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Faculdade de Engenharia Mecânica UNICAMP EM 722/ES606 GERAÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E UTILIZAÇÃO DE VAPOR Apostila de Curso Profº Waldir A. Bizzo 1º sem/2003 EM 722 Aulas ministradas pelo prof. Caio Sánchez ES 606 Aulas ministradas pelo prof. Waldir Bizzo EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo Apresentação: Esta apostila foi elaborada para utilização como notas de aula do curso EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor. Além do trabalho do professor, reúne e utiliza alguns textos e figuras emprestados da bibliografia abaixo. Bibliografia: Bazzo, E.,1992 "Geração de Vapor", Editora da UFSC, Florianópolis. Pera, H., 1990, "Geradores de Vapor", Editora Fama, São Paulo. Babcock&Wilcox Co., 1978, "Steam, its Generation and Use", N.York. Telles, P.C.S.,1982, "Tubulações Industriais", Livros Técnicos e Científicos, R.Janeiro. ÍNDICE: cap. 1 - Combustão....................................... 1 2 - Combustíveis.................................... 18 3 - Queimadores..................................... 41 4 - Geradores de Vapor.............................. 66 5 - Cálculo Térmico e Fluidomecânico de Caldeiras... 81 6 - Segurança na Operação de Geradores de Vapor..... 95 7 - Distribuição de Energia Térmica................. 100 8 - Aquecedores..................................... 120 9 - Eficiência de Geradores de Vapor................ 128 EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 1 cap. I - COMBUSTÃO Reações de combustão são reações químicas que envolvem a oxidação completa de um combustível. Materiais ou compostos são considerados combustíveis industriais quando sua oxidação pode ser feita com liberação de energia suficiente para aproveitamento industrial. Os principais elementos químicos que constituem um combustível são Carbono, Hidrogênio e em alguns casos, Enxôfre. Estes elementos reagem com oxigênio, e na sua forma pura apresentam a seguinte liberação de calor: C O CO H O H O S O SO + → − + → − + → − 2 2 2 1 2 2 2 2 2 393.500 kj / kmol 241.800 kj / kmol 29.300 kj / kmol 1.1 - Composição típica dos combustíveis A maior parte dos combustíveis fósseis são hidrocarbonetos, e as composições típicas são de: carbono, hidrogênio e oxigênio. Combustíveis vegetais, produtos de madeira e refugo (bagaço, serragem, cascas, etc.) são carboidratos que contém 1/2 átomo de oxigênio para cada atomo de hidrogenio. Seus produtos de combustão são similares aqueles dos hidrocarbonetos ( CO2 e H2O) mas a energia liberada durante a combustão é comparativamente menor. Tabela 1.1 - Composição típica de alguns combustíveis C H O N,S,etc. Gás Natural ~75 ~25 - - Petróleo 84~86 11~14 0~3 0~5 Carvão Mineral 78~95 ~7 1~15 1~5 Lenha 49 6 43 ~1 1.2 - Análise dos combustíveis Os combustíveis gasosos são usualmente misturas de gases que podem ser identificados individualmente. Combustíveis líquidos destilados tais como a gasolina ou o querosene também são misturas de hidrocarbonetos simples que podem ser separados e identificados. Carvões, óleos combustíveis residuais e combustíveis vegetais têm estruturas complexas, difíceis de se reduzir a componentes individuais. No entanto, para a maior parte de nossos propósitos a análise ELEMENTAR do combustível é EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 2 tudo o que é preciso. Dada a análise elementar de um combustível em termos de C, H, O, S, etc., é possível calcular-se o requisito teórico de ar e a quantidade e composição dos produtos de combustão. 1.3 - Estequiometria da combustão A maioria dos processos industrias de combustão utiliza o ar ambiente como fonte de fornecimento de oxigênio para a combustão. O conhecimento das necessidades de ar para combustão, bem como da composição e volume dos produtos de combustão é fundamental para o projeto e contrôle de equipamentos de combustão. A estequiometria química nos fornece os principais dados necessários aos cálculos de combustão. Os pêsos atômicos dos principais elementos envolvidos em combustão, bem como a composição do ar ambiente encontram-se na tabela abaixo: Elemento em massa em volume Elemento Peso Atômico oxigênio 23,2% 21% Carbono 12 nitrogênio 76,8% 79% Hidrogênio 1 Oxigênio 16 Nitrogênio 14 Enxôfre 32 Sabe-se que alguns dos números acima requerem correção decimal. Os erros são pequenos e podem ser ignorados em grande parte se tomados no contexto da precisão das medições industriais comuns. O peso molecular de um material é a soma dos pesos atômicos que o constituem. Por exemplo, o peso molecular do monóxido de carbono, CO, é: 12 + 16 = 28 da água, H2O, é: 2 + 16 = 18, e assim por diante. Não existem unidades comuns, mas uma unidade prática é a molécula- grama, ou grama-mol, escrita normalmente como gmol, que é em efeito, o peso molecular expresso em gramas. Assim a molécula grama, ou o gmol do monóxido de carbono pesa 28 gramas. Análogamente pode ser utilizado a molécula-quilograma, o kgmol, ou a molécula-libra, o lbmol, o equivalente no sistema inglês. Se uma reação for escrita em forma molecular, ela pode ser tomada para representar as quantidades relativas de reagentes em termos destas unidades práticas, por exemplo: EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 3 C + O2 -> CO2 é uma equação que indica o que acontece quando um átomo de carbono e uma molécula de oxigênio reagem completamente. Em termos práticos ela estabelece que 1 kmol de carbono reage com 1 kmol de oxigênio para formar, no final, 1 kmol de dióxido de carbono. A utilização de pesos atômicos ou moleculares para os elementos vai se tornar evidente quando os cálculos acima forem estudados. Os pesos atômicos são usados para elementos que são gasosos em CNTP. Para produtos e combustíveis gasosos, esta prática pode ser levada um estágio adiante. A teoria de Avogadro estabelece, na verdade, que volumes iguais de gases diferentes sob as mesmas condições contém um número igual de moléculas de gás. Por exemplo, 1 metro cúbico de nitrogênio em CNTP contém tantas moléculas de nitrogênio quanto 1 metro cúbico de dióxido de carbono contém de moléculas de dióxido de carbono a CNTP. Segue-se que a reação molecular, quando escrita para combustíveis gasosos, não só indica a reação e os produtos em termos de moléculas-kg mas também em termos de volumes. Por exemplo, se o metano queima com oxigênio e reage completamente com tudo permanecendo em estado gasoso e sendo medido sob as mesmas condições de pressão e de temperatura, temos: CH O CO H O4 2 2 22 2+ → + 1 kmol 2 kmol 1 kmol 2 kmol 1 volume 2 volumes 1 volume 2 volumes Os requisitos de energia da grande maioria dos processos industriais são obtidos originalmente de combustíveis convencionais através de uma complexa cadeia de reações denominada combustão. Felizmente para a maioria das aplicações, esta situação de combustão potencialmente complicada pode ser reduzida a uma consideração sobre os materiais de partida - combustível mais oxigênio, normalmente como um componente do ar - e os produtos finais. Tal simplificação facilita por exemplo o cálculo do ar ou do oxigênio necessário para um combustível, o desprendimento potencial de calor e temperatura e a composição ideal dos produtos gasosos de combustão produzido. Este último ponto é útil ao inverso, em que uma comparação da composição real de gás de combustão com a composição idealindica o rendimento do processo de combustão. 1.4 - Cálculo da proporção teórica de Ar/combustível 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 vai produzir combustão incompleta e portanto perda de calor potencial. Mais do que essa quantidade, gera perdas excessivas de gás de combustão e da temperatura. Na prática, um pouco mais do que a quantidade teórica é usada por razões posteriormente explicadas. Para um material simples tal como o metano, constituinte principal do gás natural, pode ser escrita a equação de combustão: EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 4 ( ) ( )modificado não ar, do 2ar do 2 222224 NOHCONOCH ++→++ A rigor, o fenômeno da dissociação vai alterar um pouco esta reação. Isto, de fato, significa a separação de parte dos produtos da combustão em outros compostos que não sejam CO2 e H2O, e consequentemente a perda de calor, de acordo com as condições exatas de equilíbrio relacionadas às temperaturas, pressões e concentrações. A dissociação típica do dióxido de carbono é representada por: 2 22 2CO CO O→ + Na maioria das condições industriais, a dissociação não está muito em evidência, e, apesar de sua importância ser reconhecida, ela não é levada em conta para os propósitos deste capítulo introdutório. As técnicas de cálculo estabelecidas estão disponíveis na literatura especializada. Segue-se da equação que 1 Kgmol de metano requer 2 Kgmol de oxigênio para a reação teórica completa. Portanto, convertendo para uma base de massa, 16 Kg de metano requerem 64 Kg de oxigênio o que, uma vez que o ar contém 23,2% de oxigênio por peso, dá uma proporção teórica de ar/combustível de 17,25: 1. É visto que, em base de volume, 1 volume de metano requer 2 volumes de oxigênio de forma que a proporção volumétrica correspondente de ar/combustível é 9,53 : 1 . Tal mistura quimicamente correta é uma mistura estequiométrica. As situações em que uma equação exata pode ser escrita são poucas e são quase exclusivamente para combustíveis gasosos de composição conhecida ou determinada. Exatamente o mesmo procedimento pode ser seguido em qualquer caso onde equações exatas possam ser formuladas para os constituintes reativos, tomando-se os inertes como não-afetados e qualquer oxigênio livre na mistura original como disponível para a combustão. Exemplo 1.1: Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível para o propano. O balanceamento das equações é feito levando-se em conta a conservação da massa dos elementos químicos, ou seja, para um determinado elemento, carbono, por exemplo, o número de átomos que existirá nos produtos de combustão é o mesmo número de átomos dos reagentes. ( ) 2222283 4376,3 NyOHCONOxHC ++→++ A quantidade "x" é o número de moléculas de O2 necessários a combustão completa do propano. Como a combustão é feita, no caso, com ar atmosférico, para cada molécula de oxigênio do ar, é considerado obrigatóriamente 3,76 moléculas de nitrogênio (a relação de volumes entre os dois gases no ar atmosférico). A necessidade de oxigênio "x" é calculada fazendo-se o balanceamento dos átomos de oxigênio: EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 5 ( ) 8,1876,3 5 4232 == = +×= xy x x Isto significa que para cada mol de propano, ou cada volume de propano são necessários 5 volumes de oxigênio e consequentemente: ( ) 8,2376,315 =+× volumes de ar atmosférico. É conveniente para os combustíveis gasosos tomar-se uma base arbitrária de 100 volumes, metros cúbicos, ou qualquer unidade que seja apropriada. Para os constituintes ativos, as reações são escritas levando-se em conta o número de volumes presentes por 100 volumes da mistura. A proporção estequiométrica de ar/combustível para esta mistura gasosa em uma base de volume é, então, 23,8 : 1. Uma vez que a relação entre volumes, moléculas e moléculas-Kg estejam bem estabelecidas é um problema fácil converter em base de massa. Não é necessário dizer que, todos os volumes relativos precisam ser medidos sob condições semelhantes. No exemplo acima, a relação ar/combustível em massa pode ser calculada com base nos pesos moleculares: 1 mol de propano pesa 44 kg e necessita 23,8 kmol de ar, que pesa 686,4 kg, ou seja, a relação A/C em massa é 15,6 : 1. A massa de ar necessária foi calculada multiplicando-se diretamente o índice "x" pelos pesos moleculares do oxigênio e nitrogênio, levando-se em conta a sua devida proporção: ( ) ( ) 22 4,6862876,35325 NO =××+× Para a maioria dos combustíveis sólidos e líquidos, tais equações exatas não são possíveis devido à complexidade delas e em alguns casos, devido à sua composição indeterminada. No entanto, uma simplificação pode ser aplicada de tal forma que a análise química básica (quantidade de elementos constituintes) possa ser avaliada, não fazendo nenhuma referência, qualquer que seja, ao modo pelo qual esses elementos são combinados no combustível. Para combustão completa, as exigências de peso líquido de oxigênio são obviamente as mesmas e assume-se que qualquer oxigênio no combustível está disponível para reação. A posição provável para tal oxigênio é que ele tenha combinado com a estrutura dos combustíveis, tendo assim o mesmo resultado final.A análise básica é comumente determinada em base gravimétrica ou de peso e usada com referência a Kgmol. O modo de aplicação é ilustrado melhor pelo exemplo. Exemplo 1.2 : EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 6 Uma amostra de querosene tem uma análise básica de 86% de carbono e 14% de hidrogênio por peso. Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível. Tome uma base arbitrária de 100 Kg de querosene e converta a quantidade em massa de cada elemento em quantidade de kmol: cada 100 kg de combustível possui: 86 kg de C, que corresponde a 86 12 kgmol de C 14 kg de H, que corresponde a 14 1 kgmol de H = = 7 17 14 , a reação estequiométrica pode ser escrita, fazendo-se o devido balanceamento: ( ) 6,14 100 1464,8 :massa em A/C relação kg 8,14642876,367,103267,10 :necessáriaar de massa 67,10 7217,72 717,776,31417,7 22222 = =××+× = +×= ++→+++ x x yNOHCONOxHC Assim a proporção estequiométrica de ar/combustível, Kg/Kg é 14,6:1. Observe que nenhuma referência, qualquer que seja, é feita à maneira em que o carbono e o hidrogênio são ou podem estar combinados no querosene. Um exemplo a mais ilustra o tratamento dos materiais inertes e do oxigênio composto. Exemplo 1.3 : Um combustível fóssil tem uma composição em peso de: Carbono, 72,0%; Hidrogênio, 14,0%, Oxigênio, 8,0%; Nitrogênio, 2,8%; Enxofre, 3,2%. Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível. C H O N S EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 7 massa do constituinte, kg/100 kg de combustível 72 14 8 2,8 3,2 kgmol de cada 6,0 14,0 0,5 0,2 0,1 a equação estequiométrica fica: ( ) 8,12 100 1283,6 :massa em A/C relação kg 1283,6=283,769,35+329,35 :necessáriaar de massa 35,9 21,07265,02 1,07676,31,02,05,0146 222222 = ××× = ×++×=+ +++→++++++ x x yNSOOHCONOxSNOHC A proporção estequiométrica de ar/combustível em base de peso é 12,8:1. Observe que se assume que o conteúdo de enxofre está convertido em dióxido de enxofre. Se um cálculo for feito para incluir uma quantidade de ar em excesso, o procedimento é como o de cima, com um fator de excesso sendo introduzido na última etapa. Vamos definiraqui o coeficiente de excesso de ar ϕϕϕϕ como a relação entre o nº de moles realmente utilizado na combustão e o nº de moles estequiométricamente necessário: 2 2 2 2 esteqO realO esteqOmol realOmol m m n n & & == − −ϕ Por exemplo, se este combustível fosse queimado com 20% de excesso de ar, então a proporção de trabalho de ar/combustível é 1,20 vezes a proporção estequiométrica. A proporção ar/combustível com 20% de excesso de ar = 12,8 x 1,20 = 15,36 : 1. Quando um combustível contém cinza ou umidade, estas podem ser tratadas como constituintes inertes para aparecerem como tais nos produtos finais da combustão. Os principios utilizados nestes exemplos podem ser aplicados com igual facilidade a todos os combustíveis. 1.5 - Avaliação do rendimento da combustão Se a composição do combustível e a composição dos produtos de sua combustão são medidos, o rendimento da combustão pode ser calculado. A quantidade teórica de ar (ou oxigênio) para combustão completa e a composição estequiométrica dos produtos combustíveis são calculados e comparados com a composição real obtida pela análise dos gases de combustão; isto pode mostrar: EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 8 a) que quantidade de calor está sendo desperdiçada em aquecer quantidades excessivas de gases de combustão; isto quer dizer que está sendo usado mais ar que o necessário. (Na prática um pequeno excesso sobre o ar estequiométrico é necessário para assegurar uma completa combustão). b) Se parte do combustível está escapando da região de combustão sem estar completamente queimado. Isto é demostrado pela presença de CO, fuligem, combustível não queimado e possivelmente hidrogênio nos produtos combustíveis. A análise dos gases de combustão ou de gases perdidos dos processos de combustão é comumente relatada em base sêca de volume, isto é, sem referência à água no gás. Uma grande variedade de equipamentos para análise do gás é usada, desde os tipos simples de aparelhos, Orsat e Fyrit aos mais sofisticados aparelhos contínuos. O valor da análise do gás de combustão reside na informação que tal análise é capaz de proporcionar e na interpretação posta em tal informação. Como foi observado previamente, um combustível específico requer uma quantidade específica de ar para a combustão completa teórica, com alguma quantidade adicional para atingir praticamente a combustão completa. Abaixo desta quantidade prática, que é uma função do tipo de combustível, do rendimento do queimador e das condições de combustão, é desperdiçado combustível e esta condição pode ser reconhecida pelo aparecimento de quantidades excessivas de monóxido de carbono no gás de combustão, um pouco antes da produção da fumaça prêta (fuligem). Acima desta quantidade, o calor é perdido junto com quantidades excessivas de gás de combustão e é reconhecido pela grande quantidade de oxigênio no gás de combustão. A aplicação do bom senso ao interpretar a análise do gás de combustão pode levar, por exemplo, à descoberta de deficiências no processo de combustão, vazamento no forno ou no sistema condutor e inconsistências na análise e especificação do combustível. 1.6 - Teor de CO2 no gás de exaustão A medida do teor de CO2 no gás de exaustão seco (uma medição simples e comum) dá uma medida útil do rendimento da combustão de um determinado combustível. A proporção máxima de CO2 nos produtos de combustão será encontrada quando a relação ar/combustível for estequiométrica, figura 1.1. Observemos que em relações abaixo da estequiométrica, o teor de CO2 também cai, porém há o aparecimento de monóxido de carbono. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 9 Fig. 1.1 - Teor de CO2 no gás de exaustão Na prática as concentrações de CO2 devem ser mais baixas que a estequiométrica pela necessidade de se usar ar em excesso a fim de se atingir a combustão completa. A quantidade de excesso de ar necessária decresce com o aumento da capacidade e com o rendimento maior no equipamento de combustão. Valores típicos são: Gases: 0 a 10% Líquidos: 2 a 30% Sólidos: > 50% 1.7 - Determinação da Análise Teórica do Gás de Combustão Uma vez que, segundo a Lei de Avogadro, o Kgmol e o volume são numericamente parâmetros permutáveis sob condições adequadas, a determinação das proporções de ar/combustível está encaminhada a partir dos produtos da análise teórica do gás de combustão. A qualificação teórica está assinalada aqui porque, devido a pontos práticos observados anteriormente, algumas diferenças podem ser encontradas entre a análise real do gás e a proposta nas mesmas condições iniciais. Então, a análise teórica indica a situação ideal, e quando mais perto a análise prática estiver desta tanto melhor. Para qualquer instalação que utiliza combustível, a experiência vai ditar o limite desta aproximação. Para combustíveis gasosos, a estimativa da análise do gás de combustão é um cálculo feito diretamente em base volumétrica. Suponha que o metano seja queimado completamente com sua quantidade estequiómetrica de ar: CH O N CO H O N4 2 2 2 2 22 7 52 2 7 52+ + → + +, , (do ar) (sem modificar) Nos gases de combustão secos, portanto, existe 1 volume de CO2 para 7,52 volumes de N2. Isto dá um conteúdo de dióxido de carbono (talvez o ítem mais utilizado em tais análises) de 11,73%. Um gráfico com o conteúdo de CO2 no gás de combustão e com a relação ar/combustível vai mostrar um pico teórico na condição estequiométrica, daí a importância deste item para o rendimento total e como uma indicação das condições de EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 10 operação.Quando é fornecido ar em excesso, o ar excedente passa através do sistema, inalterado. Isto é uma extensão do cálculo acima para uma mistura gasosa e será apreciado através de um exame do seguinte exemplo de análise de gás. Exemplo 1.4: Um gás de composição: C3H8 CO H2 N2 CO2 O2 20 25 30 10 10 5 %, em volume, é queimado com 20% de excesso de ar. Determine a análise do gás de combustão sêco. Balanço estequiométrico: ( ) 83,5 100 583,1 :tricaestequiomé ívelar/combust relação 583,1=3,76122,5+122,5 :necessárioar de volume 5,122 11095225210225 :oxigênio de balanço 1109576,351010302520 22222222283 = × = +×=+×+×+ ++→+++++++ x x yNOHCONOxOCONHCOHC Foi mostrado que 100 volumes deste gás requer 122,5 volumes de oxigênio, ou 583 volumes de ar atmosférico. Dessa forma, 20% de excesso significa que 24,5 volumes extra de oxigênio são fornecidos, para ir através do sistema sem se alterar. Associado a este total de 147 volumes de oxigênio, haverá 553 volumes de nitrogênio para se acrescentar aos 100 de combustível. A composição em volumes dos produtos de combustão, incluídos o excesso de ar fica: EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 11 95 110 552 7 24 5 95 552 7 24 5 672 2 0 141 0 036 0 823 0 121 0 140 0 031 0 706 2 2 2 2 24 5 672 2 552 7 672 2 95 782 2 110 782 2 24 5 782 2 552 7 782 2 CO H O N O+ + + + + = = = = = = = = , , , , , : , : , : , : , : , : , : , , , , , , , , , , , volume total dos gases secos: composição dos gases secos: CO O N volume total dos gases úmidos: 95 + 110 + 552,7 + 24,5 = 782,2 composição dos gases úmidos: CO H O O N 2 95 672,2 2 2 2 2 2 2 Exemplo 1.5 : Metano é queimado com uma deficiência de 5% de ar estequiométrico. Calcule a análise do gás de combustão. Estequiométricamente, a combustão completa de metano com ar pode ser representada como antes: ( ) 22222452,7276,32 NOHCONOCH ++→++ e com uma deficiência de de ar de 5%: ( ) 222224 14,776,39,1 NOHcCObCOaNOCH +++→++ É assumido que a oxidação do hidrogênio do combustível é inicialmente completada, sua reação pode ser representada como: H O H O4 2 22+ → Portanto sobram 0,9 O2 para oxidação de 1 C, representada em 2 etapas: EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 12 C O CO O CO O CO CO + → + + → + 0 9 0 4 0 4 0 8 0 2 2 2 2 2 , , , , , Assim a=0,8 e b=0,2, de forma que toda a equação é: CH O N CO H O N4 2 2 2 2 21 90 7 14 0 8 2 7 14+ + → + +, , , , Um processo semelhante pode ser aplicado a combustíveis mais complexos mas precisa-se lembrar que esta simples aproximação tem limitações específicas. 1.8 - Determinação da Quantidade do Excesso de Ar da Análise do Gás de Combustão O uso da análise de gás de combustão para determinar a quantidade de ar excedente, se intencionalmente fornecido para a integridade da combustão ou se involuntariamente fornecido através de vazamento, consiste essencialmente em fazer os cálculos anteriores ao inverso e equilibrar os elementos que entram no processo com aqueles que saem. Esses equilíbrios dos elementos é necessário, uma vez que as análises são usualmente apresentadas em percentagens, e não em quantidades absolutas. Alguns exemplos vão demonstrar a aproximação utilizada. Exemplo 1.6 : O metano é queimado com excesso de ar e dá uma análise de gás de combustão seco de: CO2 9,15%, O2 4,58%, N2 86,27 % por volume (ou kmol/100 kmol). Calcule a quantidade de ar excedente utilizada. Reescrevemos agora a equação da combustão do metano incluído o coeficiente de excesso de ar: ( ) ( ) 2222224 52,721276,32 NOOHCONOCH ϕϕϕ +−++→++ Observe que o oxigênio estequiométricamente excedente, bem como o nitrogênio associado sai junto com os produtos da combustão, compondo assim a massa total dos gases na saída. Para cada kmol de metano queimado nestas condições, é produzido um total de : EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 13 ( ) ( ) secos combustão de produtos de kmol 152,952,721-+1 ou úmido, combustão de produtos de kmol 52,9152,72121 −=+ +=+−++ ϕϕϕ ϕϕϕ Se a concentração de CO2 é de 9,15% nos gases secos, é possível determinar o coeficiente de excesso de ar: 0 0915 1 9 52 1 1 25, , ,= − ⇒ = ϕ ϕ Quando a combustão foi incompleta e algum monóxido de carbono foi produzido, o cálculo de ar excedente precisa levar isto em conta e fazer concessão ao oxigênio presente no gás de combustão, que pertence ao monóxido de carbono. O aparecimento de monóxido de carbono, devido à combustão incompleta, num gás de combustão em que ar excedente é utilizado, não é prontamente previsível mas o efeito de sua presença é visto na análise do gás. Exemplo 1.7 : Um combustível de composição C H O N S Cinzas 72,0 8,4 8,0 2,8 3,2 5,6 (porcentagem em massa) produz uma análise de gás de combustão sêco de: CO2 O2 CO N2 12,0 5,0 1,2 por diferença (porcentagem em volume) e o resíduo sólido da combustão contém 25% de carbono. Determine a quantidade de ar excedente que é fornecida. Existem três etapas para resolver neste cálculo: (1) Calcular as exigências teóricas de ar; (2) Fazer o balanceamento do carbono, determinando assim a parcela de carbono que queimou esaiu com os produtos de combustão, por unidade de combustível queimado. (3) Fazer o balanço de oxigênio, considerando a devida proporção entre CO2 e CO e O2. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 14 1ª etapa: partindo de l00 kg de combustível, incluso as cinzas, já calculamos diretamente o nº de kmol de cada elemento: ( ) 95,721,02,42625,0 76,31,02,4676,31,02,05,04,86 222222 =⇒×++×=+ +++→++++++ xx NxSOOHCONOxSNOHC exigência de oxigênio = 7,95 Kg.mol/100 Kg de combustível 2ª etapa: Para 100 kg de combustível existem 72,0 Kg de carbono. O resíduo sólido da combustão contém a cinza indicada na análise mais carbono não queimado (25%). O resíduo total é assim 5,6 de cinza mais 1,87 Kg de C. A quantia de C queimado é dessa forma, 5,84 Kg.mol (72 kg - 1,87 kg). ( ) ( ) 21,231,54167,04167,0 12 5 % % cinzas) (nas16,02,095,776,31,02,453,031,5 76,395,71,02,05,04,86 2 2 22222 22 =×=⇒== ++×+++++ →++++++ z CO O CNzOSOOHCOCO NOSNOHC ϕ ϕ Observe que foi descontado o parcela de carbono que não queimou, e foi mantido a relação CO2/CO, possibilitando o balanceamento correto da equação e o cálculo do coeficiente z, relativo ao O2, pela relação O2/CO2. 3º etapa: ( ) 20,1 35,8892,29 5,31=0,12 :calculado éar de excesso de ecoeficient o 12%, a igual CO de teor o sendo 35,8892,292,095,776,3,212+0,1+0,53+5,31 :é produzido seco gases de total volumeo 2 =⇒ + +=+×+ ϕ ϕ ϕϕ A avaliação do excesso de ar assume combustão completa, e portanto o excesso precisa ser relatado nesta base. A determinação de ϕ acusou um excesso de 20,0%. O Oxigênio em excesso é devido a somatória das parcelas de oxigênio oriundos do próprio ar em excesso fornecido, de oxigênio devido ao EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 15 Carbono que não queimou e apareceu nos residuos de cinzas, e de oxigênio devido a formação de monóxido de carbono, que não foi oxidado completamente em CO2. A importância dos cálculos de combustão em circustâncias industriais usuais foi mostrada e os exemplos escolhidos aqui não pretendiam somente mostrar o processo de cálculo mas salientar alguns pontos assinalados. Não está implícito que o método de cálculo demonstrado aqui seja o único método ou mesmo o melhor, mas é um enfoque dos princípios básicos, e como tal, é flexível e amplamente aplicável. Existem situações aqui minimizadas para maior clareza, nas quais os cálculos necessários são muitos, e muito mais sofisticados, como por exemplo, os processos de altas temperaturas onde os efeitos da dissociação são mais importantes. Um enfoque de tais situações pode ser feito, fundamentado no método de cálculo anterior. 1.9 - Temperatura de Chama Qualquer reação de combustão, na verdade qualquer reação química, pode ser geralmente representada pelo esquema: reagentes (cadeia de reação)→ produtos Vamos apresentar isto simbolicamente como: A + B → C + D Na verdade, não vai haver nunca uma transformação completa de A e B para C e D. Antes, é atingida uma situação de equilíbrio, a qual deveria ser representada como: A + B ←→ C + D Naturalmente, são estabelecidas reações para se atingir os produtos, de forma que na maioria das circustâncias usuais o equilíbrio é muito mais para a direita, com C e D predominando. No entanto, se os intrumentos analíticos são bons o bastante, os traços de A e B serão detectados qualquer que sejam as circustâncias. Também, como a reação é uma cadeia de reações, podemos esperar encontrar traços dos materiais de cadeia. Os fatores que controlam o grau de dissociação para qualquer reação dada (isto é, a posição de equilíbrio) são: temperatura, pressão e concentração. O princípio de Le Chatelier diz que se uma variável que afeta o equilíbrio de um sistema é modificada, então a posição de equilíbrio é deslocada para se opor à mudança. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 16 Para efeito de cálculos de combustão industrial, onde os níveis de temperatura são usuais até um máximo de 1500 ~1600 K, a dissociação assume pouca ou nenhuma importância. A dissociação do CO começa a ser detectada por volta de 2000K, e apresenta-se como um caso particular dos processos gerais de combustão e não será aqui tratada em detalhes. Os príncipios gerais da dissociação são encontrados na literatura de cinética química e sua aplicação específica em combustão é necessária quando a combustão é uma parte de um processo e determina sua eficiência, tais como nos processos de incineração térmica, na gaseificação de carvão e lenha, ou na fabricação de combustíveis sintéticos. 1.10 - Medição do rendimento de combustão Para se calcular o rendimento de calor útil de um sistema de combustão é necessário saber o Poder calorífico do combustível, a relação ar ( ou oxigênio) /combustível e o grau de complexidade da combustão. O Poder Calorífico de um combustível é definido como a quantidade de calor desprendido pela combustão completa do combustível. Se esta quantidade de calor é medida com os produtos de combustão saindo completamente na fase gasosa, este é denominado Poder Calorífico Inferior. Se, por outro lado, a água nos produtos de combustão for considerada na fase líquida, ou seja, com o produtos de combustão à temperatura ambiente, o calor desprendido é denominado Poder Calorífico Superior. A diferença entre os dois valores é exatamente a entalpia de vaporização da água formada na combustão do hidrogênio constituinte e da água presente no combustível na forma de umidade: ( ) sêco) lcombustíve de kg / OH (kg lcombustíve no umidade de teor (kg/kg) lcombustíve do teconstituin hidrogênio de teor (kj/kg)Superior CaloríficoPoder (kJ/kg)Inferior CaloríficoPoder :onde 92440 2:u :h :PCs :PCi uhPCsPCi +−= As medições de Poder Calorífico em laboratório são realizadas em bomba calorimétrica com temperatura do meio controlada próximo a temperatura ambiente, e o valor obtido é sempre o Poder Calorífico Superior. A avaliação do PCI é feita através da equação acima, e portanto deve ser conhecida o teor de hidrogênio do combustível, ou pelo menos, estimado com alguma margem de segurança. A maioria dos processos industriais tem seus produtos de combustão exauridos a temperaturas onde a água está na forma de vapor, e por esta razão o conhecimento do Poder Calorífico Inferior é útil e facilita os cálculos de aproveitamento de calor. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 17 1.11 - Temperatura Adiabática de Chama O desprendimento de calor proveniente da reação de combustão pode ser calculado conhecidos o Poder Calorífico do combustível e a taxa de consumo de combustível na fornalha. Se for assumido que todo o calor gerado é transformado em entalpia dos produtos de combustão, sem nenhuma perda de calor por radiação ao ambiente externo (uma situação, na prática, impossível) ou perda de temperatura por dissociação, é possível calcular a Temperatura Adiabática de Chama: ( ) (K) combustão dear do entrada de ura temperat: Chama)(K) de Adiabática aTemperaturcombustão( de gases dos saída de tura tempera K) (kJ/kg combustão de gases dos EspecíficoCalor (kg/s) combustão de gases de massa (kJ/kg)Inferior CaloríficoPoder (kg/s) lcombustíve de consumo de taxa : ar g g g c argggc T :T :Cp :m :PCi :m onde TTCpmPCim −= && A temperatura Adiabática de Chama é uma abstração, pois nenhum processo real pode ser adiabático, e tanto mais difícil em altas temperaturas, geralmente produzidas em condições de chama. Além disso, a dissociação começa a se fazer sentir em temperaturas acima de 2000 K, e o calor desprendido tende a ser menor que o calculado. De qualquer maneira, o cálculo pode ser útil para efeito de comparação de potenciais de combustíveis para uma dada necessidade de calor e temperatura. Observe que no cálculo da massa de gases produzidos está implícito a relação ar/combustível, pois os produtos de combustão é a soma das massas do ar de combustão e do combustível consumido no processo. A temperatura adiabática de chama pode ser então calculada para uma massa unitária de combustível desde que se estabeleça a relação ar/combustível. De modo inverso, conhecido a temperatura de saída dos gases de combustão, é possível calcular o calor recebido pelo processo de combustão, o qual será a diferença entre a entalpia dos gases à temperatura adiabática de chama e entalpia de saída dos produtos de combustão: ( ) (K) fornalha na combustão de gases dos saída de ura temperat (kJ/s) fornalha pela recebidocalor :onde :Ts :Q TTsCpmPCimQ g argggc & &&& −−= EXERCICIOS CAP. 1 Determine a composição dos produtos de combustão do bagaço de cana, queimando com 100% de excesso de ar. Considere a composição elementar do bagaço semelhante a composição da lenha, porém com 50% de umidade (b.u.). Caldeira queima 2000 kg/h de lenha com 20% umidade(b.u.) e a análise dos gases de combustão resultou em 8,7% CO2 (b.s.) e o resíduo sólido do cinzeiro tem 90% de carbono não queimado. Determine o excesso de ar real (b.u.). Se os produtos de combustão tem temperatura de 180º C, qual deve ser a capacidade em m3/h do exaustor dos gases de combustão? Determine a temperatura dos produtos de combustão saindo de uma fornalha., queimando GLP com 10% de excesso de ar, considerando que 50% do calor gerado é perdido por radiação. Assumir propriedades dos produtos de combustão iguais a do ar atmosférico. Calcule a relação Ar/Combustível estequiométrica para combustão de Etanol hidratado (96ºGL). Determine o teor de CO2 (b.s.) para combustão do etanol hidratado com 25% de excesso de ar. Supondo apenas dissociação do CO2, qual deve ser o teor de CO (b.s.) para combustão do etanol hidratado com 3% de falta de ar? Gás residual tem composição volumétrica Metano 82%, etano 8%, H2S 1%, CO2 5% e N2 4%. Faça um gráfico do teor de CO2 (b.s.) nos produtos de combustão em função do excesso de ar. Determine o teor de SO2 com 5% de excesso de ar. Carvão mineral tem composição C 67%, H 8%, S 7%, O 1,5%, cinzas 16,5 %. O equipamento de combustão será controlado por analisador contínuo de oxigênio cujo sensor deve ser instalado diretamente na saída dos produtos de combustão que tem temperatura média de 210 ºC. Para controle computadorizado você deve estabelecer uma função do teor de O2 nos gases de chaminé em relação ao excesso de ar. Após a instalação e testes iniciais do sistema da questão anterior, o resíduo da combustão acusa um teor médio de 12% de carbono não queimado. A função estabelecida anteriormente ainda é valida? Se não, como corrigi-la? Calcule a temperatura adiabática de chama a 10% de excesso de ar de uma mistura de composição volumétrica Metano 82%, etano 8%, H2S 1%, CO2 5% e N2 4%. , sem dissociação, dados os PCS: Metano 55.488, Etano 51.865, H2S 16.560 kJ/kg. Uma câmara adiabática opera com metano, com relação estequiométrica, sendo que a concentração em massa de CO nos produtos de combustão é 5%. Determine a temperatura adiabática de chama na condição de operação. Carvão mineral tem composição C 63%, H 9%, S 3%, O 1%, cinzas 24%. Determine a composição dos produtos de combustão base sêca, utilizando 60% de excesso de ar. A legislação do local onde está instalado o equipamento da questão anterior permite a emissão de dióxido de enxôfre em 3200 mg/Nm3 (base sêca). O equipamento está enquadrado na legislação? Qual seria o máximo teor de enxôfre do carvão que poderia ser utilizado nas condições da questão anterior, que ainda seria abaixo dos limites de emissão permitidos? Escrever a reação de combustão do óleo combustível, com ar estequiométrico e com 30% de excesso de ar e determinar a concentração de CO2 e SO2 base seca. Considerar óleo com 3,5% de enxôfre e densidade relativa0,98. Num forno de reaquecimento de lingotes, operando a 1250 ºC, supondo que todos os sistemas de combustão abaixo tenham a mesma características no que se refere a troca de calor por radiação ( mesma emissividade e fator de forma), escolha o sistema de combustão mais adequado para maior transferência de calor, justificando matematicamente: Combustível PCI (kcal/kg) A/C esteq Excesso de Ar óleo BTE 9.965 13,7 40% GLP 10.218 15,6 5% óleo diesel 10.250 14,6 15% Uma câmara de combustão adiabática queima metano com relação A/C estequiométrica. Nos produtos de combustão estão presentes 5% CO (em volume). Determine a temperatura adiabática de chama. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 18 cap. 2 - COMBUSTÍVEIS Combustíveis para utilização em energia e aquecimento industrial apresentam características importantes tais como baixo custo por conteúdo energético, disponibilidade, facilidade de transporte e armazenamento, possibilidade de utilização dentro de tecnologias disponíveis, baixo custo operacional e de investimento, etc. Durante muitos anos, os derivados de petróleo preencheram a maioria destas características e se tornaram o tipo mais utilizado de combustível industrial. Nas décadas recentes, outros tipos de combustíveis tem sido utilizados e pesquisados, principalmente aqueles que produzem menor impacto ambiental que os combustíveis fósseis. Do ponto de vista de origem, os combustíveis podem ser classificados como: fósseis (não renováveis) e vegetais (renováveis), representados pela tabela abaixo. Origem Combustível Básico Derivado FÓSSEIS Petróleo GLP Gasolina Óleo Diesel Óleo Combustível Óleos Residuais Gás Natural Xisto Betuminoso Carvões Minerais Gases manufaturados Cana-de-açucar Bagaço de cana Alcool Etílico VEGETAIS Lenha Carvão Vegetal Gases manufaturados Metanol Resíduos Vegetais Biogás Quanto a utilização de combustíveis é conveniente classificá-los e estudá-los quanto a sua forma física: sólidos, líquidos ou gases. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 19 Composição dos combustíveis: Os combustíveis industrias apresentam em sua composição alguns dos seguintes elementos ou compostos: Carbono C Hidrogênio H Oxigênio O Enxôfre S Nitrogênio N Água H2O Cinzas (Z) Carbono e hidrogênio são os elementos que mais contribuem para o poder calorífico dos combustíveis e oxigênio é geralmente presente em combustíveis vegetais, sendo que sua presença diminui o poder calorífico do combustíveis, bem como as exigências teóricas de ar de combustão. Embora o enxôfre seja também combustível, este traz consequências prejudiciais ao meio ambiente e aos equipamentos: - seu poder calorífico é menor que o carbono e hidrogênio - Os produtos de combustão, SO2 e SO3, em presença de umidade formam ácido sulfúrico, que irá atacar as partes mais frias da instalação. H2SO4 é o principal causador de "chuva ácida", com consequências desastrosas ao meio ambiente. - se a atmosfera da combustão for redutora, pode haver formação de H2S, ou outros compostos, que são perigosos e produzem mal cheiro. O enxôfre nos combustíveis líquidos é enconrado na forma de mercaptanas (um radical R-S-H) ou também na forma de dissulfetos( radicais R-S-R). Nitrogênio é responsável pela formação de diversos óxidos: N2O, NO e NO2, que são compostos de alta irritabilidade para as mucosas além de reagirem com o ozona da atmosfera (O3). Outros elementos ocorrem eventualmente nos combustíveis em concentrações muito pequenas, porém de efeitos não menos importantes. Os metais são mais frequentes: Níquel, Vanádio, Cálcio, Sódio, Potássio e Manganês. O vanádio forma um óxido: V2O5, que é catalizador da reação de formação de ácido sulfúrico, agravando as consequencias de corrosão com combustíveis que contenham enxofre. Sódio e potássio (metais alcalinos) contribuem para a corrosão a baixa temperatura formando compostos de baixo ponto de fusão, pdendo inclusive atacar materias refratários. A água é normalmente encontrada em todos os combustíveis, principalmente nos combustíveis sólidos, na forma de umidade, e traz duas consequências: - diminui o poder calorífico, - aumenta a temperatura do ponto de orvalho do ácido sulfúrico, aumentando os problemas de corrosão. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 20 2.1 - COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS Os combustíveis líquidos são amplamente utilizados na indústria pelas facilidades de armazenamento, operação e transporte, e os derivados de petróleo praticamente estão presentes na maioria das aplicações. A caracterização dos combustíveis líquidos compreende a medição de algumas propriedades aplicáveis a estes, as quais serão definidas a seguir. O poder calorífico de combustível, como definido no capítulo anterior é aplicável a todos os tipos de combustíveis. Propriedades de combustíveis líquidos Ponto de fulgor: é a temperatura do combustível na qual, sob a ação de uma chama escorvadora sobre a superfície líquida do mesmo, provoca uma ignição e combustão transitória. Importante propriedada para a segurança de armazenamento. Ponto de ignição: temperatura do combustível na qual a chama escorvadora provoca uma combustão continuada sobre a superfície do mesmo. Temperatura de auto-ignição: temperatura mínima de uma mistura ar/combustível na qual a combustão é iniciada e se mantém, sem a presença de uma chama escorvadora. Ponto de fluidez: temperatura mínima necessária para que o combustível se torne um fluido. Viscosidade: importante propriedade que vai determinar as temperaturas de armazenamento, bombeamento ecônomico e pulverização (atomização) para combustão. Outras propriedades de combustíveis líquidos são aplicáveis apenas a combustíveis automotivos (gasolina, óleo diesel), tais como a octanagem, o período de indução e a cetanagem, e não serão tratadas neste texto. Todas as propriedades tem normas e métodos de medição e algumas podem variar em resultado conforme o método utilizado. Derivados de Petróleo O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos que apresenta composição variável e dependente de fatores geológicos tais como localização da jazida, idade, profundidade, etc. Os principais elementos que constituem o petróleo são apresentados no quadro abaixo, com sua correspondente faixa de variação da composição: EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 21 Elemento % em massa Carbono 83 a 87 Hidrogênio 11 a 14 Enxôfre 0,05 a 8 Nitrogênio 0,1 a 1,7 Oxigênio ~0,5 Metais(Fe, Ni, V, etc.) ~0,3 Os principais constituintes orgânicos do petróleo são : - Alcanos (ou parafinas), cadeias carbônicas retas, de fórmula geral CnH2n+2 e seus isômeros. - Ciclanos (ou naftênicos), de fórmula geral CnH2n , são compostos de anéis saturados, tais como o ciclo pentano e ciclo-hexano. - Aromáticos, os quais contém o anel benzênico, e de baixo peso molecular. - Compostos sulfurados, presentes em todos os tipos de óleo cru, mas em geral, quanto maior a densidade do petróleo, maior o teor de enxôfre. - Compostos nitrogenados, presentes nas frações mais pesadas, ocasionam problemas no processamento de petróleo por envenenamento de catalizadores de processo. - Compostos oxigenados, também se concentram nas frações mais pesadas, e são responsáveis pela acidez, escurecimento e o forte odor dos derivados de petróeleo. - Compostos metálicos, são compostos organo-metálicos e também predominam nas frações mais pesadas. - Impurezas inorgânicas, ficam em solução ou suspensão na água emulsionada ou no corpo do petróleo: sais minerais, argila, areia e óbviamentea água. Os derivados de petróleo são produtos do processamento do óleo cru, bàsicamente em dois tipos de processos: - destilação atmosférica, onde grupos de frações são separadas por diferença de ponto de ebulição (ou pressão de vapor), numa coluna de destilação, - destilação à vácuo do resíduo, onde é extraído no resíduo de fundo da coluna atmosférica mais frações leves. O resíduo de destilação à vácuo é utilizado para produção de asfalto ou complementação da produção de óleo combustível, - craqueamento térmico ou catalítico, onde é possível transformar frações pesadas do óleo em frações mais leves, ajustando o perfil da produção com as necessidades de mercado consumidor. Um esquema básico de refino é apresentado na figura 1. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 22 A qualidade e característica do petróleo determina a faixa de extração de cada componente principal, embora os processos adicionais como o craqueamento permitam uma pequena variação do ajuste. As principais frações produzidas, em ordem crescente de densidade são as seguintes: - Gás residual - Gás Liquefeito de Petróleo - Nafta petroquímica - Gasolina - Querosene - Óleo Diesel - Óleo Combustível - Lubrificantes - Óleos residuais - Asfaltos Óleo Combustível O óleo combustível é a fração mais importante para os sistemas de aquecimento industrial, devido a seu baixo preço. Apesar de no ínicio da utilização do petróleo, frações mais leves tais como o diesel e o querosene terem sido utilizadas, atualmente, tais derivados são reservados a utilizações com maior exigência de qualidade de combustível, como os motores de combustão interna (ciclos Diesel e turbinas de aviação). A tendência atual é adequar o perfil de refino a maior produção de diesel e consequentemente,o óleo combustível utilizado Figura 1. Esquema da destilação atmosférica de petróleo. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 23 pela indústria tem sua densidade e viscosidades aumentadas, além do maior teor de enxofre. A especifição básica para os óleos combustíveis são a viscosidade, o ponto de fluidez e o teor de enxôfre. A viscosidade é determinada em aparelhos que se baseiam no tempo de escoamento de um dado volume de óleo a uma temperatura constante. Os tipos de viscosímetros mais utilizados são: - Saybolt, com dois tipos: SSU Segundos Saybolt Universal e SSF, Segundos Saybolt Furol - Engler - Redwood A conversão em viscosidade cinemática, dada em centipoises está apresentada na tabela 1. As temperaturas utilizadas são as seguintes: 20 ºC (68 F) 37,8 ºC (100 F) 50 ºC (122 F) 98,9 ºC (210 F) 100 ºC (212 F) SSU X X SSF X X Engler X X Redwood X Os óleos combustíveis apresentam várias faixas de viscosidades conforme sua classificação. Para se conhecer a viscosidade de um óleo em qualquer temperatura, é necessário conhecer-se pelo menos a viscosidade em duas temperaturas, e com o auxílio do gráfico da figura 2, traça-se uma reta que reproduz o comportamento da viscosidade em relação a temperatura para derivados de petróleo. As especificações atuais brasileiras para os óleos combustíveis são apresentados na tabela 2, sendo que análises de laboratório são apresentadas nas tabelas 3 e 4. Uma tabela de equivalencia de denominações também esta anexo. Antiga A(BPF) D(BTE) E F GD HD GK HK GM HM Atual 1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B 5A 5B Antiga GN HN GP HP - - - - OC4 Atual 6A 6B 7A 7B 8A 8B 9A 9B C EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 24 Tabela 1 – Equivalência entre viscosidades. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 25 Figura 2. Gráfico para determinação da curva viscosidade x temperatura para derivados de petróleo. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 26 Figura 3. Gráfico típico de ponto de orvalho em função do teor de enxofre no combustível. Tabela 2. Especificações do CNP para óleos combustíveis. Viscosidade (2) Óleo Combustíve l Ponto de fulgor em oC Ponto de fluidez superio r oC Cinzas , % em peso Teor de enxofr e % em peso Água e Sedimen tos % em peso Cinemátic a a 60oC, eSt ou (Saybolt, Furol a 65oC, s Cinemática a 37,8oC, cSt ou Saybolt Universal 37,8oC, s Mínimo Máximo Máximo Máximo Máximo Máximo Mínimo Máximo TipoA (B.P.F.) 66 (4) - 5,0 2,00 (3) 390 (185) 31,9 (150 - TipoB (A.P.F.) 66 - - 5,0 2,00 (3) 390 (185) 31,9 (150) - TipoC (óleo no 4) 66 (5) 0,10 - 0,50 (6) - 2,11 (33,0) 26,0 (124) TipoD (B.T.E.) 66 - - 1,0 2,00 (3) 390 (185) 31,9 (150) - Tipo E 66 - - 5,5 2,00 (3) 600 (285) 31,9 (150) - Tipo F 66 - - 1,0 2,00 (3) 600 (285) 31,9 (150) - 1) - Em vigor a partir de 02/02/82, através do Regulamento Técnico CNP 09/82. 2) - Para óleos combustíveis cuja diferença entre a temperatura de referência de viscosidade e o ponto de fluidez seja menor que 20oC, os valores da viscosidade deverão ser obtidos em temperaturas mais altas, reportando-se às temperaturas por extrapolação. 3) - A quantidade de água e sedimento exceder 1,00%, deverá ser feita a dedução da cifra total na quantidade de óleo combustível. 4) - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa. 5) - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa de 6oC. 6) - O resultado de água e sedimentos para o óleo combustível tipo “C” é expresso em % por volume. OBS.: A partir de 02/02/82, através da Resolução no 02/82, o Conselho Nacional de Petróleo autorizou em caráter experimental, mediante acordo com o comprador a utilização do Óleo Combustível Ultra-Viscoso”. Entende-se por Ultra-Viscoso um óleo combustível com viscosidade cinemática acima de 600 cSt a 65oC (285 SSF a 65oC), sendo que as demais características atendem as especificações constantes da Resolução 1/82 que estabelece o Regulamento. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 27 V I S C O S I D A D E TIPOS Ponto de Fulgor, oC Ponto de fluidez superior , oC Teor de enxofre , % peso Água e sedimento % volume (1) Saybolt Furol a 50oC, s Cinemática, cSt 37,8oC 60 oC Cinza s Mínimo Máximo Máximo Máximo Máximo - Máximo Mínimo 1A 66 (2) 5,0 2,0 (600) - 620 - 1B 66 - 1,0 2,0 (600) - 620 - 2A 66 - 5,5 2,0 (900) - 960 - 2B 66 - 1,0 2,0 (900) - 2.300 - 3A 66 - 5,5 2,0 (2400) - 2.300 - 3B 66 - 1,0 2,0 (2400) - - - 4A 66 - 5,5 2,0 10.000 - - - 4B 66 - 1,0 2,0 10.000 - - - 5A 66 - 5,5 2,0 30.000 - - - 5B 66 - 1,0 2,0 30.000 - - - 6A 66 - 5,5 2,0 80.000 - - - 6B 66 - 1,0 2,0 80.000 - - - 7A 66 - 5,5 2,0 300.000 - - - 7B 66 - 1,0 2,0 300.000 - - - 8A 66 - 5,5 2,0 1.000.000 - - - 8B 66 - 1,0 2,0 1.000.000 - - - 9A 66 - 5,5 2,0 (sem limite) - - - - 9B 66 - 1,0 2,0 (sem limite) - - - - C 66 (3) - 0,5 - 2,1, a 26,0 - 0,10 1 - A quantidade de água por destilação, mais a do sedimento por extração, não deverá exceder 2,0% (percentagem em vol.). Uma dedução na quantidade deverá ser feita para toda a água e sedimento em excesso de 1,0%. 2 - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa. 3 - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa, diminuído de 6oC. O teor de enxôfre é umas característica importantíssima para especificação e utilização de óleos combustíveis. Como explicado, o enxôfre ocasiona a formação de SO2 e SO3, o qual em reação com a água dos produtos de combustão dever formar ácido sulfúrico. A formação e condensação deácido sulfúrico depende do teor de SO2 ,e consequentemente do teor de enxôfre no óleo, e da pressão parcial do vapor de água nos gases de combustão. Um gráfico típico do ponto de orvalho deo ácido em função do teor de enxôfre no óleo é apresentado na figura 3. Nem sempre está disponível dados sobre a análise elementar dos óleos combustíveis, e mesmo o poder calorífico. No caso em que não existe uma análise laboratorial, os gráficos das figuras 4, 5 e 6 auxiliam no estabelecimento da composição química elementar, fornecendo dados estimativos a partir de propriedades facilmente mensuráveis, como a densidade. O teor de enxôfre, por ser de importância fundamental na especificação dos óleos, normalmente é fornecido. Os gráficos e tabelas fornecem dados com exatidão suficiente para os cálculos de combustão industrial. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 28 Tabela 3. Análise de óleo combustível tipo 1 B. MÉDIA TRIMESTRAL ENSAIOS RESOLUÇÃO CNP 1º 2º 3º 4º OBS. Água e sedimentos. % peso 2.0 (max) 0,10 0,10 0,10 0,10 Água por destilação. % volume - 0,1 0,1 0,1 0,1 Densidade relativa. 20/4 C - 1,0122 0,9932 0,0100 1,0035 Enxofre. % peso 5,5 (max) 0,96 0,75 0,7 max) 0,78 Ponto de fluidez superior. C - 6 6 3 9 Ponto de fulgor. C 66 (min) 76 74 68 66 Viscosidade SSF a 50 C 600 (max) 600 600 600 600 cSt a 60 C 620 (max) - - - - Poder calorífico inferior. kcal/kg - 9880 9880 9880 9880 Poder calorífico superior. kcal/kg - 10470 10470 10470 10470 *Dados obtidos por extrap. Ensaio a 65 C Figura 4. Relação entre peso específico do óleo combustível e seu teor de hidrogênio. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 29 Figura 4. Relação entre peso específico do óleo combustível e seu teor de hidrogênio. Tabela 4. Análises típicas de derivados de petróleo. ANÁLISES TÍPICAS Querosene Diesel OC-4 BPF BTE E F Densidade 20/4oC 0,801 0,829 0,892 0,978 0,946 0,998 0,958 Ponto de Fulgor, oC 41 - 80 90 88 95 97 Viscosidade CIN 20oC, cSt 2,0 2,99 - - - - - Viscosidade SSU 100oF 32 36 39,4 15420 15230 23060 22000 Viscosidade SSF 122oF - - - 520 502 790 775 Viscosidade SSF a 65oC - - - 173 170 280 278 Ponto de Névoa, oC - 2 - - - - - Ponto de Fluidez, oC - - 0 12 14 12 12,5 Índice de Cetano - 56 - - - - - Enxofre % Peso 0,06 0,92 1,5 4,0 0,85 4,1 0,76 Poder Calorífico Superior 46420 kJ/kg 110940 kcal/kg 45832 kJ/kg 10954 kcal/kg 44857 kJ/kg 10721 kcal/kg 43270 kJ/kg 10327 kcal/kg 43501 kJ/kg 10397 kcal/kg 43103 kJ/kg 10397 kcal/kg 43865 kJ/kg 10484 kcal/kg Poder Calorífico Inferior 43406 kJ/kg 10374 kcal/kg 42944 kJ/kg 10263 kcal/kg 40867 kJ/kg 9.976 kcal/kg 41186 kJ/kg 9844 kcal/kg 40935 kJ/kg 9784 kcal/kg 40935 kJ/kg 9784 kcal/kg 41388 kJ/kg 9892 kcal/kg EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 30 Figura 5. Relação entre Poder Calorífico, densidade relativa, teor de enxofre e carbono/hidrogênio para óleos combustíveis. Figura 6. Relação entre a densidade de um óleo combustível à temperatura T e sua densidade à 15 ºC. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 31 Outros derivados, além dos óleos combustiveis, apresentam, aplicações específicas e algumas propriedades típicas estão disponíveis na tabela 4, e do álcool combustível na tabela 5. Tabela 5. Características Técnicas do Álcool Etílico No quadro apresentam-se as características do álcool etílico hidratado e anidro, comparando-o com a gasolina e álcool metílico. Propriedade Gasolina Etanol Anidro Etanol Hidratado Metanol Anidro Fórmula química (CH)x C2H5OH C2H5OH 19H2O CH3OH Peso molecular 144 46 - 32 Densidade a 20oC 0,73 0,79 0,81 0,79 Relação estequiométrica ar / combustível 15,2/1 9,0/1 8,3/1 6,45/1 % Carbono em peso 84,0 52,0 - 37,5 % Hidrogênio em peso 16,0 13,0 - 12,5 % Oxigênio em peso - 35 - 50 Início temp. Ebulição oC 40,0 78,3 78,2 65 Término temp. de ebulição oC 250 78,3 78,2 65 Calor latente de vaporizacão kcal/kg 90 216 237 270 Temp. de auto-ignição oC 367 550 580 570 Poder calorífico inferior kcal/kg 10 500 6 400 5 952 4 600 Calor de combustão da mistura quimicamente correta kcal/litro 0,860 0,815 0,815 0,760 Índice de octano método Research 73 106 110 110 Índice de octano método motor 73 89 92 90 Índice de octano calculado 73 158 162 160 Fator de acréscimo do número de moléculas durante a combustão 1,055 1,063 1,077 1,061 Efeito de superalimentação 1,68% 7% 9% 14% Graus GL (%Volume) - 99,5 95 99,5 Graus INPM (%peso) - 99,2 93,5 99,2 (extraído de “Os Motores de Combustão Interna” - Paulo Penido Filho, lemi, Belo Horizonte 1983). EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 32 2.2 - COMBUSTÍVEIS GASOSOS Os combustíveis gasosos tem aumentado sua aplicabilidade na industria nacional, respondendo a demanda por fontes de energia mais limpas e eficientes. A limitação de seu crescimento está na disponibilidade e distância dos centros consumidores pela sua maior dificuldade de transportes. Gás Liquefeito de Petróleo é importante combustível, tanto de aplicação industrial como doméstica. Gás Natural tem sido explorado recentemente, porém, deve ser transportado por gasodutos, o que dificulta sua maior utilização, dada a necessidade de investimento em infraestrutura. Outros gases, tais como, os gases manufaturados de nafta são produzidos e distribuidos localmente por rede de tubulações, além de gases residuais de refinaria, que tem aproveitamneto restrito as proximidades desta. Propriedade de combustíveis gasosos: Algumas propriedades importantes necessitam ser conhecidas para os combustíveis gasosos. A composição química pode ser fácilmente determinada através da análise laboratorial, em cromatógrafos químicos. O poder calorífico é normalmente dado em termos de energia/volume, relativa a determinada condição de Temperatura e Pressão. Em alguns casos pode ser fornecido em termos de energia/massa. Densidade relativa: é a densidade do gás relativa ao ar nas mesmas condições de temperatura e pressão. Número de Wobbe: é uma relação entre poder calorífico e densidade relativa dada pela equação: W PCi dr = A importância do número de Wobbe está ligada a intercambiabilidade de gases para uma mesma aplicação ou queimador. Observe que a relação de Poder Calorífico e a raiz quadrada da densidade relativa tem a ver com a quantidade de energia (por volume) que é possível passar por determinado orifîcio com a queda de pressão correspondetne. Em outras palavras, no que se refere a potencia de um dado queimador, gases com o mesmo número de Wobbe vão apresentar o mesmo desempenho energético. Velocidade de chama: é a velocidade de uma frente de chama de uma misturaar/combustível, efetuada sob determinas condições. O conhecimento de parâmetros de velocidade de chama é útil também para a intercambiabilidade dos gases, no sentido de se garantir a estabilidade de combustão em queimadores. Dois fenômenos podem ocorrer em queimadores de gás: - o descolamento da chama, quando a velocidade da mistura não queimada é maior que a velocidade de chama, e EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 33 - o retôrno de chama, quando a velocidade de chama é maior que a velocidade da mistura ar/combustível. Ambos podem trazer consequencias desastrosas aos equipamentos e um queimador de gás deve ser projetado para determinadas faixas de velocidades de chama para se garantir a estabilidade. Diversos métodos existem para a medição de velocidade de chama, porém nenhum destes reproduz com exatidão uma situação operacional. A velocidade de chama varia com a temperatura da mistura, a relação ar/combustível e com o padrão de fluxo, se laminar ou turbulento. As medidas de velocidade de chama em laboratório são feitas quase sempre nos regimes laminares, mas a maioria dos equipamentos industrias operam com combustão turbulenta . De qualquer maneira, o conhecimento da velocidade de chama em laboratório dá uma medida qualitativa do combustível. A fim de se utilizar este conceito o índice de Weaver, dá uma medida da velocidade de chama em relação ao hidrogênio, adotado como gás padrão. O índice de Weaver é definido como: S V V gas H = 2 Uma mistura de gases tem seu índice de Weaver calculada da seguinte forma: S aF bF iF A z Q a b i = + + + + − + L 5 18 8 1, onde: Fi : coeficiente de velocidade chama a,b,...i: frações molares dos constituintes A : relação ar/combustível volumétrica e estequiométrica da mistura z : fração molar dos inertes no combustível Q : fração molar do oxigênio no combustível A tabela abaixo apresenta o coeficiente para alguns gases: Gás F H2 338 CO 61 CH4 148 C2H6 301 C3H8 398 C4H10 513 C2H4 454 C8H6 674 EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 34 Gás Liquefeito de Petróleo A aplicação industrial de GLP tem sido feita em processos em que a limpeza é fundamental, tais como em fornos alimentícios, matalurgia e cerâmica fina. O GLP é uma mistura de frações leves de petróleo na faixa de 3 e 4 carbonos na cadeia. Para efeitos práticos de combustão pode ser considerado como uma mistura em partes iguais de propano e butano. Um resultado médio de diversas análises é dado na tabela a seguir: composição em massa % etano 1,0 propano 30,6 propeno 20,7 butano 32,9 buteno 14,7 PCS (kcal/Nm3) 22600 PCI (kcal/Nm3) 21050 densidade (kg/Nm3) 2060 massa molecular média 48,79 Gás Natural A exploração do gás natural pode ser feita através da produção do " gás associado" a um poço de petróleo, com frações de gás leves que justifiquem seu aproveitamento, ou em bacias produtoras de gás natural. Sempre há produção de gases associados a exploração do petróleo. Quando a produção de gás é pequena, ou o centro consumidor está muito distante, o gás é queimado localmente em chamas abertas na atmosfera (flare). Gás natural é basicamente metano, com algumas parcelas leves de etano e propano. Sua composição pode variar de local a local. Algumas composições de gás natural em diversas bacias mundiais são apresentados na tabela 6. Gases manufaturados Gases são fabricados a partir de diversos combustíveis como carvão mineral, nafta e lenha. A composição varia principalmente em relação ao processo de fabricação e síntese e em relação a matéria prima. As tabelas 7, 8 e 9, a seguir, apresentam alguns dados sobre gases manufaturados de carvão, lenha e nafta petroquímica. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 35 Tabela 6. Gás Natural Componentes % volume Localidade Campo M E Pr B Pe Hx CO2 O2 N2 PCS MJ/Nm3 (seco) Densid ade Argentina Comodoro Rivadávia 95 4 - - - - - - 1 38,50 0,576 Canadá (Alberto) Turner Vallei 87,02 9,15 2,78 0,35 - - 0,24 - 0,45 41,89 0,635 Chile (Terra do Sol) Charnasci lla 90,03 5,00 2,13 1,05 0,48 0,31 - - - 45,05 0,647 Arábia Saldita Air Dar 27,80 26,10 18,40 8,20 2,60 1,70 9,80 - H2S 5,20 63,87 0,755 Rússia Suretou 93,20 0,70 0,60 0,60 0,50 - - - 4,40 39,62 0,605 Venezuela Santa Rosa 76,70 9,79 6,69 3,26 0,94 0,72 1,90 - - 48,62 0,768 Venezuela La Pica 90,20 6,40 - - - - 0,10 0,30 3,00 39,62 0,601 Observação: M = Metano E = Etano Pr = Propano B = Butano Pe = Pentano Hx = Hexano EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 36 Tabela 7 - Gases manufaturados de carvão. gás de baixa temperatu ra gás de retorta horizonta l gás de retorta cont. vert. gás de retorta cont. vert. com vapor gás de forno de carvão coque Composição, % vol. O2 0,5 0,4 0,4 0,4 0,4 CO2 4 2 3 4 2 C4H10 5,5 3,5 3 2 2,6 CO 4 8 9 18 7,4 H2 30 52 53,6 49,4 54 CH2 52 30 25 20 28 N2 4 4 6 6,2 5,6 Composição assumida CnHm C4H8 C2,5H5 C2,5H5 C1H5 C2,5H2 CH4 C1,25 CH4 CH4 CH4 CH4 Densidade relativa ao ar 0,62 0,40 0,43 0,48 0,38 Ar teórico, vol/vol 8,235 4,904 4,708 4,060 4,572 Gases produtos teóricos CO2 vol/vol 0,950 0,490 0,490 0,500 0,439 H2O vol/vol 1,690 1,210 1,156 0,974 1,165 N2 vol/vol 6,545 3,917 3,779 3,269 3,667 Total úmido 9,185 5,617 5,425 4,743 5,271 Total seco 7,495 4,407 4,269 3,769 4,106 Gases produtos teóricos % volume CO2 10,3 8,7 9,0 10,5 8,3 H2O 18,4 21,5 21,3 20,3 21,1 N2 71,3 69,8 69,7 69,0 69,6 Ponto de orvalho, oC dos gases de exaustão 59 62 62 61 63 Poder calorífico superior BTU/ft3 889,0 559,8 540,0 471,1 525,1 inferior BTU/ft3 804,5 499,3 482,2 420,2 466,9 30 in Hg 60oF saturado EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 37 Tabela 8 -Composição típica de gás de lenha com umidade de 15 a 22%. composição % volume CO H2 CH4 H2O CO2 N2 18 15 1 12 10 44 PCI (kcal/Nm3) ~1000 Tabela 9 -Composição típica de gás de lenha com umidade de 15 a 22%. composição % volume CO H2 CH4 H2O CO2 N2 18 15 1 12 10 44 PCI (kcal/Nm3) ~1000 2.3 - COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS Os principais combustíveis sólidos são a lenha e o carvão mineral. Este tem importância grande na produção de energia térmica e elétrica na Europa, mas no Brasil está restrito a região Sul, proximos aos centros produtores. A lenha tem grande importância no Brasil, dada ao seu potencial de utilização. Algumas propriedades devem ser conhecidas nos combustíveis sólidos: Análise imediata: São determinados alguns parâmetros relacionado com a utilizaçãodo combustível: - Carbono fixo - Material volátil - Cinzas - Umidade - Enxôfre total EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 38 A matéria volátil é a parte do combustível que se separa em forma gasosa durante o aquecimento do mesmo. É composto de hidrocarbonetos eventualmente presentes na estrutura sólida e outros gases, que são formados num processo de pirólise, tais como o hidrogênio, monóxido de carbono e metano. O teor de voláteis tem influência no comprimento de chama, no acendimento e no volume necessário da fornalha. O carbono fixo é o resíduo combustível deixado após a liberação do material volátil. Compões-se principalmente de carbono, embora possa conter outros elementos não liberados durante a volatilização. As cinzas englobam, todos os minerais incombustíveis e é composta basicamente de óxidos, tais como a alumina, óxido de cálcio, óxido de magnésio, etc. A umidade presente no combustível sólido é importante para determinação de seu poder calorífico inferior. Carvão Mineral O carvão mineral brasileiro é utilizado principalmente na produção de energia termoelétrica e na indústria cimenteira. Devido ao seu alto teor de cinzas e enxôfre, não é muito utilizado industrialmente, a não ser nas localidades próximas a minas produtoras. As principais propriedades de carvões brasileiros são apresentados na tabela 10. Tabela 10. Propriedades dos carvões nacionais. Procedência C % S % H2 % N2 % O2 % Cinzas % Umidade % Mat. Volátei s % PCS kcal/k g Butiá 42,88 1,35 - - - 13,59 11,51 32,02 - Jacuí 49,82 0,85 - - - 21,18 9,58 19,42 - Tubarão 40,79 1,10 - - - 28,21 1,90 29,10 - Crisciuma 46,90 1,63 - - - 23,64 1,50 27,96 - RGS 46,0 12,99 4,05 0,29 9,27 27,4 11 - 4750 Paraná 56,6 2,0 3,11 0,80 17,73 25,76 15 - 6340 Sta. Catarina 51,8 3,6 3,34 0,52 7,58 33,09 10 - 6310 Cabo Frio (a) 20,5 - - - - - 15,8 42,0 2895 Cabo Frio (b) 17,6 - - - - - 13,2 49,5 3470 Rezende 12,6 - - - - - 12,0 33,2 2520 Obs.: Os quadros em branco representam propriedades não avaliadas. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 39 Lenha É um combustível amplamente utilizado no Brasil, tanto em aplicações domésticas como em aplicações industriais para geração de vapor, principalmente em pequenas unidades produtoras. É caracterizada por baixo teor de cinzas, ausencia total de enxôfre e umidade variável, a qual depende do tempo e método de aramzenagem. A lenha quando cortada possui por volta de 50% de umidade. Estocada ao ar livre, em toras empilhadas, atinge a umidade de equilíbrio dentro de 3 a 6 meses, a qual, dependendo da umidade relativa do ar é por volta de 15 a 25%. A análise elementar da lenha varia pouco com o tipo de árvore, e isto é uma regra geral para todo material celulósico. Algumas propriedade são apresentadas nas tabelas a seguir. O poder calorífico inferior vai depender muito do teor de umidade. A variação do PCS quanto ao tipo de madeira também não é muito grande. Composição média da lenha sêca: Elemento C H O N cinzas % massa 50,2 6,1 43,4 0,2 0,2 Poder Calorífico Superior: 4.400 kcal/kg % água 50 35 10 PCI (kcal/kg) 1990 2770 4070 Bagaço de cana O bagaço da cana-de-açucar é o combustível das usinas de açucar e alcool e utilizado localmente, logo após a moagem da cana. As modernas usinas não consomem todo o bagaço produzido e o excedente pode ser fornecido a terceiros, "in natura" ou sêco e enfardado. O bagaço é queimado diretamente com 50% de umidade, como vem da colheita. A composição elementar é muito semelhante a lenha e suas propriedades podem ser tomadas como similares, exceto é claro, quanto a sua forma física. Outros combustíveis sólidos vegetais, geralmente resíduos de produção agro-industriais são utilizados ocasionalmente, e lista de alguns com propriedades típicas é apresentado na tabela 11. EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 40 Tabela 11. Propriedades de diversos combustíveis sólidos vegetais. Composição elementar média para cálculos. biomassa Componente % base seca (b.s.) Cinzas C H O N S Cl casca de arroz 41,0 4,3 35,9 0,5 18,3 borra de café 57,9 7,1 29,9 2,4 2,7 bagaço de cana 44,8 5,4 39,5 0,4 0,1 9,8 serragem 48,9 5,8 43,3 0,3 0,1 1,6 . Análise imediata, base seca. Biomassa %Voláteis %Cinzas %C fixo Bagaço 73,8 11,3 15,0 de cana 82,0 3,0 15,0 Casca 65,5 17,9 16,7 de arroz 69,3 13,4 17,3 Serragem 81,6 1,1 17,3 Análise elementar. Biomassa % C % O % H % N % S % Cl % Res. obs. Casca 41,0 35,9 4,3 0,4 0,0 0,1 18,3 de 38,5 39,8 5,7 0,5 0,0 15,5 base seca arroz 39,3 37,1 4,9 0,5 0,1 0,2 18,0 Borra de 59,5 30,7 7,3 2,5 base seca café 56,2 34,1 7,1 2,4 0,2 sem cinzas Bagaço cana 44,8 39,6 5,3 0,4 0,1 9,8 base seca Serragem 48,3 45,1 5,9 0,2 0,1 0,4 base seca . Poder calorífico (MJ/Kg, base seca). Biomassa PCS PCI desvio Casca 16,1 15,3 de 15,7 arroz 15,6 13,0 0,2 Bagaço 17,3 16,2 de 19,1 17,9 cana 16,7 14,4 0,3 Borra 26,9 25,2 de 24,3 café 21,8 19,1 0,5 Serragem 18,0 14,3 0,7 (*) Análise feita no Laboratório de Combustíveis do DETF - FEM - UNICAMP. Análise imediata (*). Biomassa Carbono fixo % b.s. voláteis % b.s. cinzas % b.s. umidade % b.u Casca de arroz 12,0 72,2 15,8 10,0 Bagaço de cana 9,2 86,4 4,4 6,4 Borra de café 13,9 83,5 2,6 5,7 Serragem 15,2 84,2 0,6 12,9 (*) Análise feita no Laboratório de Combustíveis do DETF - FEM - UNICAMP. EXERCICIOS CAP. 2 Uma caldeira está operando com óleo combustível com 1% de enxôfre e tem temperatura de saída média dos gases de 180 ºC. Ao se analisar a possibilidade de se utilizar óleo com 5% de enxôfre, de custo menor, enumere os possiveis problemas que poderiam surgir. Caldeira queimando óleo combustivel com 1,0% de enxôfre tem temperatura de saída dos produtos de combustão da ordem de 155 ºC. Supondo que seja ofertado um óleo de menor custo, com 4% de enxôfre, qual (ou quais) possíveis fatores que poderiam inviabilizar econômicamente a troca pelo combustível mais barato? Calcular o Poder Calorífico Inferior de uma mistura 65% óleo/ 35% carvão, com as seguintes características: óleo combustível: densidade relativa 0,95 2,5% enxôfre carvão mineral: jazidas de RGS* Para diminuir a viscosidade de óleos residuais, está sendo testado uma emulsão de água + óleo, com 25% de água em massa. Determine o poder calorífico inferior desta mistura. Óleo, PCS= 9.800 kcal/kg, 10% H em massa. Determine o Poder Calorífico Inferior (base úmida) de bagaço de cana com 46% de umidade (b.u.). Dados: Bagaço PCS (b.s.)= 4400 kcal/kg Bagaço PCI (b.s.) = 4090 kcal/kg Determine a composição dos produtos de combustão (base seca) para queima de óleo combustível com 2,5% de enxofre e densidade relativa 0,97, utilizando-se 35% de excesso de ar. Calcule o PCI de uma emulsão de óleo vegetal, com 45% de água (b.u), dados. óleo PCS 9421 kcal/kg PCI 8812 kcal/kg EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 41 cap 3 - QUEIMADORES A função do queimador é o de fazer com que o combustível e o oxidante fiquem em contato o tempo suficiente e à temperatura suficiente para ocorrer e completar a reação
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