Porque é importante controlar a combustão - INFOTEC 026

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A combustão é a forma mais empregada na 
indústria para produção de calor, vapor e energia, 
através da queima de combustíveis fósseis ou 
renováveis em fornos, caldeiras ou aquecedores. 
Desta forma, grande parte dos custos de uma 
indústria está relacionada com a aquisição de 
combustível, geração de calor, operação e 
manutenção de todo o sistema. Por isso, a 
eficiência energética destes equipamentos é 
importante, porque além do impacto econômico há 
também o ambiental. 
 
A necessidade de processos de combustão afinados 
e eficientes são importantes para manutenção de 
maiores rendimentos térmicos dos equipamentos. 
A combustão eficiente compreende o melhor 
aproveitamento da energia contida no combustível, 
onde a queima possa ser mais econômica e com 
baixas emissões de poluentes para a atmosfera. 
 
Combustíveis mais utilizados na indústria: 
Bagaço de cana (50% umidade) - 1.695 kcal/kg 
Lenha (eucalipto 40% umidade) - 2.600 kcal/kg 
Serragem (20% umidade) - 3.500 kcal/kg 
Óleos pesados (BPF) - 9.400 a 9.650 kcal/kg 
Óleo de xisto - 9.700 kcal/kg 
Gás natural (Gasbol) - 8.650 kcal/m³ 
GLP (médio) - 11.025 kcal/kg 
 
Fatores que afetam a eficiência 
 
A eficiência da combustão está diretamente 
relacionada a diversos fatores, mas certamente 
as perdas de energia ocorridas durante todo o 
processo representam os elementos mais 
importantes. 
A relação da eficiência com as perdas costuma 
envolver uma enorme dinâmica de parâmetros, 
que devem ser avaliados detalhadamente. Entre 
as perdas mais comuns que afetam a eficiência 
da combustão podemos citar: 
. Perdas de calor pela chaminé, associadas à 
 queima incompleta do combustível, ao desajuste 
 da relação ar/combustível, a falta ou excesso de 
 ar na combustão ou altas temperaturas; 
. Perdas devido à qualidade do combustível; 
. Entradas de ar falso por portas e frestas; 
. Deficiência do aparelho de combustão; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A eficiência energética térmica do equipamento 
está relacionada com o aproveitamento da 
energia liberada da combustão e pode estar 
limitada à: 
. Perdas por radiação e convecção pelas paredes 
 ou mobília do forno; 
. Perdas por descargas de fundo em caldeiras; 
. Perdas por baixa troca de calor devido à 
 superfícies sujas, incrustadas; 
. Perdas devido à deficiências no equipamento de 
 queima relacionadas ao dimensionamento e 
 projeto; 
 
 
 
 
 
 
 
Como aumentar a eficiência da 
combustão? 
 
A eficiência da combustão depende de fatores 
relacionados tanto a natureza do combustível 
utilizado, quanto das condições operacionais. 
Aumentar a eficiência de combustão , passará 
necessariamente pela otimização de todos os 
fatores já relatados e o conhecimento das variáveis 
do processo. 
A eficiência energética leva em consideração 
apenas duas variáveis: o quanto entra de 
combustível e o quanto sai de energia pela 
chaminé. O entendimento acerca dessas variáveis 
é de fundamental importância para obter-se o 
máximo de benefícios que esta técnica pode 
proporcionar. 
A simples observação da chama ou da fumaça no 
topo da chaminé, não revela o que se perde de 
combustível. 
Assim a eficiência, em qualquer área necessita 
obrigatoriamente de dois itens: 
equipamentos adequados e pessoal qualificado. 
 
 
 
1 
Informativo Técnico 
Infotec nº 026 
 
Por que a eficiência energética em processos 
de combustão é tão importante? 
026 
 
 
Como se processa a combustão? 
Reações de combustão são reações químicas que 
envolvem a oxidação completa de um 
combustível. 
 Combustível + comburente (ar) calor gases de combustão 
Os principais elementos químicos que constituem 
um combustível são o carbono, hidrogênio e 
alguns casos o enxofre. Estes elementos reagem 
com oxigênio, e na sua forma pura apresentam a 
seguinte liberação de calor, segundo as reações: 
C + O2  CO2 + calor de reação 
H2 + ½ O2  H2O + calor de reação 
S + O2  SO2 + calor de reação 
O conhecimento das necessidades de ar para 
combustão, bem como da composição e volume 
dos produtos de combustão é fundamental para o 
projeto e controle de equipamentos de 
combustão. A estequiometria química nos 
fornece os principais dados necessários aos 
cálculos de combustão: 
 
Elemento Peso Atômico 
Carbono 12 
Hidrogênio 1 
Oxigênio 16 
Nitrogênio 14 
Enxofre 32 
 
Composição do ar atmosférico 
Elemento Em massa Em volume 
Oxigênio 23,2% 21% 
Nitrogênio 76,8% 79% 
Relação molar O2/N2 3,76 
 
Ar : ponto chave para melhorar o 
consumo 
 
Qualquer combustível convencional requer, de 
acordo com sua composição, uma quantidade 
específica e calculável de oxigênio (e portanto, de 
ar, uma vez que este é o agente comum de 
fornecimento) para atingir teoricamente uma 
reação completa. Menos do que essa quantidade, 
gera perdas excessivas de calor através do gás de 
combustão. Na prática, a fim de se garantir 
combustão completa, é utilizado um pouco mais 
do que a quantidade teórica necessária, o que 
chamamos de excesso de ar. 
 
 
 
 
Por exemplo, se um combustível for queimado 
com 20% de excesso de ar, então a proporção de 
trabalho de ar/combustível é 1,20 vezes a 
proporção estequiométrica. O ar em excesso, 
então, não participa diretamente da combustão, e 
sai do processo junto com os produtos da 
combustão. 
 
 
 
 
 
 
 
Os teores de CO2 e O2 são as medidas mais usadas 
para determinação do excesso de ar através da 
análise dos gases de combustão. Desde que a 
composição elementar da maioria dos 
combustíveis industriais não varie 
consideravelmente, é possível construir um 
gráfico que relaciona o excesso de ar com o teor 
de CO2 ou O2 nos produtos de combustão. 
A queima de um combustível utilizando-se 
somente a quantidade necessária de ar, 
teoricamente não deve gerar CO nem liberar O2 
nos produtos da combustão, pois todo o carbono 
passou para CO2. Diz-se então que o CO2 é o 
estequiométrico quando o excesso de ar for igual 
a zero (λ = 1). A medida que o excesso de ar vai 
aumentando, o CO2 é diluído na mistura e o O2 é 
crescente. O CO pode ser formado devido à 
insuficiência de ar para combustão completa. 
Na maioria de reações de combustão reais, 
sempre aparecem produtos de combustão 
completa e incompleta. 
O excesso de ar ideal vai depender do estado 
físico do combustível e da forma como que é 
misturado com o ar, na literatura encontramos: 
 
 
 
 
 
 
 
Combustível Excesso de ar 
Gases 10% 
Líquidos 20% 
Sólidos 50% ou mais 
 
 
2 
Como medimos as perdas na 
combustão? 
O principal objetivo da queima de um 
combustível é o aproveitamento de energia, 
geralmente feito com a geração de vapor de água 
ou o aquecimento de algum material ou produto. 
Seja qual for o processo, a energia introduzida ao 
sistema na forma do poder calorífico do 
combustível é transformado em calor útil e 
perdas de calor conforme a equação: 
Qu= E1 -  perdas 
Onde : 
Qu: energia útil produzida 
E1: energia total que entra 
 perdas: soma de todas as perdas de calor e 
 energia na operação do sistema. 
 
Definindo o rendimento térmico de 
equipamentos como a relação entre a energia útil 
produzida e a energia consumida, temos que: 
 
η = E1 -  perdas = 1 -  perdas 
 E1 E1 
 
É óbvio que a diminuição das perdas aumenta o 
aproveitamento da energia do combustível. A 
principal perda de calor em equipamentos de 
combustão está contida no calor arrastado pelos 
produtos de combustão e dispersados na 
atmosfera. Devido ao fato que, na prática, a perda 
de calor por entalpia dos produtos de combustão 
é normalmente a mais preponderante, o controle 
desta perda mostra-se extremamente útil. 
Aplicando-se um balanço genérico de massa e 
energia num equipamento de combustão, a 
porcentagem de perda de calor pelos produtos de 
combustão pode ser calculada através da 
equação: 
P= [1+(A/C) esteq  Cp (Tg –Tar) 
PC 
Onde: 
P = percentagem de perdasde calor pelos 
 gases de combustão 
(A/C)esteq = relação Ar/Combustível 
 estequiométrica do combustível 
 = coeficiente de excesso de ar 
Cp = calor especifico médio dos gases de 
 combustão (1050 J/kg ºC) 
Tg = temperatura de saída dos gases combustão 
Tar = temperatura do ar 
PC = poder calorífico do combustível 
 
Através do exame da equação, conclui-se que 
duas variáveis importantes tem influência na 
perda de calor pelos gases de combustão: 
 A temperatura de saída dos gases 
 O coeficiente de excesso de ar 
Para minimizar as perdas, a menor temperatura 
de saída é desejável, com o objetivo de melhor 
aproveitamento do calor sensível contido nos 
gases. A temperatura de saída nem sempre é 
possível de ser controlada, já que dependendo do 
aumento da troca de calor dos gases com o fluído 
de trabalho ou material a ser aquecido, implica 
normalmente em aumento da área de troca de 
calor, que é um parâmetro original do projeto e 
construção de equipamentos. 
O aumento da área de troca pode ser feito através 
da adição de recuperadores de calor, pré-
aquecendo o ar de combustão ou a água de 
alimentação de caldeiras. 
 
A limitação na redução de temperatura de saída 
dos gases está na temperatura de processo, já que 
há sempre a necessidade de um diferencial de 
temperatura para haver transmissão de calor, e 
na temperatura de orvalho dos produtos de 
combustão quando se trata de combustíveis com 
enxofre. 
 
A outra variável é o excesso de ar, que deve ser 
mínimo até o limite onde possa ocorrer 
combustão incompleta. Isto normalmente pode 
ser obtido através da regulagem do queimador 
com o menor excesso de ar possível, 
identificando pela análise dos produtos de 
combustão, o teor de CO2 ou O2 para o controle 
de excesso de ar e CO ou HC totais para 
determinação de combustão completa. 
Na prática, o ajuste do excesso de ar pode gerar 
economias de 5 a 20 % de combustível. 
 
 
 
 
 
O controle da relação ar/combustível é essencial 
para uma combustão econômica. 
 
 
3 
 
Analisar os gases da combustão é 
fundamental para economizar 
 
A busca pela eficiência do consumo de 
combustível em caldeiras/fornos tem relação 
direta com a medição dos gases presentes na 
queima. Assim, é imprescindível que sejam feitas 
constantes medições dos teores dos gases 
durante o processo de combustão. 
 
Principais gases a serem medidos: 
. O2 (oxigênio) 
. CO2 (dióxido de carbono), 
. CO (monóxido de carbono) 
 
Vale lembrar que o monitoramento preciso da 
concentração de O2 e de CO na saída da chaminé é 
fator decisivo para o controle do excesso de ar 
durante o processo de combustão. 
 
A medição dos gases nos informa: 
 
. Se a queima está completa ou não; 
. Se o calor desprendido na fornalha está sendo 
 bem aproveitado; 
. Se há altos níveis de poluição; 
. Se o volume de ar é ideal. 
 
Além da medição destes gases, o controle da 
fuligem, em queimadores a óleo, temperatura dos 
gases, pressão de fornalha e de tiragem, 
representam também importantes medidas a 
serem controladas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 Valores de referência para ajuste de sistemas de queima* 
 
Combustível 
 
%CO2 
máx. 
 
 
CO ppm 
 
Índice 
de 
fuligem 
 
Excesso 
de ar 
Óleos pesados 15,8 < 50 3 15 a 35% 
Gás natural 12,0 < 30 0 10 a 30% 
GLP 13,8 < 30 0 15 a 35% 
Lenha (40% umid) 20,1 < 1.000 3 55 a 105% 
Cavaco (35% umid) 20,1 < 500 3 40 a 80% 
Bagaço de cana (50% umid) 19,8 < 500 3 25 a 40% 
 Obs.: (*) Estes valores podem variar, conforme características do combustível , 
 do processo, dos padrões ambientais exigidos entre outros fatores. 
 
 
 
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