COMBUSTÍVEIS

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SISTEMAS TÉRMICOS E
ENERGÉTICOS
AULA 4
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof.ª Ana Carolina Tedeschi Gomes Abrantes
CONVERSA INICIAL
A combustão está presente em nossas vidas como a principal fonte de energia térmica. A utilizamos
ao prepararmos nossa comida, ao nos deslocarmos para o trabalho e ao tomarmos banho. Mas estes são
exemplos pequenos perto da ampla aplicação desse processo na sociedade. Através da combustão,
energia elétrica é gerada em termoelétricas, vapor é produzido em caldeiras para aplicação térmica e
motora e aviões a jato ganham velocidade utilizando turbinas a gás.
A variedade de combustíveis disponíveis é grande, variando entre os renováveis e não renováveis. A
escolha da melhor opção passa tanto pelo projeto do equipamento, quanto pela análise econômica e
pelo impacto ambiental.
O objetivo desta rota é que você tenha conhecimento suficiente para avaliar se os equipamentos
que operam a combustão estão com o desempenho esperado. Mas para chegar a este ponto, será
necessário “queimar um pouco de fosfato”. Vamos dar a ignição?
CONTEXTUALIZANDO
A utilização da máquina térmica é uma das formas de produção de potência útil. Na prática, a
grande parte das fontes frias utilizadas está disponível na natureza, como a atmosfera, os rios e lagos. Em
contrapartida, as fontes quentes costumam trabalhar em temperaturas bastante elevadas, sendo obtidas
artificialmente no processo industrial. A forma mais comum é a combustão controlada utilizando-se
materiais combustíveis e ar atmosférico. Este princípio é utilizado em fornalhas de fornos e caldeiras,
como também em motores de combustão interna.
As principais fontes energéticas atuais (Figura 1) se baseiam na combustão de combustíveis fósseis,
na energia hidráulica e na energia nuclear. Outras formas de energia, como geotérmica, solar e eólica,
ainda apresentam baixo consumo quando avaliado a nível mundial.
Figura 1: Fontes energéticas atuais
Fonte: PINHO (2014).
Aprenda um pouco mais sobre os combustíveis fósseis assistindo ao vídeo:
<https://www.youtube.com/watch?v=UjwVBUbKmrs>
O conhecimento dos combustíveis e de seus produtos resultantes da queima, das variáveis de
controle da combustão e da energia fornecida por esta reação é de grande importância para o ajuste do
processo em sua maior eficiência.
TEMA 1 - COMBUSTÍVEIS
Combustível é a substância que, ao reagir com um agente oxidante (comburente), libera energia
suficiente para seu aproveitamento na forma de calor e/ou trabalho.
Ao se avaliar o melhor combustível para uma determinada aplicação se faz necessário o
conhecimento de algumas de suas propriedades, entre elas:
Massa molar, massa específica e viscosidade;
https://www.youtube.com/watch?v=UjwVBUbKmrs
https://www.youtube.com/watch?v=UjwVBUbKmrs
https://www.youtube.com/watch?v=UjwVBUbKmrs
Poder Calorífico Superior (PCS): Energia total liberada na combustão de uma substância resfriando
os gases até a temperatura ambiente;
Poder Calorífico Inferior (PCI): Energia liberada na combustão de uma substância até uma
temperatura superior à de condensação da água (energia útil);
Para grande parte dos combustíveis utilizados industrialmente, as propriedades acima descritas
podem ser encontradas em:
<http://www.antoniolima.web.br.com/arquivos/podercalorifico.htm>
Temperatura de fulgor: é a temperatura mínima em que uma substância libera vapores suficientes
para se tornar inflamável quando exposta a uma fonte de calor;
Ponto de inflamação (autoignição): é a menor temperatura em que ocorre a combustão sem a
existência de uma fonte de ignição.
Os pontos de fulgor e de autoignição podem ser encontrados nas FISPQs (ficha de informações de
segurança de produtos químicos) dos combustíveis.
Ponto de fluidez: menor temperatura na qual o combustível apresenta fluidez, possibilitando seu
bombeio;
Temperatura de fusão das cinzas: importante para verificação de depósitos de cinzas nos
equipamentos devido a sua solidificação na superfície.
De acordo com Pinho (2014),
A classificação mais comum dos combustíveis é em relação à fase na qual são normalmente
manuseados: combustíveis sólidos, líquidos e gasosos. Os combustíveis gasosos compreendem o gás
natural, os gases liquefeitos de petróleo e os gases obtidos a partir do carvão. Os combustíveis líquidos
abrangem principalmente os álcoois, o petróleo e seus derivados. Os combustíveis sólidos estão
relacionados aos carvões, coques, madeiras e resíduos industriais. (PINHO, 2014).
COMBUSTÍVEIS GASOSOS
Os combustíveis gasosos são os compostos que apresentam a maior facilidade de queima,
dificilmente apresentando problemas com combustão incompleta e contaminantes. Os mais importantes
http://www.antoniolima.web.br.com/arquivos/podercalorifico.htm
http://www.antoniolima.web.br.com/arquivos/podercalorifico.htm
http://www.antoniolima.web.br.com/arquivos/podercalorifico.htm
são o gás natural, os compostos leves do petróleo e alguns gases produzidos pelo processo industrial.
Estes combustíveis são constituídos basicamente por hidrocarbonetos gasosos, H2, CO e N2 e suas
composições são fornecidas usualmente na base molar (Tabela 1).  Para avaliações termodinâmicas, esses
compostos podem ser considerados como gases perfeitos na temperatura e pressão ambientes.
Tabela 1: Composição molar (%) de alguns combustíveis gasosos
Fonte: PINHO (2014)
O gás de alto-forno é produzido em um alto-forno a partir da passagem do ar por camadas de
minério de ferro e coque. O aquecimento do carvão, para obtenção de coque, libera produtos voláteis
que resultam no gás de coque. O gasogênio é resultado da queima parcial do carvão, com limitação de
oxigênio, produzindo CO e CO2. O gás de água é resultado da injeção de vapor d’água em um leito de
carvão ou coque quente, decompondo-se em H2 e O2 e recombinando-se com o carbono para formação
de CO.
Os principais componentes do gás natural são o metano e o etano e sua composição varia de
acordo com a jazida. Já os gases liquefeitos de petróleo (GLP) são constituídos principalmente de butano
e propano, compostos que se liquefazem a pressões levemente superiores à atmosférica, podendo ser
mantidos liquefeitos a temperatura ambiente.
COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS
Tendo em vista que a combustão se dá prioritariamente na fase gasosa, os combustíveis líquidos
necessitam ser queimados em pequenas gotas para que se obtenha uma combustão completa. São
classificados como líquidos inflamáveis aqueles que possuem ponto de fulgor abaixo de 70°C. Já os
líquidos combustíveis apresentam ponto de fulgor acima deste valor.
Conforme descrito por Pinho (2014),
A maioria dos combustíveis líquidos são hidrocarbonetos com temperatura de ebulição acima da
ambiente (na pressão atmosférica) devido ao maior peso molecular, quando comparados aos gasosos
(Tabela 2). Grande parte dos hidrocarbonetos líquidos (Tabela 3) apresenta uma composição mássica
aproximadamente igual, entre 85% e 87% de C e 11% a 15% de H2, em massa. O enxofre é um elemento
contaminante que gera compostos indesejáveis na sua queima. (PINHO, 2014).
Tabela 2: Temperatura de ebulição de alguns hidrocarbonetos
Fonte: PINHO (2014).
Tabela 3: Composição mássica (%) de combustíveis líquidos derivados do petróleo
Fonte: PINHO (2014).
COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS
O estado sólido dificulta a queima deste tipo de combustível, o que leva a uma considerável
quantidade de geração de resíduo sólido constituído de cinzas e carbono não queimado. Uma forma de
aumentar a eficiência da combustão desses compostos é reduzir o tamanho de suas partículas. O
combustível sólido não pode ser considerado uma substância pura no seu estado natural, pois não
possui uma composição uniforme. Desta forma, sua composição é fornecida por elemento químico
através de uma análise elementar, a qual pode ser realizada de três maneiras diferentes:
i. conforme sua composição natural;
ii. sem umidade;
iii. sem umidade e sem cinzas (somente a matéria combustível).
Esta análise é necessária para a realizaçãode cálculos referentes à reação de combustão (Tabela 4).
Tabela 4: Composição mássica (%) de combustíveis sólidos
Fonte: Pinho (2014).
Um exemplo de combustível sólido bastante utilizado é o carvão (Figura 2), o qual é constituído de
carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre, água e cinzas. “O coque, por sua vez, é resíduo sólido
da destilação de certos tipos de carvão, sendo constituído pelo carbono fixo remanescente após a
liberação dos compostos voláteis” (Pinho, 2014).
A madeira (Figura 2) é a biomassa de maior aplicabilidade industrial, principalmente em indústrias
que a utilizam como matéria prima. O tamanho das partículas pode ser adequado de acordo com o
projeto dos queimadores e para a otimização do controle de queima.
Figura 2: Pellets de madeira (à esquerda) e carvão (à direita) utilizados como combustíveis sólidos
TEMA 2 - COMBUSTÃO
Para a avaliação de um processo de combustão, é necessário ter conhecimento da equação química
referente a este processo. Esta equação indica os reagentes e os produtos da reação. Como a massa de
cada elemento químico permanece constante, é possível levantar a quantidade envolvida dos reagentes
e dos produtos formados. Como exemplo, vamos observar a equação de combustão completa do
metano:
Os reagentes são representados no lado esquerdo da equação enquanto os produtos aparecem no
lado direito. Cada molécula está multiplicada por um número que se refere ao número de mols
necessários para a reação.
A maior parte dos combustíveis é constituída por hidrocarbonetos. Por envolverem muitos
compostos diferentes, a sua combustão completa é representada por uma expressão geral, considerando
um hidrocarboneto genérico CxHy. A composição deste hidrocarboneto pode ser obtida pela análise
elementar.
A combustão é considerada completa quando todo o combustível é queimado, gerando CO2 e
água. Se for observado o aparecimento de CO, C e moléculas de combustível nos produtos da
combustão, tem-se uma combustão incompleta. Normalmente, o comburente é o oxigênio do ar.
EXCESSO DE AR
A quantidade mínima de ar necessária para uma combustão completa é chamada de ar teórico,
quando se tem, então, uma mistura estequiométrica de ar e combustível. Na prática, muito dificilmente
consegue-se uma combustão completa adicionando somente a quantidade de ar teórico, uma vez que o
tempo de residência dos reagentes não é suficiente para atender à cinética da reação. Essa condição é
atingida somente com gases em condições específicas. Por isso, o controle de um processo de
combustão envolve a avaliação do ar adicionado em excesso para garantir a queima completa. Se
adicionado ar em menor quantidade, CO é gerado nos produtos e menor quantidade de energia é
fornecida. Se o excesso for em demasia, parte da energia gerada é gasta no aquecimento do N2
adicionado com o ar, reduzindo a eficiência do equipamento.
Dessa relação entre ar e combustível, surge o conceito de riqueza da mistura (r). Considera-se uma
mistura rica aquela com excesso de combustível, e portanto com falta de ar para a combustão completa.
Em contrapartida, o excesso de ar resulta em uma mistura pobre. Essa classificação é realizada baseando-
se na razão entre a quantidade de oxigênio estequiométrico (O2 esteq) e a quantidade real de oxigênio
(O2 real) utilizada na queima, conforme demonstrado a seguir.
r = 1               mistura estequiométrica, combustão neutra
r < 1               excesso de ar (mistura pobre), combustão oxidante
r > 1               excesso de combustível (mistura rica), combustão redutora
Este parâmetro é bastante utilizado para os motores alternativos de combustão interna, pois podem
trabalhar em todas as condições, com r entre 0,9 e 1,2. A potência máxima de um motor de ignição por
faísca ocorre da faixa de 1,05 ≤  r ≤ 1,1, ou seja, com mistura rica em combustível. Em contrapartida,
equipamentos como fornalhas de caldeiras, turbinas de gás ou fornos industriais trabalham,
predominantemente, com misturas pobres, e o excesso de ar (e) é definido como:
Como exemplo, um motor de ignição por compressão, como o a diesel, trabalha com 0,4 ≤ r ≤ 0,5
enquanto que um turbo reator opera com 0,2 ≤ r ≤ 0,25, resultando em um excesso de ar de mais de
300%.
Além do tipo de equipamento empregado, o excesso de ar depende também do combustível
queimado. Este excesso é maior para os sólidos e menor para os gases, pois quanto mais difícil for a
queima, maior a quantidade de ar necessária para completar a combustão. A Tabela 5 mostra o excesso
de ar aplicado nos principais combustíveis utilizados em fornos e caldeiras.
Tabela 5: Excesso de ar para alguns combustíveis
Fonte: Pinho (2014).
PRODUTOS DA COMBUSTÃO
Na prática, o ajuste do excesso de ar é baseado nos produtos de combustão formados. A
combustão completa de um hidrocarboneto com O2 libera CO2 e água. Porém, uma vez que a fonte de
oxigênio é o ar atmosférico e os combustíveis possuem contaminantes, outros compostos podem ser
encontrados nos gases de combustão. A composição desses gases pode ser obtida considerando ou não
o vapor d‘água gerado. A composição em base úmida considera a água como componente, enquanto
que a base seca desconsidera a presença de água nos gases. Um aparelho bastante difundido para a
análise da composição em base seca dos gases é o aparelho de Orsat (Figura 3). Ele determina a
composição e o peso molecular dos componentes através por processos de absorção e oxidação
seletivos. É geralmente aplicado para avaliação de dióxido de carbono, oxigênio e monóxido de carbono.
Figura 3: Aparelho de Orsat
Fonte: <http://www.quimis.com.br/produtos/detalhes/aparelho-de-orsat>
Substâncias como CO, C e resíduos de combustível nos gases de combustão demonstram que a
combustão é incompleta e que mais O2 deve ser acrescentado. Uma indicação imediata de combustão
incompleta é a coloração escurecida dos gases de combustão. Este parâmetro é observado facilmente
durante o dia, porém tem pouca eficácia no controle de queima durante a noite. Para os equipamentos
industriais que necessitam de um controle mais preciso, costuma-se medir a concentração de O2 e CO na
saída dos gases de combustão. Com estes dois parâmetros, busca-se o menor excesso de O2 necessário
para minimizar a produção de CO. Nem sempre é possível zerar a sua geração e por isso se estabelece
uma concentração máxima admissível. Os medidores de CO costumam demonstrar a perda de controle
na combustão antes mesmo de a coloração dos gases se modificar, demonstrando boa eficiência.
A presença de contaminantes no combustível pode afetar a qualidade do ar e a eficiência dos
equipamentos, assim como danificar suas estruturas. O enxofre libera, na sua queima,
predominantemente SO2, que é um contaminante atmosférico, além de ser um agente corrosivo quando
combinado com a água. O nitrogênio contido no combustível, juntamente com parte do atmosférico (em
temperaturas elevadas), é convertido a NO e NO2, também prejudicial ao ar atmosférico. As cinzas tanto
poluem o ar, quanto se depositam nas superfícies de troca térmica, reduzindo a sua eficiência.
TEMA 3 - EQUIPAMENTOS, CARACTERÍSTICAS E TIPOS
Basicamente, os equipamentos operados a combustão mais utilizados são:
Turbinas a gás
Motores de combustão interna
Fornos
Geradores de vapor (caldeiras)
Nós estaremos abordando os dois primeiros equipamentos mais profundamente nas duas próximas
aulas, portanto não serão abordados neste momento. Os fornos e as caldeiras possuem princípios de
funcionamento muito semelhantes em relação ao processo de combustão, de forma que este tema será
tratado em conjunto para esses equipamentos.
FORNOS
Os fornos são aplicados quando se necessita conservar calor em altas temperaturas com o objetivo
de fornecer energia necessária à desumidificação, aquecimento e à realização de algumas reações. Em
casa, quando assamos um bolo em um forno doméstico, o fermento químico se decompõe gerando CO2,
produto responsável por fazer o bolocrescer. Minérios são transformados em metais com o auxílio de
altos-fornos. Alimentos secos e desidratados são obtidos pela manutenção da temperatura acima do
ponto de ebulição da água, assim como na secagem de produtos de barro, como tijolos e telhas.
Uma aplicação bastante particular dos fornos industriais é a troca térmica, quando a energia
necessária para aquecimento dos produtos é muito elevada para ser fornecida por fluidos auxiliares. É o
caso do aquecimento do petróleo antes da sua destilação. Devido à elevada vazão de petróleo, a carga
térmica é fornecida pela reação de combustão, aquecendo por radiação e convecção os tubos instalados
no equipamento, por onde passa o petróleo.
Na indústria metalúrgica, são empregados: i) fornos de arco, onde a corrente elétrica induzida entre
dois eletrodos produz calor, ii) fornos de indução, que aproveita o calor gerado por fortes campos
eletromagnético, e iii) fornos de cúpula ou câmara externa, que transferem o calor por radiação. Estes
fornos se dividem em três categorias: contato direto entre o material tratado e o combustível, contato
indireto entre eles e contato direto entre gases de combustão e a carga.
Do tipo contato direto, a combustão do carvão no alto-forno libera energia para desidratar e
aquecer o minério e derreter o ferro gusa. O excesso de calor é absorvido por água circulante e pelo ar
de entrada.
Figura 4: Alto-forno utilizado na indústria metalúrgica
Na indústria alimentícia são utilizados tanto fornos mais simples, como os aquecidos a lenha, quanto
fornos mais complexos, automatizados. Entre os fornos domésticos, os mais comuns possuem
queimadores de gás. Os fornos elétricos também são utilizados quando se necessita aquecimento rápido
de alimentos, assim como os fornos micro-ondas, que utilizam ondas eletromagnéticas para geração de
calor.
Quando se deseja proteger o material da ação dos gases da combustão, como em processos de
recozimento ou esmaltação, são utilizadas muflas. Neste tipo de forno, os gases quentes circulam pela
parte externa da câmara onde o material está localizado, não entrando em contato com ele.
GERADORES DE VAPOR (CALDEIRAS)
A utilização do vapor veio da revolução industrial para movimentação de máquinas e turbinas na
geração de energia e em locomotivas, estendendo-se para outros processos, como cozimentos,
higienização e fabricação de alimentos, produção de papel e celulose, entre outros.
As caldeiras são equipamentos destinados a gerar vapor d’água através do calor liberado pela
queima do combustível. A carga térmica fornecida deve ser suficiente para o aquecimento sensível da
água, até a temperatura de ebulição, mais o calor latente para sua vaporização. Em muitos casos, produz-
se também vapor superaquecido pelo aquecimento sensível do vapor gerado. A troca térmica ocorre por
contato indireto com a água através de chapas e tubos.
As caldeiras são classificadas em flamotubulares ou aquatubulares de acordo com seu projeto e
operação. Nas flamotubulares (Figura 6), os gases quentes passam por dentro de tubos banhados
externamente pela água a ser aquecida e evaporada. Os tubos são montados como um trocador de
calor, com um ou mais passes. Como vantagem, atendem demandas variáveis de vapor, são de
construção fácil e não necessitam de tratamento apurado de água. Em contrapartida, ocupam muito
espaço, possuem deficiência na circulação de água deficiente, trabalham somente com pressões
moderadas (≤ 15 atm) e apresentam partida lenta devido à grande massa de água. Assim, as caldeiras
flamotubulares são aplicadas para baixas vazões de vapor e baixas pressões.
Figura 5: Caldeira flamotubular
As caldeiras aquatubulares (Figura 6) são as mais utilizadas, tendo maior flexibilidade tanto em
relação à quantidade de vapor produzido, quando na pressão de operação.  Neste tipo de caldeira, a
água circula por dentro dos tubos e o gás de combustão por fora. A circulação da água pode ocorrer por
convocação natural, como consequência da variação de densidade entre a água líquida e o vapor, ou
convecção forçada, com a utilização de uma bomba. Essas caldeiras suportam altas pressões, apresentam
grande área de troca de calor, realizam partida mais rápida e possuem maior capacidade de geração de
vapor, assim como boa circulação de água. Seu custo é mais elevado, tanto operacional, quanto de
instalação. A água necessita ser tratada para remoção de íons que possam causar depósitos e corrosão,
suas paredes devem ser revestidas de material refratário, não operam em condições de demandas
variáveis de vapor e exigem controle automático da queima. São usadas em plantas industriais de maior
porte e na obtenção de vapor superaquecido.
Figura 6: Caldeira aquatubular compacta
Fonte: <http://www.cbcsa.com.br/caldeirascom.asp>
Por trabalharem com pressões acima da atmosférica, as caldeiras devem obedecer a NR 13, a qual
“estabelece requisitos mínimos para gestão da integridade estrutural de caldeiras a vapor, vasos de
pressão e suas tubulações de interligação nos aspectos relacionados à instalação, inspeção, operação e
manutenção, visando à segurança e à saúde dos trabalhadores”.
Antes de dar continuidade ao estudo desta aula, assista aos vídeos abaixo para melhor compreensão
destes equipamentos.
Caldeira flamotubular:
<https://www.youtube.com/watch?v=QYNtA5i6Lpk>
<https://www.youtube.com/watch?v=DcMqQfcUp1Y>
Caldeira aquatubular:
<https://www.youtube.com/watch?v=kTQQ6yHRlJw>
<https://www.youtube.com/watch?v=bc8p5srEhAY>
TEMA 4 - PRINCIPAIS COMPONENTES
FORNO
As partes que compõem um forno são:
Abóbada: localizada na parte superior do forno, garante a manutenção das temperaturas e a
tiragem dos gases. Construída de material refratário, não pode apresentar frestas que atuam como
fontes de perda de calor. Pode ser do tipo abóbada em arco ou abóbada plana suspensa.
Paredes laterais: dão suporte à abóboda e apresentam boa resistência mecânica;
Queimadores: são dispositivos usados para a queima de combustíveis líquidos e gasosos, tendo
como função promover boa mistura entre o combustível e o comburente; pulverizar esta mistura e
direcioná-la para a câmara de combustão e manter a queima de forma contínua e eficiente. Os
tipos existentes são também aplicados às caldeiras e serão descritos mais adiante. Podem também
ser aplicados aos combustíveis sólidos quando pulverizados.
Pré-aquecedor: nele, o ar para a queima é aquecido pelo gás de combustão que está sendo
encaminhado à chaminé;
Câmara de combustão: é a região onde ocorre a queima do combustível.
https://www.youtube.com/watch?v=QYNtA5i6Lpk
https://www.youtube.com/watch?v=QYNtA5i6Lpk
https://www.youtube.com/watch?v=QYNtA5i6Lpk
https://www.youtube.com/watch?v=DcMqQfcUp1Y
https://www.youtube.com/watch?v=DcMqQfcUp1Y
https://www.youtube.com/watch?v=DcMqQfcUp1Y
https://www.youtube.com/watch?v=kTQQ6yHRlJw
https://www.youtube.com/watch?v=kTQQ6yHRlJw
https://www.youtube.com/watch?v=kTQQ6yHRlJw
https://www.youtube.com/watch?v=bc8p5srEhAY
https://www.youtube.com/watch?v=bc8p5srEhAY
https://www.youtube.com/watch?v=bc8p5srEhAY
Chaminé: ajuda na tiragem dos gases de combustão, podendo ser construída em alvenaria ou
chapas de aço. Esta tiragem pode ser:
Natural: os gases de combustão escoam naturalmente devido à diferença de pressão gerada
pela variação de densidade entre os gases quentes e ar frio na entrada do forno.
Forçada: ventiladores fornecem o ar para a fornalha, sendo localizados nos dutos de ar para a
queima.
Induzida – os gases da combustão são sugados por um exaustor, sendo instalado nos dutos
de saída dos gases.
CALDEIRAS
As caldeiras são compostas por mais componentes se comparadas aos fornos, uma vez que
possuem, além da parte de combustão, componentes referentes à geração de vapor. Esses componentes
se diferenciam entre as caldeiras flamotubulares (Figura 7) e as aquatubulares (Figura 8). Iremos detalhar
os componentes da caldeira aquatubular por esta ser a mais aplicada industrialmente.Figura 7: Componentes de uma caldeira flamotubular
Fonte: ELETROBRAS (2005).
Figura 8: Componentes de uma caldeira aquatubular
Fonte: ELETROBRAS (2005).
Assim como nos fornos, a queima do combustível é realizada na câmara de combustão (fornalha).
Nessa região, são produzidos os gases de combustão que fornecem calor à água localizada nos tubos.
Estes tubos permitem a circulação de vapor e água dentro da caldeira para a troca térmica. Na seção de
radiação, são instalados de forma a delimitarem as paredes da fornalha, compondo o que se denomina
de parede de água. Já na seção de convecção, por onde os gases de combustão passam ao saírem da
fornalha, os tubos são reunidos em feixes.
A água é inicialmente admitida no tubulão (tambor) superior, um vaso de pressão horizontal que
fica localizado no topo da caldeira. Esse vaso também recebe o vapor saturado gerado, de forma que a
água e o vapor encontram-se em equilíbrio termodinâmico. Dele, o vapor saturado é encaminhado para
superaquecimento. O tubulão é provido de eliminadores de gotas, visando evitar o arraste de gotículas
de líquido junto ao vapor.
A caldeira pode possuir também um tubulão inferior, em menores dimensões, com o principal
objetivo de realizar a purga (retirada) da água concentrada em particulados.
O superaquecimento de vapor ocorre em serpentinas chamadas de superaquecedores, as quais
podem estar localizadas nas zonas de radiação ou de convecção, de acordo com o grau de
superaquecimento que se deseja.
Após a geração do vapor, a energia contida nos gases residuais da combustão é aproveitada para
aquecer o ar de combustão nos pré-aquecedores e a água nos economizadores.
Os queimadores são semelhantes aos dos fornos, e os tipos existentes se diferem em função do
combustível a ser utilizado. Para gases são encontrados os queimadores de chama de difusão, com pré-
mistura, com bicos de mistura (ou de mistura direta) e por radiação. Para combustíveis líquidos são
utilizados queimadores pulverizadores, a jato de pressão, pulverizadores com 2 fluidos e com copo
rotativo. Já para combustíveis sólidos, os tipos básicos englobam os queimadores de combustível
pulverizado, os de leito fixo (grelhas) e os de leito fluidizado. Você pode aprofundar seu conhecimento
nos tipos de queimadores consultando a bibliografia referenciada nesta aula.
Devido à possibilidade de queimarem sólidos e líquidos viscosos, as caldeiras são providas de
sopradores de fuligem que sopram vapor dentro da caldeira reduzindo a quantidade de cinzas
depositadas nos tubos. Esta operação é necessária para manter o rendimento da caldeira durante o
período programado entre paradas para limpeza, e ocorre de forma intermitente.
Combustíveis sólidos geram grande quantidade de cinzas que são acumuladas no fundo da
fornalha, em cinzeiros.
É comum a admissão do ar para combustão com o auxílio de ventiladores que mantêm pressão
positiva no interior da câmara de combustão. Dessa forma, tem-se uma tiragem forçada dos compostos
gasosos e direção à chaminé. Outra opção é a instalação de exaustores nos dutos de saída dos gases,
resultando em pressão negativa na câmara de combustão. Esta condição é conhecida como tiragem
induzida. Na chaminé, os gases são eliminados na atmosfera em altura suficiente para promover a sua
dispersão.
As caldeiras possuem válvulas de segurança (PSV – Pressure Safety Valve) instaladas no tubulão com
o objetivo de eliminar o vapor caso a pressão da caldeira ultrapasse a pressão máxima de trabalho
admitida (PMTA).
TEMA 5 - RENDIMENTO TÉRMICO
A eficiência térmica de um equipamento a combustão mede a habilidade deste em transferir a
energia do processo de combustão para o produto final na forma de calor e/ou trabalho. No caso de
uma caldeira, o levantamento da sua eficiência avalia o aproveitamento do poder calorífico do
combustível no vapor produzido, considerando, entre outras coisas, as perdas por radiação e por
convecção pelo casco e outros componentes externos. Dois métodos são utilizados para avaliar a
eficiência de uma caldeira, os quais também podem ser aplicados aos fornos por analogia:
1) Método direto (entrada-saída): é baseado no levantamento das energias totais de entrada e de
saída, como as entalpias da água de entrada, do ar para combustão e dos vapores de saída, além do
poder calorífico superior do combustível. A eficiência (η) é calculada dividindo-se a energia total que sai
da cadeira pela energia total que entra, multiplicando o resultado por 100.
Onde:
mv = vazão de vapor (kg/s)
mc = vazão de combustível (kg/s)
h1 = entalpia específica da água de entrada (kJ/kg)
h2 = entalpia específica do vapor (kJ/kg)
PCS = poder calorífico superior do combustível (kJ/kg)
Ee = consumo de energia elétrica (kJ/s)
Eh = consumo de energia de outras fontes (kJ/s)
As entalpias são calculadas após medição das vazões, das temperaturas e das pressões dos fluidos
envolvidos. O poder calorífico do combustível é normalmente obtido em análises realizadas por
laboratórios terceiros.
2) Método indireto (perdas de calor): este método pressupõe que a eficiência inicial do equipamento
é de 100% e que esta é reduzida devido a perdas, a saber:
a. Perda de energia com o descarte de gases quentes pela chaminé.
b. Perdas por radiação e convecção para o ambiente através do invólucro da caldeira e do isolamento
térmico.
c. Perda por radiação direta da fornalha quando é necessário abri-la constantemente para adição de
combustível sólido.
d. Perdas por combustão incompleta ou combustível não queimado.
e. Perdas por calor sensível nas cinzas descartadas.
f. Perdas por energia gasta na vaporização da água contida no combustível.
g. Perda por descarte de água quente (purga) para desconcentração de praticados e sais.
h. Perda por operação intermitente (durante o processo de partida e parada há um gasto energético
sem produção de vapor especificado).
É preciso avaliar a disponibilidade e a confiabilidade das medições das variáveis de controle antes de
optar entre um e outro método. Enquanto o primeiro aparenta ser mais exato, o segundo oferece a
oportunidade de avaliação dos pontos de maior perda de energia.
TROCANDO IDEIAS
Agora com a conclusão desta aula, está na hora de conversarmos um pouco mais sobre os
processos que envolvem combustão.
NA PRÁTICA
Cálculo do excesso de ar para combustão
O ajuste do ar para combustão é de fundamental importância na operação de processos que
operam absorvendo a energia da queima de combustíveis. Para isso, é preciso conhecer as reações de
combustão e calcular a quantidade de O2 estequiométrico para então ajustar o excesso de ar conforme o
combustível utilizado.
Como exemplo, vamos avaliar a queima do metano (CH4) com o oxigênio (O2). A equação
balanceada que representa esta reação é:
Os produtos gerados são gás carbônico e vapor d’água. Observe que são necessários 2 mols de O2
para reação estequiométrica com 1 mol de metano. Utilizaremos esta base molar para os cálculos. Um
mol de metano possui 16 g, enquanto que 2 mols de O2 possuem 64 g. Portanto, para a queima
estequiométrica de 1 mol de metano, são necessários 64 gramas de O2.
Como este oxigênio é normalmente adicionado na forma de ar atmosférico, é conveniente saber
qual a massa de ar necessária para esta reação. O ar atmosférico possui aproximadamente 23% de O2 em
massa. Com uma regra de três simples verificamos que a quantidade de ar necessária para fornecer 64 g
de O2 é de 278 g.
Uma vez que o metano é um hidrocarboneto gasoso do mais simples, podemos considerar um o
excesso de ar de 5% para garantir a sua combustão completa. Isso significa que na queima serão
adicionados 100% da massa de O2 estequiométrico mais 5% de excesso, totalizando 67,2g de O2.
Para alguns equipamentos, o conhecimento do valor da riqueza de mistura se faz importante. Para
nosso caso, temos:
Um valor de riqueza de mistura inferior a 1 demonstra que temos uma combustão oxidante.
SÍNTESE
Com a conclusão desta rota,você já é capaz de identificar os principais combustíveis utilizados
industrialmente e os impactos dos ajustes da combustão na eficiência dos equipamentos. Você também
consegue identificar os vilões de redução do rendimento de uma caldeira e em equipamento similares,
podendo atuar para eliminá-los.
REFERÊNCIAS
Eficiência Energética no Uso de Vapor. Rio de Janeiro: Eletrobrás, 2005. Disponível em
<http://arquivos.portaldaindustria.com.br/app/conteudo_18/2014/04/22/6281/LivroVapor.pdf>. Acesso
em 14 jan 2017.
PERA, H. Geradores de Vapor de Água. 2ª ed. São Paulo: Ed. Fama, 1990.
PINHO, C. M. C. T. Sistemas térmicos. São Paulo: FEUP, 2014.
SAMPAIO, R. Apostila de fornos de processo. Disponível em
<http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA0lIAH/apostila-fornos-processo>. Acesso em 14 jan 2017.
BAZZO, E. Geração de vapor. 2ª ed. Florianópolis: Editora UFSC, 1995.