71741596 uniuv ppem apostila rev 3

CENTRO UNIVERSITRIO DE UNIO DA VITRIAENGENHARIA INDUSTRIAL DA MADEIRA

PROPRIEDADES E PRODUTOS ENERGTICOS DA MADEIRAPATRIC SCHRHAUS2008 REVISO 03 www.hasten.eng.br

Centro Universitrio de Unio da Vitria

PROPRIEDADES E PRODUTOS ENERGTICOS DA MADEIRA

SIMBOLOGIAEquao 1

1a 2 3A 4 Ag 5 cp

30 hs 31 hv 32 hvs 33 I 34 I 35 36 mi 37 m a i 38 mcb i 39 m ar 40 mcb

entalpia do vapor que deixa a caldeira entalpia do vapor entalpia do vapor saturado investimento total na planta

( 9.6 ) ( 9.4 ) ( 9.6 ) ( 11.2 ) ( 11.2 ) ( 1.9 ) ( 1.3 ) ( 9.5 ) ( 7.2 ), ( 9.1 ), ( 9.2 ), ( 9.11 ) ( 9.1 ), ( 9.2 ) ( 7.2 ) ( 5.8 ), ( 9.9 ) ( 5.8 ), ( 9.3 ) ( 5.18 )

coeficiente de excesso de ar rea rea da grelha calor especfico capacidade trmica custo do combustvel consumo especfico de lenha custo da energia gerada relao carbono no queimado / combustvel entalpia do ar de combusto entalpia do combustvel entalpia das cinzas

( 5.8 ), ( 9.9 ) ( 1.8 ) ( 7.2 ) Tabela 13.7, Tabela 13.8, ( 1.3 ) ( 1.2 ) ( 11.2 ) ( 11.1 ) ( 11.2 ) ( 9.17 ) ( 9.1 ), ( 9.2 ), ( 9.3 ), ( 9.9 ) ( 9.1 ), ( 9.2 ), ( 9.3 ) ( 9.14 ), ( 9.15 )

P

custo unitrio de capacidade condutividade trmica massa fluxo de gua de alimentao consumo de combustvel fluxo de ar de combusto taxa de carregamento massa de ar terica ou estequiomtrica massa de ar real massa estequiomtrica de gases de combusto massa real de gases de combusto massa total de gases secos massa estequiomtrica de gases secos vapor para nebulizao do leo combustvel fluxo em massa das purgas fluxo de vapor taxa de evaporao base de clculo para as condies normais de temperatura e presso eficincia da combusto eficincia rendimento trmico da caldeira porcentagem de O2 medida na base da chamin potncia instalada poder calorfico inferior poder calorfico superior porcentagem mxima de CO2 em condies de queima ideal porcentagem medida de CO2 na base da chamin

6C 7 Ccomb 8 C EL 9 C EG 10 Cnq 11 har 12 hcb 13 hcz 14 hgs 15 hv 16 hlv 17 hvp 18 hC 19 hCO2 20 hSO2 21 hN2 22 23 Eanual 24 FCAP 25 FRC 26 FO & M 27 h 28 ha 29 hls

41 mar 42 mar 43 mg 44 mgs 45 mgs 46 mgs 47 m n 48 m pg 49 mv 50 mv 51 n 52 53 54 55 %O 2 56 P 57 PCI 58 PCS 59 %CO 2 60 %CO 2i ii

entalpia da umidade do ar

( 8.4 ), ( 9.1 ), ( 9.2 ), ( 9.3 )

( 9.10 )

entalpia do vapor na presso atmosfrica entalpia do carbono entalpia do CO2 entalpia do SO2 entalpia do N2 emissividade energia gerada em um ano na planta fator de capacidade fator de recuperao de capital frao do custo para operao e manuteno coeficiente de transferncia de calor entalpia da gua entalpia do lquido saturado

( 9.13 ) ( 9.17 ) ( 9.9 ) ( 9.9 ) ( 9.9 ) ( 1.10 ) ( 11.3 ) ( 11.2 ), ( 11.3 ) ( 11.2 ) ( 11.2 ) ( 1.11 ) ( 9.4 ), ( 9.19 ) ( 9.6 ), ( 9.19 )

( 9.5 )

( 9.5 )

( 9.4 ), ( 9.5 ) ( 9.20 )

Tabela 13.4 ( 11.1 ), ( 11.2 ) ( 9.22 ) ( 5.37 ) ( 11.2 ), ( 11.3 ) ( 5.3 ), ( 9.2 ) ( 5.1 ), ( 9.1 ) , ( 9.3 ) ( 5.33 ), ( 5.35 ) ( 5.33 )

1

Nmero da Equao que define este termo ou onde

ele aparece pela primeira vez neste texto.

Copyright Patric Schrhaus 2008 REV 03 www.hasten.eng.br

1



61 %CO 62 q 63 q 64 q 65 q cz 66 qcz 67 q cp 68 qcp 69 q d 70 q f 71 q f 72 qgs 73 q gs 74 q p 75 q pg 76 q pg 77 q u 78 qv 79 q v 80 81 Q 82 Q 83 t 84 T 85 Ti i i i i i i i ii

porcentagem de monxido de carbono em volume carga trmica volumtrica energia liberada o fluxo de calor, que a taxa de transferncia de calor por unidade de rea de superfcie do sistema calor sensvel perdido com as cinzas calor sensvel perdido com as cinzas calor perdido por combusto parcial calor perdido por combusto parcial energia disponvel na fornalha energia disponvel na fornalha energia total fornecida calor perdido com os gases secos calor perdido com os gases secos energia perdida no equipamento calor sensvel perdido com as purgas calor sensvel perdido com as purgas energia absorvida pelo vapor calor perdido com a umidade dos gases calor perdido com a umidade dos gases massa especfica calor taxa de transferncia de calor tempo temperatura temperatura de referncia

( 9.17 ) ( 7.1 ) ( 7.1 )

86 Tc 87 TCO 88 TCO2 89 Tcz 90 t EP 91 Tg 92 Th 93 TH2 94 TH2O 95 Tn 96 TN2 97 To 98 TO2 99 Ts 100 Tw 101 102 CC 103 ar 104 ar 105 g 106 gs 107 g 108 gs 109 vn 110 vsf 111 war 112 W 113 W 114 xi

teor de carbono teor de monxido de carbono teor de dixido de carbono teor de cinzas tonelada equivalente de petrleo temperatura dos gases na chamin teor de hidrognio teor de hidrognio teor de umidade teor de nitrognio teor de nitrognio teor de oxignio teor de oxignio teor de enxofre teor de umidade constante de StefanBoltzmann volume volume estequiomtrico de ar volume real de ar volume estequiomtrico de gases combusto volume estequiomtrico de gases secos volume real de gases de combusto volume real de gases de combusto relao vapor de nebulizao/combustvel relao vapor sopradores de fuligem/combustvel umidade do ar trabalho taxa de transferncia de trabalho ttulo do vapor

( 5.1 ), ( 5.16 ), ( 9.9 ) ( 5.21 ) ( 5.21 ) ( 9.14 ), ( 9.15 )

i

i

( 1.8 )

( 9.10 ) ( 5.1 ), ( 5.16 ), ( 9.13 ) ( 5.21 ) ( 5.21 ) ( 9.9 ) ( 5.21 ) ( 5.1 ), ( 5.16 ) ( 5.21 ) ( 5.1 ), ( 5.16 ) , ( 9.9 ) ( 5.3 ), ( 5.18 ), ( 9.13 ) ( 1.10 ) ( 7.1 ) ( 5.9 ), ( 5.17 ) ( 5.9 ) ( 5.19 ), ( 5.21 ) ( 5.32 ), ( 5.34 ), ( 5.35 )

( 9.14 ) ( 9.15 ) ( 9.16 ) ( 9.17 ) ( 9.2 ) ( 9.3 ) ( 9.1 ) ( 9.9 ) ( 9.11 )

( 9.7 )

( 9.18 ) ( 9.19 ) ( 9.4 ) ( 9.13 ) ( 9.13 ) Tabela 13.7, Tabela 13.8 ( 1.6 ), ( 1.2 ) ( 1.7 ), ( 1.8 ) ( 1.7 ) ( 1.10 ) ( 9.10 )

( 5.32 ), ( 5.36 ), ( 9.17 ) ( 9.13 ) ( 9.13 ) ( 9.1 ), ( 9.2 ), ( 9.13 )

( 9.6 )


2



SUMRIOSIMBOLOGIA .......................................................................................................................... 1 SUMRIO ................................................................................................................................ 3 LISTA DE ABREVIATURAS .................................................................................................... 5 PLANO DE ENSINO ................................................................................................................ 6 11.1 1.2

Noes de grandezas fsicas e unidades ........................................................................ 8Presso ................................................................................................................................................................... 81.1.1 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 Presso atmosfrica...................................................................................................................................................................9 Calor ...........................................................................................................................................................................................9 Troca e propagao do calor .....................................................................................................................................................9 Transferncia de energia por calor ..........................................................................................................................................11 Modos de transferncia de calor ..............................................................................................................................................12

Calor e temperatura ............................................................................................................................................... 9

22.1

Dendroenergia............................................................................................................... 15Introduo............................................................................................................................................................. 152.1.1 2.1.2 Definies e conceitos .............................................................................................................................................................15 O significado da dendroenergia ...............................................................................................................................................18

3 4

Sistemas dendroenergticos ......................................................................................... 23 Dendroenergia: recursos e combustveis dendroenergticos........................................ 264.1.1 4.1.2 4.1.3 Restries disponibilidade dos recursos de biomassa..........................................................................................................26 Caracterizao dos recursos dendroenergticos.....................................................................................................................26 Exerccios .................................................................................................................................................................................27

55.1 5.2

Combustveis................................................................................................................. 30Definio ............................................................................................................................................................... 30 Poder calorfico .................................................................................................................................................... 305.2.1 5.2.2 5.2.3 Poder Calorifico Superior .........................................................................................................................................................30 Poder Calorfico Inferior ...........................................................................................................................................................32 Composio bsica de um combustvel: elementos qumicos.................................................................................................33 Naturais ....................................................................................................................................................................................34 Artificiais ...................................................................................................................................................................................34 Combustveis slidos ...............................................................................................................................................................34 Combustveis lquidos ..............................................................................................................................................................39 Combustveis gasosos .............................................................................................................................................................42 Combustveis nucleares ...........................................................................................................................................................44 Exerccios .................................................................................................................................................................................45 Combusto ...............................................................................................................................................................................47 Modelando o ar de combusto.................................................................................................................................................59 Exerccios resolvidos................................................................................................................................................................61 Exerccio proposto....................................................................................................................................................................65

5.3

Classificao ........................................................................................................................................................ 345.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6

5.4 5.5

Comburente .......................................................................................................................................................... 455.4.1 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4

Processos bsicos da converso dendroenergtica........................................................................................ 46

66.1

Tecnologias dendroenergticas .................................................................................... 71Reduo granulomtrica ..................................................................................................................................... 71

77.1

Fornalhas ...................................................................................................................... 72Conceitos gerais .................................................................................................................................................. 727.1.1 Exerccio resolvido ...................................................................................................................................................................76

88.1 8.2

Caldeiras ....................................................................................................................... 77Introduo............................................................................................................................................................. 77 Aspectos histricos ............................................................................................................................................. 783




8.3 8.4

Componentes principais ..................................................................................................................................... 80 Caldeiras flamotubulares..................................................................................................................................... 828.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4 Tipos de caldeiras flamotubulares............................................................................................................................................83 Vantagens e desvantagens das caldeiras flamotubulares .......................................................................................................86 Partes das caldeiras flamotubulares ........................................................................................................................................86 Exerccios .................................................................................................................................................................................87 Circulao da gua ..................................................................................................................................................................93 Tipos de caldeiras aquatubulares ............................................................................................................................................93 Partes das caldeiras aquatubulares .........................................................................................................................................97

8.5

Caldeiras aquatubulares...................................................................................................................................... 888.5.1 8.5.2 8.5.3

8.6 8.7 8.8 8.9

Caldeiras mistas................................................................................................................................................. 105 Caldeiras de leito fluidizado borbulhante ........................................................................................................ 107 Caldeiras de recuperao de calor ................................................................................................................... 1128.8.1 8.9.1 Exerccios ...............................................................................................................................................................................113 Exerccios ...............................................................................................................................................................................116

Calor associado ao vapor e gases de combusto .......................................................................................... 114

99.1 9.2 9.3 9.4

Balano energtico de caldeiras ................................................................................. 117Clculo da energia disponvel........................................................................................................................... 117 Clculo da energia til ....................................................................................................................................... 119 Clculo da energia perdida................................................................................................................................ 120 Taxa de evaporao e rendimento trmico...................................................................................................... 1249.4.1 9.4.2 Exerccio resolvido .................................................................................................................................................................126 Exerccio proposto..................................................................................................................................................................134

10

Gaseificao da biomassa .......................................................................................... 13510.1 10.2 10.3 Histrico.............................................................................................................................................................. 135 Conceitos gerais ................................................................................................................................................ 135 Gaseificao aplicada........................................................................................................................................ 13910.2.1 Aspectos termodinmicos e qumicos da gaseificao..........................................................................................................138 10.3.1 Comparao de gaseificadores..............................................................................................................................................140

11

Dendroenergia e gerao eltrica ............................................................................... 14311.1 11.2 Sistemas de pequena e mdia capacidade ...................................................................................................... 145 Ciclos associdos de gaseificadores de biomassa com turbinas a gs......................................................... 15111.1.1 Gaseificao de biomassa para gerao eltrica em grande escala.....................................................................................148 11.2.1 Turbina a gs .........................................................................................................................................................................153 11.2.2 Gaseificao da biomassa .....................................................................................................................................................155 11.2.3 Experincias e perpecstivas mundiais ...................................................................................................................................157

11.3

Anlise paramtrica de um gaseificador de resduos de madeira................................................................. 158Introduo ..............................................................................................................................................................................159 Caracterizao da biomassa..................................................................................................................................................160 Princpios da gaseificao......................................................................................................................................................161 Gaseificadores de leito fixo ....................................................................................................................................................162 Questionrio ...........................................................................................................................................................................165

11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4 11.3.5

12 13

Bibliografia................................................................................................................... 167 Anexos ........................................................................................................................ 169

CONTROLE DE REVISES................................................................................................ 183 INSTRUES PARA DOWNLOAD DA APOSTILA ............................................................ 183


4



LISTA DE ABREVIATURASA 01 ASME A 02 ASTM A 03 BIG A 04 BPF A 05 DOE A 06 EUA A 07 GLP A 08 GT A 09 HAC A 10 IGCC A 11 IGCE A 12 ISTIG A 13 MTb A 14 MKS A 15 NR A 16 PMTA A 17 PMTP A 18 SI A 19 SSU A 20 SSF A 21 STIGAmerican Society of Mechanical Engineers American Society for Testing Materials Biomass Integrated Gasification Baixo Ponto de Fluidez Departamento de Energia do governo dos EUA Estados Unidos da Amrica Gs Liquefeito do Petrleo Gas Turbine Hot Air Cicles Integrated Gasefication Combustion Cycle Integrated Gasefication Combustion Engine Intercooled Steam Injected Gas Turbine Ministrio do Trabalho MetroQuilogramaSegundo Norma Regulamentadora Presso Mxima de Trabalho Admissvel Presso Mxima de Trabalho Permitida Sistema Internacional Segundos Saybolt Universal Segundos Saybolt Furol Steam Injected Gas Turbine


5

FUNDAO MUNICIPAL CENTRO UNIVERSITRIO DA CIDADE DE UNIO DA VITRIA Av: Bento Munhoz da Rocha Neto, 3856 Bairro So Baslio Magno Caixa Postal 228 Telefax (42) 3522 1837 Home page: www.face.br email: [email protected] CNPJ 75.967.745/000123 CEP 84600000 UNIO DA VITRIA PARAN

PLANO DE ENSINOIdentificao Curso: Engenharia Industrial da Madeira Disciplina: Propriedades e Produtos Energticos da Madeira Srie: 4 Carga Horria Horas/Aula Semanal: 02 h/a Horas/Aula Anual: 72 h/a Ementa A biomassa florestal; madeira como material combustvel; processos de pirlise, hidrlise e combusto da biomassa; carvo vegetal; fornalhas e fornos de carbonizao; gaseificao da madeira; produo de metanol e etanol a partir da madeira; unidades geradoras de energia; gerao de vapor; balano energtico em unidades geradoras de vapor; controle da poluio. Objetivos Objetivo geral Aperfeioar os conhecimentos gerais dos acadmicos com relao s propriedades e produtos energticos da madeira na indstria madeireira. Objetivos especficos Fomentar os conhecimentos dos acadmicos acerca das formas de obteno de energia atravs da madeira; Ensinar a raciocinar atravs de proplemas possivelmente encontrados na indstria de transformao da madeira; A preparao dos estudantes para utilizar a disciplina na prtica da engenharia; O fornecimento de uma bse slida para cursos posteriores.

Bim

Data 27/02 06/03 13/03 20/03

HA 2 4 6 8

Contedo Programtico Contedo Apresentao da disciplina, discusso geral sobre o tema dendroenergia Dendroenergia: Introduo, Definies e conceitos Restries disponibilidade dos recursos de biomassa Caracterizao dos recursos dendroenergticos Feriado Combustveis, Definio, Composio bsica de um combustvel: elementos qumicos, Elementos qumicos, Substncias qumicas Classificao, Naturais, Artificiais, Combustveis slidos, Combustveis lquidos, Combustveis gasosos, Combustveis nucleares, Comburente Processos bsicos da converso dendroenergtica, Combusto Prova 01 | 2007 Sem aula: Dia do Trabalho Tecnologias Dendroenergticas: Prprocessamento dos recursos dendroenergticos Reduo Grenulomtrica; Secagem; Densificao. Combusto direta da biomassa Fornalhas Sem aula: Inaugurao do CEMAD Sem aula: Iniciao Cientfica Sistemas Industriais (Gerao de calor de processo) Grelhas e sistemas de combusto Prova 02 | 2007 Caldeiras: Aguatubulares, Flamotubulares; Mistas. Vaor superaquecido e vapor saturado. Equipamentos Perifricos: praquecedores de ar, economizadores de gua, tiragem, sopradores de fuligem, superaquecedores Balano energtico em caldeiras Gaseificao aplicada

Atividade

RD

1

27/03 03/04 10/04 17/04 24/04 01/05 08/05 15/05 22/05 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

2

29/05 05/06 12/06 19/06 26/06 03/07

3

31/07 07/08 14/08 21/08

FUNDAO MUNICIPAL CENTRO UNIVERSITRIO DA CIDADE DE UNIO DA VITRIA Av: Bento Munhoz da Rocha Neto, 3856 Bairro So Baslio Magno Caixa Postal 228 Telefax (42) 3522 1837 Home page: www.face.br email: [email protected] CNPJ 75.967.745/000123 CEP 84600000 UNIO DA VITRIA PARAN

28/08 04/09 11/09 18/09 25/09 02/10 09/10 4 16/10 23/10 30/10 06/11 13/11 20/11 27/11 30/11

46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72

Eficincia de gaseificadores Prova 3 | 2007 Pirlise rpida e obteno de bioleos Aplicaes da dendroenergia: Uso de subprodutos para gerao de calor em fornos e caldeiras Dendroenergia e gerao eltrica Dendroenergia e siderurgia Dendroenergia e temas scio ambientais: A problemtica energia versus alimentos Dendroenergia e gerao de emprego Dendroenergia e meio ambiente Aspectos ambientais na fase agrcola Efeitos ambientais na fase de converso Dendroenergia e mudana climtica: sequestro e substituio de emisses de carbono Prova 04 | 2007

Prova de Recuperao 4 Bim as 19:00 h

Metodologia ou Procedimentos de Ensino Aula expositivas (teoria e exemplos); Resoluo de exerccios; Estudos de caso. Avaliao (Instrumentos e/ou procedimentos) Uma provas individual escrita e um trabalho em grupo por bimestre. A nota bimestral ser obtida pela mdia aritmtica simples das duas avaliaes. Bibliografia Bsica HORTA NOGUEIRA, Luiz Augusto et al. Dendroenergia: fundamentos e aplicaes. Braslia: ANEEL, 2000 MORAN, Michael J.; SHAPIRO, Howard N.. Princpios de Termodinmica para Engenharia. 4. ed. LTC: Rio de Janeiro, 2002. VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C.. Fundamentos da Termodinmica Clssica. 4. Ed. Edgard Blcher: So Paulo, 1995 Bibliografia Complementar http://www.equipalcool.com.br BIZZO, Waldir A.. Gerao, Distribuio e Utilizao de Vapor. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecnica. Disponvel em: http://www.fem.unicamp.br/~em672/GERVAP4.pdf Acesso em: 24/01/06 BRIZUELA, E.; ROMANO, S. D.. Combustin: 1ra Parte. Departamento de Ingeniera Mecnica y Naval. Facultad de Ingeniera, UBA: 2003 http://www.bremer.com.br Brasil Escola. Troca e Propagao do Calor. Disponvel em: http://www.brasilescola.com/fisica/propagacaocalor.htm Acesso: 01/07/07 BAZZO, Edson. Gerao de Vapor. 2. ed. Florianpolis. Ed. da UFSC: 1995

CENTRO UNIVERSITRIO DE UNIO DA VITRIA


1 NOES DE GRANDEZAS FSICAS E UNIDADES1.1 PRESSOTemos um butijo rgido de metal contendo um gs como aquele que usamos na cozinha. Na Figura 1.1, as molculas do gs so representadas por pontinhos em movimento constante. claro que o nmero dessas molculas tremendamente grande mas, para nossos fins, basta ver algumas delas, como na Figura 1.1. Imagine que h, dentro do gs, uma superfcie rgida de metal. Essa folha de metal pode existir realmente ou ser apenas imaginada por voc, tanto faz. Na figura, vemos essa folha de lado, por isso parece um trao. Ela continuamente atingida, de ambos os lados, pelas molculas do gs. Cada choque faz uma pequena fora sobre a superfcie e, somando todas as pequenas foras, vemos que a folha de metal est sendo empurrada (ou pressionada) pelas molculas. Acontece que, em mdia, o nmero de choques de um dos lados igual ao nmero de choques no lado oposto. Portanto, a fora exercida pelo gs sobre um dos lados da superfcie igual fora sobre o outro. Com isso, a folha de metal fica em equilbrio.

Figura 1.1 Butijo rgido de metal contendo gs

Pois bem, vamos chamar de presso do gs a fora feita sobre um dos lados dividida pela rea da folha. claro que a presso sobre a folha a mesma em cada lado, o que faz com que ela no se abale de seu lugar. Reina, dentro do gs, um equilbrio dinmico. Agora, com um pouco de imaginao, voc vai concordar com as seguintes afirmaes: A presso a mesma em qualquer posio dentro do butijo. Como o gs est bem distribuido dentro do butijo, no h razo para que a presso em um ponto seja diferente da presso em outro ponto. Se isso acontecer, por acaso, as molculas rapidamente se redistribuem de modo a homogeneizar a presso; A fora no depende da orientao da folha. Na figura, desenhamos uma folha inclinada mas, a presso seria a mesma se ela estivesse horizontal ou vertical ou de qualquer outro jeito; A presso a mesma sobre as paredes do butijo ou sobre qualquer superfcie dentro do gs. Do lado de fora do butijo, esto as molculas do ar atmosfrico, elas tambm em constante movimento, bombardeando as paredes externas com seus pequenos choques. Em outras palavras, o ar exerce uma presso sobre as paredes externas do butijo. Essa presso a presso atmosfrica. Normalmente, ela menor que a presso do gs no interior do butijo. As paredes de metal do butijo precisam ser suficientemente rgidas para resistir a essa diferena de presso. Como a presso uma fora por rea, a unidade usada para ela pode muito bem ser o quilogramafora por metro quadrado [ kgf / m2 ]. Ou o quilogramafora por centmetro quadrado [ kgf / cm2 ]. Ou ainda, a librafora por polegada quadrada [ lbf / pol2 ] ou [ PSI ], usada para indicar a presso dos pneus de carro [ 12.15 ]. A unidade de presso admitida pelo SI, o pascal, [ Pa ]. A presso frequentemente medida em outras unidades (atmosferas [ atm ], librafora por polegada quadrada [ lbf / pol2 ] ou [ PSI ], o quilogramafora por centmetro quadrado [ kgf / cm2 ], etc.). Mas o pascal a unidade apropriada no sistema MKS.

p=

F A p F APresso Fora rea [ Pa ] [N] [ m2 ]

( 1.1 )


8



1.1.1

Presso atmosfrica

Quando falamos em preso atmosfrica, estamos insinuando a presso exercida pelo peso de ar que paira sobre ns. O ar na atmosfera alcana uma altura enorme. Logo, mesmo que a sua densidade seja baixa, ele ainda exerce uma grande presso:

Presso atmosfrica no nvel do mar = 1,013 x 105 [ Pa ]Ou seja, a atmosfera exerce uma fora de cerca de 1,0 x 10 [ N ] em cada metro quadrado na superfcie da terra! Isto um valor muito grande, mas no notado porque existe geralmente ar tanto dentro quanto fora dos objetos, de modo que as foras exercidas pela atmosfera em cada lado do objeto so contrabalanadas. Somente quando existem diferenas de presso em ambos os lados que a presso atmosfrica se torna importante. Um bom exemplo quando se bebe utilizando um canudo: a presso reduzida no alto do canudo, e a atmosfera empurra o lquido atravs do canudo at a boca [ 12.14 ].5

1.2 CALOR E TEMPERATURA1.2.1 Calor

Definio uma forma de energia que se propaga de um corpo para outro, quando entre eles h uma diferena de temperatura. O calor pode ser obtido de vrias maneiras:atrito entre dois corpos; resistncia eltrica; queima de combustveis; aquecimento provocado pelo sol (energia solar).

1.2.2

Troca e propagao do calor

Sendo uma modalidade de energia, o calor poderia ser medido em Joule [ J ]. Porm, comum a utilizao da caloria [ cal ]. [ 12.29 ]

1[ cal ] = 4,186 [ J ]

1 [ kcal ] = 1000 [ cal ]

1.2.2.1

Capacidade trmica de um corpo

o quociente entre a quantidade de calor Q recebido ou cedido por um corpo e a correspondente variao de temperatura T. A unidade de capacidade trmica [ cal / C ]. [ 12.29 ]

C=

Q T C Qcapacidade trmica quantidade de calor

( 1.2 )

[ cal / C ] [ cal ]

A capacidade trmica de um corpo representa a quantidade de calor necessria para que a temperatura do corpo varie de 1 [ C ]. [ 12.29 ]


9



1.2.2.2

Calor especfico de uma substncia

A capacidade trmica de um corpo, vai depender da massa do corpo e de uma constante c p , denominada de calor especfico. [ 12.29 ]

C = m cp cp mcalor especfico massa

( 1.3 )

[ cal / g C ] [g]

Como C =

Q Q teremos m c p = , ou seja T T( 1.4 )

cp =

Q m T

Desta forma, c p igual quantidade de calor que deve ser cedida a 1 [ g ] substncia para provocar nela uma variao de temperatura de 1 [ C ]. [ 12.29 ]

1.2.2.3

Equao fundamental da calorimetria

Consideremos um corpo de massa m temperatura inicial Ti. Fornecendose uma quantidade de calor Q a esse corpo, suponha que sua temperatura aumente at Tf. A experincia mostra que a quantidade de calor Q proporcional massa e variao de temperatura (Tf Ti); logo:

Q = m c p (T f Ti ) Q = m c p T cp m T QObservao 1: calor especfico da substncia massa variao de temperatura quantidade de calor

( 1.5 )

[ cal / g C ] [g] [ C ] [ cal ]

Se Tf > Ti o corpo recebe calor, isto , Q > 0. Se Tf < Ti o corpo cede calor, isto , Q < 0. O produto m c p a capacidade trmica do corpo; logo: C = m c p .


10



1.2.2.4

Exerccio resolvidoCalcular a quantidade de calor necessria para elevar uma massa de 500 [ g ] de ferro de 15 [ C ] para 85 [ C ]. O calor especfico do ferro igual a 0,114 [ cal / g C ]. [ 12.29 ]

ISoluo

Se o massa de ferro aumenta de temperatura o calor sensvel; logo:

cal Q = m c p (T f Ti ) = 500 [ g ] 0,114 ( 85 15 ) [ C] = 3990 [ cal] g C Portanto, a quantidade de calor recebida pelo ferro de 3990 [ cal ].Observao 2:

A brisa martima e a brisa terrestre devido ao calor especfico da gua e da terra. Por a gua ter um dos maiores calores especficos ela no s custa a aumentar a temperatura como tambm custa a ceder. O ar ficando mais denso nas proximidades devido a temperatura mais baixa durante o dia (do que a terra) surgir assim a brisa martima. A noite o processo se inverte. Ela tambm que regula a temperatura terrestre. [ 12.29 ]

Tabela 1.1 calor especfico de algumas substncias (Fonte: [ 12.29 ])

Substncia Mercrio Alumnio Cobre Chumbo Prata

Calor especfico [ cal / g C ]

Substncia Ferro Lato Gelo gua Ar

Calor especfico [ cal / g C ]

0,033 0,217 0,092 0,030 0,056

0,114 0,094 0,550 1,000 0,240

1.2.3

Transferncia de energia por calor

A quantidade designada por Q na Eq. 2.29 responsvel pela energia transferida para um sistema fechado durante um processo atravs de outro meio que no o trabalho. Baseado na experincia, sabese que tal transferncia de energia induzida apenas como resultado de uma diferena de temperatura entre o sistema e sua vizinhana, e ocorre somente na direo decrescente de temperatura. Este meio de transferir energia chamado de transferncia de energia atravs de calor. Devido importncia deste conceito em Termodinmica aplicada Engenharia, esta seo dedicada a uma considerao adicional sobre a transferncia de energia por calor.

1.2.3.1

Conveno de sinais, notao e taxa de transferncia de calor

O smbolo Q designa uma quantidade de energia transferida atravs da fronteira de um sistema em uma interao de calor com a vizinhana do sistema. A transferncia de calor para um sistema considerada positiva, e a transferncia de calor de um sistema considerada negativa. Q > 0: calor transferido para o sistema Q < 0: calor transferido do sistemaCopyright Patric Schrhaus 2008 REV 03 www.hasten.eng.br 11



Esta conveno de sinais utilizada ao longo de todo esta apostila. Porm, assim como foi indicado para o caso de trabalho, algumas vezes conveniente mostrar a direo da transferncia de energia por uma seta no desenho que representa o sistema, e a transferncia de calor considerada positiva na direo da seta. Em um processo adiabtico, no existe transferncia de energia por calor. Esta conveno de sinais para a transferncia de calor justamente o inverso daquela adotada para o trabalho, em que um valor positivo para W significa uma transferncia de energia do sistema para a vizinhana. Estes sinais para calor e trabalho so um legado de engenheiros e cientistas que estavam preocupados principalmente com motores a vapor e outros dispositivos que produzem trabalho na sada a partir de uma entrada de energia por transferncia de calor. Para tais aplicaes, era conveniente considerar tanto o trabalho produzido quanto a entrada de energia por transferncia de calor como quantidades positivas. A quantidade de calor transferida depende dos detalhes do processo, e no apenas dos estados inicial e final. Assim, da mesma forma que o trabalho, o calor no uma propriedade, e sua diferencial escrita como Q. A quantidade de energia transferida por calor durante um processo dada pela integral

Q = Q1

2

( 1.6 )

em que os limites de integrao significam do estado 1 at o estado 2 e no se referem aos valores do calor nestes estados. Assim como para o trabalho, a noo de calor em um estado no tem sentido, e a integral no deve jamais ser calculada como Q2 Q1. A taxa de transferncia de calor lquida representada por Q . A princpio, a quantidade de energia transferida sob a forma de calor durante um determinado perodo pode ser calculada integrandose do tempo t1 ao tempo t2i

Q = Q dtt1

t2

i

( 1.7 )

Para realizar a integrao, seria necessrio saber como a taxa de transferncia de calor varia com o tempo. Em alguns casos conveniente utilizar o fluxo de calor, q , que a taxa de transferncia de calor por unidade de rea de superfcie do sistema. A taxa lquida de transferncia de calor, Q , est relacionada ao fluxo de calor q pela integrali i i

Q = q dAi A

i

( 1.8 )

onde A representa a rea na fronteira do sistema na qual ocorre a transferncia de calor. Unidades. As unidades para Q e Q so as mesmas apresentadas para W e W , respectivamente. As unidades de fluxo de calor so aquelas da taxa de transferncia de calor por unidade de rea: [ kW / m2 ] ou [ Btu / h ft2 ].i i

1.2.4

Modos de transferncia de calor

Mtodos baseados na experincia esto disponveis para avaliar a transferncia de energia sob a forma de calor. Estes mtodos reconhecem dois mecanismos bsicos de transferncia: conduo e radiao trmica. Alm disso, relaes empricas esto disponveis para avaliar a transferncia de


12



energia que envolve certos modos combinados. Uma breve descrio de cada um destes mtodos dada a seguir. Consideraes mais detalhadas so deixadas para um curso de Transferncia de Calor aplicada Engenharia, quando estes tpicos so estudados em profundidade.

1.2.4.1

Conduo

A transferncia de energia por conduo pode ocorrer em slidos, lquidos e gases. A conduo pode ser imaginada como a transferncia de energia das partculas mais energticas de uma substncia para as partculas adjacentes que so menos energticas, devido a interaes entre as partculas. A taxa temporal de transferncia de energia por conduo quantificada macroscopicamente pela lei de Fourier. Como uma aplicao elementar, considere a Figura 1.2, que mostra uma parede plana de espessura L em regime permanente, onde a temperatura T(x) varia linearmente com a posio x. Pela lei de Fourier, a taxa de transferncia de calor atravs de qualquer plano normal direo x, Q x , proporcional rea da parede, A, e ao gradiente de temperatura na direo x, dT / dx.ii

Q x = A

dT dx

( 1.9 )

em que a constante de proporcionalidade uma propriedade chamada de condutividade trmica. O sinal negativo uma conseqncia da transferncia de energia na direo decrescente da temperatura. Por exemplo, neste caso a temperatura varia linearmente; portanto, o gradiente de temperatura

dT T2 T1 = dx Le a taxa de transferncia de calor na direo x , ento,i T T Q x = A 2 1 L

Os valores para a condutividade trmica so dados na Tabela 13.7 (English Units) e Tabela 13.8 (unidades do SI) para materiais comuns. As substncias com valores elevados de condutividade trmica, como o cobre, so boas condutoras, e aquelas com baixas condutividades (cortia e espuma de poliestireno) so boas isolantes.

1.2.4.2

Radiao

A radiao trmica emitida pela matria como resultado de mudanas na configurao eletrnica dos tomos ou molculas no seu interior. A energia transportada por ondas eletromagnticas (ou ftons). Diferentemente da conduo, a radiao trmica no depende de nenhum meio para propagarse e pode at mesmo ocorrer num vcuo. As superfcies slidas, gases e lquidos emitem, absorvem e transmitem radiao trmica em vrios graus. A taxa na qual a energia emitida, Qe, a partir de uma superfcie de rea A quantificada macroscopicamente por uma forma modificada da lei de StefanBoltzmann

Q e = A Tb4

i

( 1.10 )

que mostra que a radiao trmica est associada quarta potncia da temperatura absoluta da superfcie, Tb. A emissividade, , uma propriedade da superfcie que indica a eficincia da superfcie irradiante ( 0 1,0 ), e a constante de StefanBoltzmann. Em geral, a taxa lquida de transferncia de energia por radiao trmica entre duas superfcies envolve relaes entre as


13



propriedades das superfcies, suas orientaes em relao s outras, a extenso na qual o meio de propagao espalha, emite e absorve radiao trmica, e outros fatores.

1.2.4.3

Conveco

A transferncia de energia entre uma superfcie slida a uma temperatura Tb e um gs ou lquido adjacente em movimento a uma outra temperatura Tf tem um papel importante no desempenho de muitos dispositivos de interesse prtico. Esta transferncia comumente denominada conveco. Como ilustrao, considere a Figura 1.3, em que Tb > Tb. Neste caso, a energia transferida no sentido indicado pela seta devido aos efeitos combinados da conduo no ar e do movimento global de ar. A taxa de transferncia de energia da superfcie para o ar pode ser quantificada pela seguinte expresso emprica:

Q e = h A (Tb T fi

)

( 1.11 )

conhecida como lei do resfriamento de Newton. Na Equao ( 1.11 ), A a rea da superfcie, e o fator de proporcionalidade h chamado de coeficiente de transferncia de calor. Em aplicaes subseqentes da Equao ( 1.11 ), um sinal negativo pode ser introduzido no lado direito em conformidade com a conveno de sinais para transferncia de calor apresentada na Seo 1.2.3.1. O coeficiente de transferncia de calor no uma propriedade termodinmica. Ele um parmetro emprico que incorpora, na relao da transferncia de calor, a natureza do escoamento prximo superfcie, as propriedades do fluido e a geometria.Tabela 1.2 Valores tpicos do coeficiente de transferncia de calor por conveco (Fonte: [ 12.27 ])

Aplicaes Conveco livre Gases Lquidos Conveco forada Gases Lquidos

h[ W / m K ] [ Btu / h ft2 R ]2

2 25 50 1000 25 250 50 20000

0,35 4,4 8,8 180 4,4 44 8,8 3500

Figura 1.2 Ilustrao da lei da conduo de Fourier (Fonte: [ 12.27 ])

Figura 1.3 Ilustrao da lei do resfriamento de Newton (Fonte: [ 12.27 ])


14



2 DENDROENERGIA2.1 INTRODUO2.1.1 Definies e conceitos

O termo biomassa engloba a matria vegetal gerada atravs da fotossntese e os seus derivados, tais como: resduos florestais e agrcolas, resduos animais e a matria orgnica contida nos resduos industriais, domsticos, municipais, etc. Estes materiais contm energia qumica provinda da transformao energtica da radiao solar. Essa energia qumica pode ser liberada diretamente por combusto, ou convertida atravs de algum processo em outras fontes energticas mais adequadas, para um fim qualquer desejado, tal como o lcool e o carvo vegetal. Aproveitando aproximadamente 1 [ % ] do total da radiao solar incidente sobre a Terra, estimase que anualmente sejam produzidas, 9 pelo processo de fotossntese, cerca de 22010 toneladas de biomassa (base seca), o que eqivale a 15 uma energia de 210 [ MJ ], ou seja, mais que 10 vezes a energia global consumida por ano no nosso planeta (SMIL, 1985). O total de energia existente na cobertura vegetal da Terra, incluindose os bosques tropicais e temperados, as savanas e campos, estimado como sendo cerca de 100 vezes o consumo atual de energia ao longo de um ano na Terra. Naturalmente s uma parte desta enorme quantidade de energia pode ser utilizada para atender as necessidades humanas, porm estes nmeros servem para dar uma idia da importncia que tem o potencial energtico das biomassas. Os recursos energticos da biomassa podem ser classificados de diversas maneiras, entretanto devese reconhecer que aos fluxos de energia de biomassa so associados os biocombustveis que, por sua vez, podem ser apresentados em trs grupos principais, de acordo com a origem da matria que os constitui. Dessa forma, existem os biocombustveis da madeira (dendrocombustveis), os combustveis de plantao no florestal (agrocombustveis) e os resduos urbanos. A Tabela 2.1 mostra esta classificao dos biocombustveis, que sero descritos com maiores detalhes a seguir. Tratase de uma descrio simples, apresentando os recursos, de maneira a comparar os tratamentos tpicos utilizados nos estudos energticos e florestais, e tambm comparando dados de distintas fontes. biocombustvel da madeira (dendrocombustvel): Inclui basicamente a lenha que pode ser produzida e obtida de maneira sustentvel a partir de florestas plantadas ou nativas, respeitando limites que possibilitem a regenerao natural de tais florestas, ou tambm obtidas por desmatamento de formaes nativas com o intuito, neste caso, de obter terras para atividades agropecurias. Podese tambm obter estes combustveis atravs de atividades que processam ou utilizam a madeira com finalidade no exclusivamente energtica, como por exemplo em serrarias e indstrias de celulose, tal como esquematizado na Figura 2.1. O contedo energtico contido nesta classe de biomassa est associado basicamente aos contedos de celulose e lignina presentes na biomassa em questo, apresentando, em geral, baixa umidade e adotando preferencialmente rotas termoqumicas de transformao para seu uso final, como nos sistemas de combusto ou carbonizao. Outros exemplos mais complexos de combustveis de origem florestal so: o carvo vegetal, o licor negro (subproduto da indstria de celulose) e o metanol ou lcool metlico, produzido a partir da madeira. biocombustveis no florestais (agrocombustveis): Tipicamente produzidos a partir de cultivos anuais. Apresentam maior umidade que os biocombustveis florestais. Seu uso, em geral, exige primeiramente uma converso em outro produto energtico mais adequado. Nesta classe temse, por exemplo, a canadeacar, cujo valor energtico est associado ao contedo de celulose, amido, acares e lipdeos que, por sua vez, determinam o tipo de produto energtico que se pode obter. Tambm podem ser denominados biocombustveis no florestais diversos tipos de subprodutos energticos provindos de atividades relacionadas com a produo e processamento de produtos agrcolas, materiais estes que muitas vezes, de maneira incorreta e depreciativa, so chamados de resduos. Como exemplos destes subprodutos agrcolas tmse: aqueles produzidos em propriedades agrcolas e que esto diretamente associados produo de vegetais; subprodutos de origem animal, basicamente diversos tipos


15



de esterco e subprodutos agroindustriais, que resultam do processamento de produtos agrcolas, como o caso do bagao de cana, das cascas de arroz ou de caf. resduos urbanos: embora inclua materiais de outras origens, tais como os plsticos e metais, a maior parte do lixo e praticamente toda a parte orgnica das guas de esgotos representada por biomassa. A utilizao para fins energticos destes resduos pode significar um considervel benefcio ambiental e uma gradual eliminao de materiais contaminantes, que quase sempre provocam crescentes dificuldades nas cidades e vilas. O processo de transformao em outros produtos energticos se define basicamente de acordo com a umidade, podendo ser empregados desde a biodigesto anaerbia at os sistemas de combusto direta.Tabela 2.1 Classificao dos biocombustveis

1 nvel biocombustveis da madeira

2 nvel

definio

combustveis diretos da madeira produzida para fins energticos, usada diretamente ou madeira indirctamente como combustvel combustveis indiretos da madeira inclui biocombustveis slidos, lquidos ou gasosos, subprodutos da explorao florestal e resultantes do processamento industrial da madeira para fins no energticos madeira usada diretamente ou indiretamente como combustvel, derivada de atividades socioeconmicas que empregam produtos de origem florestal tipicamente combustveis slidos e lquidos produzidos a partir de plantaes anuais, como o caso do lcool da canadeacar principalmente resduos de colheitas e outros tipos de subprodutos de culturas, como palhas e folhas basicamente esterco de aves, bovinos e sunos basicamente subprodutos de agroindstrias, como o bagao de cana e a casca de arroz resduos slidos e lquidos gerados em cidades e vilas

dendrocombustveis combustveis de madeira recuperada biocombustveis no florestais combustveis de plantaes energticas subprodutos agrcolas agrocombustveis subprodutos animais subprodutos agroindustriais resduos urbanos

Bosques e rvoresMadeira para usos no energticos Madeira para fins energticos

Indstrias de celulose

Outras indstrias madeireiras

Sociedade: usurios de produtos derivados da madeira

Indstria florestalCombustveis indiretos da madeira Combustveis da madeira recuperada Combustveis diretos da madeira

Processos termoqumicos

Queima direta ou processamento mecnicoDendrocombustveis primrios ou secundrios

Usurios finais de energia

Setor residencial Setor industrial Gerao de eletricidade Setor de transporte

Figura 2.1 Fluxos de biocombustveis da madeiraCopyright Patric Schrhaus 2008 REV 03 www.hasten.eng.br 16



Vale observar que, de maneira geral, os energticos podem ser considerados como primrios, quando correspondem a materiais ou produtos obtidos diretamente da natureza, por exemplo, a lenha e a canadeacar, ou secundrios, como so os combustveis resultantes de processos de converso dos combustveis energticos primrios. Nesta classe esto o carvo vegetal produzido a partir da madeira e o lcool produzido a partir de substncias fermentvels. Algumas biomassas so de difcil classificao, como o caso de resduos vegetais na etapa inicial de transformao em carvo mineral, ou mesmo os leos vegetais produzidos a partir de produtos derivados das rvores, como o caso do dend, que poderia ser considerado um dendrocombustvel ou um agrocombustlvel. Outras formas de classificao da energia da biomassa so: considerar as rotas tecnolgicas a serem adotadas para sua utilizao, ou considerar seu nvel de difuso. Segundo esta ltima classificao podese ter a energia de biomassa tradicional, como a lenha, o carvo vegetal, a palha e casca de arroz, os resduos vegetais e animais, recursos bastante conhecidos e utilizados, e a bioenergia moderna associada aos resduos da utilizao industrial da madeira, o bagao de cana, as culturas energticas e os resduos urbanos, de difuso mais restrita ou em fase de desenvolvimento. Mas, alm de buscar uma classificao perfeita, importante ter em mente, sempre que possvel, a origem e a utilizao de um determinado biocombustlvel, para efeito de reconhecer impactos e potenciais. O termo dendroenergla se associa com a biomassa energtica lignocelulsica em geral e seus subprodutos, sobretudo em bases renovveis, sendo considerados como temas dendroenergticos os aspectos tcnicos, scioeconmicos e ambientais relacionados com a produo florestal, o pr processamento dos recursos florestais e semelhantes, sua eventual converso m outras formas de energia final e, por ltimo, sua efetiva utilizao. Por sua afinidade com as tecnologias de utilizao da lenha, outros produtos o madeireiros, porm de composio semelhante, tambm fizern parte da temtica dendroenergtica, como o bagao e diversos resduos ou subprodutos agrcolas e agroindustriais.


17



2.1.2

O significado da dendroenergia


18




19




20




21




22



3 SISTEMAS DENDROENERGTICOS


23




24




25



4 DENDROENERGIA: RECURSOS E COMBUSTVEIS DENDROENERGTICOS4.1.1 Restries disponibilidade dos recursos de biomassa

Ao se buscar a determinao de biomassa energtica em um pas ou regio, importante considerar as restries de ordem ecolgica, econmica e tecnolgica. Somente assim toda a biomassa potencialmente disponvel pode assumir o conceito de reserva, a partir do qual se determina o potencial anual de produo. As restries ecolgicas esto associadas preservao do meio ambiente e da qualidade de vida. Assim se justificam, por exemplo, a proteo de macios florestais naturais nas nascentes dos rios, nos parques nacionais, nas encostas sujeitas eroso. Os custos ambientais em longo prazo decorrido da explorao de resduos agrcolas, devido a uma eventual reduo de matria orgnica e nutriente do solo, podendo ser maiores que os benefcios energticos. Existe um limite biolgico para recuperao da Biomassa para condio de solo, clima e vegetao, mas passado esse limite o equilbrio do ecossistema fica comprometido. O balano energtico, relacionando o consumo e a produo de energia no processo, uma ferramenta importante na seleo das biomassas como potenciais vetores energticos. As restries tecnolgicas se devem a existncia ou no de processos confiveis e operaes para converso da biomassa em combustveis de uso mais geral. Esta restrio est associada a viabilidade econmica de cada processo. A investigao tecnolgica tem melhorado continuamente os sistemas de converso de biomassa, buscando ampliar suas possibilidades efetivas de utilizao.

4.1.2

Caracterizao dos recursos dendroenergticos

As caractersticas da biomassa como fontes de energia so: composio qumica, umidade e poder calorfico. Composio qumica elementar: percentual em massa dos principais elementos que constituem a biomassa, referido a matria seca. Observamse os valores de (C) carbono, (H) hidrognio, (S) enxofre, (O) oxignio, (N) nitrognio e (A) cinzas. A composio qumica elementar constitui a base dos clculos de combusto. Composio qumica imediata: referese ao contedo percentual, baseado na massa do combustvel, do carbono fixo (F), materiais volteis (V), cinzas (A) e umidade (W). Os volteis expressam a facilidade de se queimar um material e se determina como a frao em massa do combustvel que volatiliza durante o aquecimento de uma amostra padronizada, em atmosfera inerte, at a temperatura de 850 [ C ], por 7 minutos. A frao de carvo que permanece na amostra logo aps este aquecimento chamado de carbono fixo ou coque. Umidade: a medida da quantidade de gua livre na biomassa e que pode ser avaliada pela diferena entre os pesos de uma amostra, antes e logo aps ser submetida a secagem. possvel apresentar os valores de umidade em base seca ou mida.

Frmula

Unidade

Umidade base seca

Hs = Hu =

Pt Ps Ps Pt Ps Pt

kg gua kg material seco

( 4.1 )

Umidade base mida

kg gua kg material nas condies de trabalho

( 4.2 )


26



onde, Pt e Ps correspondem respectivamente aos valores de massa de uma mesma amostra de combustvel nas condies de queima (mida) e seca, que o estado da biomassa secada em estufa a 105 [ C ], at obter peso constante. Poder calorfico: a quantidade de calor que se libera durante a combusto completa de uma unidade de massa ou de volume de um combustvel [ kJ / kg ] ou [ kJ / m3 ]. Podese dizer que o PCI (no se condensam os vapores de gua presentes nos gases de combusto), se refere ao calor efetivamente possvel de ser utilizado nos combustveis, enquanto o PCS (se condensam os vapores de gua presentes nos gases de combusto), em torno de 10 a 20 [ % ] mais elevado. Para avaliar o poder calorfico dos combustveis slidos de biomassa, a condio mais usual utilizar uma bomba calorimtrica, se pressuriza com oxignio e se efetua uma queima, medindose o calor liberado pela variao da temperatura da gua em um vaso onde foi colocado a bomba. Nos clculos de rendimentos dos sistemas de combusto podese adotar ambos os tipos de poder calorfico. A eficincia referida a PCI superior ao valor determinado segundo o PCS . Como o calor de condensao da umidade dos gases tecnicamente irrecupervel, parece ser prefervel o uso do PCI . Atravs do estudo feito acima se pode concluir que: a biomassa est composta em sua maior parte de carbono e hidrognio, variando muito pouco de um tipo de lenha para o outro; a maioria dos tipos de biomassa tm um contedo de cinzas baixo, com exceo da casca do arroz e do bagao; bastante importante a influncia da umidade sobre o poder calorfico; o contedo de carbono da biomassa menor que o do carvo mineral ou dos combustveis derivados do petrleo.

4.1.3II

ExercciosNem todas as cores da luz so aproveitadas com a mesma eficincia pelas plantas. No processo de fotossntese so mais bem aproveitados os comprimentos de onda correspondentes ao: b) c) d) e) f) violeta e vermelho verde e azul vermelho e azul amarelo e violeta verde e amarelo No processo da fotossntese, as plantas: b) c) d) e) f) absorvem oxignio, liberam gs carbnico e emitem a luz solar absorvem oxignio, liberam gs carbnico e produzem aucares absorvem oxignio, absorvem gs carbnico e produzem aucares absorvem gs carbnico, liberam oxignio e produzem aucares absorvem gs carbnico, absorvem oxignio e produzem mel.

III


27



IVb) c) d) e) f)

A fotossntese um processo que: absorve o oxignio e libera gs carbnico somente se realiza a noite ocorre nas mitocndrias libera energia luminosa transforma energia luminosa em energia qumica De que substncia provem o oxignio liberado pela planta no processo de fotossntese?

V

VI

Quais so os principais sais minerais necessrios para a realizao da fotossntese?

VII

Quais so os procedimentos tecnolgicos dos resduos agroindstrias? Cite exemplos.

VIII

Onde so encontrados os resduos urbanos e qual sua composio?

IX

Cite os principais recursos dendroenergtico.

X

Qual a porcentagem de resduos florestais na industrializao da madeira?

XI

Cite os recursos anuais e seu nome cientfico.

XII

Qual o procedimento existente para a converso energtica que praticamente no afeta o potencial produtivo do solo?

XIII

Quais as caractersticas tcnicas mais importantes da biomassa como fonte de energia?

XIV

Defina composio qumica elementar.

XV

O que carbono fixo ou coque?

XVI

Defina umidade como uma caracterstica tcnica da Biomassa.


28



XVII

Quais as equaes existentes para a determinao de umidade?

XVIII

Como se avalia o poder calorfico dos combustveis slidos da biomassa?

XIX

Descreva poder calorfico.

XX

Faa uma descrio assdua sobre poder calorfico superior e inferior.


29



5 COMBUSTVEIS5.1 DEFINIOToda substncia capaz de reagir com o oxignio e liberar energia trmica identificada como combustvel slido, lquido ou gasoso. Os combustveis so caracterizados pelas suas propriedades fsicosqumicas e so encontrados na forma natural ou artificial. Petrleo e carvo fssil so exemplos de combustveis naturais. Derivados de petrleo, coque e carvo vegetal so exemplos de combustveis artificiais. Na queima de combustveis slidos e lquidos, a energia liberada consequncia de reaes qumicas com o carbono, hidrognio e com o enxofre:

C 2H2 S

+ O + O2 + O2

CO2 2H2O SO2

+ 33900 + 141800 + 9200

[ kJ / kg ] [ kJ / kg ] [ kJ / kg ]

Na queima de combustveis gasosos, a energia liberada pelas reaes qumicas com hidrognio, monxido de carbono, metano, etano e outros hidrocarbonetos:

2CO CH4 2C2H6

+ O2 + 2O2 + 7O2

2CO2 CO2 4CO2

+ 10110 + 2H2O + 6H2O + 55500 + 51870

[ kJ / kg ] [ kJ / kg ] [ kJ / kg ]

A quantidade de energia liberada por unidade de massa, ou de volume, definida pelo poder calorfico superior ou inferior e vai depender da composio de cada combustvel. A tcnica usada, quando se aplica a primeira lei da termodinmica s reaes qumicas, consiste em admitir que a entalpia de todos os elementos seja nula no estado de referncia 25 [ C ] e 760 [ mmHg ]. Para combustveis slidos e lquidos, o poder calorfico superior pode ser calculado com boa aproximao pela equao ( 5.1 ).

5.2 PODER CALORFICO5.2.1 Poder Calorfico Superior

El poder calorfico superior se define suponiendo que todos los elementos de la combustin (combustible y aire) son tomados a 0 [ C ] y los productos (gases de combustin) son llevados tambin a 0 [ C ] despus de la combustin, por lo que el vapor de agua se encontrar totalmente condensado. Vapor de agua que proviene de: [ 12.40 ] a) la humedad propia del combustible y b) el agua formada por la combustin del hidrgeno del combustible. De esta manera al condensar el vapor de agua contenido en los gases de combustin tendremos un aporte de calor de 597 [ kcal / kg ] vapor de agua condensado. [ 12.40 ]


30



C

H2

+

O2ar

N2

CO2

H2O

N2

+

combustvel

gases de combusto

calor calor de oxidao do combustvel

+

calor calor de condensao do vapor dgua

PCI

PCS

To PCS = 33900 Tc + 141800 Th + 9200 Ts 8 PCS Tc Th To Ts5.2.1.1poder calorfico superior teor de carbono teor de hidrognio teor de oxignio teor de enxofre

( 5.1 )

[ kJ / kg ] [ kg carbono / kg combustvel ] [ kg hidrognio / kg combustvel ] [ kg oxignio / kg combustvel ] [ kg enxofre / kg combustvel ]

Frmula de Dulong

Poder Calorifico Superior de un combustible seco Por el principio de conservacin de la energa, el fsico Dulong expresa el poder calorfico superior de un combustible seco, slido o lquido, que contenga carbono, hidrgeno y azufre en su composicin, por la expresin: expresin:

To PCS = 8140 Tc + 34400 Th + 2220 Ts 8 PCS Tc Th To Ts To 8 Th To 8poder calorfico superior cantidad centesimal de carbono en peso por kilogramo combustible cantidad centesimal de hidrgeno total en peso por kilogramo de combustible cantidad centesimal de oxgeno en peso por kilogramo combustible cantidad centesimal de azufre en peso por kilogramo combustible cantidad centesimal de hidrgeno en peso que se encuentra combinado con el oxgeno del mismo combustible dando agua de combinacin cantidad centesimal de hidrgeno disponible, en peso realmente disponible para que se oxide con el oxgeno del aire, dando agua de formacin

( 5.2 )

[ kcal / kg ] [ kg carbono / kg combustvel ] [ kg hidrognio / kg combustvel ] [ kg oxignio / kg combustvel ] [ kg enxofre / kg combustvel ]

A Tabela 5.1 mostra o poder calorfico superior e correlao existente entre alguns combustveis, usados para gerao de vapor dgua, em toneladas equivalente de petrleo t EP 2.

2

1 [ tEP ] = 44 [ GJ ]


31



Tabela 5.1 Correlao existente entre alguns combustveis usados a nvel industrial

Combustvel leo combustvel Lenha (base seca) Carvo fssil (SC) Bagao de cana Gs natural

PCS

t EP

[ kJ / kg ] 43800 16000 19000 9400 51800 0,99 0,36 0,43 0,21 1,18

5.2.2

Poder Calorfico Inferior

O clculo do poder calorfico inferior depender unicamente da presena de gua nos gases de combusto e calor latente de evaporao, sendo

PCI = PCS 2440 ( 9 Th + Tw )

( 5.3 )

PCI Th Tw

poder calorfico inferior teor de hidrognio teor de umidade

[ kJ / kg ] [ kg carbono / kg combustvel ] [ kg umidade / kg combustvel ]

O teor de umidade conhecido a partir da composio qumica do combustvel e 9 Th representa a parcela de vapor dgua formada pela combusto do hidrognio. O calor latente tomado de acordo com a presso parcial do vapor dgua, nas condies normais de temperatura e presso (CNTP). El poder calorfico inferior considera que el vapor de agua contenido en los gases de la combustin no condensa. [ 12.40 ] Por lo tanto no hay aporte adicional de calor por condensacin del vapor de agua. Solo se dispondr del calor de oxidacin del combustible, al cual por definicin se denomina Poder Calorfico Inferior del Combustible. [ 12.40 ]

5.2.2.1

Formula de Dulong

Poder Calorifico Inferior de un combustible seco

To PCI = 8140 Tc + 29000 Th + 2220 Ts 8 Poder Calorifico Inferior de un combustible humedo

( 5.4 )

To PCI = 8140 Tc + 29000 Th + 2220 Ts 600 Tw 8

( 5.5 )


32



5.2.2.2

Formula de Hutte

Poder Calorifico Inferior de un combustible humedo

To PCI = 8100 Tc + 29000 Th + 2500 Ts 600 Tw 8 5.2.2.3 Formula de la asociacion de ingenieros alemanes

( 5.6 )

Poder Calorifico Inferior de un combustible humedo

To PCI = 8080 Tc + 29000 Th + 2500 Ts 600 Tw 8

( 5.7 )

5.2.35.2.3.1

Composio bsica de um combustvel: elementos qumicosElementos qumicos 5.2.3.2 Substncias qumicas

Podemos definir elementos qumicos como elementos encontrados na natureza, em seu estado primitivo. Para o nosso curso seria interessante salientar alguns, bem como seus smbolos: Carbono (C) Hidrognio (H) Oxignio (O) Nitrognio (N) Enxofre (S)

Quando tivermos a unio de dois ou mais elementos qumicos, iguais ou diferentes, teremos como produto final uma substncia inorgnica ou orgnica, como por exemplo: gua (H2O) Dixido de carbono ou gs carbnico (CO2) Monxido de carbono (CO) cido sulfrico (H2SO4) cido sulfuroso (H2SO3) Gs metano (CH4) Gs oxignio (O2)

Tabela 5.2 Caractersticas tcnicas de diferentes tipos de biomassa em base seca (Fonte: [ 12.25 ])

Composio elementar 3 Tipo de biomassa [%]

Composio imediata [%]

PCI[ MJ / kg ]

TcPinheiro Eucalipto Casca de arroz Bagao de cana Casca de coco Sabugos de milho Ramas de algodo 49,29 49,00 40,96 44,80 48,23 46,58 47,05

Th5,99 5,87 4,30 5,35 5,23 5,87 5,35

To44,36 43,97 35,86 39,55 33,19 45,46 40,97

Tn0,06 0,30 0,40 0,38 2,98 0,47 0,65

Ts0,03 0,01 0,02 0,01 0,12 0,01 0,21

Tcz0,30 0,72 18,34 9,79 10,25 1,40 5,89

V82,54 81,42 65,47 73,78 67,95 80,10 73,29

Tcz0,29 0,79 17,89 11,27 8,25 1,36 5,51

F17,70 17,82 16,67 14,95 23,8 18,54 21,20 20,0 19,4 16,1 17,3 19,0 18,8 18,3

3

A composio qumica da serragem de Pinus pode ser vista na Tabela 11.6


33



5.3 CLASSIFICAOOs combustveis podem ser naturais ou artificiais, sendo estes subdivididos em slidos, lquidos e gasosos.

5.3.1

Naturaiscarvo mineral (turfa, hulhas, linhito...); madeira (lenha, serragem, n de pinho...); xistos (betuminosos e pirobetuminosos...); Resduos industriais (bagao de cana, cascas de cereais...).

5.3.2

Artificiaiscarvo vegetal; coque de petrleo

Slidos

Slidos

Lquidoslcool (etanol); derivados de petrleo (gasolina, leos, BPF, diesel, Tipo E...); leos de xisto.

LquidoPetrleo.

Gasoso gs natural (metano)

Gasosos gs de alto forno; gs de gasognio; gs liquefeito de petrleo (GLP)

5.3.3

Combustveis slidos

Os combustveis slidos mais empregados na gerao de vapor so de origem natural. Do ponto de vista geolgico, a lenha, a turfa e a linhita so combustveis naturais de formao recente, enquanto o carvo fssil um combustvel natural de formao mais antiga. Sempre que disponveis na regio, resduos industriais so tambm empregados, como o bagao de cana, a serragem e a casca de arroz. Briquetes, coque e carvo vegetal so raramente usados na gerao de vapor. Briquetes se constituem de carvo de pequena granulometria misturado com aglutinante. O coque obtido a partir do carvo fssil ou do petrleo e se constitui, basicamente, de carbono fixo [ 12.1 ].

5.3.3.1

Lenha

Caracterizase por Composta principalmente de lignina, celulose, resinas, gua e cinzas; Teor de enxofre desprezvel; Baixo poder calorfico, entre 3000 e 4000 [ kcal / kg ]; Ocasiona o desmatamento, obrigando a criao de florestas energticas; Problemas de fornecimento e estocagem; Baixo custo (dependendo da regio) em relao aos derivados de petrleo. A lenha amplamente utilizada a nvel industrial e tem a vantagem de, mediante programas bem estruturados de reflorestamento, ter suas reservas em contnua reposio. Embora apresente caractersticas bastantes variveis, a composio qumica da lenha (base seca) deve oscilar em torno dos valores relacionados na Tabela 5.12.


34



Naturalmente que os clculos devem considerar tambm o teor de umidade, que em termos reais oscila entre 10 e 30 [ % ]. A temperatura de ignio da lenha da ordem de 300 [ C ]. A turfa se constitue na primeira fase de formao do carvo mineral. Ela apresenta um contedo muito elevado de umidade. Secada ao ar, conseguese reduzir o teor de umidade para valores em torno de 35 [ % ]. O poder calorfico superior da turfa assume valores da ordem de 12500 [ kJ / kg ]. [ 12.1 ] A linhita, fase intermediria entre e turfa e carvo betuminoso, formada pela decomposio mida, submetida presso de crostas terrestres. A linhita, ao ser retirada das minas, ainda apresenta alto teor de umidade (30 a 50 [ % ]). Secada ao ar, entretanto, o teor de umidade pode baixar para valores entre 10 e 20 [ % ]. Para um contedo mximo de cinzas em torno de 20 [ % ], o poder calorfico superior da linhita pode assumir valores da ordem de 21000 [ kJ / kg ]. [ 12.1 ] O registro do consumo de lenha aquele no qual esperada a maior margem de erro. Isto ocorre pela prpria natureza do combustvel, sobre o qual normalmente no incide controle rigoroso de qualidade, e em cuja armazenagem no so tomados cuidados maiores, alm de procurar evitar que seja ao tempo. A formao de uma unidade de medida [ m ] depende do formato das peas armazenadas e o poder calorfico das condies de armazenamento (umidade do material). A medio do consumo feita pelo registro das quantidades compradas e dos intervalos entre as compras destas quantidades. Um aprimoramento do processo ser a utilizao de estoque dirio, o que permitir menor margem de erro. [ 12.10 ]Tabela 5.3 Combustveis oriundos da madeira: tipos, origem e dados tcnicos (Fonte: [ 12.30 ])CAVACO DE SERRARIAS Costaneiras e sobras de madeira das serrarias Pinus ou Eucaliptus SERRAGEM Serrarias, resduo inerente ao ato de serrar Pinus ou Eucaliptus CAVACO DE FLORESTAS Resduos do manejo dos reflorestamentos (galhos e ponteiras) Pinus ou Eucaliptus RECICLADO LENHA Resduos do manejo de reflorestamentos PELLET

Origem

Madeira de Descarte (lixo)

Biomassa de reflorestamentos Madeira de pinus ou eucalipto, cana e outros Cilndricas de 6 [ cm ] x 5 a [ cm ] 20 [ mm ] de comprimento inferior a 10% 4400 680 [%] [ kcal / kg ] [ kg / m ] [ kg / mst ]

Madeira

Diversos Tipos

Pinus ou Eucaliptus

Granulometria Umidade

2x4x8 35 a 45 2100 a 2400 380 a 420

Fino 35 a 45 2100 a 2400 350

2x4x8 16 a 30 2600 a 3200

2x4x8 16 a 20 3200 a 3600 220 a 250

6 a 20 [ cm ] de dimetro 16 a 304

PCI

2500 a 3500 250 a 600

4

dependendo do tempo de corte


35



Tabela 5.4 Propriedades do cavaco de madeira (Fonte: [ 12.30 ])

umidade [%] 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

[ kg / m ] 100 130 175 220 265 310 355 400 445 485 530 575 620

PCI[ kcal / kg ] 3930 3675 3425 3175 2925 2675 2425 2175 1920 1670 1420 1170 920

origem RECICLADO RECICLADO RECICLADO RECICLADO FLORESTA FLORESTA FLORESTA/SERRARIA SERRARIA SERRARIA SERRARIA SERRARIA SERRARIA SERRARIA

cavaco

serragem

pellet

pellet

Figura 5.1 Combustveis oriundos da madeira (Fonte: [ 12.30 ])


36



5.3.3.2

Bagao de cana

O bagao o resduo da cana, da qual foi extrado o caldo, de estrutura fibrosa como a madeira e composio qumica semelhante. A cana e o bagao seco tm uma composio mdia de:Tabela 5.5 Composio elementar mdia da cana e do bagao seco

cana[%]

bagao seco[%]

fibra acar gua cinza outros carbono hidrognio

13,0 13,8 70,3 0,6 2,3

4,0 46,3 43,3

O poder calorfico depende da umidade do bagao conforme mostra o grfico da Figura 5.2. O bagao queimado nas caldeiras em destilarias de acar e lcool tem normalmente 50 [ % ] de umidade, o que representa um PCS = 2300 [ kcal / kg ] e PCI = 1750 [ kcal / kg ];

Figura 5.2 Poder calorfico do bagao de cana

5.3.3.3

Carvo fssil

O carvo um combustvel slido comum. A sua composio varia consideravelmente com a localizao de onde extrado. A composio do carvo, em clculos de combusto, geralmente expressa por uma anlise imediata. Esta anlise imediata fornece a composio em uma base mssica em termos das quantidades relativas de elementos qumicos (carbono, enxofre, hidrognio, nitrognio, oxignio) e cinza. [ 12.27 ]


37



O carvo o combustvel fssil mais abundante da natureza. Caracterizase por: Resultante da carbonizao e fossilizao de imensas florestas que existiram h milhares de anos atrs; Poder calorfico da ordem de 5000 a 8200 [ kcal / kg ]; Aspecto: forma rochosa e de cor negra; Alto teor de cinzas; Teor de enxofre elevado; No caso do Brasil, geralmente as jazidas so distantes dos pontos consumidores. Diversas formas de classificao so sugeridas. Costumase designar por carvo betuminoso todo o carvo com elevado teor de matrias volteis. Seguese o carvo semibetuminoso (matrias volteis entre 10 e 18 [ % ]) e o antracito (matrias volteis entre 5 e 10 [ % ]). O carvo tambm pode ser classificado como: Carvo seco, com um teor de matrias volteis varivel na faixa de 40 a 50 [ % ]; Carvo graxo, com um teor de matrias volteis varivel na faixa de 18 a 40 [ % ]; Carvo magro, com um teor de matrias volteis varivel na faixa de 10 a 18 [ % ]; Antracito, com um teor de matrias volteis varivel na faixa de 5 a 10 [ % ]. O carvo fssil tem suas caractersticas extremamente variveis, principalmente levandose em conta o teor de enxofre e o teor de cinzas. Na Europa ou nos Estados Unidos conseguese carvo com baixo teor de cinzas, inferior mesmo a 5 [ % ]. No Brasil, em diversas minas o carvo apresenta teores de cinzas superiores a 40 [ % ]. Uma composio qumica aproximada do carvo brasileiro (base seca), em geral obtido de minas catarinenses, deve oscilar em torno dos valores da Tabela 5.12. Em algumas minas o teor de enxofre e o teor de cinzas assumem valores ainda maiores. A presena desses componentes no desejvel por implicarem em uma srie de inconvenientes de ordem ecolgica ou material. O enxofre, quando combinado com vapor dgua, forma cido sulfrico, atacando as partes mais frias da unidade geradora de vapor. A cinza, dependendo da temperatura na cmara de combusto, pode fundir e se aglomerar junto s superfcies de aquecimento da caldeira. Nas fornalhas para queima em grelha, ainda, pode ocorrer obstruo parcial da passagem do ar de combusto. Em termos gerais, a combusto do carvo implica na emisso de fuligem, xidos sulfurosos, metais txicos e compostos orgnicos carcinognicos. Precipitadores bem dimensionados podem remover at 98 [ % ] de toda a fuligem, mas s podem captar uma parte das minsculas particulas de cinzas mais nocivas sade humana. Chumbo, cdmio, antimnio, selnio, nquel, vandio, zinco, cobalto, mangans, sulfatos e certos compostos orgnicos aderemse a essas partculas. A composio qumica das cinzas tambm bastante varivel. Uma anlise aproximada, no caso do carvo identificado anteriormente, pode indicar a seguinte composio:Tabela 5.6 composio qumica das cinzas de carvo

[%] xido de silcio xido de alumnio xido frrico Outros

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO, MgO, Na2O

55 32 10 3

A temperatura de fuso para a cinza acima especificada da ordem de 1540 [ C ]. Entretanto, ocorrem deformaes j a partir de 1300 [ C ].Copyright Patric Schrhaus 2008 REV 03 www.hasten.eng.br 38



5.3.3.4

Carvo vegetal

Obtido atravs da carborizao da lenha. Em mdia 2 [ m3 ] de lenha geram 1 [ m3 ] de carvo; Poder calorfico aproximado de 7000 [ kcal / kg ]; Usado principalmente para siderrgicas e gasognios.Tabela 5.7 Variao do

PCI

com a umidade (Fonte: [ 12.39 ])

Biomassa

Umidade Base mida [%] 62 50 38 23 17 9 0 65 55 45 35 25 15 0 56,90 40,49 35,00 26,56 15,47 10,07 5,12

PCI[ kcal / kg ] 1362,528 1960,128 2581,632 3298,752 3633,408 4015,872 4470,048 1095 1571 2048 2524 3000 3477 4191 1526,74 2400,12 2568,94 2520,48 3741,91 3933,34 4253,50

Lenha

Madeira

Cacho Seco de Amdoa Serragem Caroo de Aai Fibra de Dnde Casca de Castanha do Par Serragem Serragem

5.3.4

Combustveis lquidos

Os combustveis lquidos, normalmente empregados na gerao de vapor, so derivados do petrleo. Gasolina, nafta, querosene, leo diesel e leo combustvel so fraes obtidas da destilao do petrleo. Apenas o leo combustvel usado em caldeiras. O leo diesel, ainda que queimado em algumas caldeiras, tem sua produo destinada a motores de combusto interna. Os combustveis hidrocarbonados lquidos so comumente derivados de petrleo cru atravs de processos de destilao ou craqueamento. Como exemplos tmse a gasolina, o leo diesel, o querosene e outros tipos de leos combustveis. A maioria dos combustveis lquidos mistura de hidrocarbonetos cuja composio , via de regra, fornecida em termos de fraes mssicas. De modo a simplificar os clculos em combusto, a gasolina sempre modelada como uma octana, C8H18, e o leo diesel como uma dodecana, C12H26. [ 12.27 ]


39



Figura 5.3 Esquema da destilao atmosfrica de petrleo (Fonte: [ 12.21 ])

5.3.4.1

leo

Os leos combustveis so divididos em dois tipos: leos combustveis leves e leos combustveis pesados. Os leos combustveis leves chamamse leo diesel e so empregados em motores de combusto por compresso de mdias e altas rotaes, enquanto que os leos combustveis pesados so os leos APF (alto ponto de fluidez) e BPF (baixo ponto de fluidez), utilizados em motores de grande porte e de baixa rotao. A diferena que existe entre os leos combustveis pesados e leves sobretudo sua viscosidade. [ 12.11 ] O leo combustvel, tambm chamado de leo combustvel pesado ou residual, parte remanescente na destilao do petrleo. amplamente utilizado na indstria moderna. Sua comercializao atende a normas que regulamentam teor de enxofre, viscosidade, ponto de fluidez, ponto de fulgor e densidade. [ 12.1 ] O leo BPF um leo combustvel fssil, tem baixo ponto de fluidez e no baixo ponto de fulgor, apesar de sua especificao legal exigir ponto de fulgor mnimo de 66 [ C ], nem sempre inflamvel, pois a maioria destes leos possui ponto de fulgor superior a 80 [ C ], no sendo classificados como inflamveis, mas to somente, como combustveis. O leo BPF, tem como funo produzir calor e utilizado em equipamentos destinados a gerao de energia trmica. Assim, a gerao de vapor requer propriedades especiais do leo combustvel e problemas de poluio atmosfrica podem resultar de combusto de leos combustveis usados nessa aplicao. O leo BPF um leo combustvel, previsto no Brasil como tipo A, pela norma CNP05 (Instituto Brasileiro de Petrleo). O leo BPF caracterizase por: Obtido atravs de destilao fracionada do petrleo; Poder calorfico inferior da ordem de aproximadamente 9700 [ kcal / kg ]; Alto teor de enxofre; Evaso de divisas; Reservas limitadas; Necessidade de praquecimento para queima; Ponto de fulgor mnimo de 66 [ C ]; Ponto de fluidez superior mximo de 21 [ C ] a 27 [ C ];Copyright Patric Schrhaus 2008 REV 03 www.hasten.eng.br 40



Teor de enxofre em peso mximo de 4,5 [ % ]; gua e sedimento em peso mximo de 2,0 [ % ]; Viscosidade Saybolt: Furol a 50 [ C ] mximo: 300; Universal a 37,8 [ C ] mnimo: 150 As empresas que utilizam leo BPF como combustvel possuem um depsito para a armazenagem do produto. Dependendo da taxa de consumo, podero ser utilizados depsitos para estocagem e tanques para uso dirio. A movimentao do leo feita por meio de bombas de circulao de leo. [ 12.10 ] A viscosidade est diretamente relacionada ao processo de combusto e deve ser suficientemente reduzida, para que o queimador possa garantir um bom trabalho de nebulizao. A viscosidade do leo tem sido comercialmente indicada de acordo com a escala Engler ou de acordo com a escala SSU (Segundos Saybolt Universal). No Sistema Internacional de Unidades (SI), a viscosidade cinemtica indicada em [ m2 / s ] onde 1 [ m2 / s ] = 10 [ cSt ]. A viscosidade determinada em aparelhos que se baseiam no tempo de escoamento de um dado volume de leo a uma temperatura constante. Os tipos de viscosmetros mais utilizados so: Saybolt, com dois tipos: SSU Segundos Saybolt Universal e SSF Segundos Saybolt Furol; Engler; Redwood A converso em viscosidade cinemtica, dada em centipoises est apresentada na Tabela 13.3. O ponto de fluidez indica a temperatura mnima em que os derivados de petrleo devero fluir sem apresentar problemas de escoamento. Ao trabalhar com temperaturas baixas, a parafina comea a cristalizar, se solidificando ao longo da tubulao e prejudicando o escoamento normal do leo. O ponto de fulgor indica a temperatura de inflamao do combustvel. A determinao do ponto de fulgor feita pelo aparelho Pensky Martens. Uma mistura do combustvel introduzida no aparelho e sofre aquecimento progressivo, com agitao constante. Periodicamente introduzse uma pequena chama no interior do mesmo. Ocorrer inflamao simultnea quando a temperatura corresponder ao ponto de fulgor do combustvel. O ponto de fulgor para leos combustveis residuais da ordem de 130 [ C ]. A densidade a relao da massa especfica do combustvel a 20 [ C ] e massa especfica da gua a 4 [ C ]. Os leos combustveis residuais, disponveis no mercado brasileiro, apresentam caractersticas bem diversificadas. O leo tipo BTE (Baixo Teor de Enxofre), por exemplo, tem como caracterstica principal a limitao de 1 [ % ] na quantidade de enxofre. Nos demais tipos de leo, esse percentual sobe para 6 [ % ]. Em geral, os leos residuais se compem de carbono, hidrognio e enxofre. Para leo destinado ao uso em caldeiras, a composio qumica pode oscilar em torno dos valores da Tabela 5.12. Para todos os leos, a quantidade de gua por destilao, somadas a de sedimentos por extrao, no deve exceder a 2 [ % ]. A contaminao por gua e sedimentos pode levar ao bloqueio de filtros e queimadores ou formao de emulses difceis de serem quebradas. Devido a inconvenientes dessa natureza, inclusive, no recomedvel a mistura de leos parafnicos com leos naftnicos. A Tabela 5.8 mostra os valores mdios de algumas caractersticas para o leo diesel e para o leo residual utilizado em caldeiras. Toda instalao, para armazenamento e uso de leos residuais, deve possuir sistemas de aquecimento. H a necessidade de um aquecimento preliminar para permitir o trabalho de bombeamento e de um aquecimento final, ou complementar, para reduo da viscosidade a


41



nveis

71741596 uniuv ppem apostila rev 3

Documents