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EM Geração, Distribuição e Utilização de Vapor. cap. I - COMBUSTÃO
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Nina Azenha Ramalho
1 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor 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 eneria suficiente para aproveitamento industrial. Os principais elementos químicos que constituem um combustível são Carbono, Hidroênio e em aluns casos, Enxôfre. Estes elementos reaem com oxiênio, e na sua forma pura apresentam a seuinte liberação de calor: C + O CO kj / kmol 1 H + O HO kj / kmol S + O SO kj / kmol Composição típica dos combustíveis A maior parte dos combustíveis fósseis são hidrocarbonetos, e as composições típicas são de: carbono, hidroênio e oxiênio. Combustíveis veetais, produtos de madeira e refuo (baaço, serraem, cascas, etc.) são carboidratos que contém 1/ átomo de oxiênio para cada atomo de hidroenio. Seus produtos de combustão são similares aqueles dos hidrocarbonetos ( CO e H O) mas a eneria liberada durante a combustão é comparativamente menor. Tabela Composição típica de aluns combustíveis C H O N,S,etc. Gás Natural ~75 ~5 - - Petróleo 84~86 11~14 0~3 0~5 Carvão Mineral 78~95 ~7 1~15 1~5 Lenha ~ Análise dos combustíveis Os combustíveis asosos são usualmente misturas de ases que podem ser identificados individualmente. Combustíveis líquidos destilados tais como a asolina ou o querosene também são misturas de hidrocarbonetos simples que podem ser separados e identificados. Carvões, óleos combustíveis residuais e combustíveis veetais 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 1
2 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor 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 Estequiometria da combustão A maioria dos processos industrias de combustão utiliza o ar ambiente como fonte de fornecimento de oxiênio 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 oxiênio 3,% 1% Carbono 1 nitroênio 76,8% 79% Hidroênio 1 Oxiênio 16 Nitroênio 14 Enxôfre 3 Sabe-se que aluns dos números acima requerem correção decimal. Os erros são pequenos e podem ser inorados em rande 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: = 8 da áua, H O, é: + 16 = 18, e assim por diante. Não existem unidades comuns, mas uma unidade prática é a molécularama, ou rama-mol, escrita normalmente como mol, que é em efeito, o peso molecular expresso em ramas. Assim a molécula rama, ou o mol do monóxido de carbono pesa 8 ramas. Análoamente pode ser utilizado a molécula-quilorama, o kmol, ou a molécula-libra, o lbmol, o equivalente no sistema inlês. Se uma reação for escrita em forma molecular, ela pode ser tomada para representar as quantidades relativas de reaentes em termos destas unidades práticas, por exemplo:
3 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor C + O -> CO é uma equação que indica o que acontece quando um átomo de carbono e uma molécula de oxiênio reaem completamente. Em termos práticos ela estabelece que 1 kmol de carbono reae com 1 kmol de oxiênio 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 asosos em CNTP. Para produtos e combustíveis asosos, esta prática pode ser levada um estáio adiante. A teoria de Avoadro estabelece, na verdade, que volumes iuais de ases diferentes sob as mesmas condições contém um número iual de moléculas de ás. Por exemplo, 1 metro cúbico de nitroênio em CNTP contém tantas moléculas de nitroênio quanto 1 metro cúbico de dióxido de carbono contém de moléculas de dióxido de carbono a CNTP. Seue-se que a reação molecular, quando escrita para combustíveis asosos, não só indica a reação e os produtos em termos de moléculas-k mas também em termos de volumes. Por exemplo, se o metano queima com oxiênio e reae completamente com tudo permanecendo em estado asoso e sendo medido sob as mesmas condições de pressão e de temperatura, temos: CH4 + O CO + HO 1 kmol kmol 1 kmol kmol 1 volume volumes 1 volume volumes Os requisitos de eneria da rande maioria dos processos industriais são obtidos oriinalmente 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 oxiênio, normalmente como um componente do ar - e os produtos finais. Tal simplificação facilita por exemplo o cálculo do ar ou do oxiênio necessário para um combustível, o desprendimento potencial de calor e temperatura e a composição ideal dos produtos asosos de combustão produzido. Este último ponto é útil ao inverso, em que uma comparação da composição real de ás de combustão com a composição ideal indica o rendimento do processo de combustão Cálculo da proporção teórica de Ar/combustível Qualquer combustível convencional requer, de acordo com sua composição, uma quantidade específica e calculável de oxiênio (e portanto de ar, uma vez que este é o aente comum de fornecimento) para atinir teoricamente uma reação completa. Menos do que essa quantidade vai produzir combustão incompleta e portanto perda de calor potencial. Mais do que essa quantidade, era perdas excessivas de ás 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 ás natural, pode ser escrita a equação de combustão: 3
4 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor ( + N do ar) CO + H O ( do ar, não modificado) CH + 4+ O N A rior, o fenômeno da dissociação vai alterar um pouco esta reação. Isto, de fato, sinifica a separação de parte dos produtos da combustão em outros compostos que não sejam CO e H O, 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: CO 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. Seue-se da equação que 1 Kmol de metano requer Kmol de oxiênio para a reação teórica completa. Portanto, convertendo para uma base de massa, 16 K de metano requerem 64 K de oxiênio o que, uma vez que o ar contém 3,% de oxiênio por peso, dá uma proporção teórica de ar/combustível de 17,5: 1. É visto que, em base de volume, 1 volume de metano requer volumes de oxiênio 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 asosos de composição conhecida ou determinada. Exatamente o mesmo procedimento pode ser seuido em qualquer caso onde equações exatas possam ser formuladas para os constituintes reativos, tomando-se os inertes como não-afetados e qualquer oxiênio livre na mistura oriinal 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 reaentes. ( O + 3,76N ) 3CO + H O yn C + 3H8+ x 4 A quantidade "x" é o número de moléculas de O necessários a combustão completa do propano. Como a combustão é feita, no caso, com ar atmosférico, para cada molécula de oxiênio do ar, é considerado obriatóriamente 3,76 moléculas de nitroênio (a relação de volumes entre os dois ases no ar atmosférico). A necessidade de oxiênio "x" é calculada fazendo-se o balanceamento dos átomos de oxiênio: 4
5 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor x= ( 3 ) + 4 x = 5 y= 3,76x = 18,8 Isto sinifica que para cada mol de propano, ou cada volume de propano são necessários 5 volumes de oxiênio e consequentemente: ( 1+ 3,76) 3, 8 5 = volumes de ar atmosférico. É conveniente para os combustíveis asosos 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 asosa em uma base de volume é, então, 3,8 : 1. Uma vez que a relação entre volumes, moléculas e moléculas-k 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 k e necessita 3,8 kmol de ar, que pesa 686,4 k, 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 oxiênio e nitroênio, levando-se em conta a sua devida proporção: ( 5 3) + ( 5 3,76 8) O N = 686,4 Para a maioria dos combustíveis sólidos e líquidos, tais equações exatas não são possíveis devido à complexidade delas e em aluns 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 exiências de peso líquido de oxiênio são obviamente as mesmas e assume-se que qualquer oxiênio no combustível está disponível para reação. A posição provável para tal oxiênio é que ele tenha combinado com a estrutura dos combustíveis, tendo assim o mesmo resultado final.a análise básica é comumente determinada em base ravimétrica ou de peso e usada com referência a Kmol. O modo de aplicação é ilustrado melhor pelo exemplo. Exemplo 1. : 5
6 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Uma amostra de querosene tem uma análise básica de 86% de carbono e 14% de hidroênio por peso. Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível. Tome uma base arbitrária de 100 K de querosene e converta a quantidade em massa de cada elemento em quantidade de kmol: cada 100 k de combustível possui: 86 k de C, que corresponde a 86 = 717, kmol de C 1 14 k de H, que corresponde a 14 1 = 14 kmol de H a reação estequiométrica pode ser escrita, fazendo-se o devido balanceamento: ( O + 3,76N ) 7,17C + 14H + x 7,17CO + 7H O+ yn x = 7, x = 10,67 massa de ar necessária : 10, ,67 3,76 8 = 1464,8 k relação A/C em massa : 1464,8 100 = 14,6 Assim a proporção estequiométrica de ar/combustível, K/K é 14,6:1. Observe que nenhuma referência, qualquer que seja, é feita à maneira em que o carbono e o hidroênio são ou podem estar combinados no querosene. Um exemplo a mais ilustra o tratamento dos materiais inertes e do oxiênio composto. Exemplo 1.3 : Um combustível fóssil tem uma composição em peso de: Carbono, 7,0%; Hidroênio, 14,0%, Oxiênio, 8,0%; Nitroênio,,8%; Enxofre, 3,%. Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível. C H O N S 6
7 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor massa do constituinte, k/100 k de combustível ,8 3, kmol de cada 6,0 14,0 0,5 0, 0,1 a equação estequiométrica fica: ( O + 3,76N ) 6C + 14H + 0,5O + 0,N + 0,1S + x 6CO + 7H O + 0,1SO + yn x + 0,5 = ,1 x = 9,35 massa de ar necessária : 9, ,35 3,76 8 = 183,6 k relação A/C em massa : 183,6 100 = 1,8 A proporção estequiométrica de ar/combustível em base de peso é 1,8:1. 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 definir aqui o coeficiente de excesso de ar ϕ como a relação entre o nº de moles realmente utilizado na combustão e o nº de moles estequiométricamente necessário: ϕ = n n mol realo mol esteqo = m& m& realo esteqo Por exemplo, se este combustível fosse queimado com 0% de excesso de ar, então a proporção de trabalho de ar/combustível é 1,0 vezes a proporção estequiométrica. A proporção ar/combustível com 0% de excesso de ar = 1,8 x 1,0 = 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 iual facilidade a todos os combustíveis 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 oxiênio) para combustão completa e a composição estequiométrica dos produtos combustíveis são calculados e comparados com a composição real obtida pela análise dos ases de combustão; isto pode mostrar: 7
8 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor a) que quantidade de calor está sendo desperdiçada em aquecer quantidades excessivas de ases 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 asseurar uma completa combustão). b) Se parte do combustível está escapando da reião de combustão sem estar completamente queimado. Isto é demostrado pela presença de CO, fuliem, combustível não queimado e possivelmente hidroênio nos produtos combustíveis. A análise dos ases de combustão ou de ases perdidos dos processos de combustão é comumente relatada em base sêca de volume, isto é, sem referência à áua no ás. Uma rande variedade de equipamentos para análise do ás é usada, desde os tipos simples de aparelhos, Orsat e Fyrit aos mais sofisticados aparelhos contínuos. O valor da análise do ás 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 aluma quantidade adicional para atinir 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 ás de combustão, um pouco antes da produção da fumaça prêta (fuliem). Acima desta quantidade, o calor é perdido junto com quantidades excessivas de ás de combustão e é reconhecido pela rande quantidade de oxiênio no ás de combustão. A aplicação do bom senso ao interpretar a análise do ás 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 Teor de CO no ás de exaustão A medida do teor de CO no ás de exaustão seco (uma medição simples e comum) dá uma medida útil do rendimento da combustão de um determinado combustível. A proporção máxima de CO nos produtos de combustão será encontrada quando a relação ar/combustível for estequiométrica, fiura 1.1. Observemos que em relações abaixo da estequiométrica, o teor de CO também cai, porém há o aparecimento de monóxido de carbono. 8
9 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Fi Teor de CO no ás de exaustão Na prática as concentrações de CO devem ser mais baixas que a estequiométrica pela necessidade de se usar ar em excesso a fim de se atinir 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: a 30% Sólidos: > 50% Determinação da Análise Teórica do Gás de Combustão Uma vez que, seundo a Lei de Avoadro, o Kmol 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 ás de combustão. A qualificação teórica está assinalada aqui porque, devido a pontos práticos observados anteriormente, alumas diferenças podem ser encontradas entre a análise real do ás 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 asosos, a estimativa da análise do ás 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 + 7, 5 N (do ar) CO + H O + 7, 5 N (sem modificar) 4 Nos ases de combustão secos, portanto, existe 1 volume de CO para 7,5 volumes de N. Isto dá um conteúdo de dióxido de carbono (talvez o ítem mais utilizado em tais análises) de 11,73%. Um ráfico com o conteúdo de CO no ás 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 9
10 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor 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 asosa e será apreciado através de um exame do seuinte exemplo de análise de ás. Exemplo 1.4: Um ás de composição: C 3 H 8 CO H N CO O %, em volume, é queimado com 0% de excesso de ar. Determine a análise do ás de combustão sêco. Balanço estequiométrico: ( O + 3,76N ) 0C3 H 8 + 5CO + 30H + 10N + 10CO + 5O + x 95CO + 110H O + yn balanço de oxiênio : x = x = 1,5 volume de ar necessário : 1,5 +1,5 3,76 = 583,1 relação ar/combustível estequiométrica : 583,1 = 5, Foi mostrado que 100 volumes deste ás requer 1,5 volumes de oxiênio, ou 583 volumes de ar atmosférico. Dessa forma, 0% de excesso sinifica que 4,5 volumes extra de oxiênio são fornecidos, para ir através do sistema sem se alterar. Associado a este total de 147 volumes de oxiênio, haverá 553 volumes de nitroênio para se acrescentar aos 100 de combustível. A composição em volumes dos produtos de combustão, incluídos o excesso de ar fica: 10
11 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor 95 CO H O + 55, 7 N + 4, 5 O volume total dos ases secos: composição dos ases secos: 95 CO : = 0, , 4, 5 O : = 0, , 55, 7 N : = 0, 83 67, , 7 + 4, 5 = 67, volume total dos ases úmidos: ,7 + 4,5 = 78, composição dos ases úmidos: 95 CO : = 0, 11 78, 110 H O: = 0, , 4, 5 O : = 0, , 55, 7 N : = 0, , Exemplo 1.5 : Metano é queimado com uma deficiência de 5% de ar estequiométrico. Calcule a análise do ás de combustão. Estequiométricamente, a combustão completa de metano com ar pode ser representada como antes: ( O + 3,76N ) CO + H O 7, CH N e com uma deficiência de de ar de 5%: ( O + 3,76N ) aco+ bco+ ch O 7, CH 4 + 1,9 + 14N É assumido que a oxidação do hidroênio do combustível é inicialmente completada, sua reação pode ser representada como: H + O H O 4 Portanto sobram 0,9 O para oxidação de 1 C, representada em etapas: 11
12 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor C + 09, O CO + 04, O CO + 04, O 08, CO + 0, CO Assim a=0,8 e b=0,, de forma que toda a equação é: CH + 1, 90 O + 7, 14 N 0, 8 CO + H O + 7, 14 N 4 Um processo semelhante pode ser aplicado a combustíveis mais complexos mas precisa-se lembrar que esta simples aproximação tem limitações específicas Determinação da Quantidade do Excesso de Ar da Análise do Gás de Combustão O uso da análise de ás de combustão para determinar a quantidade de ar excedente, se intencionalmente fornecido para a interidade 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 percentaens, e não em quantidades absolutas. Aluns exemplos vão demonstrar a aproximação utilizada. Exemplo 1.6 : O metano é queimado com excesso de ar e dá uma análise de ás de combustão seco de: CO 9,15%, O 4,58%, N 86,7 % por volume (ou kmol/100 kmol). Calcule a quantidade de ar excedente utilizada. Reescrevemos aora a equação da combustão do metano incluído o coeficiente de excesso de ar: ( O + 3,76N ) CO + H O + ( ϕ 1) O ϕ7, CH 4 + ϕ + 5N Observe que o oxiênio estequiométricamente excedente, bem como o nitroênio associado sai junto com os produtos da combustão, compondo assim a massa total dos ases na saída. Para cada kmol de metano queimado nestas condições, é produzido um total de : 1
13 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor 1+ + ( ϕ ) 1 + 7,5ϕ = 1+ 9,5ϕ kmol de produtos de combustão úmido, ou 1+ ( ϕ -1) + 7,5ϕ = 9,5ϕ 1 kmol de produtos de combustão secos Se a concentração de CO é de 9,15% nos ases secos, é possível determinar o coeficiente de excesso de ar: 1 0, 0915 = 95, ϕ 1 ϕ = 15, Quando a combustão foi incompleta e alum monóxido de carbono foi produzido, o cálculo de ar excedente precisa levar isto em conta e fazer concessão ao oxiênio presente no ás de combustão, que pertence ao monóxido de carbono. O aparecimento de monóxido de carbono, devido à combustão incompleta, num ás de combustão em que ar excedente é utilizado, não é prontamente previsível mas o efeito de sua presença é visto na análise do ás. Exemplo 1.7 : Um combustível de composição C H O N S Cinzas 7,0 8,4 8,0,8 3, 5,6 (porcentaem em massa) produz uma análise de ás de combustão sêco de: CO O CO N 1,0 5,0 1, por diferença (porcentaem em volume) e o resíduo sólido da combustão contém 5% de carbono. Determine a quantidade de ar excedente que é fornecida. Existem três etapas para resolver neste cálculo: (1) Calcular as exiências teóricas de ar; () 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 oxiênio, considerando a devida proporção entre CO e CO e O. 13
14 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor 1ª etapa: partindo de l00 k de combustível, incluso as cinzas, já calculamos diretamente o nº de kmol de cada elemento: 0,5 + x = 6 + 4, + 0,1 x = 7,95 ( O + 3,76N ) 6C + 8,4H + 0,5O + 0,N + 0,1S + x 6CO + 4,H O + 0,1SO + x3,76n exiência de oxiênio = 7,95 K.mol/100 K de combustível ª etapa: Para 100 k de combustível existem 7,0 K de carbono. O resíduo sólido da combustão contém a cinza indicada na análise mais carbono não queimado (5%). O resíduo total é assim 5,6 de cinza mais 1,87 K de C. A quantia de C queimado é dessa forma, 5,84 K.mol (7 k - 1,87 k). 6C + 8,4H + 0,5O + 0,N + 0,1S + ϕ7,95 O + 3,76N 5,31CO + 0,53CO + 4,H O + 0,1SO + ( ) zo + ( ϕ3,76 7,95 + 0,) N + 0,16C(nas cinzas) % O % CO = 5 1 = 0,4167 z = 0,4167 5,31 =,1 Observe que foi descontado o parcela de carbono que não queimou, e foi mantido a relação CO /CO, possibilitando o balanceamento correto da equação e o cálculo do coeficiente z, relativo ao O, pela relação O /CO. 3º etapa: o volume total de ases seco produzido é : 5,31+ 0,53 + 0,1+,1+ ( ϕ3,76 7,95 + 0,) = 9,89ϕ + 8,35 sendo o teor de CO iual a 1%, o coeficiente de excesso de ar é calculado : 0,1 = 5,31 ϕ = 1,0 9,89ϕ + 8,35 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 0,0%. O Oxiênio em excesso é devido a somatória das parcelas de oxiênio oriundos do próprio ar em excesso fornecido, de oxiênio devido ao 14
15 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Carbono que não queimou e apareceu nos residuos de cinzas, e de oxiênio devido a formação de monóxido de carbono, que não foi oxidado completamente em CO. 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 aluns 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 Temperatura de Chama Qualquer reação de combustão, na verdade qualquer reação química, pode ser eralmente representada pelo esquema: reaentes (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 atinida uma situação de equilíbrio, a qual deveria ser representada como: A + B C + D Naturalmente, são estabelecidas reações para se atinir 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 rau 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. 15
16 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor 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 000 K, e apresenta-se como um caso particular dos processos erais de combustão e não será aqui tratada em detalhes. Os príncipios erais 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 aseificação de carvão e lenha, ou na fabricação de combustíveis sintéticos 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 oxiênio) /combustível e o rau 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 asosa, este é denominado Poder Calorífico Inferior. Se, por outro lado, a áua 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 áua formada na combustão do hidroênio constituinte e da áua presente no combustível na forma de umidade: onde : ( 9h u) PCi = PCs PCi : PCs : h : u : Poder Calorífico Inferior (kj/k) Poder Calorífico Superior (kj/k) teor de hidroênio constituinte do combustível (k/k) teor de umidade no combustível (k H O / k de combustível sêco) 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 hidroênio do combustível, ou pelo menos, estimado com aluma marem de seurança. A maioria dos processos industriais tem seus produtos de combustão exauridos a temperaturas onde a áua 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. 16
17 EM 7 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor 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 erado 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: m& c PCi = m& Cp ( T T ) ar onde : m taxa de consumo de combustível (k/s) PCi : Poder CaloríficoInferior (kj/k) m T T c Cp ar : : massa de ases de combustão (k/s) : : Calor Específicodos ases de combustão (kj/k K) temperatura de saída dos ases de combustão(temperatura Adiabáticade Chama)(K) : temperatura de entrada do ar de combustão (K) A temperatura Adiabática de Chama é uma abstração, pois nenhum processo real pode ser adiabático, e tanto mais difícil em altas temperaturas, eralmente produzidas em condições de chama. Além disso, a dissociação começa a se fazer sentir em temperaturas acima de 000 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 ases 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 ases de combustão, é possível calcular o calor recebido pelo processo de combustão, o qual será a diferença entre a entalpia dos ases à temperatura adiabática de chama e entalpia de saída dos produtos de combustão: Q& = m& PCi m& Cp c ( Ts T ) ar onde : Q & : Ts calor recebido pela fornalha (kj/s) : temperatura de saída dos ases de combustão na fornalha (K) 17