o
o t t t tO
a
V
V C S H O        
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Excesso de ar
Determinação necessária para operação de fornos e caldeiras
Coeficiente de excesso: a
o
V
 
1010
Coeficiente de excesso:
Determinado na saída da fornalha ou da caldeira
Índice de excesso (e):
o
aV
 
1 e  
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Exemplos de coeficiente de excesso de ar
Fornalhas para queima de bagaço de cana
Tipo de fornalha
Umidade do bagaço (%) 
50 40 30
1111
Em geral, em sistemas modernos de combustão
 Combustíveis sólidos: 1,15 – 1,30
 Combustíveis líquidos: 1,02 – 1,10
 Combustíveis gasosos: 1,05 – 1,10
50 40 30
Fornalha de 
ferradura (Ward)
1,6 – 1,8 1,3 – 1,5 1,2 – 1,3
Fornalha de grelha 
basculante
1,3 – 1,4 1,25 – 1,3 1,15 – 1,25
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Condições de operação inadequadas
: consumo excessivo de energia por ventilação,
*  
1212
: consumo excessivo de energia por ventilação,
resfriamento
: combustão incompleta
Determinação experimental de
*  
*  
* Valor ótimo de , determinado por testes na caldeira
 2 2 2 4, , , ,f CO O CO H CH 

Concentrações (%) nos gases da combustão
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Equações fundamentais da combustão (equilíbrio
de O2)
1. Combustão incompleta
1313
1. Combustão incompleta
2. Combustão completa
 2 2 221 0 605,RO O RO CO       
2 2 2RO CO SO 
2 2 221 RO O RO   
0 126 0 038
2 35
0 375
, ,
,
,
t t t
t t
H O N
C S
   
  
 
Característica do combustível ou
coeficiente de Bunte
Bagaço de cana-de-açúcar: 2,24 x 10-2
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Verificação de erro nas medições
Combustão Completa
221
O
RO
1414
2
2
21
1


 
O
RO
Analisador Orsat
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Analisadores de gases
 Volumétricos (absorção) (Orsat) – margem de erro 0,2%
 Absorção de radiação infravermelha – CO2 e CO
 Suscetibilidade magnética – O
1515
 Suscetibilidade magnética – O2
 Célula eletrolítica (ZnO) – O2
Volumétricos: Reagentes
CO2 – solução de hidróxido de potássio
O2 – solução de pirogalato de potássio
CO – solução de β-naftosulfato de cobre e solução de sulfato de
sódio
H2 e CH4 – combustão residual
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Coeficiente de excesso de ar
α < 1
1616
α = 1
α > 1
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Equações para cálculo do coeficiente de excesso
de ar
1. Fórmula por Carbono 2
21 1maxCO
   
 
1717
1. Fórmula por Carbono
Ou, na falta da composição elementar do combustível
2 21CO CO
   
 
2
2
2
100
100 4 76
max
,
CO
CO
O
 
 
( Combustão completa )
 
2 4
2
2 2 4
100
100 4 76 0 5 0 5 2
max
, , ,
CO CO CH
CO
O CO H CH
 
 
       
( Combustão incompleta )
Considerando combustão completa e desconsiderando SO2
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2. Fórmula por Oxigênio
Seja concentração de oxigênio excedente dada por
  00 21 1   , V
1818
  02
2
0 21 1Vol. Ar excedente
100
Volume gasseco
   
  
, a
gs
VO
O
V
2 2 2 2 2
o o o o o
gs CO SO N O N aV V V V V V V     
    ogs a aV V V
aproximadamente→ Combustão completa (ausência de CO)
Logo, volume de gás proporcional ao volume de ar
(aproximadamente)
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Daí, sendo e :
 
2
0 21 1
100
, oa
gs
V
O
V
   
  ogs aV V  
 21 1
O
  

21
  ( Combustão completa )
1919
Para a combustão incompleta
 
2
211
O
  

 2
21
21 O
 

 2 2 4
21
21 0 5 0 5 2, ,O CO H CH
 
      
( Combustão completa )
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Comparação entre cálculo
por CO2 e O2
1. Desvantagens da utilização de CO2
2020
2
 Concentração depende do combustível
 Não aplicável para mistura
 CO2 na combustão incompleta não é função unívoca de
2. Vantagens do controle pelo O2
 O2 = f( ) não varia muito
2
2 2
21 1
1
maxCO
CO CO
   
 
2
21
21 O
 


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2. Infiltrações de ar
infil
1
i
i f
n
    
infil : Infiltrações de ar ambiente
: Coeficiente de excesso de ar na saída da fornalha
: Coeficiente de excesso de ar inserido com
o combustível
Superfície Δαi
Fornalha (Δαf)
f
comb
2121
1n
Fornalha (Δαf)
Com forro metálico 0,05
Sem forro 0,10
Condutos de gases das superfícies de aquecimento
Feixe de tubos na saída da fornalha (festón) 0,00
Superaquecedor 0,03
Feixe de convexão (cada parte) 0,05
Economizador 0,02
Pré-aquecedor de ar tubular 0,03
Pré-aquecedor de ar regenerativo 0,02
comb f f    
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superaquecedor
Pré-aquecedor 
de ar
economizador
2222
Seção de 
convexão
Fonte: Waldir A. Bizzo, EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor: Geradores de Vapor
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Cálculo do volume dos produtos da combustão
1. Volume de gases triatômicos
Relações estequiométricas
2323
Relações estequiométricas
1 kg C →1,866 m3 CO2
1 kg S → 0,7 m3 SO2
2 1 866 0 7100 100
, ,
t t
RO
C S
V    
  32 0 01866 0 375, , /t tROV C S m kg   
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2. Volume teórico de nitrogênio
 Do ar:
Do combustível:
3
2 0 79, /
a o
N aV V m kg 
1tc NV   2N
 Peso específico do nitrogênio
2424
 Do combustível:
Daí:
2
2
1
100
c
N
N
N
V  

2N Peso específico do nitrogênio
3
2 1 25, /N kg m  CNTP
3
2 0 008, /
c t
NV N m kg 
  32 2 2 0 79 0 008, , /o a c o tN N N aV V V V N m kg     
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3. Volume teórico de vapores de água
 Reação do hidrogênio do combustível com o oxigênio:
  32 111 0 111, , /
t
Ro t
H O
H
V H m kg   
2525
 Umidade do combustível:
 2 111 0 111100, , /H OV H m kg   
 2
2
100/tWo
H O
H O
W
V 

3
2 0 805, /H O kg m    32 0 0124, /
Wo t
H OV W m kg 
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 Umidade do ar:
 
2
2
1
1000
o
do a ar
H O
H O
d V
V
  
 

d umidade absoluta média do ar = 10 g de vapor / kg de ar
3, 
2626
 Atomização do combustível (queimadores de atomização com
vapor para óleo combustível)
peso específico do ar 31 293kg/m,ar 
 
0
0 3
2
10 1 293 1
0 0161
1000 0 805
,
, /
,
do a
H O a
V
V V m kg
 
   
 2 1 24,
qo
H O qV W 
Wq 0,3 – 0,35 kg de vapor / kg de combustível
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 Volume teórico total de vapores de água:
       2 2 2 2 2
R W d qo o o o o
H O H O H O H O H OV V V V V   
2727
       
 
2 2 2 2 2
3
2 0 111 0 0124 0 0161 1 24, , , , /
H O H O H O H O H O
o t t o
H O a q
V V V V V
V H W V W m kg
   
       
4. Volume teórico de gases
  32 2 2 /o o og RO N H OV V V V m kg  