caldeiras-combustão e queimadores[1]

COMBUSTÃO E QUEIMADORES

Ricardo Serfaty CENPES/Engenharia Básica/ Equipamentos

Tel: 8126209 / +55 21 38656209 Fax: 8127147 / +55 21 38657147 Chave BR08 email: [email protected]

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Índice COMBUSTÍVEIS .............................................................................................. 1

COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS ........................................................... 1

Petróleo como Fonte de Combustíveis Líquidos ....................... 1

Valores típicos de características de óleos combustíveis ........... 2

Propriedades dos Combustíveis Líquidos ................................... 3

Densidade ................................................. ..................................... 3

Viscosidade ...................................................................................... 3

Resíduo de Carbono ....................................................................... 6

Asfaltenos ...................................................................................... 6

Cinzas .................................................................................................... 6

Enxofre ........................................... ........................................... 8

Metais .................................................................................................... 8

Água e Sedimentos ....................................................................... 8

Ponto de fulgor ( Flash Point )/Ponto de ignição ( Fire-Point ) 9

Ponto de Fluidez ....................................................................... 9

COMBUSTÍVEIS GASOSOS .......................................................... 9

Velocidade de Propagação dos Gases ................................... 9

Temperatura de Chama .......................................................... 10

Poder Calorífico ....................................................................... 10

Limite de Inflamabilidade .......................................................... 10

Faixa normal do número de WOBBE ................................... 11

Gases Combustíveis Típicos .............................................. 11

COMBUSTÃO ............................................................................................... 14

Teoria da Combustão ....................................................................... 15

Reações da Combustão ....................................................................... 15

Variáveis da Combustão ...................................................................... 16

Estequiometria da Combustão ........................................................... 17

Cálculo da Relação Ar/Combustível e Excesso de Ar ...................... 18

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Fundamentos Básicos Sobre os Pontos de Verificação para a Operação de Fornos ....................................................................... 21

Esquema Típico para o Ajuste de um Forno de Tiragem Natural 22

OPERAÇÃO DE FORNOS ....................................................................... 23

Introdução ............................................................................................... 23

Excesso de ar ............................................................................................... 23

Mudanças nas Condições Operacionais ............................................... 23

Formato de Chama ................................................................................... 24

Turndown .............................................................................................. 24

COMBUSTÃO DE GASES ................................................................................... 25

COMBUSTÃO DE LÍQUIDOS ...................................................................... 26

Introdução ............................................................................................... 26

Combustíveis Líquidos ....................................................................... 26

Combustão de Gotas ....................................................................... 27

Nebulização do Combustível ........................................................... 28

Mecanismo de Formação de Sprays ............................................... 28

Caracterização de Sprays ....................................................................... 29

Princípios de Nebulização ....................................................................... 30

Nebulização por pressão de líquido ........................................................ 30

Nebulização com fluido auxiliar ou pneumática .......................................... 31

ESTAÇÃO DE AVALIAÇÃO DE SPRAYS ............................................... 33

Técnica de Medição Diâmetro de Gota ............................................... 34

Avaliação de Desempenho de Bocais Nebulizadores ....................... 35

Cálculo da relação vapor/óleo na situação real ................................... 35

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Efeitos das Variáveis de Processo no Comportamento de Chamas de Líquidos ....................................................................... 38

Influência das Características do Combustível .......................................... 39

Influência da Qualidade do Processo de Nebulização ............................ 39

Influência da Rotação do Fluxo de Ar ......................................................... 39

Influência da Temperatura da Câmara de Combustão ............................ 40

Influência da Te mperatura do Ar de Combustão ........................................... 40

INTERCAMBIALIDADE DE COMBUSTÍVEIS ................................... 40

Mecanismos de Trocas de Calor em Processos de Combustão ........... 40

Características dos Combustíveis ........................................................... 41

Comparação entre combustíveis ........................................................... 41

Comparação entre dois combustíveis ............................................... 41

Emissividade dos Gases de Combustão ............................................... 41

Influência da dimensão da câmara em relação à dimensão da chama na troca de calor ....................................................................... 43

Intercambialidade de combustíveis gasosos ................................... 43

Intercambialidade de combustíveis líquidos ................................... 43

FUNDAMENTOS SOBRE QUEIMADORES ............................................... 44

n Mistura Ar / Combustível ..................................................................................... 44

n Ignição e Estabilidade ...................................................................................... 44

Componentes do Queimador ........................................................... 45

n Burner Tile ................................................................................................... 45

n Registro de Ar .............................................................................................. ...... 46

n Sistema de ar de combustão ...................................................................................... 46

QUEIMADORES PARA APLICAÇÕES INDUSTRIAIS ....................... 47

Queimadores Premisturados (Premix Burners) ................................... 47

Queimadores de mistura por bocais (Raw gas Burners) ....................... 49

Queimadores combinados (dual) óleo e gás de tiragem natural ........... 51

Queimadores de tiragem forçada ........................................................... 54

v

Queimadores de baixo NOx ........................................................... 56

Outros Aplicações para Queimadores ............................................... 61

Combustíveis Residuais ou de Baixo Poder Calorífico ............................ 61

Aquecedores de Ar ...................................................................................... 63

Queimadores para Caldeiras ............................................ 63

INSTALAÇÃO, OPERAÇÃO, MANUTENÇÃO E PROBLEMAS COM AS LANÇAS DE ÓLEO ....................................................................... 64

Instalação ............................................................................................... 64

Operação ............................................................................................... 64

Ignição Manual com Tocha Manual ............................................... 65

Ignição Direta do piloto de gás ........................................................... 65

Ignição Direta a partir de uma chama de baixa liberação de gás 65

Problemas de operação da lança de óleo ............................................... 66

Falta de ar ................................................................................................... 66

Falta de pressão do fluido de atomização ......................................................... 67

Falta de vazão do fluido de atomização ......................................................... 68

Vapor úmido (com condensado) ....................................................................... 68

Baixa Temperatura do óleo ....................................................................... 68

Falha do bocal atomizador ....................................................................... 69

Falha do estabilizador/difusor ....................................................................... 70

Baixa vazão de óleo ...................................................................................... 70

Baixa pressão de óleo ...................................................................................... 70

Alta pressão do fluido de atomização ......................................................... 70

Vazamento na válvula de purga ....................................................................... 70

Alta temperatura do vapor de atomização .......................................... 71

Bico de óleo mal posicionado ....................................................................... 71

Manutenção ............................................................................................... 72

POLUENTES GERADOS NA COMBUSTÃO.................................................... 73

Valores Padrões para Qualidade do Ar Ambiente Material Particulado ....................................................................... 74

Legislação Brasileira Ambiental Aplicável A Processos De Combustão 74

Emissão de Óxidos de Enxofre ........................................................... 77

vi

Emissão de Óxidos de Nitrogênio ........................................................... 78

Formação de NOx ....................................................................... 78

NOx térmico ....................................................................... 79

NOx combustível ........................................................... 81

Efeito do NOx na Saúde Humana ................................... 83

Emissão de Dioxinas ....................................................................... 83

SISTEMAS DE CONTROLE DE EMISSOES DE COMBUSTÃO................... 84

Coletores de pó mecânicos.......................................................................... 85 • Câmaras de Deposição Gravitacional ........................................................ 85

• Coletor Gravitacional com Obstáculos ........................................................ 85

• Coletores ciclônicos ..................................................................................... 85

• Coletores Multiciclônicos ...................................................................... 85

• Filtro de Leito de Cascalho ...................................................................... 86

• Lavadores Ventúri ..................................................................................... 86

• Filtros de Mangas .................................................................................... 86

• Precipitador Elétrostático Seco ...................................................................... 86

• Precipitador Elétrostático Úmido ........................................................ 87

Equipamentos de Absorção de Oxidos de Enxofre (SOx) ........... 88

• Processos não regeneráveis (geram um resíduo como efluente) ............. 89

• Processos Regeneráveis (não geram resíduos) .......................................... 89

• Sistema de Absorção à Seco ....................................................................... 89

Equipamento de Decomposição de Óxidos de Nitrogênio ........... 90

Referências Bibliográficas ................................................................................... 90

1

COMBUSTÍVEIS

COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS

Os combustíveis líquidos utilizados nos mais diversos processos de aquecimento industrial são chamados genericamente de óleos combustíveis.

No Brasil o termo “óleo combustível” é empregado apenas na designação de frações pesadas, não incluindo portanto os subprodutos denominados genericamente destilados (querosene, óleo diesel, etc).

Petróleo como Fonte de Combustíveis Líquidos

O petróleo é constituido essencialmente de uma mistura de hidrocarbonetos onde os elementos preponderantes são o carbono (85 - 90%) e hidrogênio (10 -14%), com pequenas quantidades de enxofre (0,2 - 7%), nitrogênio (0,1 - 2%) e oxigênio (0 - 1,5%).

Compostos organo-metálicos podem estar presentes em pequenas proporções (da ordem de ppm), constituindo-se principalmente de ferro, níquel e vanádio.

Em função da multiplicidade de pesos moleculares dos diversos tipos de hidrocarbonetos presentes, os petróleos são classificados segundo três grupos que se diferenciam pela natureza e concentração de compostos quimicamente similares, denominados parafínicos, naftênicos e aromáticos. O conhecimento prévio da natureza do óleo crú, permite prever a natureza de seus derivados, principalmente no que diz respeito aos óleos combustíveis.

Os óleos crús de natureza parafínica apresentam preponderantemente hidrocarbonetos saturados de cadeias alifáticas, os de base naftênica apresentam hidrocarbonetos saturados de cadeias cíclicas, contendo um ou mais anéis, podendo ter ramificações do tipo parafínica, e os de base aromática ou asfáltica apresentam hidrocarbonetos insaturados que possuem pelo menos um anel benzênico, podendo estar ligados a anéis naftênicos ou a cadeias parafínicas ramificadas.

No processo de destilação obtém-se um resíduo no fundo da Torre de Destilação a Vácuo, denominado Resíduo de Vácuo (RESVAC), que pode ainda ser submetido a um processo de desasfaltação, gerando óleos com menor teor de asfaltenos, e um produto de fundo denominado Resíduo Asfáltico (RASF).

O RESVAC e o RASF são os principais constituintes dos óleos combustíveis residuais. A estas frações residuais são adicionadas frações mais leves, provenientes de outros processos, a título de diluição e adequação da composição às várias especificações de óleos combustíveis existentes.

O resíduo tem maior densidade, maiores teores de enxofre, incorpora a totalidade das cinzas e demais impurezas (vanádio e níquel) presentes no óleo crú, apresentando-se mais viscoso e com maior peso molecular.

Desta forma as propriedades dos óleos combustiveis, e como decorrência delas o seu comportamento durante as operações de manuseio, nos processos de nebulização e combustão e na emissão de poluentes são fortemente dependentes da natureza do petróleo.

Os óleos combustíveis nacionais possuem valores de especificações estabelecidas pelo DNC(Departamento Nacional de Combustíveis), que diferencia 10 tipos de

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óleos, nove dos quais identificados pelos números de 1 a 9, seguidos de letras A ou B. A classificação de 1 a 9 é feita em ordem crescente de viscosidade, e os complementos A ou B indicam alto ou baixo teor de enxofre respectivamente.

A Tabela a seguir apresenta valores típicos das características de alguns óleos combustíveis.

CARACTERÍSTICAS 1A/1B 2A/2B 3A/3B 4A/4B 7A 8A DENSIDADE 1,017/0,95

7 1,018/0,96

4 1,024/0,983 1,012/0

,980 1,031 1,042

FULGOR (oC) 103/84 121/86 98/80 101/88 160 - PONTO DE

FLUIDEZ (oC) 13/6 6/12 15/38 - /- - 60

ENXOFRE (% peso)

3,8/0,8 3,9/09 4,0/1,0 4,3/1,0 4,6 4,8

CINZAS (% peso) 0,04/0,04 0,04/0,04 0,09/0,03 - /- - 0,05 P. CALORIF. SUP.

(kcal/kg) 10.238/ 10.530

10.130/ 10.500

10.077/ 10.443

10.050/10.399

10.025 9.995

Teores de metais vanádio (ppm) 172/34 142/37 201/44 187/43 167 207

sódio(ppm) 19/40 13/41 18/51 21/31 9,2 25 níquel(ppm) 47/38 46/30 54/32 40/32 50 80

VISCOSIDADE (SSF) A :

65 oC 178/180 278/263 - /- -/ - 37.600 100.000

82,2 oC 73/81 102/140 278/262 590/611

6.110 15.750

100 oC 30/37 40/ - 101/105 180/202

1.410 3300

135 oC 15/ - - /20 27/29 34/38 168 330

Valores típicos de características de óleos combustíveis

A obtenção dos diferentes valores de viscosidades para os diversos tipos de óleos nacionais é feita mediante a adição de frações mais leves como diluente nas frações mais pesadas (RESVAC, RASF) em diferentes proporções, o que define também o custo final.

Resíduo de Vácuo A Petrobras consome resíduo de vácuo puro nos fornos e caldeiras na maioria de suas refinarias. O produto de fundo da torre de destilação a vácuo é encaminhado diretamente para consumo sem nenhuma adição de diluentes e sem necessidade de aquecimento. O produto é normalmente retirado da torre acima de 3500C, temperatura maior do que a necessária para a queima, na faixa de 240 a 2700C. Para alcançar a temperatura adequada, é feito o controle de temperatura pela mistura com o RESVAC retirado da bateria de pré -aquecimento do petróleo com uma temperatura menor do que a de queima.

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Este combustível também é fornecido para grandes consumidores, normalmente situados próximos às refinarias, sendo enquadrado para efeito de faturamento como óleo 8A.

Resíduo Asfáltico Este combustível está disponível para consumo nas refinarias que dispõe do processo de desasfaltação a propano, ou seja, na REDUC, REPAR e REVAP. Estas refinarias estão adaptadas para o consumo desse combustível em seus fornos e caldeiras. Esta adaptação não é simples, requerendo a instalação de aquecedores elétricos para a obtenção da temperatura de queima, adaptação dos tanques de estocagem além da revisão de todo o anel de óleo combustível para eliminação de trechos sem circulação, melhoria dos traçadores de vapor e de isolamento térmico.

Propriedades dos Combustíveis Líquidos

São várias as propriedades definidas para os combustíveis líquidos, determinadas por diversos métodos e ensaios padronizados, sendo importantes na sua caracterização e definições quanto aos aspectos relativos ao manuseio e processos de nebulização, combustão e emissão de poluentes.

Densidade

Densidade é definida como a massa contida em uma unidade de volume. Para petróleo e seus derivados é comum utilizar a densidade expressa em °API definido como:

513115

5141,

)(,

−=Crelativadensidade

API oo

Viscosidade

A viscosidade é uma medida da resistência ao escoamento de um fluido, sendo importante para o manuseio dos combustíveis líquidos e para o processo de nebulização.

Define-se viscosidade cinemática como sendo a relação entre a viscosidade dinâmica e a densidade. Frequentemente utiliza-se o centistokes como unidade de viscosidade cinemática.

Existem várias escalas de viscosidade que se diferenciam no procedimento de medição e nas dimensões dos orifícios. A conversão de tempo t em segundos para stokes pode ser feita através das expressões da Tabela abaixo.

ESCALA DE VISCOSIDADE

FAIXA DE TEMPO VISCOSIDADE CINEMÁTICA (STOKES)

SSU (Standart Saybolt Universal )

32 < t < 100 0,00226 t - 1,95/t

t > 100 0,00220 t - 1,35/t SSF ( Standart Saybolt

Furol ) 25 < t <40 0,0224t - 1,84/t

t > 40 0,0216 t - 0,60/t *t = tempo em segundos

Conversão de escalas de viscosidade

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A viscosidade de óleos combustíveis varia significativamente com a temperatura, com comportamento não linear. A equação de Walther, permite determinar aproximadamente a lei de variação da viscosidade com a temperatura de uma mistura de hidrocarbonetos líquidos.

log(log ) .logν = +a b T onde:ν : viscosidade cinemática (centistokes); T : temperatura absoluta em graus Rankine (°R = 1,8°k); a , b : constantes características de um determinado óleo; Com a expressão acima, e conhecendo-se dois valores de viscosidade em diferentes temperaturas, é possível determinar os valores das constantes a e b e obter-se a expressão que permite estimar o valor da viscosidade do óleo numa larga faixa de temperaturas.

A Figura abaixo apresenta os valores típicos de viscosidade cinemática para os diversos óleos combustíveis nacionais, e os da especificação americana.

Posteriormente são apresentadas duas tabelas com as principais especificações dos óleos produzidos pela PETROBRAS.

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Viscosidade de óleos combustíveis nacionais e americanos

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Resíduo de carbono O resíduo de carbono, expresso em porcentagem em peso, é uma medida da quantidade de material sólido remanescente quando o líquido é aquecido, sob condições específicas estabelecidas pelos métodos, em bulbo de vidro parcialmente fechado. Durante o aquecimento ocorrem fenômenos de evaporação das frações mais leves, e pirólise das frações de maior peso molecular, que ao se decomporem formam depósitos de material carbonáceo no interior do bulbo.

Os métodos mais utilizados são os denominados Ramsbottom e Conradson, sendo este último o mais usual para óleos combustíveis residuais. Os valores obtidos nos ensaios indicam tendências de formação de resíduos sólidos quando os óleos são submetidos a elevadas temperaturas, por exemplo, em processos de combustão.

Em geral o resíduo de carbono é tanto mais alto quanto maior a viscosidade do óleo. Os óleos de base naftênica geralmente apresentam valores mais elevados de resíduo de carbono do que os de base parafínica.

Asfaltenos

Asfaltenos são grandes estruturas de hidrocarbonetos aromáticos condensados com ramificações de cadeias parafínicas na periferia, contendo também átomos de enxofre, nitrogênio e vanádio na sua composição. Estas estruturas são pouco miscíveis no óleo, permanecendo em suspensão.

O teor de asfaltenos é expresso como uma fração em massa expressa em porcentagem, cuja determinação é feita mediante precipitação pela adição de um solvente não polar ao óleo combustível.

O teor de asfaltenos assim como o resíduo de carbono indicam tendências à formação de material particulado. O teor de asfaltenos, adicionalmente, está associado à formação de NOX , uma vez que os asfaltenos contém parcela considerável do nitrogênio combustível.

Cinzas

Cinzas são resíduos da combustão, compostas por óxidos que se apresentam normalmente no estado sólido à temperatura ambiente. As cinzas formadas na combustão são elutriadas (cinzas volantes) e/ou depositadas em geral nos cinzeiros.

A cinza no combustível pode ter diversas origens, por exemplo:

a) impurezas, como elementos metálicos e semi-metais ou metalóides, presentes na estrutura molecular do combustível, devido à sua própria formação;

b) fragmentos de argila, areia, sais, pirita, etc. agregados ao combustível sólido ou misturados no combustível líquido (sedimentos);

c) fragmentos do solo misturados com o combustível na mineração e/ou manuseio.

As impurezas do tipo b e c podem ser separadas (ou retiradas em parte) por processos físicos, tais como lavagem, decantação gravitacional ou centrífuga, flotação, destilação, filtragem. etc.

Como a combustão se processa a elevada temperatura, é necessário o conhecimento do comportamento das cinzas nessas condições para evitar inconvenientes provocados por operações inadequadas e orientar a escolha dos materiais refratários com

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características compatíveis com as condições existentes no interior da câmara de combustão.

As propriedades de interesse, regularmente determinadas em análises laboratoriais, são composição química e fusibilidade da cinza.

A composição química das cinzas permite avaliar o seu comportamento quanto aos seguintes aspectos:

Ataque de refratários:

O ataque químico das cinzas aos refratários pode ser evitado ao escolher refratários com comportamento químico semelhante ao das cinzas.

Os óxidos presentes nas cinzas apresentam as seguintes tendências:

- os óxidos de elementos metálicos são básicos;

- os óxidos de semi-metais são geralmente ácidos, tais como óxidos de silício, zircônio e titânio;

- excepcionalmente, alguns óxidos são neutros, como o óxido de alumínio.

Os materiais refratários que entram em contato com as cinzas devem ter baixa porosidade, pois as cinzas alojadas nos poros ao se dilatarem provocam rachaduras nas superfícies dos mesmos.

Amolecimento e fusão das cinzas:

O ensaio de fusibilidade determina as temperaturas inicial e final de amolecimento da cinza.

Observa-se uma influência acentuada do óxido de ferro na fusibilidade da cinza em atmosfera gasosa redutora, com sensível abaixamento da temperatura de amolecimento em relação à atmosfera gasosa redutora, com sensível abaixamento da temperatura de amolecimento em relação à atmosfera gasosa oxidante.

As cinzas compostas por óxidos só básicos ou só ácidos apresentam temperaturas de amolecimento superiores às cinzas obtidas com a mistura dos mesmos óxidos básicos com ácidos, devido à formação de eutéticos.

É possível estimar as temperaturas inicial e final de amolecimento da cinza através da sua composição química, através de expressões empíricas desenvolvidas por vários autores.

Os processos de combustão com temperaturas superiores ao ponto de amolecimento da cinza podem propiciar a aglomeração de material particulado denominado ''sinter'', ou a fusão da cinza ''slagging'', que geralmente inviabilizam a continuidade do processo ou reduzem a eficiência da troca de calor no equipamento.

Sublimação de compostos

Os óxidos alcalinos Na2O e K2O, diferem dos demais óxidos, pois uma boa parte dos mesmos se volatiliza durante a combustão, e condensa-se em temperaturas em torno de 760°C; ao condensar-se nas superfícies mais frias do equipamento aglutinam as cinzas volantes, propiciando corrosão e redução da taxa de transferência de calor nestas superfícies.

As cinzas nos óleos combustíveis podem atingir valores da ordem de 0,1%, dependendo da presença dos constituintes organo-metálicos e de sais inorgânicos

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solúveis como cloreto de sódio proveniente do petróleo, que se incorporam às frações mais pesadas durante o processo de refino.

Enxofre A presença de enxofre nos combustíveis, principalmente os óleos

combustíveis, além de problemas de poluição atmosférica pelo lançamento de óxidos de enxofre, é o principal responsável pelos problemas de corrosão nos componentes da região fria dos fornos (preaquecedores, ventiladores, chaminé e chaparia) quando estes são dotados de preaquecedores de ar. Este problema é crítico quando se queima óleo combustível, pela redução da eficiência térmica, pois para limitar a corrosão em valores aceitáveis, os gases de combustão não podem ser resfriados a temperaturas inferiores a 140 – 1700C, função do teor de enxofre do óleo combustível.

Metais Normalmente, os petróleo com altos teores de enxofre geram óleos combustíveis ATE e com teor elevado de matais. Dentre estes, destacam-se, pelos problemas que teores de óxidos de vanádio e sódio, formando eutéticos e de baixo pontos de fusão. Estas cinzas no estado sólido, ao se depositarem sobre os tubos prejudicam a transferência de calor porém, quando fundidas, são extremamente agressivas aos tubos e aos refratários.

Composto Temperatura de Fusão (0C) V2O3 1970 V2O4 1970 V2O5 675 Na2O. V2O5 630 2Na2O. V2O5 585 3 Na2O. V2O5 850 Na2O. 3V2O5 675 Na2O. 6V2O5 700 5Na2O. V2O4 6V2O5 535 O óxido de vanádio, V2O5, além do problema mencionado acima, é catalisador da reação do dióxido de enxofre a trióxido de enxofre, que é o principal responsável pela limitação da redução da temperatura dos gases de combustão.

Água e sedimentos

Os óleos combustíveis não podem reter em suspensão quantidades superiores a 2%. A presença de água e sedimentos (areia, óxido de ferro, catalisador etc) no óleo combustível acarreta uma redução do poder calorífico pela presença de inertes e pela necessidade de calor adicional para a vaporização da água. Além disso é responsável pelos seguintes problemas:

• incrustação em linhas e instrumentos; • entupimentos de filtros e bicos de queimadores; • erosão de bicos de queimadores, rotores de bombas, instrumentos etc; • produção de fagulhas e instabilidade de chama.

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Ponto de fulgor ( Flash Point )/Ponto de ignição ( Fire-Point )

Ponto de fulgor é a temperatura a qual um líquido inflamável deve ser aquecido, sob condições do método de determinação, para produzir suficiente vapor e formar com o ar uma mistura capaz de se inflamar transitoriamente sob a ação de uma chama escorvadora. Ponto de ignição é a temperatura na qual, sob a ação de uma chama escorvadora, se estabelece a ignição e a combustão continuada sobre a superfície do líquido.

Considerando a definição dada, depreende-se que um combustível líquido não pode ser armazenado a temperatura igual ou superior à de fulgor, nem tampouco aquecido em recipiente aberto, a essas temperaturas.

Quanto ao processo de combustão pode-se prever que quanto menor a temperatura de ignição do líquido, mais favoráveis serão as condições para a estabilidade da chama.

Ponto de fluidez

Ponto de fluidez é a temperatura mais baixa na qual o líquido ainda flui nas condições normais estabelecidas pelo método de determinação.

COMBUSTÍVEIS GASOSOS As principais características e propriedades a serem observadas nos gases combustíveis são as seguintes:

♦ Composição Química

♦ Peso Molecular

♦ Poder Calorífico

♦ Velocidade de Propagação

♦ Limite de Inflamabilidade

♦ Temperatura de Chama

Velocidade de Propagação dos Gases

Deve se observar que a velocidade de propagação de chama depende da composição química do gás, uma vez que cada componente tem uma velocidade de propagação própria, mas também depende da relação ar/combustível, pois para cada componente é possível se traçar uma curva de velocidade de propagação em função do Excesso de Ar como mostrado abaixo

METANO 30 cm/s H2 300 cm/s GÁS NATURAL 34 cm/s GÁS DE NAFTA 100 cm/s GLP 20 cm/s

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Temperatura de Chama

com ar oC com O2 oC

GÁS NATURAL 1920 2700 GÁS DE NAFTA 1980 2700 GLP 1930 2720

Poder Calorífico

PCS (kcal/kg)

PCI (kcal/kg)

GÁS NATURAL 13100 11800 GÁS DE NAFTA 6410 5700 GLP 12075 11025

Limites de Inflamabilidade

% GÁS NA MISTURA INFERIOR SUPERIOR GÁS NATURAL 5 15 GÁS DE NAFTA 4 40 GLP 7 21

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Faixa normal do número de WOBBE

GÁS NATURAL 1200 a 1400 GÁS DE NAFTA 600 a 750 GLP 1500 a 1800

Gases Combustíveis Típicos

Gás Combustíveis de Refinaria Este gás é, geralmente, uma corrente secundária do processo nas Unidades de destilação, craqueamento catalítico, reforma catalítica e coqueamento retardado.

Exemplo Típico de análises de gases combustíveis efluentes das Unidades produtoras:

Gás 1 Gás 2 Gás 3 Gás 4 PCI, Kcal/Kg 10070 12843 10719 9006 Massa Molar, Kg/Kmol 19,6 13,4 20,5 35,8 Componentes Composição molar ou Voluntária (%) Hidrogênio 19,06 60,75 13,81 3,90 Metano 37,44 15,83 47,63 23,38 Etano 16,65 11,08 29,98 13,48 Eteno 13,77 - - - Propano 0,34 7,14 1,84 12,03 Propeno 0,94 - - - Butanos 0,41 3,42 1,21 17,38 Butenos 0,54 - - - Pentanos e + pesados 0,03 1,56 0,030 5,04 Nitrogênio 7,41 0,13 3,77 1,82 Monóxido de Carbono 2,36 - 1,28 4,78 Dióxido de carbono 0,92 - 0,01 0,45 Gás sulfídrico 0,03 - - 14,33 Oxigênio 0,10 - - 0,71 Dióxido de enxofre - - - 2,70 Gás 1 – Gás produzido por Unidade de Craqueamento Catalítico Gás 2 – Gás produzido por Unidade de Reforma Catalítica Gás 3 – Gás produzido por Unidade de Coqueamento Retardado Gás 4 – Gás produzido por Unidade de Destilação a Vácuo

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Exemplo de gases combustíveis produzidos na unidades da REPLAN

COMPONENTE FFC I FFC II UCR GN HDT H2 24 21,98 21,38 93,65 O2 0,2 0,14 0,01 0,01 0,03 N2 5,5 8,21 0,95 1,5 0,21 CO 1,6 2,1 0,01 CO2 0,1 0,34 0,01 0,67 0,02 CH4 36 42,06 60,65 91,71 1,74 C2H4 15 14,21 2 1,72 C2H6 14 8,39 14,66 5,4 0,05 C3H6 1,5 0,68 0,06 1,19 C3H8 0,5 0,22 0,13 0,7 <0,01 iC4H10 0,4 0,09 0,01 0,17 nC4H10 0,1 0,1 0,04 0,63 iC4H8 0,3 0,09 0,01 tC4H8-2 0,15 0,04 cC4H8-2 0,07 0,03 1-3-Butadieno 0,01 0,02 iC5H12 0,05 0,05 0,05 nC5H12 0,01 0,01 C5+ 0,01 0,78 0,07 0,22 H2S 0,01 0,01 H2O 0,5 0,5

Gás Natural O gás natural é encontrado associado ou não ao petróleo. Após ser produzido, antes de ser enviado para o consumo como combustível, geralmente, passa por uma Unidade de Processamento de Gás Natural (U-PGN) que retira deste gás as frações mais pesadas, que podem ser incorporadas ao GLP e gasolina, ou mesmo servir como matéria prima de petroquímicas.

Exemplos de gás natural: Gás Úmido Gás Seco PCI, Kcal/Kg 11377 11571 Massa Molar, Kg/Kmol 20,2 17,6 Componentes - Metano 81,04 89,9 Etano 10,08 8,5 Propano 4,88 0,5 i-butano 0,72 - n-butano 1,11 - i-pentano 0,22 - Neopentano 0,21 - Pentanos e + pesados 0,15 - Nitrogênio 1,08 0,7 Dióxido de Carbono 0,52 0,4 Gás Úmido = Gás Natural antes da U-PGN Gás Seco = Gás Natural após a U-PGN

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Para fornecimento a consumidores externos, o DNC exige o cumprimento das especificações abaixo:

Densidade (relativa ao ar) 0,60 a 0,81 Enxofre total, mg/m3 110 (máx) Gás sulfídrico, mg/m3 29 (máx) Nitrogênio + Dióxido de carbono, % vol 6 (máx) Poder calórico @ 200C e 1 atm Inferior, Kcal/m3 Superior, Kcal/m3

7600 a 11500 8500 a 12500

Obs.: O produto deve ser isento de hidrocarbonetos condensados, óleos e partículas sólidas GASES RESIDUAIS

Normalmente estes gases apresentam as seguintes características:

o Baixa pressão

o Baixo poder calorífico

o Alto teor de inertes

Exemplos:

COMPONENTES GÁS DE PSA GÁS AMONIACAL

H2O 0,88 50

NH3 47

H2S 3

H2 33,26

N2 0,68

CO 9,25

CO2 43,51

CH4 12,42

PCI (kcal/kg) 1992 2280

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COMBUSTÃO De maneira geral, define-se combustão como uma reação química exotérmica entre duas substâncias ditas combustível e comburente, ocorrendo a alta temperatura e com ritmos intensos. Então, a combustão é o processo químico em que um oxidante reage rapidamente coma um combustível para liberar a energia térmica, geralmente na forma de gases/produto de combustão a altas temperaturas. Pequenas quantidades de outras energias também são desenvolvidas durante o processo de combustão: energia eletromagnética (luz), energia elétrica (íons o elétrons livros) e energia mecânica (ruído). Na verdade, esta é apenas uma forma muito simplista de definir combustão, na medida em que se sabe que várias reações simultâneas estão envolvidas nos processos de combustão. No entanto, para o propósito deste curso, esta definição é suficiente.

Há uma grande variedade de materiais que podem ser considerados combustíveis; porém, a maior parte daqueles empregados industrialmente é composta basicamente de carbono, hidrogênio, oxigênio, enxofre e nitrogênio.

O comburente normalmente utilizado é o oxigênio do ar.

Na prática, costuma-se denominar "combustão completa" ao processo que leva as substâncias combustíveis à sua forma mais oxidada e, "combustão incompleta" ao processo no qual os produtos de combustão são constituídos, em parte, por formas que representam oxidação parcial dessas substâncias.

Partindo das substâncias mais simples, formadas por elementos que estão presentes na maioria dos combustíveis, as reações de "combustão completa" seriam:

C + O2 → CO2 + ∆H1 H2 + 1/2 O2 → H2O + ∆H2 S + 3/2 O2 → SO3 + ∆H3

onde ∆H1, ∆H2 e ∆H3 representam a energia liberada por unidade de massa, ou volume ou outra unidade qualquer, normalmente referidas às substâncias combustíveis.

As reações denominadas de "combustão incompleta" seriam:

C + 1/2 O2 → CO + ∆H4 S +O2 → SO2 + ∆H5

As substâncias resultantes destas últimas reações poderiam ainda ser oxidadas através das seguintes reações:

CO+ 1/2 O2 → CO2 + ∆H6 SO2 + 1/2 O2→ SO3 + ∆H7

Neste caso, ter-se-ia, para as energias liberadas, as seguintes relações:

∆H6 + ∆H4 = ∆H1; e, ∆H7 + ∆H5 = ∆H3

Durante o processo de combustão pode resultar nas seguintes emissões/geração de poluentes:

0 enxofre do combustível resulta em díóxido de enxofre (S02) e este ainda poderá ser oxidado para trióxido de enxofre (S03) (a reação acima mostra a reação molecular);

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A presença de nitrogênio na combustão resulta na formação/ emissão de óxidos de nitrogênio (NOx);

A presença de oxigênio no combustível resulta na formação de aldeídos e ácidos orgânicos;

A combustão incompleta (não adequada) resulta na formação/geração de fuligem, monóxido de carbono (CO) e outros compostos parcialmente oxidados.

A ocorrência da reação "completa'' ou "incompleta" depende de vários fatores, tais como: relação entre as massas de combustíveis e comburentes, temperatura na qual se processa a reação, tempo de permanência do combustível, presença ou não de catalisadores e turbulência na mistura-combustível.

A combustão espontânea raramente se verifica. 0 início de uma combustão se faz sempre por escorvamento mediante a introdução de uma mecha ou tocha no combustível. Isto porque a grande maioria dos componentes combustíveis se encontram em um equilíbrio metaestável, ou seja, em uma forma intermediária que não é a de menor energia. Para que estes componentes alcancem a forma de menor energia é necessário que se forneça uma delta de energia para iniciar a reação, denominada energia de ativação. Quanto menor a energia de ativação mais fácil é o início da reação. Verifica-se também que todos os combustíveis completam a sua combustão somente na fase gasosa.

TEORIA DA COMBUSTÃO

Para iniciar uma combustão precisamos do triângulo do fogo:

• Combustível; • Oxigênio; • Temperatura.

Porém, para que as reações da combustão ocorram e se mantenham, precisamos dos três T’s de combustão:

• Temperatura; • Tempo; • Turbulência.

Estes fatores governam a velocidade e a química da queima do combustível, depois de sua iniciação.

REAÇÕES DA COMBUSTÃO

As reações químicas que ocorrem durante a combustão de um hidrocarboneto são muito complexas. Muitas reações intermediárias ocorrem antes de chegar aos produtos finais da combustão: CO2, H2O, SO2, O2, N2 e CO2.

A reação de combustão completa de um hidrocarboneto pode ser representada pela equação geral:

CxHy + m O2 + p N2 → b CO2 + c O2 + d N2

Genericamente, para o metano, as seguintes reações podem ocorrer (Tref = 25OC)

1) CH4 + 202 → CO2 + 2H2O(V) + 191760 Kcal/Kmol

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2) CH4 + Calor → C + 2H2 - 17889 Kcal/Kmol

3) C + O2 → CO2 + 94052 Kcal/Kmol

4) 2C + O2 → 2CO2 + 26416 Kcal/Kmol

5) 2CO + O2 → 2CO2 + 67636 Kcal/Kmol

6) C + CO2 → 2CO2 - 41220 Kcal/Kmol

7) 2H2 + O2 → 2H2O(V) + 57798 Kcal/Kmol

8) CH4 + 2H2O(V) → CO + 3H2 - 49271 Kcal/Kmol

VARIÁVEIS DA COMBUSTÃO

Como sabemos, para que o processo de calor na fornalha, onde se consegue temperaturas razoavelmente estáveis, desde que não se interrompa o fluxo de combustível ou do ar. O tempo necessário para a reação de combustão deve ser assegurado por projeto, ( Vmin > Vchama ), a não ser que a velocidade mínima caia abaixo da velocidade de propagação da chama ou seja, vazão abaixo da mínima para o queimador. A turbulência é o fator mais difícil de ser conseguido, e é necessária para assegurar uma boa mistura combustível-ar, forma de chama e queima completa do combustível.

Para se conseguir boa combustão devemos ter:

a) Para gases combustíveis: mistura gás/ar; b) Para combustíveis líquidos: • b.1 - atomização do combustível; • b.2 - vaporização do combustível; • b.3 - mistura combustível-ar.

Consequências de ineficiência nas fases de:

• Nebulização - gotejamento, coqueamento no maçarico, fagulha, vaporização deficiente;

• Vaporização - gotejamento, coqueamento, fagulhamento, má mistura com ar;

• Mistura - combustão incompleta, formação de CO, formação de fuligem, chama comprida e oscilante, excesso de ar desnecessário.

Estas fases do processo de combustão influenciam também a forma da chama, da seguinte maneira:

FATORES FORMA DA CHAMA LONGA CURTA Combustível Óleo Gás Nebulização Má Boa Ângulo do “Spray” do Combustível Estreito Largo Temperatura do bloco do queimador Baixa Alta Tiragem na fornalha Alta Baixa ∆ P no maçarico Baixo Alto Turbulência do ar Pouca Intensa Temperatura do ar Baixa Alta

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Conclusões:

Para se conseguir uma combustão completa, com chama estável e curta, e baixo excesso de ar é fundamental a boa mistura combustível-ar. Para tal devemos conseguir a turbulência adequada. Em combustíveis líquidos, para se conseguir boa mistura, deveremos ter antes boa atomização e vaporização. Por esta razão é mais difícil a combustão de líquidos. ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO Cada combustível necessita de uma quantidade exata de ar para queimar completamente. Esta quantidade depende dos teores de C e H que o combustível contém, e é definida pela relação ar-combustível.

O ar seco tem a seguinte composição e volume específico:

COMPONENTES % VOLUME % MASSA VOLUME ESPECÍFICO

O2 21 23,2 0,85 m3/kg a 25°C

N2*

79 76,8 (*) Inclui outros gases inertes como Argônio, CO2, Kr, Ne e Xe.

RELAÇÃO

=

2

223

3

2 31,4

76,476,4

KgOKgAr

KmolOKmolAr

OmArm

OAr

Massa Molar Média do Ar = 29Kmol

Kg

Oxigênio Teórico (ou estequiométrico): É a quantidade de oxigênio necessária para a combustão completa do combustível, em condições ideais, ou seja, sem que haja falta ou sobra de oxigênio;

Ar Teórico: É a quantidade de ar correspondente ao ar teórico;

Ar Real: É a quantidade de ar utilizada efetivamente na combustão, na qual existe mais oxigênio do que o necessário para a combustão teórica. Esta quantidade adicional é chamada de excesso de ar e é definida em percentagem do ar teórico;

Gás Real: É a quantidade de gases gerada efetivamente na combustão, ou seja, a quantidade de gases de combustão correspondente ao ar real. O gás real pode ser apresentado em duas formas: em base seca ou úmida, em função de ser considerada, ou não, a água contida no mesmo.

No processo de combustão industrial é praticamente impossível obter uma combustão completa sem que se tenha um excesso de ar, devido não se conseguir uma homogeneização perfeita entre o ar e o combustível. A combustão estequiométrica seria o ideal, pois não se perderia calor para o aquecimento do excesso de ar.

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CÁLCULO DA RELAÇÃO AR/COMBUSTÍVEL E EXCESSO DE AR

O método de cálculo baseia-se nas seguinte considerações:

• Todo o combustível é queimado completamente sem formação de CO. • O combustível é composto somente de C e H, ou seja, é desprezado o teor de

enxofre. • É conhecida a composição volumétrica do gás de combustão, em base seca,

ou seja, a análise de Orsat. Seja a equação: CxHY + m O2 + 3,76m N2 à b CO2 + n H2O + cO2

+ dN2 Base de cálculo: 1 kmol de combustível CxHy

Relação H/C (em massa) do combustível: 12X

YR =

Quantidade de O2 necessária para queima de C e H =

+4Y

X kmol O2

Quantidade de Ar =

02 kmol Arkmol

4,76

+4y

x kmol O2 = 4,76

+4y

x kmol Ar

Massa molar do combustível = (12x+y) kmolkg

combustível

( ) ( ) ( )

R++

=++

=+

+=

13R1 11,5

y12x4 y / x 33,76

y12x.29y/4x 4,76

lCombustíve de kg Arde kg

Razão

Esta seria a razão Ar/Combustível (em massa) necessária para a combustão completa. Depende unicamente de R (relação H/C do combustível), e quanto maior esta for (mais H e menos C), maior será a necessidade de ar para a mesma massa de combustível.

Porém, devido a ineficiência na fase de mistura do combustível com o ar, nem todo o ar estequiométrico vai participar da reação de combustão, pois não estará intimamente misturado com o combustível. Desta forma haverá falta de ar e a combustão será incompleta levando à formação de CO e fuligem (C não queimado).

Para evitar esta combustão incompleta, costuma-se operar na prática com uma quantidade adicional de ar, acima da necessidade estequiométrica, que chamamos de % de excesso de ar.

EA= 100 x tricoestequiome ar

icotequiométr artotal ar 100 x

tricoestequiome arexcesso em ar −

=

Assim: EO2 = c kmol (análise de Orsat)

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O2 requerido para a queima de C e H = x + 4y

kmol

EA % = % Exc. O2 = 100

4

.y

x

c

+

Como x = b (balanço de Carbono)

R = Rbyb

yx

y12

1212=∴=

Então: EA%= ( ) ∴+

=+

10031

100

412

..Rb

cRb

b

c

EA% = 210031

OcxRb

c%:

)(=

+ b=% CO2 R= Relação mássica H/C

Os valores de b e c estão relacionados com R.

Isto pode ser visto através do balanço material do componentes envolvidos na combustão:

C : x = b (i) H : y = 2n (ii) N2 : d = 3,76 m= 100- (b +c) (iii)

O2 : m = 2n

+b+c (iv)

De (iv) : n = 2 (m – b – c) (v)

De (iii) : m =763

100,

)( cb +− (vi)

Substituindo (vi) em (v), vem:

)(,

)(cb

cbn −−

−+−=

763100

2

n = 53,19 – 2,532 (b+c) (vii)

(vii) em (ii) : y = 106,38 – 5,064 (b+c)

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Como b

cbx

YR

12064538106

12)(,, +−

==

bcb

R)(,, +−

=42208658

Portanto, conhecendo-se apenas duas das seguintes informações: % O2 nos gases de combustão, % CO2 nos gases da combustão (ambos em base seca) e relação H/C em peso no combustível poderemos obter a % de excesso de ar em um combustão. Se substituirmos a expressão de R na fórmula de cálculo do excesso de ar (EA), encontramos:

EA = 1002660

xcd

c−,

Onde: c = % O2 d = % N2

Se nos gases de combustão for detectada a presença de CO, o excesso de ar é calculado como se a combustão fosse completa. Assim:

100

22660

20

22

2

XCO

ON

CO

EA

−−

−=

,

Esta fórmula é encontrada no livro “Steam: Its Generation and Use”.

Como já foi visto, a operação de forno sem excesso de ar é indesejável, pois levaria à combustão incompleta, por ser impraticável a homogeneização perfeita entre o ar e o combustível. A combustão incompleta apresenta as seguintes desvantagens:

§ o combustível não libera todo o calor possível de fornecer, ou seja, é desperdiçado o calor da combustão do CO a CO2, o que leva a um maior consumo do combustível;

§ aumenta a formação de fuligem, principalmente quando se queima óleo combustível;

§ a presença do CO e O2 nos gases de combustão pode provocar a queima retardada do CO à CO2, o que poderá provocar altas temperaturas em locais não desejáveis.

Por outro lado, o excesso de ar desnecessário também é indesejável, pois quanto maior for a quantidade de ar que se deve ser aquecida pela chama, menor será a temperatura resultante na mesma, o que leva a um menor troca de calor por radiação e como conseqüência, diminui a eficiência do forno (fração do calor liberado na combustão, que é aproveitado), além de reduzir a capacidade do mesmo.

O desejado será operar o forno com o menor excesso de ar, que possibilite a obtenção de uma combustão completa. Na prática, devemos proceder da seguinte maneira.

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• garantir a boa atomização. Trabalhar com viscosidade correta do óleo, ⊗P vapor/óleo correto etc..

• ajustar o abafador para tiragem normal (-1 a –3 mm H2O no topo da radiação). • ajustar cada virola individualmente, verificando o ponto em que começa a

aparecer fuligem (ou CO). Verificar também a forma da chama. • reajustar o abafador, observando sempre a chama (cor, forma, presença de

fuligem). • procurar o equilíbrio ideal virola/abafador, quanto ao excesso de ar. Se atuarmos somente no abafador poderemos ter mistura diferente nos queimadores e, consequentemente, condições de queima e de excesso de ar diferentes.

O importante para se conseguir trabalhar com o menor excesso de ar é a boa mistura combustível/ar, o que é conseguido com maior velocidade do ar e um correto ângulo de incidência ar-combustível.

FUNDAMENTOS BÁSICOS SOBRE OS PONTOS DE VERIFICAÇÃO PARA A OPERAÇÃO DE FORNOS De uma forma geral, os fornos de processo podem ser resumidos a três pontos de amostragem de variáveis auxiliares para operação.

Tiragem no topo da radiação (bridge wall) – Esta conexão de pressão é usada em fornos de pressão negativa (fornos de tiragem natural ou induzida) para direcionar o escoamento no banco de tubos da seção de convecção. Enquanto a pressão neste ponto se situar entre -1.27 e -2.54 mm de coluna de água não ocorrerá pressão positiva na seção de convecção. Pressão positiva nesta seção é um dos principais fatores de causa de danos a estrutura, chaparia e de risco ao pessoal de trabalho. Analisador de O2 – localizado no topo da radiação (bridge wall). Três aspectos devem ser considerados quanto a localização da sonda de O2. O primeiro, é que ela deve ser localizada no ponto mais alto da radiação de forma que a reação de combustão tenha se completado antes da amostragem dos gases. O segundo, é que ela deve se localizar antes de qualquer seção de convecção, de forma a minimizar o efeito da infiltração de ar que interfere na medição de O2. E o terceiro, no qual deve se garantir que ela seja introduzida suficientemente dentro da câmara (aproximadamente 300 a 450 mm) para garantir que nenhum ar infiltrado na seção de convecção interfira na medição, uma vez que este ar infiltrado está em uma temperatura mais baixa que os produtos de combustão e pode escoar para baixo colado nas paredes do forno. Tiragem na base da radiação – localizado o mais próximo possível ao piso do forno, serve para medir a energia disponível para o ar.

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ESQUEMA TÍPICO PARA O AJUSTE DE UM FORNO DE TIRAGEM NATURAL INÍCIO VERIFICA TIRAGEM ALTA BAIXA AJUSTADO VERIFICA O2 VERIFICA O2 ALTA BAIXA ALTA BAIXA FECHA ABRE REGISTROS FECHA REGISTROS ABRE ABAFADOR DE AR DE AR ABAFADOR RETORNA P/ RETORNA P/ INÍCIO INÍCIO VERIFICA O2 ALTO BAIXO AJUSTADO FECHA REGISTROS ABRE REGISTROS DE AR DE AR RETORNA P/ INÍCIO RETORNA P/ INÍCIO OPERAÇÃO ADEQUADA

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OPERAÇÃO DE FORNOS

Introdução A eficiência térmica dos fornos afeta diretamente o consumo de combustível. Para reduzir o consumo é essencial se reduzir o excesso de ar utilizado na combustão para o menor valor prático possível.

De forma geral, o processo de combustão tem três variáveis que precisam ser controladas para a adequada operação do forno. A tiragem controlada pelo abafador de controle. O ar necessário para a combustão controlada nos registros dos queimadores. A pressão no combustível controlada pelas válvulas de controle pelo sistema de controle do forno (normalmente automático). A tiragem no forno e o excesso de ar devem ser ajustadas simultaneamente, uma vez que a variação em uma delas altera a outra. Deve ser ressaltado que qualquer alteração nas condições do tempo, taxa de queima (calor liberado), ajuste dos registros de ar dos queimadores e o tipo de combustível (características do combustível) afetará a tiragem no forno. Excesso de ar Existe um valor ideal para o excesso de ar em função da eficiência térmica e das características do queimador, para prover a adequada qualidade de mistura. Valores mais elevados de excesso de ar reduz a eficiência térmica, uma vez que uma parcela maior do calor liberado vai para o aquecimento do ar em abundância e não para o processo. Esta redução na transferência de calor se deve ao aumento do conteúdo de N2 e O2 nos gases de combustão. A estrutura molecular diatômica destes gases faz com que eles não absorvam nem emitam radiação. Assim menos calor será transferido para o processo. Alguns cuidados adicionais devem ser tomados para se estabelecer o mínimo excesso de ar adequado para o processo de combustão. O mínimo excesso de ar aceitável deve levar em consideração possíveis variações no calor liberado e nas propriedades do combustível. No caso de fornos com tiragem natural o ajuste deve ser feito para a condição de maior liberação de calor, o que torna o forno ineficiente nas demais condições de operação. Ao se trabalhar com cargas significativamente reduzidas pode se tornar difícil se operar o forno com valores de excesso de O2 inferiores a 7 ou 8% devido a estabilidade de chama (dependendo do projeto do queimador). Nestas condições de carga reduzida o aumento na restrição dos registros de ar pode causar uma perda de energia acentuada na entrada de ar ao invés de ocorrer na garganta do queimador, consequentemente ocorrerá uma piora na qualidade de mistura. Mudanças nas Condições Operacionais Quando ocorrerem modificações nas condições operacionais do forno é necessária calma e paciência para se re-ajustar o forno. Qualquer alteração na posição de controle do abafador de controle localizado na chaminé ou nos registros de ar dos

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queimadores deve ser seguido de um intervalo de tempo da ordem de 10 a 15 minutos de forma a garantir que o forno estabilizou as novas condições de combustão (mudança no perfil de pressão, velocidades e até linhas de trajetória na câmara de radiação). É muito importante se ressaltar que o ponto fundamental para se alcançar o melhor ajuste dos fornos é se ter uma equipe de trabalho familiarizada com os fundamentos da combustão. Outro ponto importante é a verificação no campo das condições de operação do forno em intervalos regulares, de forma a se detectar e reportar imediatamente qualquer problema encontrado, tal como: incidência de chama, perfil ou padrão de chama não satisfatório e outros. Formato de Chama Para um determinado queimador, as alterações nas condições operacionais afetam o formato da chama. A temperatura do ar de combustão, a energia de descarga do combustível (pressão) ou a quantidade de ar primário afetam diretamente o formato da chama. Evidentemente, o projeto ou modificações no projeto de um queimador afetam mais fortemente a modificação do formato de chama do que as alterações nas condições operacionais. Os parâmetros de projeto tais como as velocidades relativas entre o ar e o combustível ou a geometria interna do queimador podem ser alteradas para gerar um determinado formato de chama. Por exemplo queimadores com geometria de descarga retangulares combinados com o adequado bocal de gás pode gerar uma chama plana (chama em formato de leque). Altas velocidades e grau de turbulência produzem chamas mais curtas e bojudas, enquanto que velocidades baixas e baixa qualidade de mistura normalmente produzem chamas longas e delgadas. TURNDOWN O turndown de um queimador é a razão entre a máxima liberação e a mínima liberação que um determinado queimador pode operar satisfatoriamente. Muitas vezes é a condição de mínima liberação quem define o turn down de projeto de um queimador. No caso de queimadores pre-misturados a condição de mínima capacidade é limitada pelo fenômeno conhecido como “flashback”, que ocorre quando a velocidade da chama excede a velocidade da mistura. Em alguns casos, a máxima capacidade é limitada pela instabilidade denominada “blowoff” que ocorre quando a velocidade da mistura excede a velocidade de propagação da chama. Existem casos em que a limitação da capacidade de máxima liberação se dá pelo próprio custo do equipamento devido as altas pressões requeridas de ar e de combustível para operar o queimador.

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COMBUSTÃO DE GASES

A combustão de gases pode se processar de duas formas:

• Oxigenação progressiva do combustível • Dissociação ou craqueamento do combustível em carbono e hidrogênio

A oxigenação progressiva do combustível ocorre quando existir um bom contato combustível-ar. Neste caso, o oxigênio vai continuamente oxidando os hidrocarbonetos transformando-os em álcoois, aldeídos, ácidos carboxílicos e, por fim nos produtos finais da combustão, CO2 e H2O.

O resultado desta forma de reação é uma chama azul e sem fuligem, já que não ocorre a dissociação do hidrocarboneto, que permite a presença de partículas livres de carbono na envoltória da chama. Esse tipo de combustão é mais frequente quando o queimador é do tipo com pré-mistura e o combustível tem pequena porcentagem de frações pesadas e/ou de alta razão hidrogênio/carbono, como será explicado adiante.

Quando não ocorre um bom contato combustível-ar haverá a dissociação ou craqueamento das moléculas de hidrocarbonetos, deixando livres o hidrogênio e partículas de carbono (reação 2). O hidrogênio queima extremamente rápido produzindo uma chama azul clara que é difícil de ser vista, exceto contra um fundo escuro e o carbono queima como um sólido, lentamente e produzindo muito brilho amarelado. O resultado de uma combustão assim é uma chama amarelo/alaranjada, pois ocorre uma queima independente e em velocidades diferentes dos dois elementos. O carbono, ao se aquecer pelo calor da queima do hidrogênio, se incandesce com brilho intenso, fazendo com que a luminosidade azul clara da chama do hidrogênio seja completamente escondida pela cor amarela brilhante do carbono incadescente. No caso de não haver ar suficiente para a queima ou um bom contato combustível-ar para completar a reação, pode ocorrer a formação de fuligem na envoltória da chama.

Como a queima com chama amarela ou azul leva aos mesmos produtos finais CO2 e H2O, não há diferença significante na geração de calor se o combustível queima com chama azul ou amarela. É comum ouvir que chama amarela é decorrente da falta de ar para a queima, mas esta opinião não é correta porque a chama amarela pode existir tanto com falta de ar como com elevado excesso de ar. Há uma tendência para queima com chama amarela á medida que a massa molar do combustível aumenta, quando são comparados hidrocarbonetos de mesma série. Assim, butano é mais propenso para chama amarela do que o metano. No entanto, quando compara-se hidrocarbonetos de séries diferentes, nota-se que a massa molar sozinho não é um bom critério para definir a cor da chama. O etileno é muito mais propenso para a chama amarela do que o propano, que é relativamente fácil de queimar sem chama amarela. A razão mássica Hidrogênio/Carbono é o fator chave para indiciar a quantidade do combustível bem como a sua tendência para chama amarela. Em todos os casos, quanto maior a relação mássica H/C, melhor é o combustível para a queima. Pode-se dizer que, se a relação

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H/C de um dado combustível é maior que 0,200, o combustível pode ser queimado satisfatoriamente em condições adequadas de mistura de ar e turbulência. À medida que esta relação se aproxima de 0,100, técnicas mais difíceis e mais caras são necessárias para garantir a queima adequada.

Pode ser dito sem erro, que a queima pode se dar com chama amarela, chama azul e às vezes ambas às condições específicas do combustível, da presença do ar, da turbulência, das condições da mistura ar-combustível, bem como da temperatura”.

A reação ocorre quando existe a presença de vapor d’água, o que normalmente acontece quando o combustível tem baixa relação mássica H/C, como é o caso do butadieno, por exemplo. É extremamente difícil conseguir uma queima rápida e com chama limpa do butadieno em qua lquer tipo de queimado. No entanto, este composto queimará com a qualidade de queima do metano (hidrocarboneto com a maior relação H/C = 0,333), se vapor d’água é adicionado antes do início da queima.

C4H6 + 4H2O(v) → 4CO + 7H2

A queima do CO é muito mais fácil que a do C.

COMBUSTÃO DE LÍQUIDOS

Introdução

O processo de combustão de líquidos de interesse neste curso é o de combustão de uma nuvem de gotas, isto é, um ‘’spray’’.

O processo de combustão de ”sprays’’ líquidos pode ser descrito sumariamente como a divisão do líquido gerando uma névoa de pequenas gotas; processo este denominado nebulização (atomização), que posteriormente mistura-se ao comburente (ar na maioria das vezes), proporcionando condições para a combustão, que ocorre ao nível das gotas. Difere dos combustíveis gasosos premisturados pois não apresenta composição uniforme .

O ‘’spray’’ constituído de gotas de combustível pode ter uma larga faixa de tamanhos de gotas que podem se mover em diferentes direções e velocidades em relação ao fluxo gasoso. Esta ausência de uniformidade provoca irregularidades na propagação de chama e a zona de combustão não se apresenta geometricamente bem definida.

O processo de mistura entre combustível e oxidante na câmara de combustão, sofre influência da geometria da câmara, da distribuição espacial e da quantidade de movimento dos jatos introduzidos. Assim, o dispositivo de nebulização do combustível, de injeção do oxidante e câmara de combustão devem ser considerados como uma unidade integrada.

Combustíveis Líquidos

Os combustíveis líquidos utilizados nos mais diversos processos de aquecimento industrial são chamados genericamente de óleos combustíveis.

No Brasil o termo “óleo combustível” é empregado apenas na designação de frações pesadas, não incluindo portanto os subprodutos denominados genericamente destilados (querosene, óleo diesel, etc).

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Combustão de Gotas

A gota ao ser lançada pelo bico nebulizador no interior da câmara de combustão, é aquecida por convecção com o meio e por radiação da frente de chama e bloco refratário do queimador, o que propicia a evaporação formando-se, à sua volta uma camada de mistura ar-vapor do líquido-gases de combustão.

A medida que a gota se desloca no interior da câmara, a temperatura do meio vai aumentando até um ponto no qual a camada de mistura que envolve a partícula tem concentração de vapor acima do primeiro limite de inflamabilidade e temperatura igual à de ignição. Neste ponto, estabelece-se uma chama em torno da partícula a qual, a partir daí passa a fornecer o calor necessário para que a gota continue evaporando.

O espaço existente entre o bocal e este ponto corresponde a uma região na qual macroscopicamente não há chama visível, podendo observar-se apenas o cone formado pelo jato de ar arrastando a nuvem de partículas.

Na medida em que a gota evapora, parte das moléculas no estado de vapor sofrem craqueamento e polimerização simultânea, dando origem a partículas de dimensões muito pequenas, cerca de 500 A (1 A = 10-10 m), nas quais a relação carbono/hidrogênio é muito alta, denominadas fuligem. Esta fuligem, aquecida a temperaturas altas pelo meio gasoso circundante e pela sua reação com oxigênio disponível emite radiação com grande intensidade para a superfície envolvente.

Essa emissão de radiação é responsável pela coloração amarelo-alaranjado das chamas de líquidos e pelo brilho muito intenso, propiciando a distinção entre a parte visível e a não visível da chama. É importante observar que na região visível da chama ocorrem predominantemente, reações homogêneas (entre componentes da fase gasosa), não ocorrendo oxidação da gota propriamente dita, uma vez que ela permanece em temperaturas relativamente baixas devido à evaporação.

No final da evaporação, o material remanescente da gota apresenta altas relações carbono/hidrogênio, diâmetro muito pequeno e temperatura muito alta. Neste ponto, essa partícula está saindo da região visível da chama, juntamente com as partículas de fuligem formadas via polimerização. A partir deste ponto as reações de oxidação se darão na própria superfície, até que a partícula seja totalmente consumida ou saia da câmara de combustão.

É interessante ter presente que nesta região da chama o teor de oxigênio disponível é mais baixo que nas regiões anteriores e está fundamentalmente ligado ao valor do excesso de ar.

Conforme veremos a seguir, fica claro que os fenômenos que governam os ritmos de evaporação e combustão ao nível da gota, são respectivamente a transmissão de calor e transporte de massa (difusão de O2 nos produtos existentes em volta dela).

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Representação do mecanismo de combustão de uma gota

Na combustão de líquidos o estudo da evaporação e queima de uma gota é importante na previsão do tempo de vida desta no interior de uma fornalha e consequentemente do perfil da chama, emissão de poluentes e perfil de fluxo de calor.

O tratamento teórico do problema de queima de uma gota permite identificar quais os parâmetros que interferem, e como atuam nos ritmos de evaporação e combustão. O problema é então determinar o tempo necessário para que uma gota de certo diâmetro, envolvida por um meio gasoso no qual se encontra o oxidante, seja completamente consumida. Existem modelos teóricos de gota simples que utilizando-se de hipóteses simplificadoras levantam correlações para a taxa de consumo de uma gota com diâmetro inicial di. No entanto este tipo de estudo teórico ainda não é capaz de representar completamente o fenômeno e foge aos aspectos considerados relevantes para este curso.

Destas equações pode verificar que a maior influência para a taxa de vaporização da gota é devida a relação entre a condutividade térmica e o calor específico do líquido.

As hipóteses simplificadoras consideradas no modelo apresentado e os fenômenos que ocorrem durante o processo de queima de uma gota, não nos permitem aplicar diretamente as equações apresentadas para os casos reais. No entanto nos permite fazer uma descrição qualitativa dos processos que ocorrem em torno de uma gota na sua trajetória no interior de uma câmara de combustão.

Nebulização do Combustível

O propósito principal do processo de nebulização do combustível é a divisão do líquido em gotas de menor tamanho possível, gerando um fino ‘’spray’’, aumentando a relação área/volume de forma a maximizar o contato do oxidante com a gota de combustível

Mecanismo de Formação de Sprays

O processo de nebulização ocorre quando se obtém à saída do bocal de descarga uma película fina que em seguida se rompe em gotas com forma aproximadamente esférica.

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As gotas que constituem o “spray” real, na sua trajetória até entrarem em combustão, estão sujeitas a desintegrações devido a colisões entre si, à fricção, à ação da própria tensão superficial, ao movimento turbulento originado no interior do “spray”, bem como à coalescência de gotas. A Figura abaixo ilustra o aspecto de dois “sprays” reais, onde pode-se observar comportamentos distintos no que se refere à distância do bocal onde se dá a desintegração da película.

Nebulização de glicerina em bocal de nebulização por pressão de líquido

Caracterização de Sprays

O “spray” obtido no processo de nebulização é caracterizado pela sua configuração espacial (comprimento, largura e ângulo sólido), pela distribuição do líquido na seção transversal do “spray”, pelo diâmetro médio das gotas e pela uniformidade de tamanho das mesmas. Estas contribuem para a definição das características da chama obtida (comprimento, largura, estabilidade, perfil de temperaturas, etc.).

As características do “spray” são marcadamente afetadas pela geometria interna do bocal nebulizador, pelas propriedades do líquido e do meio onde é descarregado.

O escomento do líquido com alta velocidade induz recirculações (internas e externas) que alteram a própria configuração do “spray”. O ângulo correspondente do “spray” não coincide com o ângulo do jato que deixa o bocal. Desta forma, as condições do ambiente na região onde se desenvolve tem papel fundamental nas suas características.

A qualidade do processo de nebulização, que é o diâmetro médio das gotas obtido, estão condicionados os ritmos de evaporação e combustão, bem como a formação de resíduos não queimados.

O diâmetro médio de gota mais utilizado na área de combustão é o SMD (“Sauter Mean Diameter”), que corresponde a relação do volume pela área superficial da gota.

Existem expressões empíricas com as quais é possível determinar o diâmetro médio de gota a partir das propriedades do líquido (tensão superficial, viscosidade, densidade), das condições de operação (pressão de injeção do líquido e do meio ambiente), desenvolvidas para um determinado tipo de bico nebulizador.

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Princípios de Nebulização

Os princípios e dispositivos de nebulização utilizados nas refinarias são divididos em por pressão de fluido e com fluido auxiliar ou pneumática (ar ou vapor).

Nebulização por pressão de líquido

A película à saída do bocal neste caso é obtida mediante a injeção do líquido sob pressões relativamente elevadas, 20 a 60 kgf/cm2, através de bocais de pequenas dimensões, e portanto a altas velocidades.

A formação e desintegração da película à saida do bocal, depende essencialmente dos seguintes fatores: das características geométricas do bico injetor; da pressão de injeção do líquido; das propriedades físicas do líquido (viscosidade, tensão superficial) e da pressão do meio em que está sendo injetado.

Podem ser obtidos sprays de formatos planos em forma de um leque, quando os orifícios por onde o líquido é injetado são rasgos. Os “sprays” de formato cônico são obtidos quando os orifícios de descarga são anulares. Neste caso o cone pode ser cheio (simples orifício),ou oco quando existe uma câmara de rotação a montante do orifício.

Bocal de nebulização por pressão de líquido com câmara de rotação

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Nebulização com fluido auxiliar ou pneumática

Na nebulização com fluido auxiliar ou pneumática a injeção do combustíve l é feita com pressões relativamente mais baixas, com auxílio de um fluido gasoso (ar ou vapor) que transfere quantidade de movimento ao líquido que está sendo nebulizado.

Neste tipo de nebulização os mecanismos descritos anteriormente para a desintegração da película são desencadeados pelo fluido auxiliar, iniciando-se, em muitos casos, ainda no interior do próprio bocal.

Existem bocais em que a mistura líquido-fluido auxiliar é feita ainda no interior do bico, como é o caso dos bocais tipo câmara de mistura e “Y-Jet” e outros em que esta mistura é feita logo à saída do líquido do bico injetor de combustível.

Bocal nebulizador com fluido auxiliar tipo câmara de mistura

Bocal nebulizador com fluido auxiliar tipo `Y-JET ̀

O diâmetro médio de gota sofre grandes alterações com a variação da velocidade relativa entre o fluido auxiliar e o líquido. A velocidade relativa varia com a alteração na relação de vazão de ar ou de líquido.

Quanto às propriedades do líquido, a viscosidade tem maior influência do que a tensão superficial. Assim as forças de cisalhamento são predominantes sobre as forças devido à tensão superficial o que geralmente acontece quando se tem escoamento com grandes gradientes de velocidades como acontece na interface entre o fluido auxiliar e o líquido.

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A redução do diâmetro médio de gota com o aumento da relação ar/líquido tem um limite para cada vazão de líquido, acima do qual já não apresenta variações.

Os gráficos do tópico sobre a Estação de Avaliação de Sprays apresentam curvas de distribuição de tamanho de gotas obtidas para um determinado bocal em que se pode observar a influência de diversos parâmetros, tais como viscosidade, realção ar/combustível e outros.

Alguns fabricantes de queimadores propõe configurações de bocais alternativas às do tipo convencionais “Y-Jet”. O objetivo é reduzir assimetrias na distribuição de tamanho de gotas na seção transversal do jato à saída do orifício de descarga como mostra a Figura a seguir

Configuração do jato do bocal do tipo “Y-Jet” convencional e alternativo

A Figura abaixo mostra dois bocais diferentes concebidos com tais propósitos, denominados genericamente “F-Jet”.

Bocais alternativos

A seguir são mostrados dois bocais combinados, por pressão de líquido com câmara de rotação e fluido auxiliar tipo câmara de mistura. O segundo permite reduzir a relação fluido auxiliar/combustível, bem como nas emissões de óxidos de nitrogênio e material particulado em relação ao primeiro.

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Bocal combinado câmara de rotação - câmara de mistura

Bocal combinado câmara de rotação-” F-Jet”

ESTAÇÃO DE AVALIAÇÃO DE SPRAYS

A Estação de Avaliação de Sprays permite caracterizar o desempenho de bocais nebulizadores de queimadores através da medição da distribuição de diâmetros e do diâmetro médio das gotas do spray. Nesta instalação laboratorial, o próprio dispositivo nebulizador ou um protótipo dele são testados sem que ocorra a reação de combustão, permitindo assim avaliar especificamente a qualidade do processo de nebulização.

A instalação está apta a operar com bocais nebulizadores em escala real, com vazões de óleo de até 5.000 Kg/h, portanto, capaz de testar tanto bocais de pequenas capacidades, como aqueles encontrados nas maiores caldeiras existentes no país. Utiliza óleos lubrificantes como fluidos de trabalho, simulando as propriedades dos óleos combustíveis importantes no processo de nebulização, quais sejam: viscosidade, tensão superficial e densidade. A viscosidade é controlada automaticamente

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utilizando-se um aquecedor elétrico enquanto que a tensão superficial é ajustada pela a adição de tensoativos.

Os bocais a serem testados são instalados no interior de uma câmara transparente de seção quadrada (0,6 x 0,6 m), sendo montados na extremidade de uma lança, sustentada por um posicionador cartesiano de três eixos. Através da lança é feita a alimentação de óleo e fluido de nebulização ao bocal.

A determinação da distribuição de diâmetros das gotas é feita por um instrumento a laser, cujo princípio de operação é baseado no fenômeno de difração da luz que ocorre durante a interação de um feixe de luz laser com as gotas de óleo do spray. Este instrumento apresenta como resultado a distribuição de diâmetros e o diâmetro médio de gotas.

Bocal nebulizador instalado na estação.

Técnica de Medição Diâmetro de Gota

A técnica de medição adotada está baseada no fenômeno da difração de laser.

O instrumento de medição utilizado é o Malvern, modelo Mastersizer X (“Long-bed”). O instrumento é constituído de dois conjuntos, emissor e receptor, entre os quais situa-se a câmara onde se desenvolve o spray.

O feixe de laser emergente do emissor cruza uma determinada seção transversal do spray. Parte do feixe sofre difração devido à sua interação com as gotas, o que resulta espalhamento segundo ângulos que estão relacionados com o diâmetro das gotas (gotas menores espalham a luz em ângulos maiores e vice-versa).

O feixe de luz resultante desta interação incide numa lente de Fourier, que é responsável pela manutenção do padrão de difração independentemente das posições das gotas no feixe. O feixe emergente desta lente incide num conjunto de diodos foto-sensíveis de que se constitui o detetor, situado no plano focal da lente. A parcela da luz não difratada incide em um diodo central, enquanto a parcela difratada incide em 33 diodos situados em anéis concêntricos ao diodo central.

Os sinais obtidos no detetor são tratados, enviados para microcomputador e processados pelo software do instrumento. A curva de distribuição de diâmetros é obtida mediante o ajuste de modelos matemáticos de distribuição às curvas de distribuição de fluxo luminoso incidente nos diodos. A partir das curva de

Nos casos de bocais que utilizam fluido auxiliar para nebulização, utiliza-se ar comprimido, em condições de pressão e vazão determinadas a partir de números adimensionais apropriados, que permitem fazer a transposição quanto ao diâmetro médio de gotas para outros fluidos de nebulização, por exemplo vapor d’ água

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distribuição ajustada é calculado o diâmetro médio. O arranjo ótico montado permite a medição de diâmetros de gotas compreendidos na faixa de 4 a 2000 micra.

Avaliação de Desempenho de Bocais Nebulizadores

Partenador na câmara

Cálculo da relação vapor/óleo na situação real

Para o cálculo das relações vapor/óleo na situação real de utilização, correspondente às relações ar/óleo utilizadas nos ensaios, considerou-se o modelo desenvolvido por Lefebvre, na forma proposta por Graziadio, para bocais do tipo nebulização com fluido auxiliar com mistura interna.

As relações vapor/óleo foram calculadas admitindo-se que o mesmo valor de viscosidade do óleo na entrada do bocal é mantido e que as diferenças existentes entre os valores de densidade e tensão superficial dos óleos combustíveis e dos óleos lubrificantes são pequenas.

Assim sendo as diferenças entre a operação com ar comprimido na estação e vapor d’água no caso real, estão expressas simplificadamente pela equação:

V Vr a a r v v, ,2 2ρ ρ=

onde, ρa : densidade do ar no orifício de descarga do bocal;

ρv : densidade do vapor no orifício de descarga do bocal;

Vr,a : velocidade relativa ar-óleo no orifício de descarga do bocal;

Vr,v : velocidade relativa vapor-óleo no orifício de descarga do bocal;

Portanto, conhecendo-se a condição do vapor d’água na entrada do bocal, é possível calcular a vazão de vapor necessária para se obter condições de escoamento semelhantes no bocal.

O bocal nebulizador tem seu desempenho avaliado quanto à qualidade do processo de nebulização, quando se obtém as seguintes informações na estação: a distribuição de diâmetros e os respectivos diâmetro médio de gota; a distribuição do líquido na secção transversal e a configuração espacial (ângulo sólido que contém as gotas) nas diversas condições operacionais. As diferentes condições de operação no que se refere à relação fluido de nebulização / óleo são obtidas atuando-se na vazão de ar de nebulização, de modo a se obter uma faixa relativamente ampla para esta relação (ar/óleo). Para a completa caracterização do spray, utilizam-se ainda dispositivos amostradores denominados partenadores, que permitem determinar a distribuição do líquido numa determinada secção transversal do spray, conforme mostrado na figura, e técnicas fotográficas para visualização do ângulo do spray

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Para um bocal nebulizador define-se coeficiente de vazão, CV , como um número associado à configuração geométrica do bocal, calculado para a condição dos testes na estação como:

CVQ

Paa

a

=∆

onde, Qa : vazão volumétrica de ar [m3];

∆Pa :o diferencial de pressão do ar entre a entrada e saída do bocal;

Admite-se que a pressão do vapor na entrada do bocal pode ser estimada, considerando o valor CV como característico do bocal, considerando-se que a pressão de descarga é próxima a atmosférica.

Seja o caso de um bocal nebulizador de um queimador que utiliza ar comprimido ou vapor como fluido auxiliar de nebulização e opera com vazão máxima de 125 kg/h de óleo com viscosidade de 20 cSt. O gráfico abaixo apresenta os valores medidos de diâmetro médio de gotas existentes num plano perpendicular ao eixo do bocal, situado a uma distância de 150 mm do orifício de descarga do bocal. Os valores referem-se à condição de 75 kg/h de óleo, obtidos para diferentes vazões de ar de nebulização, sendo que a relação kg de ar/kg de óleo variou na faixa de 0,3 a 1,2.

Diâmetro médio de gota ao longo de uma seção transversal do spray.

Observa-se a sensibilidade da qualidade de nebulização em relação à vazão de fluido de nebulização. Obtém-se menor diâmetro médio de gota, com menor dispersão, à medida que se afasta do centro, para relações ar/óleo crescentes.

O gráfico abaixo apresenta as curvas de fração em volume de líquido ao longo da mesma seção transversal. A distribuição de líquido na seção apresenta-se como um spray “oco” para relações ar/óleo menores, tendendo a um spray “cheio” para as relações ar/óleo mais altas.

A Figura a seguir apresenta os valores de diâmetro médio médio de gota calculados para toda a seção transversal, considerando as diferentes relações ar/óleo e considerando a distribuição do líquido na seção. Pode-se verificar o efeito da viscosidade do óleo na qualidade de nebulização.

BOCAL NEBULIZADOR COM FLUIDO AUXILIARVazão de óleo: 75 kg/h; visc. 20 cSt

0

20

40

60

80

100

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Distância do eixo do bocal ( [mm]

Diâ

met

ro m

édio

de

gota

D[3

,2] [

mic

ron]

Ar neb. / Óleo = 0,3





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Distribuição do líquido na seção transversal do spray com o partenador

Diâmetro médio de gota em função da relação ar de neb./óleo e µ do óleo

A influência da qualidade de nebulização nas taxas de emissões de NOx e CO pode ser verificado em testes a quente.

Conc. de CO nos g.c. em função do EA p/ diferentes rel ar de nebulização/óleo

BOCAL NEBULIZADOR COM FLUIDO AUXILIARVazão de óleo: 75 kg/h; visc. 20 cSt

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Distância do eixo do bocal [mm]

Fra

ção e

m v

olu

me






BOCAL NEBULIZADOR COM FLUIDO AUXILIARVazão de óleo: 75 kg/h

0

10

20

30

40

50

60

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6Ar de nebulização / Óleo [kg / kg]

Diâ

met

ro m

édio

de

gota

D[3

,2]

[mic

ron]

Viscosidade do óleo = 40 cSt

Viscosidade do óleo = 20 cSt

BOCAL COM FLUIDO AUXILIARVazão de óleo: 75kg/h; visc. 20 cSt

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7

EXCESSO DE OXIGÊNIO - O2 (%vol.; b.s.)

MO

NÓ

XID

O D

E C

AR

BO

NO

- C

O

(pp

m v

ol.;

b.s

.; 0

% O

2)

Ar neb./Óleo = 1,1

Ar neb./Óleo = 1,0

Ar neb./Óleo = 0,9

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Concentração de óxidos de nitrogênio (NOx) nos gases de combustão em função do excesso de ar para diferentes relações ar de nebulização/óleo.

Para relações ar/óleo abaixo de 0,75 não se obteve condições para o acendimento da chama, pois a qualidade de nebulização é tão ruim que compromete as condições de ignição e sustentação da chama. Além disso, com a redução no tamanho de gota médio é possível se trabalhar com menores excessos de ar para se obter uma mesma condição de emissão.

Observa-se nitidamente a influência da qualidade de nebulização nas emissões. O teor de CO apresenta grandes variações para valores de relação ar/óleo baixas, mantendo-se em patamares relativamente estáveis e mais baixos, para valores de relação ar/óleo maiores. Os valores de concentração de NOx, apresentam comportamento oposto, sendo mais baixos na medida em que se opera com relações ar/óleo menores.

Efeitos das Variáveis de Processo no Comportamento de Chamas de Líquidos

O queimador é um dispositivo que tem a função de subdividir o combustível em gotas de menor diâmetro possível e introduzir esta névoa de pequenas partículas adequadamente no interior da câmara de combustão. Os fenômenos de ignição e combustão desta névoa são precedidos da evaporação na superfície das gotas e da mistura destes vapores com o ar de combustão.

O comportamento das chamas de líquidos são afetados pelas seguintes variáveis de processo:

• características do combustível; • qualidade do processo de nebulização; • rotação do fluxo de ar; • temperatura do ar de combustão; • temperatura interna da câmara de combustão;

Quando aumenta-se a pressão de nebulização obtém-se gotas de menor diâmetro, o que permite atingir a condição de ignição mais próxima do bico nebulizador. O aumento na vazão de gases recirculados externamente ao jato provoca uma aproximação do ponto de ignição do bico nebulizador, e um estreitamento da chama.

BOCAL COM FLUIDO AUXILIARVazão de óleo: 75 kg/h; visc. 20 cSt

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7

EXCESSO DE OXIGÊNIO - O2 (%vol.; b.s.)

ÓX

IDO

S D

E N

ITR

OG

ÊN

IO -

NO

x

(pp

m v

ol.;

b.s

.; 0

% O

2)

Ar neb./Óleo = 1,1

Ar neb./Óleo = 1,0

Ar neb./Óleo = 0,9

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Influência das Características do Combustível

No processo de combustão das gotas de líquido as caracterísicas mais importantes são as que interferem no processo de evaporação da gota. A taxa de vaporização de uma gota é tanto maior quanto maior for a condutibilidade térmica e a entalpia de reação e menor for o calor específico a pressão constante, a entalpia de vaporização e a temperatura de ebulição do líquido.

Para os óleos combustíveis nacionais as temperaturas de ebulição são altas, reduzindo o ritmo de evaporação. Consequentemente tem-se um aumento da distância do bico nebulizador até o ponto de ignição.

Neste sentido a adição de destilados leves, na faixa do óleo diesel, aos combustíveis residuais contribui não só na melhoria da qualidade de nebulização, devido à redução na viscosidade, como também na evaporação, antecipando portanto a ignição para uma região mais próxima do bico nebulizador.

O teor mais alto de frações pesadas, isto é, compostos com elevada relação C/H, propicia maior conteúdo de material remanescente da gota com altas relações carbono/hidrogênio ao final do processo de evaporação. Estas partículas estarão então, a partir daí sujeitas às reações de oxidação na superfície, exigindo portanto maior teor de oxigênio na região final da chama.

Esta características dos combustíveis mais pesados explica a necessidade de geralmente se operar com maiores excessos de ar e da maior formação de material particulado e/ou fuligem.

Quanto maior o poder calorífico do combustível maior será a taxa de vaporização da gota.

Influência da Qualidade do Processo de Nebulização

Quanto menor o diâmetro da gota, melhor relação volume/área superficial, maior a taxa de vaporização da gota. Quanto maior for o diâmetro da gota maior será o comprimento visível da chama, e maior o diâmetro da partícula residual ao final da região visível da chama.

Desta forma aumentam as possibilidades destas partículas residuais se juntarem às partículas de fuligem. Consequentemente, para se obter as mesmas concentrações de partículas não convertidas e de fuligem nos gases de combustão, deve-se aumentar o excesso de ar com o aumento do diâmetro das gotas.

Por este motivo é importante diminuir o diâmetro da gota, bem como garantir uma distribuição de tamanho de gotas adequada, atuando nos parâmetros que influem na qualidade da nebulização.

Influência da Rotação do Fluxo de Ar

Com objetivo aumentar a taxa de vaporização das gotas logo à saída do bico nebulizador, e aproximar o ponto de ignição do bocal nebulizador, aumenta-se a circulação do ar e de gases de combustão na região frontal do bocal.

A introdução do ar de combustão com componentes tangenciais de velocidade, aumenta a vazão de gases quentes recirculados para o centro da parte inicial do jato, aumentando também a estabilidade da chama.

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A seguir são ilustrados alguns dispositivos turbuladores utilizados para produzir recirculação interna à frente do bocal do queimador.

Dispositivos para produzir recirculação interna na frente do bocal do queimador

Influência da Temperatura da Câmara de Combustão

O aumento da temperatura do meio que circunda a chama aumenta os ritmos de evaporação das gotas e, consequentemente, diminui o comprimento da chama. Assim o mesmo queimador, operando com a mesma potência, combustível e demais parâmetros numa fornalha de tubos d’água, apresenta chama mais longa do que operando numa fornalha revestida de refratários.

Influência da Temperatura do Ar de Combustão

A utilização de ar de combustão preaquecido, além de contribuir com uma carga térmica adicional que implica na redução do consumo de combustível, intensifica os ritmos de evaporação da gota.

O uso de ar pré-aquecido, além de diminuir a distância de ignição, aproxima o pico de temperatura do bocal do queimador e aumenta a temperatura máxima da chama.

Os níveis de temperatura de preaquecimento estão condicionados às características particulares dos componentes do sistema de combustão: queimadores, ventiladores, válvulas, tubulações, etc.. As restrições à operação em temperaturas elevadas são relativas aos materiais empregados na sua construção e ao desempenho destes quando operando nestas condições.

INTERCAMBIALIDADE DE COMBUSTÍVEIS

O termo "intercambialidade de combustíveis" implica na substituição de combustíveis utilizando-se o mesmo sistema de combustão e sem a necessidade de atuação na regulagem do sistema de combustão; isto só é possível quando ocorrer a substituição de combustíveis do mesmo estado, ou seja gás por gás, líquido por líquido ou sólido por sólido.

Mecanismos de Trocas de Calor em Processos de Combustão

Os mecanismos de trocas de calor entre chamas, gases de combustão e a carga são basicamente de convecção e radiação.

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Características dos Combustíveis

As propriedades e parâmetros dos combustíveis que interferem na troca de calor são:

• composição (determina a composição dos gases queimados) • entalpia de reação (poder calorífico) (J/kg ou J/Nm3) • volume gerado de gases de combustão (m3) • temperatura dos gases queimados (K)

Comparação entre combustíveis

As composições dos gases de combustão, se o comburente for ar, para diversos combustíveis; com exceção de H2 e CO estão nas seguintes faixas:

65 < N2 < 75 8 < CO2 < 19 7 < H2O < 23 Portanto as propriedades de transporte de calor e massa dos gases de combustão (massa específica, calor específico, condutividade térmica e viscosidade) são praticamente independentes do combustível.

Os combustíveis que têm enxofre ou elementos que formam as cinzas exigem análises sobre corrosão de equipamentos e emissões de poluentes.

Comparação entre dois combustíveis

Comparando-se dois combustíveis A e B queimando com ar, excetuando-se os combustíveis C2H2, CO e as misturas gasosas com esses componentes predominando sobre os demais combustíveis, observa-se que:

(PCI/VOLtot)B ≥ (PCI/VOLtot)A

Emissividade dos gases de combustão

As substâncias presentes nos gases de combustão que emitem radiação térmica são: CO2 , H2O e fuligem (CmH)n com m>9. Os gases combustíveis como H2 e CO não produzem fuligem, portanto as chamas destes combustíveis são denominados "transparentes". Os hidrocarbonetos gasosos, em geral, mesmo com baixo excesso de ar produzem chamas de baixo teor de fuligem, portanto nestes casos a radiação térmica é praticamente devida à radiação de CO2 e H2O; entretanto é possível produzir chamas com fuligem se o aporte de oxigênio for estagiado, por exemplo o metano (CH4) produz fuligem se a ignição ocorrer numa mistura com coeficiente de ar inferior a 0,5.

42

Emissividade do vapor d’água e do gás carbônico

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Influência da dimensão da câmara em relação à dimensão da chama na troca de calor

A dimensão da câmara deve ser maior que a dimensão da chama; se ocorrer o contrário poderá haver extinção das reações de combustão produzindo poluentes como CO e fuligem.

É recomendável que a dimensão em cada direção da câmara seja pelo menos uma vez e meia ( 1,5 ) maior que a da chama; resultando num volume de câmara da ordem de três vezes o volume da chama.

A redução da eficiência da troca de calor com a elevação da taxa volumétrica de combustão tem sido constatada nas medições realizadas em câmaras de combustão.

Para câmaras muito maiores que o volume da chama, observa-se que a radiação dos gases de combustão contribuem de forma significativa pela radiação de CO2 e H2O, pois o termo (pL) aumenta com a elevação do valor de (L) dimensão característica do volume dos gases de combustão.

Intercambialidade

Intercambialidade de combustíveis gasosos

O índice de Wobbe é o parâmetro mais importante para os combustíveis gasosos serem intercambiáveis, este índice foi definido como:

W = PCI/ d1/2 onde; PCI - entalpia de reação volumétrico (J/m3) d - densidade relativa ao ar

Quando dois combustíveis gasosos tem o mesmo índice de Wobbe e forem fornecidos com a mesma pressão obtém-se a mesma potência liberada para os dois combustíveis, pois

POT = (PCI).Vazão(vol)

Vazão(vol) = (Área x velocidade) e vel = cte.(∆P/ρ)1/2 Portanto; POT = cte. (PCI).(∆P/ρ)1/2

A grande maioria dos sistemas de combustão de gases de aplicação industrial requerem que os gases tenham o mesmo índice de Wobbe e PCI/VOLtot iguais para serem intercambiáveis.

Intercambialidade de combustíveis líquidos

O parâmetro mais importante no estudo da intercambialidade de líquidos é a viscosidade, o valor adequado da viscosidade possibilita o transporte do líquido (alimentação), e também da nebulização (combustão). Além disso a verificação das condições de operação para garantir a mesma ou até uma superior qualidade de nebulização, uma vez que normalmente a substituição de combustíveis vai no sentido do mais pesado.

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FUNDAMENTOS SOBRE QUEIMADORES

A operação eficiente dos fornos depende da operação adequada dos queimadores. Um queimador pode ser definido como sendo um dispositivo que posiciona uma chama em uma determinada posição pela liberação de ar e combustível com uma dada mistura capaz de assegurar a contínua ignição e combustão completa.

n Mistura Ar / Combustível

Uma boa mistura do ar com o combustível é importante para garantir uma mistura uniforme. Toda a partícula de combustível deve estar em contato com oxigênio. A implementação de ações que propiciem o aumento da turbulência (alta turbulência) contribuem para a mistura gás/ar.

Existem duas fontes básicas de energia que são disponíveis para gerar a mistura. Estas suas fontes são: a pressão de ar disponível ou a tiragem ao longo do queimador e a energia de descarga do combustível. A energia do combustível é extremamente importante quando a tiragem é natural ou com baixas pressões de ar. Nos casos em que os queimadores são de tiragem forçada com alta perda de carga no queimador a energia proveniente do combustível é menos relevante, sendo a energia provida pelo ar a fonte dominante para gerar a mistura.

n Ignição e Estabilidade

Esta é uma das principais características quanto aos aspectos de segurança e confiabilidade operacional. Um queimador é considerado estável quando mantém a ignição ao longo de toda a faixa de pressão das correntes e dentro da faixa normalmente utilizada para a relação ar/combustível.

A ignição do combustível em um queimador é normalmente obtida pela aceleração da reação de oxidação através da introdução de uma fonte externa de calor em um ponto determinado (piloto) até que a própria reação libere uma quantidade de calor superior a perdida para a vizinhança, ou seja, até que o combustível continue a se ignitar com a fonte de calor externa. A menor temperatura possível para a manutenção da ignição é denominada “temperatura mínima de ignição da mistura ar/combustível”. A estabilidade de um queimador depende de sua capacidade de manter este valor de temperatura em algum ponto dentro do queimador.

Alguns queimadores dependem da temperatura do meio (vizinhança) para manter a estabilidade. Com este tipo de queimadores instáveis é necessário se operar com taxas reduzidas ou com relações ar/combustível muito restritas até que o forno esteja aquecido a temperatura necessária para a manutenção da estabilidade.

A temperatura é apenas um dos três T’s: temperatura, tempo e turbulência, que governam a velocidade de queima após a ignição do combustível. O valor da temperatura após o início da combustão é o parâmetro que governa diretamente a velocidade ou tempo de queima quando os demais parâmetros são mantidos constantes. Para um determinado par inicial de temperatura de combustão e grau de turbulência, o que ocorre ao se aumentar a turbulência é o aumento das reações de combustão proporcionalmente, resultando na elevação da temperatura devido a diminuição da transferência de calor durante o processo de combustão. Desta forma, a queima de combustíveis se processa com uma determinada velocidade e em concordância com os três T’s da combustão.

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A turbulência criada pelo combustível e pelo ar através do queimador e o consequente grau de mistura alcançado influenciam a temperatura e a velocidade de combustão. O grau de turbulência e da mistura determinam o excesso de ar requerido pelo queimador.

Por exemplo, um queimador projetado para alta perda de carga do ar tem normalmente melhor mistura que um queimador para tiragem natural, ao qual opera com baixas pressões de ar. O aumento no excesso de ar compensa a redução na qualidade de mistura e geralmente assegura que o oxigênio esteja presente em todas as partes da zona de combustão em quantidades suficientes para garantir a combustão total.

Uma vez que a ignição seja alcançada, o adequado projeto de um queimador deve garantir a manutenção da ignição mesmo quando em vizinhanças “frias” e a estabilidade do queimador. O projeto dos queimadores foi desenvolvido de forma a garantir a manutenção da ignição pela adição do seu próprio isolamento térmico (refratário isolante).

O bloco refratário de um queimador (burner tile) serve para dois propósitos. O primeiro, é o de gerar uma zona quente para favorecer o início da combustão e o segundo, quando adequadamente projetado, para criar a turbulência necessária e zonas de baixa velocidade, de forma a garantir que a velocidade da mistura ar/combustível seja inferior que a velocidade de propagação da chama nesta região.

Em resumo, a estabilidade é alcançada pela manutenção de uma temperatura mínima de ignição de uma mistura, que está dentro do limite de flamabilidade, em pelo menos uma região pré-definida. Esta condição deve ser mantida dentro de uma ampla faixa de taxas de queima e de relações ar/combustível independentemente da temperatura da vizinhança. Além disso, a velocidade de propagação da chama, que é função de muitas variáveis, tais como, a temperatura, a qualidade de mistura e a relação ar/combustível, deve ser equilibrada com a velocidade da mistura ar/combustível.

Componentes do Queimador

A combustão perfeita é obtida através da mistura e queima de partes exatas de ar e combustível de forma que nada seja desperdiçado. A boa qualidade de mistura é importante para garantir que a mistura será uniforme ao longo da zona de queima. Existem duas fontes de energia para se obter a adequada mistura, que são: a perda de pressão do ar ao longo do queimador (tiragem disponível) e a energia de descarga do combustível na corrente do ar. A forma como o combustível é descarregado é um dos parâmetros fundamentais do projeto de um queimador, pode-se utilizar um bocal simples ou múltiplos bocais para o combustível.

• Burner Tile

O burner tile é o bloco refratário que contém uma passagem de formato cônico ou cilíndrico pelo seu centro. O dimensionamento do burner tile é função da perda de pressão do ar disponível e que deve ser utilizada ao máximo. O burner tile serve ainda como um bloco refratário que separa a câmara quente da fornalha da parte interna do queimador. Entretanto vários modelos de queimadores utilizam o burner tile como um bloco irradiador de calor para o trecho de entrada da mistura ar/combustível como forma de auxiliar na ignição e na estabilidade de chama do queimador (algumas vezes são chamados de queimadores de “cabeça

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quente”). O material do burner tile varia em função da temperaura a que serão submetidos, normalmente estão na faixa de 60% a 95% de alumina. Cuidado especial deve ser tomada caso o combustível tenha um conteúdo de vanádio superior a 50 ppm.

• Registro de Ar

O registro de ar é a parte do queimador que controla a entrada do ar para a zona de combustão e determina as características do escoamento. O registro de ar pode incluir diversos tipos de entradas para gerar o efeito de swirl, que é o efeito em que se inclui um movimento rotacional (tipo um ciclone), ou dispositivos para garantir a adequada distribuição de ar. O projeto do tipo de registro depende do tipo de mistura desejada e do formato de chama requerido.

• Sistema de ar de combustão

Os queimadores são frequentemente classificados pelo tipo de sistema de ar utilizado. Existem dois tipos de sistemas de ar que podem ser utilizados, o natural e o forçado. No entanto tecnicamente o mais adequado é se classificar como baixa e alta perda de carga. Tipicamente na Petrobras a necessidade de se alcançar 100% da capacidade operacional em tiragem natural para fornos que possuem sistema de preaquecimento de ar levam o sistema de ar de combustão a condição de baixa perda de carga apesar de possuírem sistema de ar forçado. O sistema de ar por tiragem natural se baseia na pressão nega tiva (tiragem) obtida pela diferença de densidades entre os gases dentro e fora da câmara de combustão. Esta perda de carga normalmente se situa na faixa entre 0.2 e 0.5 in ca ou 5 a 12.7 mm ca. Assim, pode se verificar que o sistema de tiragem natural recai em um sistema de ar de baixa pressão. Devido a baixa energia provida pela corrente do ar, a qualidade de mistura e o formato da chama são fortemente dependentes da energia provida pela descarga do combustível e pelo projeto dos bocais. Também devido a baixa perda de carga disponível para o ar, os dispositivos de registro de ar para tiragem natural incluem somente dispositivos para restringir e controlar a vazão de ar de combustão.

Para queimadores que utilizam sistema de tiragem forçado e alta perda de carga para o lado do ar, é possível se utilizar a energia da corrente do ar para se obter uma adequada qualidade de mistura tornando a energia provida pela combustível menos relevante para este processo. Nestes casos é possível se introduzir mecanismos para gerar o efeito desejado de swirl ou outros dispositivos específicos para se alcançar um formato de chama requerido. Cabe ressaltar, que como mencionado anteriormente para a maioria dos casos de fornos da PETROBRAS, o sistema de tiragem forçado não leva a um sistema de alta perda de carga e desta forma os queimadores são basicamente os mesmos utilizados para o sistema de tiragem natural. Quando se trabalha com alta perda de carga para o ar quer seja em tiragem natural ou em tiragem forçada pode se esperar uma operação com menores excessos de ar devido a melhor qualidade de mistura e ao swirl obtido na zona de queima.

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QUEIMADORES PARA APLICAÇÕES INDUSTRIAIS

• Queimadores Premisturados (Premix Burners) Nestes queimadores, o ar primário e o gás são misturados antes do ponto de descarga através de um misturador por inspiração (tipo venturi). Assim o queimador premisturado é definido como sendo um queimador no qual o bocal de gás é alimentado com uma mistura de gás e ar. Assim o bocal ou bico serve apenas para manter a chama na posição requerida.

Neste tipo de queimador o gás combustível passa pelo orifício de descarga (item 1 do desenho abaixo) utilizando pressões relativamente altas. A zona de baixa pressão e alta velocidade criada pela passagem do gás pelo orifício aspira uma parcela de ar denominada ar primário. O ar primário pode participar de 30 a 100% do ar total requerido para a combustão dependendo do projeto do queimador. A mistura passa por um dispositivo misturador e é descarregada por vários orifícios no bocal ou bico de gás. Estes orifícios devem ser dimensionados de forma a manter a estabilidade da chama, atender a um formato de chama e garantir que a velocidade da mistura estará sempre superior a da propagação da chama. Neste caso em particular o retorno de chama é desastroso uma vez que a chama pode se propagar por dentro da lança até a região de entrada de ar, onde a chama pode se localizar. A estabilidade da chama depende de se obter um ponto dentro da zona de combustão com a adequada mistura e onde a velocidade do jato não ultrapassa a velocidade de propagação da chama. Neste tipo de queimador, a estabilidade de chama é normalmente obtida fazendo-se que os jatos de mistura gás/ar incidam entre si gerando uma zona de baixa velocidade turbulenta que mantém a estabilidade da chama.

Normalmente os queimadores premisturados possuem o controle de ar primário e secundário, e operam geralmente com o ar primário totalmente aberto (a menos que haja problemas de descolamento ou de retorno de chama) e o secundário modulando o excesso de ar.

Principais vantagens

♦ Menor volume de chama: devido ao grau de mistura, uma chama de relativa alta intensidade é obtida. No entanto a pressão do combustível normalmente se situa na faixa de 1kgf/cm2 no queimador, o que permite se alcançar a máxima velocidade (sônica) e reduzir a deposição ou tamponamento do orifício do gás. Como pode se verificar este tipo de queimador é bastante interessante para fornos que operam com baixa perda de carga do lado ar.

♦ Grande orifício de gás. Nos queimadores premisturados o formato da chama é obtido utilizando-se grandes orifícios, enquanto que nos queimadores de mistura por bocais o formato da chama é obtida pelo projeto dos bocais de gás com vários pequenos orifícios de saída para utilizar a energia de descarga do gás na corrente do ar. Em conseqüência os queimadores de mistura por bocais são mais susceptíveis a tamponamentos.

♦ Mudança no escoamento de ar com a variação do gás

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♦ Reduzida ocorrência de tamponamento pela presença de hidrocarbonetos não saturados ou condensados no gás

Principais desvantagens

♦ Turndown limitado. Normalmente este tipo de queimador é selecionado para a capacidade máxima, de forma a evitar o fenômeno de blowoff (descolamento de chama), e a condição de mínima fica então definida de forma a se evitar o fenômeno de flashback ou retorno de chama. O turn down é função da pressão disponível para o gás e pelo tipo de combustível utilizado (alto hidrogênio tem alta velocidade de propagação de chama)

♦ Limitada capacidade de trabalhar com múltiplos combustíveis com vários níveis de poder calorífico. Valores diferentes de pressão em função dos combustíveis a serem utilizados afetam sensivelmente a capacidade do queimador de aspirar o ar primário.

Os queimadores premisturados normalmente atendem a capacidade de 25000 Kcal/h a 3,5 Gcal/h com tiragem natural e excesso mínimo de ar de 5%. A forma da chama pode ser cônica com várias relações de diâmetro e comprimento, plana, rotacional e chamas planas hemisféricas (circulares) para queimadores para parede radiantes (radiant wall burners).

PREMIX BURNER (PREMISTURADOS)

1 – Orifício de descarga do gás 2 – Misturador tipo venturi 3 – Bocal de gás

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• Queimadores de mistura por bocais (Raw gas Burners) Neste tipo de queimadores de tiragem natural o gás e o ar não se misturam até que deixam o bocal de descarga. Os dois fluidos são mantidos separados no queimador, porém os orifícios do bocal de descarga do combustível são projetados para gerar a adequada mistura com o ar quando este passa pelo bloco refratário. O bloco refratário deve ser projetado para se obter a máxima mistura utilizando-se toda a perda de carga disponível no ar. O bocal ou bico de gás deve ser projetado para uma pressão normalmente de 1 kgf/cm2, evitando-se orifícios demasiadamente pequenos.

O formato da chama depende fortemente do projeto dos bocais, que muitas vezes possuem uma ou duas linhas de furos (círculos de furos) com 10 a 20 orifícios de descarga. O ângulo de descarga dos furos afeta sensivelmente o formato da chama. Por exemplo 70o de ângulo entre furos diametralmente opostos (35o em relação a vertical) cria uma chama relativamente longa e estreita enquanto que 100o gera uma chama mais curta e bojuda.

O cone pode ser utilizado como uma âncora para a chama, aumentando sensivelmente a estabilidade da chama. Nestes casos, alguns pequenos orifícios são perfurados no bico a 180o de forma a incidir sobre o cone na região de baixa velocidade sobre a face do cone, ignitando a mistura e estabilizando a chama.

Queimadores de mistura por bocais ou Raw Gas Burners tem algumas vantagens sobre os queimadores premisturados, como se segue:

§ Maior turndown (pode chegar a 9 ou 10:1)

§ Não há ocorrência de flashback

§ Permite lidar com vários combustíveis diferentes. Já vez que a vazão de ar não é dependente da vazão do gás. No entanto é preciso garantir pressão suficiente para manter a qualidade de mistura e consequentemente o nível de excesso de ar desejado.

E como desvantagens pode-se citar:

§ Maior possibilidade de incrustação e tamponamento devido aos pequenos diâmetros dos orifícios de descarga

§ Menor eficiência de mistura

§ Eventualmente pode ser necessário se utilizar maior excesso de ar em baixa capacidade para manter a chama firme e uma mínima qualidade de mistura.

Estes queimadores podem facilmente serem adaptados para trabalhar com tiragem forçada e preaquecimento de ar.

Os queimadores de mistura por bocais normalmente atendem a capacidade de 125000 Kcal/h a 5,0 Gcal/h com tiragem natural e excesso mínimo de ar de 5% a 10%. A forma da chama pode ser cônica com várias relações de diâmetro e comprimento, plana e rotacional.

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RAW GAS BURNER (MISTURA POR BOCAIS)

♦ 1 – Bloco Refratário (Burner Tile)

♦ 2 – Bocal de Gás

♦ 3 – Cone do queimador

♦ 4 – Dispositivo do Registro de Ar

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• Queimadores combinados (dual) óleo e gás de tiragem natural

Na maioria das aplicações de refinarias os queimadores de óleo tem a capacidade de operar com gás combustível. Como pode ser observado na figura abaixo, estes queimadores combinados para óleo e gás com tiragem natural possuem dois blocos refratários, um primário para a combustão do óleo e um bloco secundário (semelhante ao bloco refratário dos demais queimadores) que estabiliza a combustão para o caso de gás. Neste caso os bicos de gás possuem orifícios que incidem a chama sobre o bloco refratário secundário de forma a estabilizar a chama. Com a incidência do gás sobre o bloco a velocidade do gás decai e se mistura com o ar de combustão dando início a combustão na borda do bloco secundário, semelhante ao que ocorre com o cone para os queimadores específicos de gás. Para estes queimadores duais, os bocais de gás são normalmente arranjados em número de 4 ou 6. Novamente o ângulo, o diâmetro dos orifícios e a disposição influenciam diretamente o formato da chama.

Para o caso do óleo combustível, o bloco primário define uma região quente de baixa pressão na vizinhança da lança de óleo de forma a garantir a recirculação e estabilidade para a combustão do óleo. A temperatura da zona primária de combustão é importante pois interfere diretamente na taxa de vaporização das gotas. Cabe ressaltar que a combustão dita de óleo na verdade se faz pela vaporização da gota e consequente combustão da fase gasosa. Por este motivo pode-se perceber que a zona primária tem a função de criar uma recirculação fazendo com que as gotas permaneçam mais tempo na zona de alta temperatura e com isso consigam vaporizar uma parcela da gota de tal forma que a vida remanescente das gotas cessem no tamanho de chama requerido. Em contrapartida a zona primária tem que gerar um fluxo de calor tal que evite a coqueificação excessiva das gotas e consequente alta taxa de emissão de material particulado.

A posição da lança de óleo é crítica neste caso. Caso a lança de óleo seja posicionada muito elevada em relação ao bloco primário, o efeito de recirculação é seriamente prejudicado e por conseguinte a estabilidade da chama. No entanto se a lança de óleo for posicionada muito baixa em relação ao bloco primário então ocorrerá incidência de óleo sobre o bloco e conseqüente coqueificação e gotejamento de óleo. O ar necessário para estabilizar a queima de óleo é admitido pelo registro de ar primário (itens 4 e 5 da figura abaixo). Neste caso o formato da chama também é dependente do projeto dos orifícios de descarga, ângulo de descarga e formato dos blocos refratários.

Os queimadores duais de tiragem natural normalmente atendem a capacidade de 250000 Kcal/h a 5,0 Gcal/h com tiragem natural e excesso mínimo de ar de 5% a 10% para gás e 10% a 15% para óleo. A forma da chama pode ser cônica com várias relações de diâmetro e comprimento, plana e rotacional.

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QUEIMADOR COMBINADO (DUAL BURNER)

1- Bloco Refratário Secundário 2- Bloco Refratário Primário 3- Bocal de Gás

4 e 5 Dispositivo de registro de ar primário

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Apenas como reforço é importante repetir-se que para a queima de óleo, a nebulização é de vital importância. Neste caso melhor turndown e qualidade de nebulização são obtidos com níveis de pressão mais elevados. Por exemplo com 10 kgf/cm2 se obtém melhor qualidade de nebulização e melhor performance do queimador do que com 7 kgf/cm2. Contudo nas refinarias estes limites de pressão estão muito amarrados em função das pressões disponíveis nos anéis de combustível. Normalmente as refinarias trabalham com 7 kgf/cm2 para o óleo, tendo-se que descontar as perdas nas linhas e válvulas até a entrada do queimador. Da mesma forma e tão importante quanto é a temperatura do óleo, ou seja, é necessário que as refinarias atuem amostrando os óleos enviados aos diversos fornos e caldeiras e definam a curva de viscosidade destes. Assim a operação pode adequar o sistema de aquecimento de óleo para atingir a viscosidade recomendada para a queima nos diversos fornos e seus respectivos queimadores. Em muitos casos recomenda-se que a viscosidade seja mantida igual ou inferior a 200SSU.

Utiliza-se normalmente o vapor para se nebulizar o óleo nas refinarias. Cabe ressaltar que além de quebrar o óleo em gotas pequenas, o vapor fornece energia para a corrente óleo/vapor ser descarregada com energia suficiente para gerar a mistura requerida com a corrente do ar. O vapor de nebulização deve ser seco, ou seja, ligeiramente superaquecido, por isso é necessário se garantir o bom isolamento destas linhas bem como o nível de temperatura x pressão.

Normalmente, os atomizadores considerados de baixa pressão trabalham com diferenciais de pressão vapor óleo de 1 a 2 kgf/cm2. e consumo de 0.3 kg de vapor / kg de combustível. Estes são os modelos normalmente utilizados nas refinarias.

Bocal típico utilizado nos queimadores John Zink

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Outros tipos de bocais com maior eficiência utilizando maior nível de pressão estão disponíveis no mercado, cabendo a PETROBRAS avaliar sua eficiência e os custos relativos à infra-estrutura necessária.

Normalmente, os queimadores dual são utilizados queimando-se exclusivamente um tipo de combustível. Contudo, os queimadores dual podem queimar os combustíveis simultaneamente. Nestes casos as chamas serão mais longas mesmo que se forneça ar suficiente para o queimador. Isto se deve a tendência de um dos combustíveis utilizar melhor o ar de combustão. Em queima simultânea o ajuste do ar de combustão bem como o controle dos combustíveis se torna mais complexo.

Recomenda-se que um dos combustíveis seja mantido constante, preferencialmente o óleo, e que o outro module a carga do forno. Assim, os queimadores devem ser inicialmente ajustados para o óleo e o ajuste final do ar deve ser feito utilizando-se valores obtidos do analisador de oxigênio ou teste de Orsat.

• Queimadores de tiragem forçada

Existem três tipos de queimadores de tiragem forçada: os de baixa perda de carga do ar, alta perda de carga do ar e queimadores de alta intensidade.

Para os de baixa perda de carga do ar, os conceitos são semelhantes aos de tiragem natural (caso típico das nossas refinarias) . As principais diferenças são a utilização de um pleno de ar e o fornecimento de ar por ventilador, assim, torna-se importante o projeto adequado dos plenos, de forma a garantir a distribuição uniforme do ar para todos os queimadores. Para estes casos, é importante que a operação atente para os problemas decorrentes do aumento de liberação de calor sem o prévio estudo do sistema de ar. Nestas situações é comum se verificar as chamas dos queimadores em rampa, evidenciando a entrada preferencial de ar pelos primeiros queimadores. O maior problema desses casos é que pode ser possível se ajustar o ar total da combustão (desde que o ventilador tenha capacidade para esta condição) e no entanto se obter chamas completamente diferentes incluindo comprimento, estabilidade e taxa de emissão de poluentes.

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Isto por que, como foi dito anteriormente, a energia provida pela corrente do ar para cada queimador deve ser respeitada de forma a se obter uma boa qualidade de mistura e o adequado formato de chama em cada um deles.

Os queimadores de alta perda de carga são utilizados quando se necessita liberar mais que 3,5 Gcal / h de calor. Para estes casos a perda de carga do lado do ar se encontra na faixa dos 50 a 250 mmca. Devido a alta perda de carga do lado do ar, estes queimadores não podem operar em tiragem natural, ao contrário dos do tipo anterior.

Para estes queimadores é comum se utilizar um cone estabilizador de chama, difusor, e registro de ar com aberturas que induzem o movimento de rotação do ar. Este movimento do ar é que permite o ajuste do formato de chama, tornando-a mais curta e bojuda. A energia provida pelo ar, normalmente, permite se utilizar menor excesso de ar, já que se obtém uma melhor qualidade de mistura.

Os queimadores de tiragem forçada de alta perda de carga normalmente atendem a capacidade de 3,5 Gcal/h a 50,0 Gcal/h com tiragem forçada e excesso mínimo de ar de 5% . A forma da chama pode ser cônica com várias relações de diâmetro e comprimento.

Os queimadores de alta intensidade podem ser utilizados quando se necessita queimar óleos muito pesados, com alta relação carbono hidrogênio, tendo-se uma preocupação especial quanto a emissão de material particulado e/ou fuligem; ou ainda, para queima de gases com baixa temperatura adiabática de chama, pela alta percentagem de componentes inertes.

Os queimadores de alta intensidade são queimadores de tiragem forçada com alta perda de carga do ar, alta rotação do ar (fortes vórtices – swirl) e grande recirculação. Estes queimadores , normalmente, possuem uma cavidade refratada que faz o papel de uma anti- câmara de combustão, onde se processa grande parte da combustão total. Estes queimadores trabalham com chamas muito compactas e com baixo excesso de ar. Esta anti câmara gera uma zona quase adiabática, com

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altas temperaturas que possibilitam uma grande vaporização das gotas de óleo ou da queima do gás pobre. Outra aplicação importante para estes queimadores é a combustão em condições sub- estequiométricas, devido a alta recirculação e excelente qualidade de mistura.

Os queimadores de alta intensidade normalmente atendem a capacidade de 1,25 Gcal/h a 25,0 Gcal/h com tiragem forçada e excesso mínimo de ar de 5% . A forma da chama é cilíndrica e compacta

• Queimadores de baixo NOx

Atualmente, o controle do NOx vem se tornando mundialmente um dos critérios mais importantes no projeto e dimensionamento de queimadores. Em contrapartida a tendência pela redução do consumo de combus tível levou à necessidade de pré- aquecer o ar. Contudo, o pré aquecimento do ar, normalmente aumenta a emissão de NOx. Estas duas tendências opostas torna a solução deste problema mais complexa. Outros fatos importantes são: A redução do NOx leva à redução no excesso de ar , em contrapartida, pode-se aumentar a emissão de material particulado e/ou fuligem e de CO.

Os processos de aquecimento que requerem altas temperaturas levam à maior formação de NOx. Como são, muitas vezes, os casos dos fornos reformadores e de craqueamento. Fornos onde são necessárias chamas compactas de alta intensidade, que levam a altas temperaturas de chama e alto fluxo de calor acarretam maior formação de NOx do que queimadores que produzem chamas mais longas e de menor intensidade. Este fato ligado ao alto custo em infra-estrutura dos queimadores de alta intensidade vem diminuindo, sensivelmente, a sua utilização no mercado mundial.

Para atingir o objetivo de baixo NOx e atender às várias limitações impostas pelo processo, foram desenvolvidos queimadores de baixo NOx , com tiragem forçada e natural, chama cônica e plana, e queimadores especiais de alta intensidade.

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Uma das técnicas utilizadas para atingir este objetivo foi o estagiamento do ar. Foi introduzida uma corrente de ar terciário depois de uma zona de chama redutora. O controle desta corrente terciária permite se reduzir a formação de NOx na zona redutora sem alterar significativamente o desempenho do queimador. Quando estes queimadores utilizam óleo, se utiliza um bloco refratário primário para melhorar a recirculação na zona de combustão de óleo.

É possível se verificar na figura abaixo a redução obtida por um queimador com ar estagiado de simples concepção e que pode operar até mesmo com tiragem natural (embora haja perdas na sua eficiência) em relação a um queimador convencional. As curvas foram levantadas para uma câmara de combustão, onde a temperatura de saída dos gases é mantida em 760 oC. Deve-se observar que para outras condições de temperatura, altera-se, consequentemente, a formação de NOx. Para o caso, por exemplo, em que a temperatura de saída alcançasse 1100 oC espera-se um aumento de 40% na formação de NOx. Outro aspecto importante é que estas curvas foram levantadas para um óleo combustível contendo 0.3% em massa de nitrogênio. Ë preciso se destacar que o NOx considerado é o Total, incluindo o NOx Térmico e o NOx Combustível. Os óleos combustíveis ultraviscosos nacionais possuem conteúdo de nitrogênio acima de 1% mássico, portanto, deve-se esperar um aumento na parcela relativa ao NOx Combustível na queima dos nossos óleos. A conversão esperada do nitrogênio contido no combustível para NOx, utilizando a concepção de queimadores com ar estagiado, varia de 15 a 50%.

Outro aspecto importante para estes queimadores é a variação da formação de NOx com a parcela de ar estagiada. Ao se aumentar a parcela terciária do ar reduz-se a formação do NOx, entretanto, pode-se deteriorar a qualidade da chama, aumentando, consequentemente, a formação de fuligem e CO.

A figura abaixo, mostra um queimador Low NOx com estagiamento de ar.

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Condiçõessubestequiomé -tricas na zonaprimária levamao aumento deCO, H2 e HC`s

O ar estagiado é misturadocom os produtos decombustão da zonaprimária reduzindo o picode temperatura na chama ea formação de NO

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Resultados mostram que a formação de NOx em função da parcela de ar primário para a queima de gás natural varia de 30 a 60 ppm a 3% O2 em função do EA e da abertura do ar primário, enquanto que para um óleo pesado internacional (mais leve que o nosso óleo tipo 1) com 0.3% em peso de nitrogênio se situa entre 120 e 140 ppm.

Cabe destacar que foram desenvolvidos queimadores com os mesmos princípios mostrados acima para chamas planas.

A redução de NOx para a versão Low NOx de alta intensidade em relação a de alta intensidade convencional chega a ser para o óleo pesado internacional de 500 ppm para 180 ppm a 3% O2 que é um resultado satisfatório para utilizações que obriguem o uso de alta intensidade.

Muitas outras concepções de queimadores com ar estagiado foram desenvolvidas, entre elas podemos destacar uma na qual se modifica o queimador anterior, aumentando-se o tamanho do bloco refratário primário, o tempo de residência e a recirculação na zona primária, além de se estagiar o ar em apenas duas parcelas, simplificando o ajuste operacional

Como já comentado anteriormente, os queimadores de alta intensidade, mesmo quando operando com baixo excesso de ar, geram grande formação de NOx. Uma das causas para este efeito é o combustível utilizado com estes queimadores. Nestes casos, combustíveis muito pesados, com alto teor de nitrogênio fixo. Entretanto, mesmo quando operando com óleos de baixo hidrogênio, os queimadores de alta intensidade geram maiores taxas de formação de NOx que os queimadores convencionais. Isto se observa pela intensa natureza da combustão, altas temperaturas da zona primária e, normalmente, operação com ar pré aquecido. Por este motivo foram desenvolvidos os queimadores Low NOx de alta intensidade que atenuam este problema. A principal diferença para esta versão deste tipo de queimadores é o estagiamento do ar, onde a segunda parcela de ar não tem movimento de rotação

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O segundo desenvolvimento de projeto para queimadores de baixo NOx foi o estagiamento do combustível. Nesta concepção uma parcela do combustível é misturada com o ar total de combustão na zona primária. Desta forma, o alto excesso de ar promove a rápida combustão desta parcela combustível a baixas temperaturas. A segunda parcela do combustível é injetada numa zona posterior (secundária) utilizando-se vários bocais ao longo do perímetro do queimador. Essa segunda parcela é injetada com alta velocidade na zona de combustão promovendo a rápida mistura com os produtos de combustão da primeira zona. Este estagiamento permite gerar uma chama de menor temperatura e baixo excesso de oxigênio (devido a recirculação gerada pela injeção do combustível secundário) e, consequentemente, menor formação de NOx. Além disso, deve-se notar que parte do NOx gerado na zona primária é

As bordas ficam com tomamarelado enquanto ocentro fica azulado

Alto excesso de ar nazona primária decombustão

Zona decombustãosecundária

Combustívelsecundário

Ar para acombustão

Conexão de combustívelprimário

Conexão deCombustívelsecundário

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reduzido na zona secundária pela ação do monóxido de carbono e hidrogênio, presentes na zona secundária.

A redução esperada de NOx pelo estagiamento de combustível em relação a queimadores convencionais é de 100ppm para 25ppm a 3 %O2. A influência da temperatura de preaquecimento é de 25 a 50 ppm de NOx variando de 40 a 315oC.

Pode-se observar, de forma geral, que o queimador de combustível estagiado permite uma redução significativa na formação de NOx.

• Outros Aplicações para Queimadores

Combustíveis Residuais ou de Baixo Poder Calorífico

Devido as restrições ambientais e as necessidades de se recuperar energia das correntes nas refinarias, vários combustíveis não convencionais tem sido disponibilizados para queima nas instalações.

As restrições ambientais tem impedido que várias correntes sejam ventadas ou alinhadas para tocha. Nestes casos, em muitas unidades, estas correntes foram enviadas para fornos de modo a incinerá-las. Em alguns casos algumas correntes residuais líquidas de alto poder calorífico tem sido utilizadas como fonte de calor ao invés de se pagar pelo custo ambiental de tratá-las ou mesmo de dispo-las com segurança.

Os gases de baixo poder calorífico requerem considerações especiais quanto ao aspecto dos queimadores e do próprio projeto dos fornos que não são necessárias quando se queima gases ou óleos convencionais.

Alguns gases de baixo poder calorífico são típicos nas refinarias, o mais encontrado em nossas refinarias é o gás de PSA (peneira molecular). Este gás é rico em inertes (CO2 e N2) contém baixo teor de hidrocarbonetos, tendo grande parte do seu poder calorífico devido ao CO e hidrogênio. Normalmente estes combustíveis residuais estão disponíveis em baixa pressão. É comum estes gases necessitarem de chama suporte para estabilização da combustão, que pode utilizar gás combustível ou óleo. Nestes casos dois tipos de bocais ou bicos são requeridos um para o gás de baixa pressão e o outro para o combustível de apoio.

A composição típica de um gás de PSA se situa na faixa de 40% H2, 10% de CH4 e 50% de CO2 em volume.

Normalmente é preferível se localizar a lança de gás combustível de apoio na parte central do queimador e do gás de baixo poder calorífico em um manifold com bocais ao longo do perímetro do queimador. No entanto dependendo da pressão disponível no gás de baixo poder calorífico torna-se necessário utilizá-lo no centro devido a grande área requerida para passagem do gás que dificulta a utilização de um manifold.

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A necessidade de se utilizar uma chama suporte depende da velocidade de propagação da chama, da energia de ativação para ignição da mistura e da turbulência obtida no queimador. Como nestes casos é comum se utilizar queimadores de tiragem natural e gases de baixo poder calorífico com baixa pressão, é pequena a energia disponível para se obter uma boa qualidade de mistura.

Normalmente um dos parâmetros mais relevantes na determinação da necessidade de se utilizar uma chama suporte é o conteúdo de hidrogênio na mistura. Normalmente combustíveis contendo 15% de H2 e um poder

calorífico de 80 a 100 Btu/ft3 não requerem suporte de chama. No entanto combustíveis, por exemplo, ricos em NH3 e H2O com poder calorífico superior a 100 Btu/ft3 normalmente requerem suporte de chama. Esta diferença se deve a maior energia de ativação requerida para esta corrente e ao fato da chama de amônia trabalhar em ambiente redutor para evitar elevada formação de NOx e a reação a N2. Outro aspecto importante é a alta velocidade de propagação da chama do H2 que estabiliza a chama com baixo poder calorífico.

Em certos casos, onde a pressão do gás residual é muito baixa torna-se necessária a instalação de um dispositivo que induz a vazão deste gás, utilizando-se normalmente o vapor com fluido indutor.

Para o caso de óleos residuais extremamente pesados torna-se necessário utilizar materiais de alta dureza e resistência a abrasão nos bicos (devido as partículas abrasivas contidas no óleo) e materiais especiais para os blocos refratários devido ao ataque por vanádio e outros contaminantes. Neste caso novamente, deve-se manter no máximo 200SSU nos queimadores e vapor superaquecido para nebulização. Nestes casos em particular recomenda-se uma limpeza dos bicos frequente e a substituição mais rápida dos mesmos devido a erosão esperada.

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Aquecedores de Ar

Estes equipamentos são normalmente utilizados na partida de unidades de FCC e unidades de leito fluidizado. De fato a concepção destes equipamentos se baseiam no estagiamento do ar. Parte do ar participa da combustão e a outra parte, trabalha como um ar terciário, que se mistura e se difunde para dentro da chama, homogeneizando a mistura e a temperatura na parte final da câmara de combustão.

Queimadores para Caldeiras

Os queimadores para caldeiras normalmente são de maior capacidade e na grande maioria das vezes são de tiragem forçada, permitindo o aumento da rotação do ar (swirl). Da mesma forma se utiliza os princípios do estagiamento do ar e do combustível como redutores da formação de NOx , como pode ser visto nas figuras abaixo.

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INSTALAÇÃO, OPERAÇÃO, MANUTENÇÃO E PROBLEMAS COM AS LANÇAS DE ÓLEO Normalmente nas refinarias as lanças de óleo combustível são do tipo câmara de mistura. Como foi mostrado anteriormente, este tipo de concepção utiliza orifícios calibrados para a entrada do óleo e do vapor na câmara de mistura que depois é lançada na forma de um spray na zona de combustão através dos orifícios de saída do bico de óleo.

Instalação Antes da montagem e acendimento da lança de óleo, os seguintes cuidados devem ser tomados: ♦ Conferir o número do item (part number) com o fornecido no desenho do

queimador pelo fabricante, de forma a garantir a apropriada capacidade e formato de chama

♦ Verificar o comprimento da lança a ser inserido para dentro do queimador em conformidade com o desenho do fabricante

♦ Inspecionar e substituir, as gaxetas, para evitar possíveis vazamentos ♦ Verificar o alinhamento e montagem das linhas de óleo e vapor que devem seguir

o sentido recomendado pelo fabricante na lança. logicamente a montagem trocada das linhas causará sério prejuízo na atomização, pois os orifícios e canais de passagem foram calibrados especificamente para cada um dos fluidos.

Inserir figura pagina 2

Operação Existem três formas básicas de acendimento da lança de óleo, que são:

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♦ Ignição manual com intervenção do operador pela inserção de uma tocha piloto ♦ Ignição direta do piloto de gás ♦ Ignição direta a partir de uma chama de baixa liberação Antes de proceder a ignição da lança de óleo, deve-se introduzir o meio de atomização (vapor) na lança de óleo, tanto pela conexão de vapor como pela conexão de óleo (utilizando-se a linha de purga da lança de óleo). Desta forma pode-se garantir o arraste de condensado na linha de vapor de atomização, visualizar a passagem do meio de atomização, prover um aquecimento inicial da lança de óleo (principalmente quando se utiliza óleo combustível pesado) para evitar escorrimento de óleo e gerar uma boa qualidade de nebulização quando se inicia a abertura do óleo combustível. Ignição Manual com Tocha Manual ♦ Preparar a tocha que deverá fornecer uma chama com comprimento entre 300 e

600 mm. ♦ Inserção da tocha e verificação da manutenção de sua chama. A tocha

normalmente pode ser inserida pela bloco refratário primário (de óleo) e posicionada ao lado do bico de óleo, ou pelo anular criado pelo bloco secundário e o estabilizador da chama de óleo e posicionado na borda do estabilizador.

Ignição Direta do piloto de gás ♦ Acender a chama de gás do piloto, que pode ser alcançada utilizando-se um

ignitor portátil ou um piloto manual ou um arco elétrico quando ignição elétrica dos pilotos é solicitada. A ignição pode e deve sempre que possível seguir uma lógica de sequenciamento de partida, de forma a aumentar a segurança operacional na partida evitando possíveis acidentes nesta etapa da operação. A lógica de sequenciamento de partida deve se adequar ao nível de automação da planta, mas sempre contribui no sentido de aumentar a segurança. Basicamente o sequenciamento de partida atua garantindo que a câmara de combustão tenha sido inertizada pela passagem de vapor, sendo o tempo de purga fixado pelo critério de deslocamento de 3 volumes de câmara ou 15 minutos no mínimo. Posteriormente a etapa de purga, o sistema habilita as válvulas do sistema de gás do piloto. A partir deste ponto, o sistema é dependente da instrumentação instalada.

♦ Ajustar o comprimento da chama do piloto para a faixa de 450 a 60 mm com pequenos traços amarelados.

Ignição Direta a partir de uma chama de baixa liberação de gás ♦ Ignitar chama de gás ♦ Regular a chama de gás combustível a 1/3 da capacidade. ♦ Posicionar os registros de ar em uma abertura em torno de 50% ♦ Abrir a válvula de vapor de atomização estabelecendo escoamento inclusive para

a conexão de óleo através da válvula de purga com vapor

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♦ Fechar válvula de purga com vapor da conexão de óleo ♦ Abrir lentamente a válvula de bloqueio de óleo (a válvula de vapor deve permitir

uma vazão razoável) até que a mistura ignite e a chama de óleo se forme ♦ Remover a tocha , se for o caso ♦ Abrir completamente as válvulas de bloqueio e posicionar as válvulas de óleo e

vapor para atender a baixa capacidade ♦ Acenda todos os queimadores seguindo este procedimento ♦ Ajuste as virolas e ar forçado no caso de tiragem forçado e o excesso de ar,

seguindo o diagrama de ajuste comentado anteriormente Problemas de operação da lança de óleo Os seis principais problemas apresentados na queima de óleo na forma individual ou combinadas entre eles, são: 1. Chama com formação de fumaça 2. Fagulhamento na câmara de combustão 3. Formato de chama sem definição 4. Instabilidade 5. Formação de coque 6. Gotejamento de óleo A seguir é ilustrada uma tabela de causa e efeito para estes problemas: Causas \ efeitos 1 2 3 4 5 6 Falta de ar X X X X X Falta de pressão do fluido de atomização X X X X X Falta de vazão do fluido de atomização X X X X X Vapor úmido (com condensado) X X Baixa Temperatura do óleo X X X X X Falha do bocal atomizador X X X X X X Falha do estabilizador/difusor X X X Baixa vazão de óleo X X Baixa pressão de óleo X X X X X X Alta pressão do fluido de atomização X Vazamento na válvula de purga X X Alta temperatura do vapor de atomização X X Bico de óleo mal posicionado X X X X X X ♦ Falta de Ar A falta de ar de combustão em fornos e equipamentos térmicos sujeitos a chama de uma forma geral é um problema mais freqüente e pode ter uma solução fácil, ajustando-se a relação ar/combustível, ou uma solução difícil, podendo ser resultante de uma ou de várias das outras causas.

Para o caso de equipamentos térmicos, onde são freqüentes múltiplos queimadores, torna-se necessário se verificar se a falta de ar é global, ou seja, o equipamento

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trabalha com baixo excesso de ar (análise de O2) ou se o equipamento trabalho com ar total ajustado, mas algum(ns) queimadores tem falta de ar. Cabe ressaltar que um queimador trabalhando com falta de ar formará fumaça mesmo que o ar total seja suficiente. Como anteriormente visto, a queima adequada sem formação de fuligem ou material particulado ocorre quando as velocidades das correntes, a turbulência e a recirculação garantem uma queima eficiente.

Uma revisão de todos os queimadores atentando-se para a pressão de gás (para fornos operando com gás combustível), pressão de óleo e de vapor (para fornos operando com óleo combustível), a posição das válvulas manuais de bloqueio do vapor, óleo e gás e a posição dos registros de ar de cada queimador, pode dar uma boa indicação de qual queimador está operando com uma liberação maior do que sua capacidade de admitir ar de combustão. Negligenciando qualquer má distribuição de ar nos sistemas de ar forçado ou pequenas diferenças dimensionais na instalação dos blocos refratários, pode-se prever que todos os queimadores com o mesmo fornecimento de combustível deve ficar com o mesmo posicionamento dos registros de ar. Obviamente esta análise superficial só é válida caso todas as válvulas de bloqueio estejam completamente abertas.

Caso a análise anterior não altere significativamente nenhuma relação ar/combustível dos queimadores, o segundo passo é uma inspeção para verificar se nenhuma das gargantas dos blocos refratários (primário, secundário e terciário se houver) está obstruída. Esta inspeção pode ser feita utilizando-se o próprio registro de ar. Caso nenhuma obstrução possa ser encontrada, o terceiro passo é manipular o registro de ar para tentar eliminar qualquer possível obstrução.

Caso não se obtenha melhora após a análise e verificação anterior é possível se medir a pressão em alguns pontos dentro do queimador para se verificar possíveis diferenças de tiragem do forno. No entanto este último passo é mais complicado e de difícil execução nas refinarias.

Quando se comprova que o problema não é oriundo do fornecimento do ar pode-se então, iniciar um estudo no fornecimento do combustível

♦ Falta de pressão do fluido de atomização

Os fabricantes de queimadores fornecem, normalmente, as curvas de desempenho dos queimadores. Estas curvas incluem a pressão de óleo em função da liberação de calor e o diferencial de pressão entre o óleo combustível e o vapor de atomização. Normalmente quanto maior a viscosidade do óleo combustível maior será a quantidade de vapor requerida para a adequada atomização do óleo e em conseqüência maior será a pressão do vapor requerida. Assim é necessário se verificar se alguma alteração no óleo combustível foi observada. Caso a viscosidade tenha aumentado torna-se necessário um aumento de temperatura de modo a enquadrar a viscosidade requerida no projeto. Mesmo assim, pode ser necessário um aumento da pressão diferencial entre o óleo e o vapor devido ao aumento das frações pesadas do combustível.

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Vale a pena ressaltar que com os modelos de bocais nebulizadores utilizados em nossas refinarias, tipo câmara de mistura, o que ocorre de fato é que a câmara de mistura equaliza as pressões entre as correntes óleo e vapor. Ou seja, existe um ponto de estagnação interno a câmara de mistura. Assim quando reduzimos a pressão de fornecimento do vapor, que é o grande responsável pela velocidade de saída do spray combustível, e mantemos constante a pressão do óleo combustível verificasse um aumento da vazão de óleo. Neste caso o aumento da vazão de óleo e a redução da vazão de vapor contribuem negativamente na qualidade de atomização, resultando em tamanhos de gotas maiores (maior tempo de viagem das gotas e maior formação de fuligem) e maior liberação de calor, que pode causar uma liberação maior do que a nominal para o queimador mesmo com a pressão de óleo dentro da faixa normal.

♦ Falta de vazão do fluido de atomização

Obstrução dos canais e orifícios de passagem do atomizador pode reduzir a passagem do fluido de atomização, reduzindo a pressão na câmara de mistura e causando o aumento da vazão de óleo. Recomenda-se a desmontagem e limpeza das partes da lança de óleo.

♦ Vapor úmido (com condensado)

Os bocais nebulizadores projetados para trabalharem com fluido auxiliar, particularmente com vapor requerem que o vapor seja limpo e superaquecido. O grau de superaquecimento sugerido normalmente se situa na faixa dos 5 aos 12 oC

A atomização com vapor úmido reduz a qualidade de nebulização uma vez que o vapor úmido possui menor energia que o superaquecido além de menor volume específico, o que leva a menores velocidades e quantidade de movimento, resultando em gotas de óleo maior diâmetro bem como da formação de uma parcela de gotas de óleo e água. As gotas maiores de óleo e as de óleo e água tem vida maior, ou seja, levam mais tempo para serem consumidas e portanto podem ser vistas mais longe dentro da câmara de combustão. Estas partículas incandescentes (fagulhas) são grande formadoras de fuligem e cinzas na zona de radiação e convecção. Além disso a presença de água na fase líquida e o maior tamanho de gota reduzem a estabilidade da chama.

♦ Baixa Temperatura do óleo

A viscosidade do óleo é função da temperatura. Para óleos ultraviscosos qualquer variação na temperatura de aquecimento dos óleos altera significativamente o valor de viscosidade. Como a viscosidade é uma das principais variáveis no processo de nebulização, influenciando diretamente na qualidade da nebulização (tamanho médio de gota), já que a viscosidade representa a resistência do fluido a ruptura, seu aumento levará ao aumento do tamanho de gota e conseqüente aumento na formação de fuligem e outros problemas.

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♦ Falha do bocal atomizador

Os bocais atomizadores (ou nebulizadores) são peças de geometria complexa com múltiplos orifícios calibrados, com vários ângulos de furação e interferência ou selos (labirintos) para garantir a estanqueidade entre as correntes de óleo e vapor. Como é mostrado a seguir:

Estes bocais atomizadores quando trabalham com óleos ultraviscosos que contém maior teor de metais, silica, partículas de carbono, enxofre, cloretos e outros, ficam sujeitos a maior erosão e ataque ácido, causando sua deterioração.

É muito importante se evidenciar que a alteração no diâmetro dos orifícios causa a redução na velocidade de saída reduzindo a qualidade de mistura, bem como, reduz a pressão no interior da câmara de mistura levando a relações de vazão de vapor/óleo diferentes das concebidas no projeto para os mesmos valores de pressão de alimentação de vapor e de óleo. Além disso, é fundamental se perceber que a ovalização dos orifícios modifica completamente o escoamento idealizado, principalmente nos orifícios de saída, onde se prevê a formação uniforme de um filme de óleo com espessura uniforme que se quebra em bastões e posteriormente em gotas. Caso existam danos nas bordas de saída dos orifícios é fácil se perceber a formação de uma região com maior espessura de filme na região mais externa do jato, que levará a formação de grandes gotas, possibilitando o aumento na emissão de material particulado e/ou fuligem e de formação de coque nas partes em que elas incidam sobre as partes do queimador ou ainda o gotejamento de óleo.

A seguir é apresentado alguns dos principais efeitos da deterioração do bocal atomizador.

♦ Aumento do orifício de passagem do óleo: maior vazão de óleo, redução na relação fluido de atomização/óleo, formação de gotas de maior diâmetro (redução na qualidade de nebulização) e aumento na liberação de calor acima da recomendada de projeto

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♦ Aumento nos orifícios de passagem de vapor: maior vazão de vapor e menor vazão de óleo, redução na liberação máxima da lança e na estabilidade de chama em baixa capacidade

♦ Aumento nos orifícios de saída: redução na velocidade de descarga do spray e conseqüente redução na qualidade de mistura, redução na qualidade de nebulização e aumento da capacidade de liberação da lança acima da capacidade nominal pela redução na perda de carga nos orifícios de saída do bico de óleo.

♦ Deterioração do selo do bocal de atomização (interferência, labirinto..) bypasse do vapor e redução na qualidade de atomização, instabilidade e assimetria no formato da chama

♦ Falha do estabilizador/difusor

A falha no bloco refratário primário ou do cone estabilizador ,normalmente, é devido a outro problema de queima. Entretanto estas partes são diretamente responsáveis pela estabilidade da chama e portanto, devem ser substituídas o quanto antes. É importante se ressaltar que o posicionamento perfeitamente concêntrico com o bloco refratário secundário é fundamental para que se obtenha uma distribuição uniforme do ar e consequentemente um formato de chama simétrico.

♦ Baixa vazão de óleo e Baixa pressão de óleo

A redução da vazão de óleo por obstrução de parte internas do bocal atomizador podem causar grande instabilidade na chama e a baixa velocidade de saída nos orifícios de descarga podem levar a formação de coque ou gotejamento. Assim pode-se aproveitar neste ponto para se ressaltar a importância de se redimensionar o bocal atomizador sempre que seja necessário se reduzir significativamente a capacidade da lança de óleo.

♦ Alta pressão do fluido de atomização

Alta pressão do fluido de nebulização leva ao aumento da pressão da câmara de mistura e consequentemente a redução da vazão de óleo, aumentando a relação vapor/óleo o que pode levar ao aumento da instabilidade da chama e a redução da capacidade nominal da lança.

♦ Vazamento na válvula de purga

O vazamento na válvula de purga alinha vapor diretamente para a corrente de óleo perturbando significativamente seu escoamento, a atomização e a estabilidade da chama.

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♦ Alta temperatura do vapor de atomização

Para o caso de óleos leves a alta temperatura do vapor pode causar a vaporização das frações leves do óleo e a formação de um escoamento bifásico (intermitente) na lança de óleo. Normalmente a chama de óleos leves pode ser ajustada para uma chama estável e de cor amarela clara. No entanto se esta chama apresentar pulsação, instabilidade, perda de formato e coloração alternando entre o azul e o amarelo, estes sinais indicam fortemente que está ocorendo a vaporização do óleo. Além disso, pode se esperar uma grande redução na capacidade da lança.

Para os óleos pesados que contém diluentes leves pode se esperar o mesmo problema acima, sendo que a piora na qualidade de atomização levará a formação de fumaça.

♦ Bico de óleo mal posicionado

O mal posicionamento da lança de óleo com respeito a entrada de ar e ao dispositivo estabilizador de chama é um dos problemas mais comuns e mais danosos à queima de óleo.

Deve-se lembrar que apesar dos fornecedores de queimadores normalmente fornecerem desenhos que indicam a posição da lança de óleo, o ajuste final é de responsabilidade da operação.

O adequado posicionamento do bocal (bico) em relação ao bloco refratário primário é dependente do ângulo sólido do spray e da profundidade do bloco refratário. A correta posição do bico deve ser tal que permite a livre saída do spray através do bloco refratário mas em contrapartida deve estar tão próximo a ele que gere uma recirculação dos gases do óleo para garantir a estabilidade da chama.

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MANUTENÇÃO

Antes de se iniciar qualquer operação de manutenção é obrigatória a operação de purga com vapor por motivos de segurança e para limpar os internos da lança pela ação detergente do vapor.

A limpeza da lança de óleo deve ser feita usando-se vapor. A utilização de arames ou de outras ferramentas para limpar os orifícios de descarga do bico ou do atomizador danifica os orifícios. Nestes casos é comum se verificar riscos no interior dos canais, danos nas bordas dos furos e o alargamento dos diâmetros dos orifícios que causam vários problemas citados anteriormente.

Quando se eleva a lança em relação ao bloco primário, o spray sai livremente através do bloco mas se elimina ou se reduz a recirculação diminuindo-se a estabilidade da chama e o tempo de residência na zona primária de combustão, elevando o ponto de ignição da mistura e aumento do comprimento da chama

No entanto quando se desce a lança em relação ao bloco refratário, o spray de óleo passa a incidir sobre o bloco refratário primário, resultando na formação de coque no bloco refratário e do gotejamento de óleo.

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As lanças que se utilizam a interferência entre a parede do atomizador e a camisa externa requerem maior cuidado na desmontagem. É comum depois de algum tempo de operação que estas peças se soldem. Nestes casos é preciso se utilizar artifícios tais como fluidos capazes de desingripar as partes, aquecimento ou resfriamento do conjunto de forma a se obter uma dilatação diferencial entre as partes e a separação das mesmas. No entanto caso seja necessário de utilizar alguma ferramenta para expulsar o atomizador de dentro do tubo de saída será necessário uma inspeção para verificar possíveis danos as duas partes. Neste caso é importante que se substitua o conjunto.

A inspeção do bico pode indicar algumas características da operação deste queimador. No caso de se verificar depósito de carbono ou de óleo ao redor dos orifícios de descargas, as possíveis razões são: bico posicionado abaixo da posição adequada em relação ao bloco primário, baixa vazão ou pressão de vapor de atomização e erosão ou corrosão do bico.

Após a limpeza das superfícies externas do bico, inspecione os orifícios de descarga utilizando um calibre de arame. Além disso caso a inspeção visual revele ovalização ou erosão dos orifícios de descarga, recomenda-se a substituição da peça.

Durante a inspeção deve-se verificar se os orifícios de vapor do atomizador estão limpos e concêntricos, sem erosão ou corrosão. Enquanto que para os atomizadores que utilizam labirintos para a selagem os mesmos devem se apresentar limpos no sentido longitudinal.

É preciso se verificar na montagem do conjunto atomizador/tubo/bico, se o atomizador (mesmo que novo) está com o ajuste correto (ligeiro) para amontagem de forma a se evitar o bypasse do vapor.

POLUENTES GERADOS NA COMBUSTAO

Existem 3 (três) emissões significativas no processo de combustão do ponto de vista da qualidade do ar:

a. Materiais particulados b. Óxidos de enxofre c. Óxidos de nitrogênio. Historicamente, o material particulado tem recebido maior atenção porque é facilmente visível e portanto gera maior reclamação da comunidade. Os óxidos de enxofre trazem danos à saúde humana e à vegetação. Os óxidos de nitrogênio também são significativos porque participam de um processo de reações químicas complexas que contribuem para a formação de um smog fotoquímico na atmosfera. a. Material Particulado 0 material particulado de modo geral por ter recebido maior atenção por parte da comunidade e dos órgãos de controle ambiental já possuem regulamentos bem definidos no que se refere às emissões em chaminés e os processos de abatimento dos

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particulados dos gases gerados em processos de combustão também já se encontram bem evoluídos. Na Tabela abaixo, os valores padrões para a qualidade do ar ambiente, no que se refere ao material particulado. Com relação ao aspecto da opacidade da pluma em chaminés, mostramos abaixo o padrão de opacidade requerida nos Estados Unidos e uma tabela comparativa de padrões de emissão segundo a escala Ringelmann e o percentual de opacidade. Valores Padrões para Qualidade do Ar Ambiente Material Particulado PAÍS VALOR PADRÃO

(µg/m3) TEMPO MÉDIO

TEMPO DE REFERÊNCIA

FREQÜÊNCIA DE ATENDIMENTO 1

100 1 DIA 1 ANO 98% (100%) JAPÃO 200 1 HORA 1 ANO (100%) 75(primário) 1 ANO 2 100% 60(secundário) 1 ANO 2 100% 260(primário) 24 HORAS 1 VEZ 3

USA

150(secundário) 24 HORAS 1 VEZ 3 80 1 DIA 50% 130 1 DIA 50%

FRANÇA 3 )

250 1 DIA 98% 150 (tempo longo) 4 ½ HORA 1 ANO 100% ALEMANHA 300 (tempo curto) ½ HORA 1 ANO 95%

1 – Proporção de valores médios monitorados requeridos para atender os respectivos

valores padrões 2 – Média Geométrica 3 – Freqüência de violação 4 – Média Aritmética 5 – Valores Limites Legislação Brasileira Ambiental Aplicável A Processos De Combustão a) Padrões de Qualidade do Ar

os Padrões Nacionais de Qualidade do Ar atualmente em vigor foram estabelecidos pela Resolução CONAMA 03 de 28/06/90, e estão apresentados na Tabela 17, em conjunto com os métodos de referência a serem utilizados nas medições. Deve-se ressaltar que os Padrões de Qualidade do Ar se referem a concentrações máximas desejáveis no ar externo. b) Padrões de Emissão - Fontes estacionárias

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A nível nacional, os Padrões de Emissão para fontes estacionárias de combustão foram fixadas para Resolução CONAMA 08 de 06/12/90, conforme apresentado na tabela.

A nível estadual, os padrões vão variar de acordo com o Estado e com a localização específica e outras condições.

Em São Paulo, foram estabelecidos Padrões de Emissão pelo Regulamento da Lei 997, de 8/9/76 (Decreto 8468 e posteriores) c) outros dispositivos Legais.

Outros dispositivos legais importantes, em relação a procesos de combustão são: -Lei 6938 de 1981 e seu decreto regulamentador no. 88.821 de 1983. Esta legislação define as regras gerais para políticas ambientais, para o sistema de licenciamento e cria o Conselho Nacional de Meio Ambiente (CONANA), com a responsabilidade de estabelecer padrões e métodos ambientais. -Resolução CONAMA no. 01 de 1986, que estabelece a obrigatoriedade de elaboração de Estudo de Impacto Ambiental e respectivo Relatório de Impacto no Meio Ambiente (EIA/RIMA), para atividades de significativo impacto ambiental. -Legislações estaduais de licenciamento, cozo por exemplo a Lei 997 de 31/05/76 e seu decreto regulamentador (decreto 8468/76), para o Estado de São Paulo.

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Padrões Nacionais de Qualidade do Ar, conforme Resolução CONAMA 03 de 28/06/90.

POLUENTE TEMPO DE

AMOSTRAGEM PADRÃO PRIMÁRIO)

PADRÃO SECUNDÁRIO ((µg/m3)

MÉTODO DE MEDIÇÃO

24 hs 240 150 PARTÍCULAS TOTAIS EM SUSPENSÃO

MGA 80 60 AMOSTRADOR DE GRANDE VOLUME

24 hs 365 100 DIÓXIDO DE ENXOFRE MAA 80 40

PARAROSANILINA

1 h 40000 (35ppm) 40000 (35ppm) MONÓXIDO DE CARBONO 8 hs 10000 (9 ppm) 10000 (9 ppm)

INFRA VERMELHO NÃO DISPERSIVO

OZÔNIO 1 h 160 160 LUMINESCÊNCIA QUÍMICA

24 hs 150 100 FUMAÇA MAA 60 40

REFLECTÂNCIA

24 hs 150 150 PARTÍCULAS INALÁVEIS MAA 50 50

SEPARAÇÃO INERCIAL/FILTRAÇÃO

1 h 320 190 DIÓXIDO DE NITROGÊNIO MAA 100 100

LUMINESCÊNCIA QUÍMICA

Onde, MAA – média aritmética anual e MGA – média geométrica anual Padrões de Emissão para Fontes de Combustão, segundo a Resolução CONAMA no. 08, de 06/12/90

POTÊNCIA DA FONTE < 70 MW POTÊNCIA DA FONTE > 70 MW ÁREA PARTÍCULAS TOTAIS

DIÓXIDO DE ENXOFRE

FUMAÇA PARTÍCULAS TOTAIS

DIÓXIDO DE ENXOFRE

FUMAÇA

CLASSE I Áreas de Preservação Áreas de Conservação

Zero (a) 120 g/Mkcal

Zero (a) 2000 g/Mkcal

Zero (a) Ringelmann

Zero (a) Zero (a)

Zero (a) Zero (a)

Zero (a) Zero (a)

CLASSE II

Ou

CLASSE III

350 g/Mkcal (óleo)

1500 g/Mkcal (carvão)

5000 g/Mkcal Ringelmann 120 g/Mkcal (óleo)

800 g/Mkcal (carvão)

2000 g/Mkcal Ringelmann

(a)vetada a instalação da fonte de poluição (b) consumo de óleo limitado a um máximo de 3000 t/ano

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Emissão de Óxidos de Enxofre Os óxidos de enxofre são resultantes da queima de combustíveis com teores de enxofre na sua composição. Mostramos abaixo, o grau de toxicidade do S02 1) Para os vegetais - Plantas muito sensíveis, que reagem a doses de 1 ppm - Plantas sensíveis a concentraç8es de 1,5 a 2 ppm - Plantas bastante resistentes, cujo limiar é de 3 ppm 2) Para os seres humanos 0,2 mg/m3 Nenhum efeito detectável nas pesquisas

epidemio1ógicas 0,25 mg/m3 durante 1 mês Nenhum efeito sobre os vegetais 0,30 mg/m3 durante 1 ano Aumento das dispnéias em pessoas com

ano mais de 65 anos (Gênova) 0,50 mg/m3 durante 24 hs Aumento do número de mortes em

Londres 0,60 mg/m3 durante 24 hs Nenhum efeito sobre os vegetais 0,65 mg/m3 durante 24 hs Aumento do número de mortes em

Rotterdam 0,70 mg/m3 durante 3 meses Irritação pulmonar 0,80 mg/m3 durante 48 hs Duplicação da mortalidade em Londres 0,85 mg/m3 durante 24 hs Lesões nos vegetais e, durante 72 hs,

triplicação da mortalidade e aumento do não comparecimento ao trabalho

2,6 mg/m3 Espasmo dos brônquios 4,0 mg/m3 durante 1 h Lesões nos vegetais 30 mg/m3 Tosse 60 mg/m3 Irritação nos olhos A oxidação do enxofre pode formar SO2 e SO3. Os mecanismos de formação de SO2 e SO3 podem variar dependendo de dois mecanismos. O primeiro ocorre basicamente dentro de chama e se deve basicamente a ação do oxigênio atômico. Desta forma ocorrem dentro da chama picos relativamente altos de SO3. No entanto como pelo equilíbrio termodinâmico a altas temperaturas o composto mais estável é o SO2 e as velocidades de reação são elevadas, dada as altas temperaturas, logo após a chama o conteudo se SO3 é muito baixo e proporcional a temperatura e ao excesso de ar.

A partir deste ponto a taxa de conversão de SO2 a SO3 respeita o equilíbrio termodinâmico, como se verifica na tabela abaixo:

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T(K) \ EA(%) 10 5 1 0,1

700 97,1 96,1 91,7 77,9

800 81,2 75,8 58,7 31,1

900 47,0 39,1 22,6 8,5

1000 20,0 15,3 7,6 2,55

1100 8,2 6,1 2,87 0,93

1200 3,7 2,7 1,25 0,40

1300 1,84 1,33 0,61 0,20

1400 1,01 0,73 0,33 0,11

1500 0,6 0,43 0,20 0,06

Deve-se lembrar que os tempos de residência incluindo a chaminé são elevados (na ordem de 20s) e que a perda de calor leva a redução da temperatura dos gases. Estes dois efeitos aumentam a possibilidade de formação de SO3. No entanto com a redução da temperatura e pela natureza da reação [ 2 SO2 + O2 à 2 SO3 ]a reação é muita lenta, e a formação de SO3 final é baixa. Cabe lembrar que para se obter ácido sulfúrico normalmente utiliza-se catalisadores na reação de oxidação.

Alguns pontos são importantes neste tópico:

§ Maior formação de SO3 em caldeiras. Os depósitos formados nos bancos de tubo de caldeiras provenientes das impurezas dos combustíveis (por exemplo os óxidos de vanádio) atuam como catalisadores da reação de oxidação a SO3 (catálise heterogênea).

§ Maior formação de NOx catalisa a reação de formação de SO3 (catálise homogênea)

§ Particulado catalisa a reação de formação de SO3.

Como o composto mais estável nesta faixa de temperatura é o SO3, ou seja, conteúdo de SO3 real é menor do que o previsto no equilíbrio, todos os fenômenos inclusive de choque de moléculas levam o SO2 à SO3.

Um aspecto importante quanto a formação de SO3 é a possibilidade de formação de pluma branca. Pela literatura e consultas realizadas pôde-se levantar que para teores acima de 300 a 400 ppm de SO3 na pluma, algumas fontes já alertam para o risco de pluma branca. Este problema é particularmente importante em incineradores, como os das unidades de recuperação de enxofre, onde o tempo de residência é muito elevado (pois as chaminés são muito altas e largas), principalmente porque a maioria opera com baixa capacidade e em certas ocasiões com menor recuperação de enxofre. Uma das possibilidades para se minimizar este problema nestes incineradores é trabalhar com uma vazão de gás combustível maior do que a necessária como suporte de chama e baixo excesso de ar.

Emissão de Oxidos de Nitrogênio

Formação de NOx

0 monóxido de nitrogênio (NO) e o dióxido de nitrogênio são sub-produtos do processo de combustão de virtualmente todos os combustíveis fósseis. Historicamente

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a quantidade destes compostos inorgânicos nos produtos de combustão não era suficiente para afetar a performance da máquina térmica e sua presença era totalmente ignorada. Em anos recentes, os óxidos de nitrogênio tem sido mostrado como principais Constituintes na reação complexa de oxidação fotoquímica com a luz solar na formação de smog. Hoje em dia, em função do controle dos órgãos de controle do meio ambiente no mundo inteiro, a presença de N02 e NO tem se tornado importante nas considerações de projeto de equipamentos de combustão.

NOx Térmico

A formação de NOx no processo de combustão é freqüentemente explicado em termos de fonte de nitrogênio requerido para a reação. 0 N2 pode se originar do ar atmosférico, e neste caso o produto é referido como "NOx térmico" ou de componentes nitrogenados ligados organicamente em todos os carvões e o 1 eos combustíveis os quais são designados como "NOx combustível". E importante notar que mesmo embora o NOx consista usualmente de 95 % NO e somente 5 % de N02, a prática normal é calcular as concentrações de NOx na base de 100 % de N02.

Os mecanismos envolvendo o NOx térmico foram primeiramente descritos por Zeldovich e posteriormente modificados pelo que é referido como mecanismo de Zeldovich estendido. Estas reações só ocorreriam para temperatura superiores a 1350oC.

N2 + 0 <===> NO + N (1) N + 02 <===> NO + O (2) N + OH <===> NO + H (3) Como os valores de equilíbrio previstos por este mecanismo são maiores que aqueles medidos realmente, se assume geralmente que (1) é de determinação aproximada devido a sua alta energia de ativação que é de 317 kJ/mol. Um melhor entendimento do NOx térmico pode ser derivado de testes em escala reduzida que mediram o NOx em uma mistura aquecida de N2, 02 e argônio. Estes testes mostraram que o NOx térmico pode ser previsto pela seguinte equação:

[NO] = K. e (-K2/T) [N2] [02]1/2 t

onde: [] = fração molar T = temperatura t = tempo

K, K1 = constantes Desta equação, pode ser visto que o NO térmico pode ser minimizado pela redução do tempo, temperatura e concentrações de N2 e 02.

0 fato de que a temperatura nesta equação está numa exponencial claramente demonstra sua importância no controle do NOx térmico. Na prática, os mecanismos de Zeldovich demonstrados pela equação acima são suficientes para se prever o NOx somente nas regiões que estão a jusante do frente de chama.

Fenimore criou a frase "NO rápido" para descrever o NO gerado dentro da frente de chama para o qual, devido ao tempo de residência muito curto, as reações de Zeldovich se mostraram inadequadas. Investigações subsequentes de DeSoeto mostraram que, 02 adicional aumenta o NO para frente de chama de combustível rico mas decresce o NO para frente de chama de combustível pobre.

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Os efeitos de frentes de chama de combustível rico x combustível pobre no NO rápido pode ser visto da formação de NO de chamas de gás difusas x pré- misturadas.

Como mostrado na Figura abaixo, a estequiometria na frente de chama pré - misturada é a mesma que a estequiometria de toda a chama, uma vez que todo o ar é misturado com o combustível.

Na chama difusa, o combustível e o ar são introduzidos separadamente e misturados por uma turbulência induzida pelo queimador. A frente de chama se forma antes da mistura estar completa e é, portanto, rico em combustível embora a mistura total combustível/ar possa ser rica em ar.

Testes feitos por Takahashi mostram para o NO rápido uma curva parabólica para chamas pré-misturada e não mostra uma redução de NO com um aumento de 02 porque a frente de chama real nunca é rica em ar.

É interessante notar que Takahashi mostrou que duas chamas separadas, uma de

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chama pré - misturada e pobre em combustível e outra de chama difusa rica em combustível (pontos C1 e C2) podem ser combinadas para produzir menor teor de NO (em C’) que outro tipo de chama com a mesma estequiometria global (pontos A e B).

NOx Combustível

Embora a cinética envolvida com a conversão de compostos nitrogenados ligados organicamente em combustíveis fósseis não serem ainda totalmente compreendidas, inúmeros investigadores tem mostrado que o NOx combustível é um mecanismo importante na formação de NOx a partir de óleo combustível, e um mecanismo dominante na formação de NOx gerado da combustão de carvão.

Testes em escala reduzida, queimando óleos combustíveis em uma mistura de oxigênio e dióxido de carbono (para excluir o NOx térmico) tem mostrado uma correlação notável entre o percentual de N2 no óleo combustível e o NOx. O percentual de conversão do nitrogênio do combustível não é constante, mas diminui com o aumento do nitrogênio do combustível. Como pode ser verificado na figura abaixo:

Uma explicação da taxa de conversão do nitrogênio do combustível é obtida pela subtração do valor calculado de Zeldovich para o NOx térmico do valor total de NOx medido. 0 valor resultante para o NOx combustível se correlaciona bem com a taxa de nitrogênio/oxigênio do combustível o que sugere que o oxigênio inerente do combustível, ou alguma outra propriedade do combustível que se correlaciona com o oxigênio do combustível, influencia a conversão percentual do nitrogênio do combustível em NOx combustível.

Embora haja uma pequena dúvida que o nitrogênio inerente do combustível seja um contribuinte importante nas emissões totais de NOx do óleo, os mecanismos envolvidos na transformação do nitrogênio do combustível a NO parecem ser tão complexas quanto o processo de combustão propriamente. Por outro lado, diversos pesquisadores tem feito medições significativas em testes de laboratório que tem dado uma visão valiosa. para o controle potencial do NOx combustível.

Uma propriedade muito significativa da conversão do nitrogênio combustível que afeta o projeto de equipamentos de combustão se relaciona com a possibilidade do oxigênio reagir com os compostos de nitrogênio do combustível no seu estado gasoso. Os compostos que se liberam, tais como, HCN e NH3 são relativamente instáveis e

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serão reduzidos a N2 sob uma condição de combustível rico e a NO sob condição de ar rico.

Utilizando-se a técnica de estagiamento de ar (ar fornecido em etapas), uma porção do ar total requerido para uma combustão completa é retida inicialmente e este ar é misturado com os produtos da combustão incompleta somente após o teor de oxigênio do primeiro estágio tiver sido consumido. Pela variação da quantidade de ar introduzida no primeiro estágio, a combustão da gotícula de óleo pode ser interrompida em diferentes estágios da reação devido à falta de oxigênio e retomada após certo intervalo de tempo, após o ar retido ser introduzido num segundo estágio. Para o controle de NOx, a quantidade ideal do ar do primeiro estágio seria aquele que fosse suficiente somente para gerar a temperatura desejada do estado gasoso, mas insuficiente para prover um oxidante para completar a reação a NO.

A Figura abaixo mostra o efeito da taxa estequiométrica do primeiro estágio nos níveis de saldo de NOx para combustíveis líquidos em vários níveis de nitrogênio.

Pela norma US Clean Air Act – National Ambient Air Quality Standards o padrão para qualidade do ar com respeito aos óxidos de nitrogênio prevêm para qualquer padrão (primário ou secundário) uma concentração máxima annual de 100 µg/m3.

Pela norma Japan Emission Standards, a emissão para caldeiras queimando óleo a 4% de O2 é 130 ppm para capacidades maiores que 500.000 Nm3/h até 180 ppm para capacidades inferiores a 10.000 Nm3/h. Para os queimadores convencionais com óleo combustível tipo 4, testes realizados no Laboratório de Combustão da SIX, comprovaram emissões na ordem de 300 ppm. Assim é preciso se conhecer melhor os mecanismos de formação de NOx, quando alto nitrogênio está presente, e verificar

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soluções simples que aproximem as emissões de NOx encontradas com os padrões intrnacionais, pois é certo que em pouco tempo novas restrições ambientais serão impostas.

Efeitos do NOx na saúde humana

0 NOx é nocivo à saúde humana e causa os seguintes sintomas:

a. Metaemoglobinemia - que é a perda da capacidade do ferro hemoglobina de ligar-se reversivelmente ao oxigênio. 0 transporte do oxigênio ao corpo humano é diminuído. 60 a 80% de metaemoglobina (pigmento sangüíneo contendo Fe 3+ no lugar de Fe 2+) que reduz a capacidade do ferro da hemoglobina se ligar reversivelmente ao oxigênio e assim reduz a oxigenação do corpo humano, pode ser fatal.

b. Edemas pulmonares - que é o preenchimento dos alvéolos pulmonares com plasma proveniente dos vasos capilares por ação do ozônio e óxidos de nitrogênio, causando morte por sufocação

0 NOx e o ozônio afetam a permeabilidade das membranas celulares das plantas, destruindo a clorofila e os carotenóides, diminuindo assim a capacidade de fotossíntese.

Emissão de dioxinas

As dioxinas são sintetizadas, presumivelmente, a partir de clorofenol, clorobenzeno e outros compostos organo - clorados e em presença de cinza volante que atua como um tipo de catalisador.

A dioxina é de fato um sub - produto de uma combustão incompleta de produtos que contenham cloro na sua estrutura molecular.

Numa combustão incompleta há uma geração grande de CO (monóxido de carbono) que em presença de cloro e em certas condições de temperatura dos gases, gera dioxinas.

A melhoria da combustão implica na alimentação ativa de ar de combustão, o que por sua vez aumenta a geração de NOx. 0 CO e o NOx mantém entre si uma relação de "trade off", isto é, se for exigido valor baixo tanto para o CO como para o NOx, isto terá que ser feito aumentando-se a taxa de ar de combustão com o aumento de NOx, o qual deverá ser reduzido mediante desnitrogenação catalítica após a remoção de particulados do gás. .

Observa-se também que o teor de dioxina é reduzida com a redução da temperatura dos gases.

0 método mais efetivo de redução de dioxinas é a combustão completa e para alcançá-la se faz necessário satisfazer as condições conhecidas como 3T:

alta Temperatura - Tempo de residência - mistura Turbilhonada.

Satisfeitas essas condições reduz-se consideravelmente a fração de não -queimados no gás. E um fato notório que a redução da concentração de gases não queimados faz diminuir também a geração de dioxinas.

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SISTEMAS DE CONTROLE DE EMISSOES DE COMBUSTÃO

Controlar a poluição de emissões de combustão requer, via de regra, sistemas complexos uma vez que os poluentes envolvidos são diversificados.

Assim, por exemplo, equipamentos de combustão que queimam óleo com alto teor de enxofre, além do particulado a ser controlado, requer também que se elimine o SOx gerado, além de se analisar com atenção o aspecto de geração e controle do NOx.

Num futuro não muito distante, em função do efeito estufa que tem se tornado notório, contribuindo com o aumento gradativo da temperatura do globo terrestre, além dos poluentes acima mencionados, certamente as fontes poluidoras que queimam combustível fóssil deverão abater também o C02 gerado.

Todos os profissionais, que de alguma forma estão envolvidos com equipamentos térmicos que utilizam combustíveis fósseis, devem analisar de uma forma global o aspecto de controle da poluição, visto que o abatimento de poluentes emitidos pela chaminé, gera por outro lado resíduos que devem ser descartados de uma forma organizada e racional. 0 descaso no tratamento desta matéria, pode acarretar no futuro, uma perda muito grande de dinheiro, além de tornar extremamente complicada uma solução de engenharia.

Apresentaremos de uma forma resumida, os principais equipamentos de controle de poluição do ar, procurando enfatizar as características de cada um.

- Equipamentos de Captação de Materiais Particulados

Na seleção do equipamento mais adequado de captação de material particulado, diversos fatores partic ipam da decisão: a. Fatores inerentes ao material particulado:

Propriedades físicas, químicas e elétricas Tamanho e estrutura das partículas Taxa de deposição gravitacional Habilidade de reter cargas elétricas Relação superfície/volume Velocidade de reação química

b. Fatores de custo

Custo de investimento inicial Custo operacional Consumo de energia Mão de obra de operação e manutenção Consumo de insumos

c. Requisitos das autoridades de controle de poluição

Padrões de emissões Níveis de ruído permissível

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Restrições quanto ao descarte de efluentes líquidos Restrições quanto ao descarte de resíduos sólidos gerados

Coletores de pó mecânicos Esses coletores removem o material particulado por meio de forças centrífugas, inerciais e gravitacionais, mediante a mudança brusca de direção do fluxo de gás. Evidentemente, esses coletores são eficientes para particulados de dimensões maiores que 1 mícron. Os principais coletores de pó mecânicos são: • Câmaras de Deposição Gravitacional

Princípio: Inércia gravitacional com a ajuda de obstáculos. Eficiência: 10 a 30 % Fatores: Tamanho da partícula

Velocidade do gás Aplicação: Pré – captação no estado seco. Perda de Pressão: 10 a 15 mmca (V = 5 m/s)

• Coletor Gravitacional com Obstáculos

Principio: Forças gravitacionais com o auxílio de obstáculos Eficiência: 30 a 50 % Fatores: Tamanho da partícula

Velocidade do gás Arranjo dos obstáculos

Aplicação: Pré - coletor no estado seco (úmido) Perda de pressão: 15 a 20 mmca a V = 5 m/s

• Coletores ciclônicos

Principio: Forças centrifuga Eficiência: 50 a 80 % Fatores: Tamanho das partículas Densidade da partícula

Velocidade da partícula na parte turbilhonada e relacionada com a carga de gás e o raio do corpo

Aplicação: Desempoeiramento no estado seco ou úmido

Pré- captação antes de um Precipitador Eletrostático de forma a reduzir a carga de pó

Perda de pressão: 60 a 120 mmca (Vt = 10 a 15 m/s)

• Coletores Multiciclônicos Princípio: Forças centrífugas Eficiência: 60 a 90 %

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Fatores: Tamanho da partícula Densidade da partícula

Velocidade do gás na região turbulenta e relacionada com a carga de gás e o raio do corpo

Aplicação: Desempoeiramento no estado seco Pré - captação antes do Precipitador Eletrostático para reduzir a carga de pó

Perda de pressão: 70 a 120 mmca

• Filtro de Leito de Cascalho Princípio: Força centrífuga e leito filtrante de cascalho Eficiência: até 99, 8 % Fatores: Tamanho da partícula

Densidade da partícula Velocidade da partícula na parte turbilhonada e relacionada com a carga de gás e o raio do corpo Altura do leito, tamanho do cascalho e sua contaminação

Aplicação: desempoeiramento no estado seco Perda de pressão: 70 a 150 mmca (em função da eficiência desejada)

• Lavadores Ventúri Princípio: Umidificação e aglutinação de partículas e posterior captação

utilizando a diferença de velocidade do gás e das gotículas de água

Eficiência: até 99 % Fatores: Perda de pressão Taxa água/gás Tamanho das partículas Aplicação: Desempoeiramento no estado úmido

Pré - captação antes de Precipitadores Eletrostáticos para reduzir a carga de pó ou de névoa

Dessulfurização a um certo grau Perda de pressão: 200 a 1200 mmca (conforme a eficiência desejada)

• Filtros de Mangas Princípio: Filtração mediante mangas de tecidos Eficiência: até 99,8 % Fatores: Material da manga (tipo da trama do tecido) Tamanho das partículas Velocidade de filtração Contaminação do material da manga Aplicação: Desempoeiramento no estado seco Perda de pressão: 150 a 200 mmca

• Precipitador Elétrostático Seco Princípio: Forças de Coulomb e Vento Iônico Eficiência: até 99,99% Fatores: Tamanho das partículas

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Resistividade do pó Carga de pó Temperatura do gás Intervalo de limpeza dos eletrodos Propriedades químicas do pó/gás

Aplicação: Desempoeiramento no estado seco Perda de pressão: 20 a 25 mmca

• Precipitador Elétrostático Úmido Princípio: Forças de Coulomb e Vento Iônico Eficiência: até 99,5 % Fatores: Tamanho das partículas Área de captação Carga de partículas Temperatura do gás Taxa água/gás Velocidade do gás Aplicação: Desempoeiramento em via úmida Perda depressão: 20 a 25 mmca

Nos dias de hoje, devido a tendência mais restritiva de emissões em chaminés, dos equipamentos de captação de materiais particulados acima mencionados, apenas o Lavador Venturi, o Filtro de Mangas e o Precipitador Eletrostático são realmente aplicáveis na prática. A tendência de utilização de Filtros de Mangas e Precipitadores Eletrostáticos nos diversos segmentos industriais tem sido maior, havendo uma divisão quase equitativa no fornecimento desses equipamentos. 0 Lavador Venturi, tem tido aplicação muito restrita, principalmente devido a este equipamento consumir muita energia e produzir um efluente líquido que requer de modo geral um tratamento complementar. Além disso, para se alcançar alta eficiência, torna-se necessário que se utilize altas perdas de pressão na garganta do venturi, o que decorre de uma maior taxa de liquido/gás e de uma maior velocidade dos gases na garganta do venturi. Quando o pó a ser coletado tem característica abrasiva, torna-se necessário ainda que se pense em um material adequado para a garganta do venturi ou um outro artifício que proteja esta parte de abrasão e/ou erosão. 0 Filtro de Mangas tem sofrido evoluções nos últimos anos, principalmente no que se refere ao material das mangas, havendo hoje materiais cerâmicos resistentes a altas temperaturas e mesmo materiais metálicos, para aplicações bem específicas. Sua limitação de uso é quanto ao custo operacional inerente ao tempo de saturação das mangas, que é irreversível na maioria dos casos (saturação da trama do tecido). Outra limitação quanto ao seu uso é o custo de energia devido a perda de pressão relativamente alta do equipamento.

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0 Precipitador Eletrostático é, sem dúvida, o mais complexo dos equipamentos de captação de particulados. A quantidade de publicações técnicas especializadas em precipitadores Eletrostáticos comprovam a sua complexidade. De fato, a Precipitação Eletrostática é o resultado de 2 fenômenos distintos: 1 Forças de Coulomb, regidos pelas leis da eletrostática, oriundas do campo

elétrico induzido por conjuntos de transformadores retificadores de alta tensão e corrente continua nos eletrodos de captação e de emissão, respectivamente po1o positivo e polo negativo, internos à carcaça do Precipitador.

As partículas eletrizadas por cargas elétricas são captadas nos eletrodos do

Precipitador pelo efeito das forças de Coulomb que atuam sobre ela. 2. Vento iônico, que é o resultado da migração de íons gerados por fenômenos de

choque e adesão de elétrons com moléculas neutras de gás, que em seu deslocamento arrastam partículas contidas no gás até os eletrodos.

0 vento iônico é importantíssimo na captação de partículas de menor granulometria e a força de Coulomb é mais significativa nas partícula s de maior granulometria.

Os dois fenômenos ocorrem simultaneamente, porém, o que se pesquisa no momento são formas de se aumentar artificialmente a quantidade de íons, objetivando aumentar assim a eficiência do Precipitador para uma mesma área de captação. As partículas captadas abaixo de 10 Ohm.cm, perdem rapidamente sua carga elétrica e escapam novamente para dentro do fluxo de gás criando o chamado efeito de re-entrada do pó. Por outro lado, acima de 10 Ohm.cm, devido a dificuldade da carga elétrica escoar para a terra, o Pó fica firmemente aderido ao eletrodo de captação e após certa espessura e sob efeito de uma tensão elétrica aplicada na camada de pó, começa a haver um fenômeno de ionizacão positiva do gás contido nos intersticios do pó, gerando o chamado efeito "back-corona", que nada mais é que a migração de lona positivos em direção aos Eletrodos de Emissão, neutralizando assim o efeito corona normal, inutilizando desta forma a área de captação inerente.

A resistividade do pó por sua vez e afetado pelo teor de álcalis e enxofre na sua constituição, além de variar com a temperatura.

Equipamentos de Absorção de Oxidos de Enxofre (SOx) Serão apresentadas as principais tecnologias existentes no mundo. Os principais processos são classificados em: Processos não regeneráveis e Processos regeneráveis

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• Processos não regeneráveis (geram um resíduo como efluente) § Lavagem com Cal/Calcário § Sistema duplo álcali § Ácido Sulfúrico Diluído

Estes processos geram como efluente uma torta de gesso, sais e CO2 dependendo da técnica. Requerem várias bombas, tanques de lavagem e de clarificação, filtro de vácuo e outros equipamentos. • Processos Regeneráveis (não geram resíduos) § Óxido de Magnésio (MgO) § Sulfito de Sódio (Na2SO3) § Carbonatação Aquosa (Na2CO3)

Nestes três processos gera-se uma corrente de SO2 ou de H2S que pode ser enviada para uma planta de recuperação de enxofre

§ Oxidação Catalítica - neste processo o S02 gasoso em presença de pentóxido de vanádio é convertido em S03 gasoso que é posteriormente lavado com ácido fraco para formar ácido sulfúrico na concentração de 80%.

§ Absorção com Carvão Ativado gera enxofre elementar § Óxido de Cobre -o cobre é regenerado e oxidado a óxido de cobre. 0 S02 é

posteriormente concentrado e tratado em uma planta de recuperação de enxofre para produção de enxofre elementar.

§ Sulfito de Amônia • Sistema de Absorção à Seco

Estes sistemas, de fato, são divididos em: § Absorção em via semi-úmida ou semi-seca § Absorção via seca. Nos sistema de absorção semi-úmida, uma solução de Ca(OH)2 é evaporada numa Torre de Evaporação e Absorção é o gás com o pó seco gerado na reação é captado a posteriori num Filtro de Mangas ou num Precipitador Eletrostático. 0 sistema de absorção, via seca, utiliza o princípio de absorção utilizado em caldeiras de leito fluidizado, que basicamente introduz no fluxo gasoso uma quantidade grande de Ca(OH)2 pulverizado no duto a montante de uma Torre de Absorção, onde ocorre a reação de absorção e posteriormente o pó gerado na reação mais o excesso de Ca(OH)2 é captado num Precipitador Eletrostático ou num Filtro de Mangas, onde este pó é reciclado novamente no duto a montante da Torre de Reação, durante um certo número de vezes, após o que uma parte do pó é descartado do Precipitador ou do Filtro de Mangas.

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Equipamento de Decomposição de Óxidos de Nitrogênio

Logicamente a atuação sobre as fontes emissoras é sempre a melhor solução, por ser a menos custosa e, principalmente, porque ao se abater um poluente é comum se gerar outro rejeito que precisará obrigatoriamente ser tratado e descartado de forma racional e respeitando as leis ambientais.

As principais técnicas de redução de emissão de NOx são:

§ Atuação sobre o processo de combustão e equipamentos (queimadores de baixo NOx) (25 a 55% de redução)

§ Recirculação de gases de combustão (15 a 25% de redução)

§ Após a combustão normalmente se utiliza:

♦ Redução Seletiva não Catalítica (40 a 60% de redução)

NH3 + 5/4 O2 à NO + 3/2 H2O (acima de 1000 oC)

NO + NH3 + 1/4 O2 à N2 + 3/2 H2O (aprox. a 950oC, sendo que abaixo de 850oC a velocidade desta reação se reduz fortemente)

Este processo consiste em se injetar amônia em regiões muito bem definidas de modo a se obter a máxima taxa de reação das equações acima revertendo o NO a N2. No entanto é preciso um controle preciso de temperatura da câmara, do tempo de residência e da relação NH3/NO

♦ Redução Seletiva Catalítica(80 a 90% de redução)

As seguintes etapas ocorrem neste processo: injeção da amônia e sua rápida absorção pelos sítios ácidos, oxidação da amônia e dióxido de enxofre, adsorção do óxido de nitrogênio com a amônia adsorvida, reação catalítica que resulta em N2 e H2O que são liberados do meio catalítico e reativação do leito por hidratção

Uma das limitações deste processo é o custo e o limite de temperatura (máximo de 450oC e é ideal que seja maior que 400oC para permitir a oxidação da amônia)

Formação de sais (polisulfatos de amônia) devido a presença de SO2, SO3 e NH3.

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Referências Bibliográficas: [1] Nilo Indio do Brasil, Apostila do Curso de Fornos , Abril 1996 [2] João Vicente de Assunção, Shigeru Yamagata e Silvio de Oliveira, Apostila do

Curso “ A Combustão e o Meio Ambiente”, outubro de 1993 [3] John Zink, Apostila do Curso de Queimadores [4] Laiete Soto Messias (IPT), Apostila do Curso de Combustão de Líquidos [5] Ademar Hakuo Ushima (IPT), Renato Verghanini Filho (IPT), Formação e

Emissão de Compostos de Enxofre em Chamas

caldeiras-combustão e queimadores[1]

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