Estequiometria das Reações de Combustão

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Aplicados a Processos Industriais de Combustão
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 CAPITULO 1 
 ESTEQUIOMETRIA DAS REAÇÕES DE COMBUSTÃO 
 
Instituto de Pesquisas Tecnológicas 
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
CAPÍTULO 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ESTEQUIOMETRIA DAS REAÇÕES DE COMBUSTÃO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autor: 
 Lin Chau Jen 
 
 
 
 
 
1995 
 
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
 
ÍNDICE 
 
 
1 ESTEQUIOMETRIA DAS REAÇÕES DE COMBUSTÃO .........................5 
1.1 Oxigênio Estequiométrico (Ar Estequiométrico)..................................................................6 
1.2 Coeficiente de ar (excesso de ar) ............................................................................................9 
2 PODER CALORÍFICO DO COMBUSTÍVEL ...........................................15 
3 CINZA NO COMBUSTÍVEL ....................................................................18 
4 UMIDADE NO COMBUSTÍVEL...............................................................21 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..........................................................22 
 
 3
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
ÍNDICE DE TABELAS 
 
 
TABELA 1 - COMPOSIÇÃO APROXIMADA DO AR ATMOSFÉRICO SECO ...................................7 
TABELA 2 - EQUAÇÕES BÁSICAS DE COMBUSTÃO ...........................................................................8 
TABELA 3 - AR E GASES DE COMBUSTÃO PARA QUEIMA ESTEQUIOMÉTRICA .....................9 
TABELA 4 - BALANÇO DE MASSA DAS REAÇÕES DE COMBUSTÃO COMPLETA (λ ≥ 1).......13 
TABELA 5 - BALANÇO DE MASSA DAS REAÇÕES DE COMBUSTÃO COM RESÍDUO DE 
COMBUSTÍVEL NÃO CONVERTIDO ...............................................................................15 
TABELA 6 - ANÁLISE IMEDIATA, ELEMENTAR E PODER CALORÍFICO DE COMBUSTÍVEIS 
SÓLIDOS..................................................................................................................................17 
TABELA 7 - ANÁLISE ELEMENTAR E PODER CALORÍFICO DE COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS18 
TABELA 8 - COMPOSIÇÃO QUÍMICA E FUSIBILIDADE DAS CINZAS .........................................20 
 
 4
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
1 ESTEQUIOMETRIA DAS REAÇÕES DE COMBUSTÃO 
 
De maneira geral, define-se combustão como uma reação química 
exotérmica entre duas substâncias ditas combustível e comburente, ocorrendo a 
alta temperatura e com ritmos intensos. Na verdade, esta é apenas uma forma 
muito simplista de definir combustão, na medida em que se sabe que várias 
reações simultâneas estão envolvidas nos processos de combustão1. No entanto, 
para o propósito deste curso, esta definição é suficiente. 
Há uma grande variedade de materiais que podem ser considerados 
combustíveis; porém, a maior parte daqueles empregados industrialmente é 
composta basicamente de carbono, hidrogênio, oxigênio, enxofre e nitrogênio. 
O comburente normalmente utilizado é o oxigênio do ar. 
Na prática, costuma-se denominar "combustão completa" ao processo que 
leva as substâncias combustíveis à sua forma mais oxidada e, "combustão 
incompleta" ao processo no qual os produtos de combustão são constituídos, em 
parte, por formas que representam oxidação parcial dessas substâncias. 
Partindo das substâncias mais simples, formadas por elementos que estão 
presentes na maioria dos combustíveis, as reações de "combustão completa" 
seriam: 
C + O2 → CO2 + ∆H1 
H2 + 1/2 O2 → H2O + ∆H2 
S + 3/2 O2 → SO3 + ∆H3 
onde ∆H1, ∆H2 e ∆H3 representam a energia liberada por unidade de massa, ou 
volume ou outra unidade qualquer, normalmente referidas às substâncias 
combustíveis. 
As reações denominadas de "combustão incompleta" seriam: 
C + 1/2 O2 → CO + ∆H4 
S +O2 → SO2 + ∆H5 
As substâncias resultantes destas últimas reações poderiam ainda ser 
oxidadas através das seguintes reações: 
 
1 Por exemplo, a combustão do metano (CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O) pode ser modelada 
por um conjunto de 20 a 30 reações elementares, mesmo assumindo que os produtos 
indicados são os únicos formados em quantidades significativas. 
 5
 
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CO+ 1/2 O2 → CO2 + ∆H6 
SO2 + 1/2 O2→ SO3 + ∆H7 
 
Neste caso, ter-se-ia, para as energias liberadas, as seguintes relações: 
 
∆H6 + ∆H4 = ∆H1 
 e 
∆H7 + ∆H5 = ∆H3 
 
A ocorrência da reação "completa'' ou "incompleta" depende de vários 
fatores, tais como: relação entre as massas de combustíveis e comburentes, 
temperatura na qual se processa a reação, tempo de permanência do 
combustível, presença ou não de catalisadores. 
 
1.1 Oxigênio Estequiométrico (Ar Estequiométrico) 
 
Quando o oxigênio fornecido ao processo é "teoricamente'' o necessário e 
suficiente para oxidar completamente os elementos combustíveis, diz-se que a 
reação é estequiométrica. Quando a quantidade do oxigênio é maior, fala-se em 
excesso de oxigênio; em caso contrário, fala-se em falta de oxigênio, situação na 
qual não se pode realizar a combustão completa dos elementos constituintes do 
combustível. 
Como usualmente o oxigênio é retirado do ar atmosférico, fala-se em 
excesso de ar ou falta de ar, sendo este constituído, basicamente, de oxigênio 
(O2) e nitrogênio (N2), na proporção indicada na Tabela 1. 
Assim, para cada 4,76 unidades de volume de ar consumidos na 
combustão, apenas uma (21% de oxigênio) realmente participa das reações, 
sendo as restantes 3,76 constituídas de nitrogênio. Esse gás, por sua vez, sendo 
inerte, contribui para baixar as temperaturas ao longo da chama e aumentar as 
perdas associadas aos gases de exaustão. 
 Volume (%) Massa (%) 
Nitrogênio 79 77 
 6
 
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Oxigênio 21 23 
Densidade2 1,293 kg/m3n 
 
Tabela 1 - Composição aproximada do ar atmosférico seco3, 4 
A partir das reações básicas de combustão, é possível determinar a 
quantidade de ar a ser consumido, bem como a quantidade de gases a serem 
gerados, em massa e em volume. 
Na tabela 2 são consideradas as equações básicas para queima 
estequiométrica do carbono, do hidrogênio e do enxofre5. 
Conhecendo-se, então, os coeficientes assinalados na Tabela 2 e a 
composição elementar do combustível, é possível obter a quantidade de ar 
necessária para sua combustão estequiométrica; na Tabela 4, são apresentadas 
as expressões para os cálculos das reações de combustão completa. 
Na tabela 3 são apresentados alguns valores de referência de massa de ar 
estequiométrico para alguns combustíveis. 
 
 
C + O2 → CO2 
12 kg 32 kg 44 kg 
 
2 O normal metro cúbico (m3n - notação mais indicada, conforme o Sistema Internacional 
de Unidades - SI, ou usualmente notado por Nm3) identifica o volume de 1 m3 de um gás, 
estando este nas condições normais de temperatura e pressão, ou seja, temperatura 
absoluta de 273,15 K (0°C) e pressão absoluta de 1,013 . 105 Pa (760 mmHg). Para se 
determinar o volume dessa massa de ar em outras condições, pode-se aplicar: V = 370,84 
* T / p; onde T = temperatura absoluta do ar em Kelvin (K) e p = pressão absoluta do ar 
em Pascal (Pa). 
3 Fonte: IPT (1). 
4 O ar atmosférico contém certaquantidade de vapor d'água que depende das condições 
atmosféricas, e é determinável através de consulta à carta psicrométrica; na falta de 
melhores dados, pode-se adotar a umidade ω = 0,010 kg de vapor d'água/kg de ar seco, 
que representa um valor médio para a cidade de São Paulo. 
 7
5 Nas condições habituais de combustão há formação preferencial de SO2 e portanto a 
reação de oxidação apresentada na tabela 2, na qual se baseiam os cálculos de ar 
estequiométrico, não é a forma mais oxidada possível para o enxofre. 
 
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12 kg 22,4 m3n 22,4 m3n 
Ar de combustão seco: 22,4 / 12 * 4,76 = 8,88 m3n/kg de C 
 ou 8,88 * 1,293 = 11,48 kg/kg de C 
H2 + ½ O2 → H2O 
2 kg 16 kg 18 kg 
2 kg 11,2 m3n 22,4 m3n 
Ar de combustão seco: 11,2 / 2 * 4,76 = 26,7 m3n/kg de H2 
 ou 26,7 * 1,293 = 34,52 kg/kg de H2 
S + O2 → SO2 
32 kg 32 kg 64 kg 
32 kg 22,4 m3n 22,4 m3n 
Ar de combustão seco: 22,4 / 32 * 4,76 = 3,33 m3n/kg de S 
 ou 3,33 * 1,293 = 4,31 kg/kg de S 
 
Tabela 2 - Equações básicas de combustão 
 
 
 
 
 
 
 AR DE COMBUSTÃO6 GASES DE 
COMBUSTÃO7 
 
6 Ar atmosférico úmido com umidade ω = 0,010 kg de vapor d' água/kg de ar seco. 
7 Gases de combustão úmidos. 
 8
 
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 kg/kg de 
combustível
m3n/kg de 
combustível
kg/kg de 
combustível
m3n/kg de 
combustível 
Bagaço de cana 
seco8 
5,7 4,4 6,7 5,1 
Cavaco de 
eucalipto seco8 
5,7 4,4 6,7 5,1 
Carvão mineral 
energético, 35% 
de cinzas8 
6,4 5,0 7,1 5,3 
Óleo tipo 3A 13,3 10,3 14,4 11,0 
Óleo tipo 7B 13,8 10,7 14,8 11,4 
Óleo tipo 8A 13,3 10,3 14,4 11,0 
Óleo diesel 14,5 11,3 15,5 12,1 
Querosene 14,9 11,6 15,9 12,4 
Gás de nafta 7,6 6,0 8,6 7,0 
Propano 15,8 12,3 16,8 13,3 
GLP 15,7 12,2 16,7 13,2 
 
Tabela 3 - Ar e gases de combustão para queima estequiométrica3. 
 
1.2 Coeficiente de ar (excesso de ar) 
Na maioria das vezes, a combustão se processa com quantidade de ar 
diferente da estequiométrica. Define-se então o coeficiente de ar (λ) como sendo: 
λ = massa de ar utilizado
massa de ar estequiometrico
 
 
8 Ver Tabela 6 e usar as fórmulas da Tabela 4, com λ=1 e a=0. 
 9
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
Com esta definição, tem-se λ = 1 para combustão estequiométrica, λ > 1 
para combustão com excesso de ar e λ < 1 para combustão com falta de ar 
(incompleta). 
Nos processos industriais de combustão, a determinação de λ pode ser 
feita basicamente de duas maneiras: medindo as vazões (mássicas ou 
volumétricas em alguns casos) de combustível e ar de combustão, utilizando a 
expressão acima, desde que se conheça a massa de ar estequiométrica 
necessária, ou então, no caso de combustão completa, medindo os teores de CO2 
e/ou O2 nos gases de combustão e calculando λ a partir desses valores. 
A determinação dos teores do CO2 e O2 nos gases pode ser feita utilizando 
vários dispositivos hoje existentes, tais como: analisadores de absorção, dos 
quais o Aparelho de Orsat é o mais difundido, cromatógrafos, analisadores 
contínuos (paramagnéticos para O2, absorção de radiação infravermelha para 
CO2) e espectrômetro de massa. 
Todos os instrumentos e dispositivos mencionados processam amostras de 
gases secos (após eliminada praticamente toda a água presente), motivo pelo 
qual os teores assim determinados se denominam em ''base seca''. 
A medição das vazões de combustível e ar, embora seja uma maneira 
direta de determinar λ, é muito complicada na maioria dos casos, motivo pelo qual 
se prefere utilizar o método de análise dos gases, no caso de combustão 
completa. 
A partir dos valores medidos dos teores de CO2 (fCO2 ) e O2 (fO2), pode-se 
calcular o valor de λ, no caso de combustão completa, através da seguinte 
expressão: 
λ = − −− −
1 fCO2 fO2
1 2 4 76fCO fO, * 2
 
Se, somente um dos teores de CO2 (fCO2 ) ou O2 (fO2) for medido, também 
se pode calcular o valor de λ; entretanto necessita-se da composição elementar 
do combustível. 
As expressões utilizadas são as seguintes: 
λ = + + + − − − −+ + −
1 87 2 22 4 12 4 32 0 8 0 7 1 87
106 62 12 4 32 2
, * *{ , *[ / / ( ) / ] , * , * , * }
, *[ / / ( ) / ]*
c fCO c h s o n s c
c h s o fCO
 
ou 
 10
λ = + + − − − − − + + −+ + − −
fO c h s o n s c c h s o
c h s o fO
2 22 4 12 4 32 0 8 0 7 187 22 4 12 4 32
12 4 32 106 62 2 22 4
*{ , *[ / / ( ) / ] , * , * , * } , *[ / / ( ) / ]
[ / / ( ) / ]*( , * , )
 
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
onde, 
c: carbono 
h: hidrogênio 
o: oxigênio 
s: enxofre 
n: nitrogênio 
z: cinza, 
são frações mássicas dos elementos no combustível expressas em base 
seca9 
As observações experimentais realizadas na combustão de bagaço de 
cana em caldeiras, têm mostrado que deve-se dar preferência às expressões de λ 
= λ (fCO2, fO2). ou de λ = λ (fO2, c, h, o, s, n), por apresentarem precisão superior à 
expressão λ = λ (fCO2, c, h, o, s, n). 
Detalhes sobre esta análise podem ser vistos na referência (2). 
A seguir, apresenta-se na Tabela 4, um conjunto de expressões que 
permitem calcular diversos parâmetros ligados à reação de combustão completa 
de um combustível genérico com umidade a (kg de água/kg de combustível 
úmido), com a composição elementar e utilizando ar ambiente com umidade 
absoluta ω (kg de água/kg de ar seco) e coeficiente de ar λ ≥ 1. 
 
 
PARÂMETRO SÍMBOLO
10 
FÓRMULA 
Massa de O2 necessária mO2 mO2 = 32 * λ* (1 - a) * [c /12 + h / 4 + (s - o) / 32] 
Massa de ar seco necessária mar seco mar seco = 4,29 * mO2 
 
9 Normalmente, a análise elementar de um combustível é feita sobre amostra de material 
seco 
10 As unidades são: para massa (kg/kg de comb. úmido) e para volume (m3n/kg de comb. 
úmido). 
 11
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
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Volume correspondente à massa 
acima 
Var seco Var seco = 3,32 * mO2 
Massa de ar úmido necessária mar mar = 4,29 * mO2 *(1 + ω) 
Volume correspondente à massa 
acima 
Var Var = mO2 * (3,32 + 5,34 * ω) 
Massa de CO2 formado na combustão 
completa 
mCO2 mCO2 = 3,67 * (1 - a ) * c 
Volume correspondente à massa 
acima 
VCO2 VCO2 = 1,87 * (1 - a ) * c 
Massa de H2O total (formada na 
combustão + umidade do combustível 
+ umidade do ar) 
mH2O mH2O =9* (1 - a) * h + a + 4,29 * mO2 *ω 
Volume correspondente à massa 
acima 
VH2O VH2O = 1,24 * mH2O 
Massa de SO2 formado11 mSO2 mSO2 = 2 * s * (1 - a) 
Volume correspondente à massa 
acima 
VSO2 VSO2 = 0,7 *s * (1 - a) 
Massa de oxigênio livre nos gases de 
combustão 
m’O2 m’O2 = (1 - 1 / λ) * mO2 
Volume correspondente à massa 
acima 
V’O2 V’O2 = 0,7 * m’O2 
Massa de nitrogênio nos gases de 
combustão12 
mN2 mN2 = (1 - a) * {n + 105,28 * λ* [c /12 + h / 4 + (s 
- o) / 32]} 
Volume correspondente à massa 
acima 
VN2 VN2 = 0,8 * mN2 
Massa total dos gases secos mgs mgs = mCO2 + mSO2 + m’O2 + mN2 
Volume total dos gases secos Vgs Vgs = VCO2 + VSO2 + V’O2 + VN2 
Massa total dos gases úmidos mgu mgu = mgs + mH2O 
Volume total dos gases úmidos Vgu Vgu = Vgs + VH2O11 Assumindo que todo S do combustível se oxide a SO2. 
12 Assumindo que todo N do combustível esteja na forma de N2. 
 12
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
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Fração volumétrica do CO2 nos gases 
(base seca) 
fCO2 fCO2 = VCO2 / Vgs 
Fração volumétrica de O2 nos gases 
(base seca) 
fO2 fO2 = V’O2 / Vgs 
 
Tabela 4 - Balanço de massa das reações de combustão completa (λ ≥ 1) 
A partir do coeficiente de ar (λ), pode-se calcular o chamado excesso de ar 
(e), relacionado pela expressão: 
e = 100 * (λ - 1) 
Obviamente os valores de todos os parâmetros da Tabela 4 para a 
condição estequiométrica, são obtidos fazendo o valor de λ igual a um (λ = 1). 
Uma observação importante é que a Tabela 4, bem como os valores de λ e 
e das expressões anteriores só refletem o comportamento global do processo se 
as amostras dos gases de combustão forem colhidas em pontos nos quais todas 
as reações já tenham ocorrido e não haja quantidades significativas de 
combustíveis não queimados (ex: fuligem, resíduo de grelhas, etc). 
Amostras de gases colhidas em zonas de alta temperatura nas 
proximidades de chamas e superfícies de leitos de combustão, não representam, 
em geral, o comportamento do processo global. 
Considere-se agora o caso no qual a cinza seca e material retirados do 
equipamento contenham, agregada, certa quantidade de combustível. 
Admita-se que a análise elementar dessa mistura retirada do equipamento, 
representada em frações mássicas, seja: 
c1 : carbono 
h1 : hidrogênio 
o1 : oxigênio 
s1 : enxofre 
n1 : nitrogênio 
z1 : cinza (inerte); z1 < 1 
Se z1 for muito próximo de 1, continuam válidas a Tabela 4, bem como as 
expressões anteriormente citadas. No entanto, na medida em que os valores de 
z1 são baixos, torna-se importante levar em conta o combustível não convertido, o 
 13
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
que consiste em subtrair das massas de c, h, o, s, presentes no combustível, os 
valores (z/z1).c1, (z/z1).h1, etc. que representam as massas residuais desses 
elementos no material retirado. 
A Tabela 5 fornece todos os parâmetros de combustão para o caso em 
questão. 
 
PARÂMETRO SÍMBOLO1
0 
FÓRMULA 
Massa de material retirado (cinza + 
combustível não convertido) 
mR 
mR = z * (1 - a) / z1 
Massa de O2 necessária mO2 mO2 = 32 * λ* (1 - a) * { [c /12 + h / 4 + (s - o) / 
32] - z / z1 * [c1 /12 + h1 / 4 + (s1 - o1) / 32] } 
Massa de ar seco necessária mar seco mar seco = 4,29 * mO2 
Volume correspondente à massa 
acima 
Var seco Var seco = 3,32 * mO2 
Massa de ar úmido necessária mar mar = 4,29 * mO2 *(1 + ω) 
Volume correspondente à massa 
acima 
Var Var = mO2 * (3,32 + 5,34 * ω) 
Massa de CO2 formado na combustão 
completa 
mCO2 mCO2 = 3,67 * (1 - a ) * (c - z / z1 * c1) 
Volume correspondente à massa 
acima 
VCO2 VCO2 = 1,87 * (1 - a ) * (c - z / z1 * c1) 
Massa de H2O total (formada na 
combustão + umidade do combustível 
+ umidade do ar) 
mH2O mH2O =9* (1 - a) * (h - z / z1 * h1) + a + 4,29 * mO2 
*ω 
Volume correspondente à massa 
acima 
VH2O VH2O = 1,24 * mH2O 
Massa de SO2 formado11 mSO2 mSO2 = 2 * (1 - a) * (s - z / z1 * s1) 
Volume correspondente à massa 
acima 
VSO2 VSO2 = 0,7 * (1 - a) * (s - z / z1 * s1) 
Massa de oxigênio livre nos gases de 
combustão 
m’O2 m’O2 = 32 * (λ*- 1) * (1 - a) * { [c /12 + h / 4 + (s - 
o) / 32] - z / z1 * [c1 /12 + h1 / 4 + (s1 - o1) / 32] } 
Volume correspondente à massa 
acima 
V’O2 V’O2 = 0,7 * m’O2 
 14
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
Massa de nitrogênio nos gases de 
combustão12 
mN2 mN2 = (1 - a) * { (n - z / z1 * n1) + 105,28 * λ* [c 
/12 + h / 4 + (s - o) / 32] - z / z1 * [c1 /12 + h1 / 4 
+ (s1 - o1) / 32] } 
Volume correspondente à massa 
acima 
VN2 VN2 = 0,8 * mN2 
Massa total dos gases secos mgs mgs = mCO2 + mSO2 + m’O2 + mN2 
Volume total dos gases secos Vgs Vgs = VCO2 + VSO2 + V’O2 + VN2 
Massa total dos gases úmidos mgu mgu = mgs + mH2O 
Volume total dos gases úmidos Vgu Vgu = Vgs + VH2O 
Fração volumétrica do CO2 nos gases 
(base seca) 
fCO2 fCO2 = VCO2 / Vgs13 
Fração volumétrica de O2 nos gases 
(base seca) 
fO2 fO2 = V’O2 / Vgs13 
 
Tabela 5 - Balanço de massa das reações de combustão com resíduo 
de combustível não convertido 
 
2 PODER CALORÍFICO DO COMBUSTÍVEL 
 
É definido como a quantidade de calor que é transferida de um calorímetro, 
onde se realiza a combustão completa da unidade de massa ou volume de um 
combustível, sendo o combustível e o ar introduzidos no calorímetro em condição 
padrão (1 atm, 25°C) e os produtos de combustão levados à mesma condição 
padrão. 
Se, ao levar os produtos de combustão à condição padrão, a água 
resultante da combustão estiver em fase líquida, a quantidade de calor transferida 
do calorímetro é denominada Poder Calorífico Superior (PCS). Se a água 
resultante da combustão estiver na fase vapor, a quantidade de calor retirada do 
calorímetro é denominada Poder Calorífico Inferior (PCI). 
Normalmente, para combustíveis sólidos, o valor determinado em 
laboratório é o PCS do material seco, calculando-se o PCI pela expressão 
seguinte: 
PCS - PCI = mH2O * hlv(25 ºC) 
 
13 A partir destas expressões, pode-se chegar a expressões para λ, semelhantes aquelas 
apresentadas anteriormente, para o caso de queima total do combustível. 
 15
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
A unidade do Poder Calorífico em unidades SI é MJ/kg ou MJ/m3n, sendo 
no entanto, ainda utilizados kcal/kg e kcal/m3m. 
A massa de água formada na combustão é calculada através da 
expressão: 
mH2O = 9 * h 
onde a nomenclatura e unidades são as mesmas da Tabela 4. 
Se o combustível tiver umidade a, na base úmida, então as relações entre 
os poderes caloríficos nesse estado e aqueles determinados em laboratório são: 
 PCSu = (1 - a) * PCS 
 PCIu = (1 - a) * PCS - 9 * (1 - a) * h * hlv(25 ºC) - a * hlv(25 ºC) 
onde PCSu e PCIu se referem ao material úmido; a é a fração mássica de 
água do material úmido; h é o teor de hidrogênio do material seco e hlv(25 ºC) a 
entalpia de vaporização da água a 25°C. 
Com o combustível úmido, pode-se ainda determinar a relação entre PCS e 
PCI do material úmido na base seca: 
 
PCI = PCS - [mH2O + a / (1 - a)] * hlv(25 ºC) 
 
Na tabela 6 estão relacionados valores de poderes caloríficos de diversos 
combustíveis sólidos utilizados industrialmente, bem como a análise imediata e 
elementar. 
Na Tabela 7 estão relacionados valores dos poderes caloríficos de diversos 
combustíveis líquidos, bem como sua análise elementar. 
A terminologia do ''Poder Calorífico'' consolidou-se no meio de fabricantes e 
usuários de combustíveis. Seu conceito, entretanto, é o da propriedade 
termodinâmica conhecida como entalpia padrão de reação. 
 
 
COMBUSTÍVEL 
ANÁLISE IMEDIATA 
(% massa, base seca) 
ANÁLISE ELEMENTAR 
(% massa, base seca) 
PODER 
CALORÍFICO 
(MJ/kg, base 
seca) 
 16
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
 c fixo voláteis cinza c h o s n Superior Inferior
Bagaço de cana14 13,0 83,0 4,0 46,3 6,4 43,3 <0,1 18,9 17,5 
Cavacos de 
eucalipto15 
13,5 85,9 0,6 48,3 5,8 44,6 <0,1 0,6 19,6 18,3 
Casca de 
eucalipto 
18,3 77,7 4,0 43,3 5,0 46,8 <0,1 0,8 16,8 15.7 
Sobras de 
serraria 
13,3 85,9 0,8 46,6 5,9 45,0 <0,1 1,6 18,7 17,4Carvão vegetal 75 a 
85 
13 a 17 1 a 3 77 a 
92 
2,8 a 
3,5 
 <0,1 1,3 a 
2,5 
28,0 a 
34,0 
27,5 a 
33,0 
Carvão mineral16 
energético (35% 
cinzas) 
32 a 
40 
22 a 29 32 a 
36 
45,0 a 
52,3 
3,7 0,5 0,9 20,9 a 
23,5 
20,3 a 
22,0 
 
Tabela 6 - Análise imediata, elementar e poder calorífico de combustíveis 
sólidos 
 
 
 
 
 
Combustível 
Análise elementar (% massa, 
base seca) 
Poder calorífico 
(MJ/kg)17 
 c h o s n Superior Inferior
Álcool etílico anidro 52,2 13,0 34,8 29,7 26,8 
 
14 Fonte: Eletrobrás. 
15 Resultados obtidos em análises realizadas pelo IPT. 
16 Fonte: Companhia Auxiliar de Empresas Elétricas Brasileiras - CAEEB. 
17 1 MJ = 238,85 kcal. 
 17
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
Óleo tipo 3A 86,6 9,5 0,5 2,67 0,7 42,118 39,818 
Óleo tipo 7B 86,1 11,0 0.91 41,718 39,418 
Óleo tipo 8A 85,9 9,7 1,8 1,2 41,818 
Óleo diesel 86,0 13,1 0,9 45,5 42,6 
 
Tabela 7 - Análise elementar e poder calorífico de combustíveis líquidos 
Os combustíveis gasosos, tais como gases naturais, gases manufaturados 
e gases sub-produtos de processos primários são normalmente constituídos de 
CO, CO2, CH4, H2 e N2. 
Dada a composição volumétrica desses gases em base seca, os poderes 
caloríficos podem ser calculados a partir das expressões abaixo: 
PCS = 30,19 CO + 30,5 H2 + 95,17 CH4 (kcal/m3n) 
PCI = 30,19 CO + 25,8 H2 + 85,76 CH4 (kcal/m3n) 
onde CO, H2, CH4 ... representam as frações volumétricas desses gases na 
mistura, em base seca. 
 
3 CINZA NO COMBUSTÍVEL 
 
Cinzas são resíduos da combustão, compostas por óxidos que se 
apresentam normalmente no estado sólido à temperatura ambiente. As cinzas 
formadas na combustão são elutriadas (cinzas volantes) e/ou depositadas em 
geral nos cinzeiros. 
A cinza no combustível pode ter diversas origens, por exemplo: 
a) impurezas, como elementos metálicos e semi-metais ou metalóides, presentes 
na estrutura molecular do combustível, devido à sua própria formação; 
b) fragmentos de argila, areia, sais, pirita, etc. agregados ao combustível sólido ou 
misturados no combustível líquido (sedimentos); 
c) fragmentos do solo misturados com o combustível na mineração e/ou 
manuseio. 
 
18 Valor típico. 
 18
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
As impurezas do tipo b e c podem ser separadas (ou retiradas em parte) 
por processos físicos, tais como lavagem, decantação gravitacional ou centrífuga, 
flotação, destilação, filtragem. etc. 
Na Tabela 6 são apresentados teores de cinza típicos para alguns 
combustíveis sólidos; para o caso de combustíveis líquidos o CNP estabelece 
especificações dos derivados do petróleo. 
Como a combustão se processa a elevada temperatura, é necessário o 
conhecimento do comportamento das cinzas nessas condições para evitar 
inconvenientes provocados por operações inadequadas e orientar a escolha dos 
materiais refratários com características compatíveis com as condições existentes 
no interior da câmara de combustão. 
As propriedades de interesse, regularmente determinadas em análises 
laboratoriais, são composição química e fusibilidade da cinza. 
Na Tabela 8 são apresentadas algumas análises de cinzas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
COMPOSTOS ORIGEM DA CINZA 
(% em massa) Bagaço de 
cana19 
Carvão 
vegetal20 
Turfa21 Carvão 
mineral22 
 
19 Certificados IPT, n9 734.203 e 729.591. 
20 Relatório IPT, n9 19.231. 
 19
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
Silício (em SiO2) 46,0 59,3 67,1 59,3 
Titânio (em TiO2) 0,53 1,48 0,72 1,48 
Alumínio (em Al2O3) 2,8 27,0 18,6 27,0 
Bário (em BaO) 0,13 
Manganês (em Mn2) 0,79 
Ferro (em Fe203) 3,0 6,24 4,48 6,24 
Cálcio (em CaO) 5,4 1,67 3,77 1,67 
Magnésio (em MgO) 7,3 0,4 0,77 0,4 
Sódio (em Na2O) 0,5 0,11 0,38 0,11 
Potássio (em K2O) 23,0 0,44 3,95 0,44 
Fusibilidade - Temperatura de amolecimento das cinzas (ºC) 
Atmosfera T inicial 960 1.430 1.430 
oxidante T final 1.235 1.600 1.600 
Atmosfera T inicial 915 1.060 
redutora T final 1.130 1.400 
 
Tabela 8 - Composição química e fusibilidade das cinzas 
A composição química das cinzas permite avaliar o seu comportamento 
quanto aos seguintes aspectos: 
• Ataque de refratários 
O ataque químico das cinzas aos refratários pode ser evitado ao escolher 
refratários com comportamento químico semelhante ao das cinzas. 
Os óxidos presentes nas cinzas apresentam as seguintes tendências: 
 
21 Certificado IPT, n9 672.057 
22 Relatório IPT, n9 20.070. 
 20
 
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
- os óxidos de elementos metálicos são básicos; 
- os óxidos de semi-metais são geralmente ácidos, tais como óxidos de silício, 
zircônio e titânio; 
- excepcionalmente, alguns óxidos são neutros, como o óxido de alumínio. 
Os materiais refratários que entram em contato com as cinzas devem ter 
baixa porosidade, pois as cinzas alojadas nos poros ao se dilatarem provocam 
rachaduras nas superfícies dos mesmos. 
• Amolecimento e fusão das cinzas 
O ensaio de fusibilidade determina as temperaturas inicial e final de 
amolecimento da cinza. 
Observa-se uma influência acentuada do óxido de ferro na fusibilidade da 
cinza em atmosfera gasosa redutora, com sensível abaixamento da temperatura 
de amolecimento em relação à atmosfera gasosa redutora, com sensível 
abaixamento da temperatura de amolecimento em relação à atmosfera gasosa 
oxidante. 
As cinzas compostas por óxidos só básicos ou só ácidos apresentam 
temperaturas de amolecimento superiores às cinzas obtidas com a mistura dos 
mesmos óxidos básicos com ácidos, devido à formação de eutéticos. 
É possível estimar as temperaturas inicial e final de amolecimento da cinza 
através da sua composição química, através de expressões empíricas 
desenvolvidas por vários autores, algumas das quais podem ser vistas em Souza 
(4) e EPRI-AF, 791 (5). 
Os processos de combustão com temperaturas superiores ao ponto de 
amolecimento da cinza podem propiciar a aglomeração de material particulado 
denominado ''sinter'', ou a fusão da cinza ''slagging'', que geralmente inviabilizam 
a continuidade do processo ou reduzem a eficiência da troca de calor no 
equipamento. 
• Sublimação de compostos 
Os óxidos alcalinos Na2O e K2O, diferem dos demais óxidos, pois uma boa 
parte dos mesmos se volatiliza durante a combustão, e condensa-se em 
temperaturas em torno de 760°C; ao condensar-se nas superfícies mais frias do 
equipamento aglutinam as cinzas volantes, propiciando corrosão e redução da 
taxa de transferência de calor nestas superfícies. 
 
4 UMIDADE NO COMBUSTÍVEL 
 
 21
 
 22
Balanço de Massa, Energia e Controle das Emissões Atmosféricas 
Aplicados a Processos Industriais de Combustão
A não ser em casos excepcionais, a água presente no combustível é 
inconveniente, pois traz como decorrências: dificuldade de ignição, abaixamento 
das temperaturas ao longo da chama e da eficiência de transferência de calor ao 
equipamento a ser aquecido; portanto é conveniente a redução do seu teor. 
O vapor de água em combustíveis gasosos pode ser eliminado pela 
condensação, através doresfriamento e/ou pressurização do gás. 
Os combustíveis líquidos, derivados de petróleo, geralmente são imiscíveis 
com a água, sendo separados desta por decantação. 
O teor de água em combustíveis sólidos pode ser reduzido por decantação, 
filtragem ou secagem, dependendo da situação. 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
[1] Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - IPT. 
Conservação de energia na indústria do vidro - Manual de recomendações. 
São Paulo, 1983. 316 p.(Pub. IPT No 1245). 
[2] Furnari, F. Seminário Interno do Agrupamento de Engenharia Térmica - IPT 
1987. 
[3] Eletrobrás, Ministério das Minas e Energia, Brasil. Aproveitamento energético 
dos resíduos da agroindústria da cana de açúcar. Rio de Janeiro, L.TC, 
1983. 340 p. 
[4] Souza, F.D.A., et alii. Relatório no 20.070 IPT, Gaseificador Ciclônico de 
Carvão Mineral a Cinza Fundida para Fornos de Cimento, 1985, Anexo 2, 
p. A2.1 - A2.3. 
(5) EPRI-AF-791, Research Project 466-1, Coal Preparation for Combustion and 
Conversion, Final Report, May 1978, p.6-7, 6-10.