Aulas teóricas de Combustão

Ano letivo 2012-2013

José Miguel C Mendes Lopes

-transparências nalguns casos baseadas em transparências preparadas por

João Luís Toste de Azevedo

• Definições de combustão

• Combustíveis. Reservas e consumos

• Combustíveis utilizados em Portugal

• Equipamentos de combustão

• Poluentes associados à combustão

Introdução

Conteúdo

- Capítulo 1

• Equações de transporte

• Misturas de gases (breve revisão)

• Chomiak (2002) – Geralmente uma reação química rápida,

acompanhada pela libertação de calor e emissão de luz.

• Keating (1993) – Reação química na fase gasosa, relativamente

rápida, que liberta uma quantidade significativa de energia sob

a forma de calor.

• Boarman e Ragland (1998) – Reações que ocorrem rapidamente

com significativa conversão de energia química em energia

sensível.

Definições de combustão I

• Turns (2000) – Oxidação rápida que liberta calor, ou

simultaneamente luz e calor.

• Liñan e Williams (1993) – Ciência das reações químicas

exotérmicas em escoamentos com transmissão de calor e

massa.

Em todas as definições referem-se reações químicas, libertação de

calor e luz, e é usual classificar o processo como rápido.

Definições de combustão II

• Aplicação na generalidade dos transportes, mesmo que indirectamente em comboios/veículos elétricos

Campos de aplicação

• Conversão de energia armazenada em combustíveis fósseis em energia térmica

• Incêndios (florestais ou em edifícios)

• Aplicação em processos fabris (e.g. metais, indústrias do vidro, cimento, pasta de papel)

• Aquecimento de edifícios e águas quentes sanitárias

• …

• Gestão florestal, de pastagens, de habitats, …

Combustíveis

• Substâncias que sofrem uma reação química de oxidação libertando calor

• Estado: sólido, líquido ou gasoso

• Sólidos: carvões, madeira, RSU, CDR, …

• Líquidos: fuelóleo, nafta, querosene, gasolina, gasóleo, álcoois, …

• Gases: gás natural, GPL, biogás, gases manufacturados (gás de cidade)

(ver livro “Combustão” - Secções 1.2 e 1.3)

• 9405 Mtoe

• 37,5% petróleo

• 25,5% carvão

• 3372 Mtoe para geração de eletricidade

• 38,7% carvão (+ de dobro de gás natural, de nuclear)

• Renovável <10%

(IEA World Energy Outlook 2002)

Consumo mundialde energia primária

Reservas de combustíveis fósseis no mundo

(BP Energy Review 2002)

Nº Anos(BP2004)

• Petróleo: 41

• Gás Nat.: 70

• Carvão: 190

Reservas de Carvões

Carvões muito distribuídos no globo quando comparado com petróleo e gás natural.

Dados da EIA, 2006

Distribuição de carvões

América

do Sul

6 4

América do Norte com maiores reservas seguido da Ásia (China)

Consumo de Carvões

Consumo de ~ 4x109 ton em 1980 a aumentar até ~ 8x109 ton(2030), essencialmente EUA/Ásia.

Utilização principal na produção de energia elétrica com implicações nas emissões de CO2.

Reservas e consumo de petróleoIEA, 2006 1 Barril = 159 litros.

No Canadá inclui-se areias asfálticas

Reservas

Consumo

Transportes - 50%Indústria - 30%

Totais:80

118

Reservas e consumo de gás naturalReservas

IEA, 2006

Consumo

Grande aumento no uso em ciclos combinados

Utilização em indústria e no setor doméstico.

Gasoduto na Europa

Principais fornecedores:

Rússia

Noruega

Holanda

Argélia

Golfo Pérsico (Kuwait,Arábia Saudita, Iraque)

Composição típica de Gás Natural

Componentes Parentis (França)

Ekofisk (Noruega)

Maracaibo (Venezuela)

Uthmaniya (Arábia Saudita)

Burgan (Kuwait)

Kirkuk (Iraque)

Ardjuna (Indonésia)

Metano 73.6 83.3 82.0 55.5 74.3 56.9 65.7

Etano 10.2 8.5 10.0 18.0 14.0 21.2 8.5

Propano 7.6 3.4 3.7 9.8 5.8 6.0 14.5

Butano 5.0 1.5 1.9 4.5 2.0 3.7 5.1

C5+ 3.6 1.0 0.7 1.6 0.9 1.6 0.8

Azoto - 0.3 1.5 0.2 2.9 - 1.3

H2S - - - 1.5 0.1 3.5 -

CO2 - 2.0 0.2 8.9 - 7.1 4.1

Componentes Groningen (Holanda)

Lacq (França)

Frigg (Noruega)

Urengoy (ex-USSR)

Uch (Paquistão)

Kapuni (Nova

Zelândia)

Metano 81.3 69.0 95.7 85.3 27.3 45.6

Etano 2.9 3.0 3.6 5.8 0.7 5.8

Propano 0.4 0.9 - 5.3 0.3 2.9

Butano 0.1 0.5 - 2.1 0.3 1.1

C5+ 0.1 0.5 - 0.2 - 0.8

Azoto 14.3 1.5 0.4 0.9 25.2 -

H2S - 15.3 - - - -

CO2 0.9 9.3 0.3 0.4 46.2 43.8

Apenas exploração

de GN.

(Fonte:Jaffret et al., 1997)

Exploração simultânea

de petróleo e GN.

(Fonte:Jaffret et al., 1997)

Produção de GNL

www.gasnet.com.br (2003)

Utilização de GNL

www.gasnet.com.br (2003)

Combustíveis em Portugal

• Consumo de petróleo, carvão e gás natural

• Origem dos fornecimentos

• Utilização por setores

• Produção de energia elétrica

Balanço Energético Nacional(DGGE, 2004)

tep (tonelada equivalente de petróleo) = 4,1868×1010 J = 11.63 MWh

Energia primária 103 Tep

Nacional 3779

Elétrica renovável 950*

Biogás 2

Lenhas e resíduos 2827

Importado 22656

Carvão 3375

Petróleo 15411

Eletricidade (Saldo imp.) 557

Gás Natural 3316

Perdas e consumos próprios 5262

Utilização não energética petróleo 2437

*Equivalente a 2267x103 tep de combustíveis em central térmica.

Proveniência de importações

• Carvão de: Colômbia 54%; África do Sul 26%; EUA 9%; Noruega 5,6%; Indonésia e Austrália 5,5%

• Petróleo de: África 41%; Golfo Pérsico 19%; América do Sul 13%; Casaquistão 12%; Outros 14%

• Gás Natural de: Argélia em gasoduto e GNL de Nigéria com proporção aproximada 50%/50%

• Eletricidade de: França via Espanha

Destilação de petróleo

Tipicamente:Tipicamente:

Gases levesGases leves 5%5%

GasolinaGasolina 20%20%

KeroseneKerosene 15%15%

GasGasóóleoleo 20%20%

FuelFuelóóleo e Resleo e Resííduo duo 40%40%

Utilização de petróleo

• Refinarias para produção de combustíveis: Sines processa 75% e Porto 25% e compras ~+10%

• Combustíveis produzidos: Gasóleo 38%; Gasolina 21%; Fuelóleo 19%; Nafta e JP 13%; Asfaltos 3,4%; GPL 3%; Outros 2,6%

• Transporte de refinados de Sines para Aveiras por conduta para tanques de armazenamento

• Vendas mercado interno: 13409, aviação 820, barcos 729 milhares de toneladas.

Gás Natural

• Importado por gasoduto proveniente da Argélia e em estado liquefeito através de porto de Sines onde é regaseificado

• Distribuição por gasoduto com criação de reservas em minas de salmoura no Carriço

• Distribuição em camião cisterna no estado líquido e armazenado em tanques com regaseificadores atmosféricos

Gasoduto na Península Ibérica

TFC Pedro Pinto (2002)

Infra-estrutura em Portugal

Armazenamento: Ano 2005 2010

Consumo mensal* 373 573

Número de cavidades 5 11

Volume nos dois reservatórios em Sines

134 134

Volume em cavidades 265 606

Volume em gasoduto 18,4 18,4

*Aproximadamente 50%GNL/50%GN Argélia

Valores em milhões m3 PTN

Dimensões

Altura: 170 m; Diâmetro: 60 mVolume: 300 000 m3

Distância entre eixos das cavernas: 300 mFuncionamento

Pressão mínima (0,06 bar/m de profundidade): 60 barPressão máxima (0,18 bar/m de profundidade): 180 bar

TFC Pedro Pinto (2002)

Distribuição de Unidades Autónomas de Gaseificação

2005

2003

2007

Beja (2006)Alpiarça (2007)

Transgas

Funcionamento de UAG

Trasfega do GNL e manutenção da pressão no tanque por gaseificação de parte do gás.Emissão para a linha em gaseificador atmosférico.

Aquecedor de emergênciae estação de odoraçãoGalpTFC Ana Melro (2004)

Produção de eletricidadeem Portugal

Produção de energia elétrica

Em Portugal a potência instalada (MW) e produção (GWh) (DGGE, 2004; antes dos ciclos combinados!):

– Térmica: 7292 MW e 34055 GWh que incluí

• Carvão; Gás Natural; Fuel óleo; Cogeração; Biomassa e Motores Diesel geradores nas regiões autónomas

– Hidroelétrica: 4852 MW e 10147 GWh

– Eólica: 553 MW e 816 GWh (1,2 GW em 2006; 4,5 GW em 2010)

– Geotérmico: 14 MW e 84 GWh (S. Miguel/Açores)

– Fotovoltaico: 2 MW e 3 GWh. (Central de Moura 35 MW)

Centrais térmicas Continente (Utilização em 2004, DGGE)

• Carvão pulverizado (5285 mil toneladas)– Sines 4x310MW, 80%– Pego 2x310MW, 75%

• Ciclo combinado a Gás Natural (1677 milhões Nm3)– Tapada do Outeiro – Turbogás 3x330 MW, 5% (2004)– Termoelétrica do Ribatejo 3x330 MW (em 2007)

• Fúel óleo (527 mil toneladas)

– Setúbal – 4x250 MW, 18%– Carregado – 6x125 MW, 5% (2 grupos usaram também GN).

Outros centros de produção de eletricidade via térmica

• Resíduos Florestais: Mortágua 10 MW (80 mil ton) � Plano de extensão até 250 MW até 2010

• Cogeração na indústria e edifícios (~1200 MW):

– Vapor: Grande indústria

– Diesel: Abertura venda SEP

– Introdução do gás natural emPortugal (Otto; TG; CC)

• Incineradoras: Valor Sul 3*15 MW e Lipor 2*12,5 MW (950 Mton)

– Hídrica 50 MWe, (24 reversível) – (130 GWh)

RA Madeira

No arquipélago da Madeira: (AREAM, 2003)

– Três centrais térmicas com 173 MWe (612 GWh)

• 19 MWe no Porto Santo

• 117 MWe Vitória (maior central Diesel em Portugal)

• 37 MWe Caniçal (privada)• Combustível em todas as centrais: Fúel óleo

– Incineradora 8 MWe – (26 GWh)

– Eólico (9,75 MWe) – ( 17 GWh)

(Início anos 80 8x30kW)

RA Açores

• Térmica com motores Diesel (180 + 22 MW) – Fúel: S. Miguel 97,6; Terceira 58; Pico 13,3; Faial 11,7;– Gasóleo: S. Maria 4,75; Faial 4; S. Jorge 7; Graciosa 3,4; Flores

2,3; Corvo 0,56 MW

• Geotérmica em S. Miguel 2x13 MW (40% Prod.)– Terceira em perfurações

• Hídricas em 4 ilhas (6,6 MW):– S. Miguel 2,5MW; Terceira 1,8 MW; Faial 0,4 MW; Flores 1,9 MW

onde se atingiu penetração máxima 70%

• Eólicas em 6 ilhas (7 MW):– S. Maria 900 kW, Graciosa 800 kW, S. Jorge 1150 kW, Faial

1800 kW, Flores 600 kW, Pico 1800 kW (~10%P)

A eólica de S. Maria foi a primeira do país em 1988 com 270 kW.

Previsão de novascentrais no mundo

até 2030- IEAWorld Energy

Outlook2002

Evolução de parque de geração centralizado no mundo

• Crescimento pós-guerra até crise de petróleo (60-75) e retoma com liberalização de mercados (90-2000) e crescimento no extremo oriente (2000-?).

• Centrais novas 40/ano• 30 destas a carvão • 20 na China.

2000GW

• Parque actual mundial com 50% ciclo de vapor; 20% hidro; 17% gás natural; 10% nuclear e 3% outros.

Geração elétricana Europa (EU-15)

• 66,5 GWe centrais a vapor a carvão com mais de 30 anos.

• 2/3 do parque térmico com mais de 20 anos.

• Portugal (1/3)• Carregado• Setubal• Sines (25A)• Pego (10A)• Tapada do Outeiro• TE Ribatejo

Projecto Power Clean – Centrais a carvão

Projecções para a EuropaProcura de energia Oferta de energia

EU-15Total de energia primáriaWorld Energy Technology and Climate Policy Outlook (2003)

Produção de energia elétrica(PowerClean)

Previsões IEA (2002)para consumo de combustíveis

• Aumento de consumo de gás natural

• Redução de nuclear

• Aumento de renováveis, especialmente na União Europeia

a) Produção de eletricidadeb) Indústrias

c) Transportesd) Outros sectores

Estabilização do efeito de estufa –Emissões CO2

Fonte: Projecto CO2 SinkFonte: Statoil

Estabilização de aumento de temperatura em 2ºC (2100) e 3ºC estacionário em relação a 1990 para 550 ppmv CO2 na atmosfera.

Perspetivas

• Critérios afetando implementação (EU):• 5-15 anos � baseado em custo respeitando emissões. 70% de nova

capacidade CCGN.

• 15-30 anos � baseado em emissões com tecnologias testadas nos próximos dez anos.

• Incremento de renováveis (eólico, biomassa).

Gielen 04

• Repartição da geração• 2030 UE (8% ren.; 25% g.n.; 25% nuclear; 45% carvão (12%

convencional e 33% avançado).

• Consumo carvão atinge 4500 Mtoe em 2030 (2x2004).

• 2050 Mundial (10 TWe: 30% ren.; 20% nuclear, 30% fósseis e 20% fósseis c/ captura CO2)

Sistemas de combustão

• Motores de combustão interna– Combustão intermitente – motores com ignição por faísca ou por

compressão (combustível líquido ou gasoso)

– Combustão contínua – turbina de gás (combustível líquido ou gasoso)

• Fornalhas– Gases quentes usados em caldeiras para produção de vapor.

Todos os tipos de combustível.

• Fornos– Calor gerado usado em processos (e.g. fusão de vidro, cimento,

cerâmicas, …)

Caldeiras de vapora Fuel Óleo ou Gás Natural

Em Tubos (Gás-tubulares) No Exterior (Aquitubulares)

Motores de ignição por compressão (Diesel)

A compressão promove as condições necessárias à ignição do combustível que é vaporizado no interior do cilindro durante o fim da compressão e o início da expansão – chamas de difusão.

Injecção indireta

Pré câmara Swirl e turbulenta

Heywood (1988)Internal Combustion Engine Fundamentals

Injecção direta

Motor de ignição por faísca (Otto)Combustão da mistura no cilindro por propagação da chama

A – Gás já queimadoU – Gás por queimarBL – Zona de quenching

Mistura preparada em carburador, de injecção indireta, ou direta

Zhao et al (2002) Aut. Gas. DI EngHeywood (1988) ICE Fundamentals

Injecção direta

Chamas de pré-mistura

Combustão em turbina a gás

Anelar

Câmara de combustãocilíndrica

Combustão de sólidos

Queima em grelha Leito fluidizado Combustível pulverizado

Fornos Vidro

Queima em ciclos variando o queimador de modo a fazer

pré-aquecimento do ar de combustão em regenerador de

modo a atingir temperaturas elevadas

Fornos Cimento

Fornos rotativos longos com chama de carvão e resíduos em contra-corrente com produto (Clinker)

CO- tóxico (afinidade para a hemoglobina240 vezes maior do que a do oxigénio)

- acima 200 ppm afecta o comportamento

- acima 3200 ppm é mortal em ½ hora

Hidrocarbonetos não queimados (HC)- efeitos narcóticos

- irritação dos olhos e pulmões

- carcinogénico

NO e NO2 (NOx)- irritação dos pulmões e mucosas

- smog (com HC e radiação uv)

- chuvas ácidas

Principais poluentes associados a Combustão

Fumo (partículas sólidas)- bloqueamento físico

- transportador de HC(efeitos cancerígenos)

SO2

- chuvas ácidas

- corrosão

Principais poluentes associados a Combustão

Os poluentes mostrados

atuam essencialmente a

nível local e regional

Principais poluentes associados a Combustão

No entanto, um dos HC atua também a nível global :

metano (CH4)

O mesmo é verdade para os NOx

A emissão mais importante relativa aefeitos globais é a de CO2

O efeito global mais importante é oefeito de estufa

Nota – por unidade de massa, CH4 e NOx

têm efeitos muito mais fortes que o CO2:

CH4 - 21 mais forte

NOx - 40 mais forte