cap. 1 - estequiometria

Institut

ESTEQUIOM

CAPÍTULO 1.

ETRIA DAS RELAÇÕES DECOMBUSTÃO

o de Pesquisas Tecnológicas

IPT CURSO DE COMBUSTÃO INDUSTRIAL AET

2

ÍNDICE

1 ESTEQUIOMETRIA DAS REAÇÕES DE COMBUSTÃO .........................4

1.1 Oxigênio Estequiométrico (Ar Estequiométrico)..................................................................5

1.2 Coeficiente de ar (excesso de ar) ............................................................................................9

2 PODER CALORÍFICO DO COMBUSTÍVEL ...........................................14

3 CINZA NO COMBUSTÍVEL ....................................................................17

4 UMIDADE NO COMBUSTÍVEL...............................................................21

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..........................................................21


3

ÍNDICE DE TABELAS TABELA 1 - COMPOSIÇÃO APROXIMADA DO AR ATMOSFÉRICO SECO ...................................6 TABELA 2 - EQUAÇÕES BÁSICAS DE COMBUSTÃO ...........................................................................7 TABELA 3 - AR E GASES DE COMBUSTÃO PARA QUEIMA ESTEQUIOMÉTRICA .....................8 TABELA 4 - BALANÇO DE MASSA DAS REAÇÕES DE COMBUSTÃO COMPLETA (λ ≥ 1) .......12 TABELA 5 - BALANÇO DE MASSA DAS REAÇÕES DE COMBUSTÃO COM RESÍDUO DE

COMBUSTÍVEL NÃO CONVERTIDO ...............................................................................14 TABELA 6 - ANÁLISE IMEDIATA, ELEMENTAR E PODER CALORÍFICO DE COMBUSTÍVEIS

SÓLIDOS..................................................................................................................................16 TABELA 7 - ANÁLISE ELEMENTAR E PODER CALORÍFICO DE COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS17 TABELA 8 - COMPOSIÇÃO QUÍMICA E FUSIBILIDADE DAS CINZAS .........................................20


4

1 ESTEQUIOMETRIA DAS REAÇÕES DE 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. 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 combustão1. 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:

1 Por exemplo, a combustão do metano (CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O) pode ser modelada por um conjunto de 20 a 30 reações elementares, mesmo assumindo que os produtos indicados são os únicos formados em quantidades significativas.


5

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

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.

1.1 Oxigênio Estequiométrico (Ar Estequiométrico)

Quando o oxigênio fornecido ao processo é "teoricamente'' o necessário e suficiente para oxidar completamente os elementos combustíveis, diz-se que a reação é estequiométrica. Quando a quantidade do oxigênio é maior, fala-se em excesso de oxigênio; em caso contrário, fala-se em falta de oxigênio, situação na qual não se pode realizar a combustão completa dos elementos constituintes do combustível.

Como usualmente o oxigênio é retirado do ar atmosférico, fala-se em excesso de ar ou falta de ar, sendo este constituído, basicamente, de oxigênio (O2) e nitrogênio (N2), na proporção indicada na Tabela 1.

Assim, para cada 4,76 unidades de volume de ar consumidos na combustão, apenas uma (21% de oxigênio) realmente participa das reações, sendo as restantes 3,76 constituídas de nitrogênio. Esse gás, por sua vez, sendo inerte, contribui para baixar as temperaturas ao longo da chama e aumentar as perdas associadas aos gases de exaustão.

Volume (%) Massa (%)

Nitrogênio 79 77


6

Oxigênio 21 23

Densidade2 1,293 kg/m3n

Tabela 1 - Composição aproximada do ar atmosférico seco3, 4

A partir das reações básicas de combustão, é possível determinar a quantidade de ar a ser consumido, bem como a quantidade de gases a serem gerados, em massa e em volume.

Na tabela 2 são consideradas as equações básicas para queima estequiométrica do carbono, do hidrogênio e do enxofre5.

Conhecendo-se, então, os coeficientes assinalados na Tabela 2 e a composição elementar do combustível, é possível obter a quantidade de ar necessária para sua combustão estequiométrica; na Tabela 4, são apresentadas as expressões para os cálculos das reações de combustão completa.

Na tabela 3 são apresentados alguns valores de referência de massa de ar estequiométrico para alguns combustíveis.

C + O2 → CO2

12 kg 32 kg 44 kg

2 O normal metro cúbico (m3n - notação mais indicada, conforme o Sistema Internacional de Unidades - SI, ou usualmente notado por Nm3) identifica o volume de 1 m3 de um gás, estando este nas condições normais de temperatura e pressão, ou seja, temperatura absoluta de 273,15 K (0°C) e pressão absoluta de 1,013 . 105 Pa (760 mmHg). Para se determinar o volume dessa massa de ar em outras condições, pode-se aplicar: V = 370,84 * T / p; onde T = temperatura absoluta do ar em Kelvin (K) e p = pressão absoluta do ar em Pascal (Pa).

3 Fonte: IPT (1). 4 O ar atmosférico contém certa quantidade de vapor d'água que depende das condições

atmosféricas, e é determinável através de consulta à carta psicrométrica; na falta de melhores dados, pode-se adotar a umidade ω = 0,010 kg de vapor d'água/kg de ar seco, que representa um valor médio para a cidade de São Paulo.

5 Nas condições habituais de combustão há formação preferencial de SO2 e portanto a reação de oxidação apresentada na tabela 2, na qual se baseiam os cálculos de ar estequiométrico, não é a forma mais oxidada possível para o enxofre.


7

12 kg 22,4 m3n 22,4 m3n

Ar de combustão seco: 22,4 / 12 * 4,76 = 8,88 m3n/kg de C

ou 8,88 * 1,293 = 11,48 kg/kg de C

H2 + ½ O2 → H2O

2 kg 16 kg 18 kg

2 kg 11,2 m3n 22,4 m3n

Ar de combustão seco: 11,2 / 2 * 4,76 = 26,7 m3n/kg de H2

ou 26,7 * 1,293 = 34,52 kg/kg de H2

S + O2 → SO2

32 kg 32 kg 64 kg

32 kg 22,4 m3n 22,4 m3n

Ar de combustão seco: 22,4 / 32 * 4,76 = 3,33 m3n/kg de S ou 3,33 * 1,293 = 4,31 kg/kg de S

Tabela 2 - Equações básicas de combustão

AR DE COMBUSTÃO6 GASES DE COMBUSTÃO7

6 Ar atmosférico úmido com umidade ω = 0,010 kg de vapor d' água/kg de ar seco.

7 Gases de combustão úmidos.


8

kg/kg de combustível

m3n/kg de combustível

kg/kg de combustível

m3n/kg de combustível

Bagaço de cana seco8

5,7 4,4 6,7 5,1

Cavaco de eucalipto seco8

5,7 4,4 6,7 5,1

Carvão mineral energético, 35% de cinzas8

6,4 5,0 7,1 5,3

Óleo tipo 3A 13,3 10,3 14,4 11,0

Óleo tipo 7B 13,8 10,7 14,8 11,4

Óleo tipo 8A 13,3 10,3 14,4 11,0

Óleo diesel 14,5 11,3 15,5 12,1

Querosene 14,9 11,6 15,9 12,4

Gás de nafta 7,6 6,0 8,6 7,0

Propano 15,8 12,3 16,8 13,3

GLP 15,7 12,2 16,7 13,2

Tabela 3 - Ar e gases de combustão para queima estequiométrica3.

1.2 Coeficiente de ar (excesso de ar) Na maioria das vezes, a combustão se processa com quantidade de ar

diferente da estequiométrica. Define-se então o coeficiente de ar (λ) como sendo:

λ =massa de ar utilizado

massa de ar estequiometrico

8 Ver Tabela 6 e usar as fórmulas da Tabela 4, com λ=1 e a=0.


9

Com esta definição, tem-se λ = 1 para combustão estequiométrica, λ > 1 para combustão com excesso de ar e λ < 1 para combustão com falta de ar (incompleta).

Nos processos industriais de combustão, a determinação de λ pode ser feita basicamente de duas maneiras: medindo as vazões (mássicas ou volumétricas em alguns casos) de combustível e ar de combustão, utilizando a expressão acima, desde que se conheça a massa de ar estequiométrica necessária, ou então, no caso de combustão completa, medindo os teores de CO2 e/ou O2 nos gases de combustão e calculando λ a partir desses valores.

A determinação dos teores do CO2 e O2 nos gases pode ser feita utilizando vários dispositivos hoje existentes, tais como: analisadores de absorção, dos quais o Aparelho de Orsat é o mais difundido, cromatógrafos, analisadores contínuos (paramagnéticos para O2, absorção de radiação infravermelha para CO2) e espectrômetro de massa.

Todos os instrumentos e dispositivos mencionados processam amostras de gases secos (após eliminada praticamente toda a água presente), motivo pelo qual os teores assim determinados se denominam em ''base seca''.

A medição das vazões de combustível e ar, embora seja uma maneira direta de determinar λ, é muito complicada na maioria dos casos, motivo pelo qual se prefere utilizar o método de análise dos gases, no caso de combustão completa.

A partir dos valores medidos dos teores de CO2 (fCO2 ) e O2 (fO2), pode-se calcular o valor de λ, no caso de combustão completa, através da seguinte expressão:

λ =− −

− −1 fCO2 fO2

1 2 4 76 2fCO fO, *

Se, somente um dos teores de CO2 (fCO2 ) ou O2 (fO2) for medido, também se pode calcular o valor de λ; entretanto necessita-se da composição elementar do combustível.

As expressões utilizadas são as seguintes:

λ =+ + + − − − −

+ + −1 87 2 22 4 12 4 32 0 8 0 7 1 87

106 62 12 4 32 2, * *{ , *[ / / ( ) / ] , * , * , * }

, *[ / / ( ) / ]*c fCO c h s o n s c

c h s o fCO

ou

λ =+ + − − − − − + + −

+ + − −fO c h s o n s c c h s o

c h s o fO2 22 4 12 4 32 0 8 0 7 187 22 4 12 4 32

12 4 32 106 62 2 22 4*{ , *[ / / ( ) / ] , * , * , * } , *[ / / ( ) / ]

[ / / ( ) / ]*( , * , )


10

onde,

c: carbono

h: hidrogênio

o: oxigênio

s: enxofre

n: nitrogênio

z: cinza,

são frações mássicas dos elementos no combustível expressas em base seca9

As observações experimentais realizadas na combustão de bagaço de cana em caldeiras, têm mostrado que deve-se dar preferência às expressões de λ = λ (fCO2, fO2). ou de λ = λ (fO2, c, h, o, s, n), por apresentarem precisão superior à expressão λ = λ (fCO2, c, h, o, s, n).

Detalhes sobre esta análise podem ser vistos na referência (2).

A seguir, apresenta-se na Tabela 4, um conjunto de expressões que permitem calcular diversos parâmetros ligados à reação de combustão completa de um combustível genérico com umidade a (kg de água/kg de combustível úmido), com a composição elementar e utilizando ar ambiente com umidade absoluta ω (kg de água/kg de ar seco) e coeficiente de ar λ ≥ 1.

PARÂMETRO SÍMBOLO10

FÓRMULA

Massa de O2 necessária mO2 mO2 = 32 * λ* (1 - a) * [c /12 + h / 4 + (s - o) / 32]

Massa de ar seco necessária mar seco mar seco = 4,29 * mO2

9 Normalmente, a análise elementar de um combustível é feita sobre amostra de material seco

10 As unidades são: para massa (kg/kg de comb. úmido) e para volume (m3n/kg de comb. úmido).


11

Volume correspondente à massa acima

Var seco Var seco = 3,32 * mO2

Massa de ar úmido necessária mar mar = 4,29 * mO2 *(1 + ω)


Var Var = mO2 * (3,32 + 5,34 * ω)

Massa de CO2 formado na combustão completa

mCO2 mCO2 = 3,67 * (1 - a ) * c


VCO2 VCO2 = 1,87 * (1 - a ) * c

Massa de H2O total (formada na combustão + umidade do combustível + umidade do ar)

mH2O mH2O =9* (1 - a) * h + a + 4,29 * mO2 *ω


VH2O VH2O = 1,24 * mH2O

Massa de SO2 formado11 mSO2 mSO2 = 2 * s * (1 - a)


VSO2 VSO2 = 0,7 *s * (1 - a)

Massa de oxigênio livre nos gases de combustão

m’O2 m’O2 = (1 - 1 / λ) * mO2


V’O2 V’O2 = 0,7 * m’O2

Massa de nitrogênio nos gases de combustão12

mN2 mN2 = (1 - a) * {n + 105,28 * λ* [c /12 + h / 4 + (s - o) / 32]}


VN2 VN2 = 0,8 * mN2

Massa total dos gases secos mgs mgs = mCO2 + mSO2 + m’O2 + mN2

Volume total dos gases secos Vgs Vgs = VCO2 + VSO2 + V’O2 + VN2

Massa total dos gases úmidos mgu mgu = mgs + mH2O

Volume total dos gases úmidos Vgu Vgu = Vgs + VH2O

11 Assumindo que todo S do combustível se oxide a SO2.

12 Assumindo que todo N do combustível esteja na forma de N2.


12

Fração volumétrica do CO2 nos gases (base seca)

fCO2 fCO2 = VCO2 / Vgs

Fração volumétrica de O2 nos gases (base seca)

fO2 fO2 = V’O2 / Vgs

Tabela 4 - Balanço de massa das reações de combustão completa (λ ≥ 1)

A partir do coeficiente de ar (λ), pode-se calcular o chamado excesso de ar (e), relacionado pela expressão:

e = 100 * (λ - 1)

Obviamente os valores de todos os parâmetros da Tabela 4 para a condição estequiométrica, são obtidos fazendo o valor de λ igual a um (λ = 1).

Uma observação importante é que a Tabela 4, bem como os valores de λ e e das expressões anteriores só refletem o comportamento global do processo se as amostras dos gases de combustão forem colhidas em pontos nos quais todas as reações já tenham ocorrido e não haja quantidades significativas de combustíveis não queimados (ex: fuligem, resíduo de grelhas, etc).

Amostras de gases colhidas em zonas de alta temperatura nas proximidades de chamas e superfícies de leitos de combustão, não representam, em geral, o comportamento do processo global.

Considere-se agora o caso no qual a cinza seca e material retirados do equipamento contenham, agregada, certa quantidade de combustível.

Admita-se que a análise elementar dessa mistura retirada do equipamento, representada em frações mássicas, seja:

c1 : carbono

h1 : hidrogênio

o1 : oxigênio

s1 : enxofre

n1 : nitrogênio

z1 : cinza (inerte); z1 < 1

Se z1 for muito próximo de 1, continuam válidas a Tabela 4, bem como as expressões anteriormente citadas. No entanto, na medida em que os valores de z1 são baixos, torna-se importante levar em conta o combustível não convertido, o


13

que consiste em subtrair das massas de c, h, o, s, presentes no combustível, os valores (z/z1).c1, (z/z1).h1, etc. que representam as massas residuais desses elementos no material retirado.

A Tabela 5 fornece todos os parâmetros de combustão para o caso em questão.

PARÂMETRO SÍMBOLO1

0 FÓRMULA

Massa de material retirado (cinza + combustível não convertido)

mR mR = z * (1 - a) / z1

Massa de O2 necessária mO2 mO2 = 32 * λ* (1 - a) * { [c /12 + h / 4 + (s - o) / 32] - z / z1 * [c1 /12 + h1 / 4 + (s1 - o1) / 32] }

Massa de ar seco necessária mar seco mar seco = 4,29 * mO2


Var seco Var seco = 3,32 * mO2

Massa de ar úmido necessária mar mar = 4,29 * mO2 *(1 + ω)


Var Var = mO2 * (3,32 + 5,34 * ω)

Massa de CO2 formado na combustão completa

mCO2 mCO2 = 3,67 * (1 - a ) * (c - z / z1 * c1)


VCO2 VCO2 = 1,87 * (1 - a ) * (c - z / z1 * c1)

Massa de H2O total (formada na combustão + umidade do combustível + umidade do ar)

mH2O mH2O =9* (1 - a) * (h - z / z1 * h1) + a + 4,29 * mO2 *ω


VH2O VH2O = 1,24 * mH2O

Massa de SO2 formado11 mSO2 mSO2 = 2 * (1 - a) * (s - z / z1 * s1)


VSO2 VSO2 = 0,7 * (1 - a) * (s - z / z1 * s1)

Massa de oxigênio livre nos gases de combustão

m’O2 m’O2 = 32 * (λ*- 1) * (1 - a) * { [c /12 + h / 4 + (s - o) / 32] - z / z1 * [c1 /12 + h1 / 4 + (s1 - o1) / 32] }


V’O2 V’O2 = 0,7 * m’O2


14

Massa de nitrogênio nos gases de combustão12

mN2 mN2 = (1 - a) * { (n - z / z1 * n1) + 105,28 * λ* [c /12 + h / 4 + (s - o) / 32] - z / z1 * [c1 /12 + h1 / 4 + (s1 - o1) / 32] }


VN2 VN2 = 0,8 * mN2

Massa total dos gases secos mgs mgs = mCO2 + mSO2 + m’O2 + mN2

Volume total dos gases secos Vgs Vgs = VCO2 + VSO2 + V’O2 + VN2

Massa total dos gases úmidos mgu mgu = mgs + mH2O

Volume total dos gases úmidos Vgu Vgu = Vgs + VH2O

Fração volumétrica do CO2 nos gases (base seca)

fCO2 fCO2 = VCO2 / Vgs13

Fração volumétrica de O2 nos gases (base seca)

fO2 fO2 = V’O2 / Vgs13

Tabela 5 - Balanço de massa das reações de combustão com resíduo

de combustível não convertido

2 PODER CALORÍFICO DO COMBUSTÍVEL É definido como a quantidade de calor que é transferida de um calorímetro,

onde se realiza a combustão completa da unidade de massa ou volume de um combustível, sendo o combustível e o ar introduzidos no calorímetro em condição padrão (1 atm, 25°C) e os produtos de combustão levados à mesma condição padrão.

Se, ao levar os produtos de combustão à condição padrão, a água resultante da combustão estiver em fase líquida, a quantidade de calor transferida do calorímetro é denominada Poder Calorífico Superior (PCS). Se a água resultante da combustão estiver na fase vapor, a quantidade de calor retirada do calorímetro é denominada Poder Calorífico Inferior (PCI).

Normalmente, para combustíveis sólidos, o valor determinado em laboratório é o PCS do material seco, calculando-se o PCI pela expressão seguinte:

PCS - PCI = mH2O * hlv(25 ºC)

13 A partir destas expressões, pode-se chegar a expressões para λ, semelhantes aquelas apresentadas anteriormente, para o caso de queima total do combustível.


15

A unidade do Poder Calorífico em unidades SI é MJ/kg ou MJ/m3n, sendo no entanto, ainda utilizados kcal/kg e kcal/m3m.

A massa de água formada na combustão é calculada através da expressão:

mH2O = 9 * h

onde a nomenclatura e unidades são as mesmas da Tabela 4.

Se o combustível tiver umidade a, na base úmida, então as relações entre os poderes caloríficos nesse estado e aqueles determinados em laboratório são:

PCSu = (1 - a) * PCS

PCIu = (1 - a) * PCS - 9 * (1 - a) * h * hlv(25 ºC) - a * hlv(25 ºC)

onde PCSu e PCIu se referem ao material úmido; a é a fração mássica de água do material úmido; h é o teor de hidrogênio do material seco e hlv(25 ºC) a entalpia de vaporização da água a 25°C.

Com o combustível úmido, pode-se ainda determinar a relação entre PCS e PCI do material úmido na base seca:

PCI = PCS - [mH2O + a / (1 - a)] * hlv(25 ºC) Na tabela 6 estão relacionados valores de poderes caloríficos de diversos

combustíveis sólidos utilizados industrialmente, bem como a análise imediata e elementar.

Na Tabela 7 estão relacionados valores dos poderes caloríficos de diversos combustíveis líquidos, bem como sua análise elementar.

A terminologia do ''Poder Calorífico'' consolidou-se no meio de fabricantes e usuários de combustíveis. Seu conceito, entretanto, é o da propriedade termodinâmica conhecida como entalpia padrão de reação.

COMBUSTÍVEL

ANÁLISE IMEDIATA

(% massa, base seca)

ANÁLISE ELEMENTAR

(% massa, base seca)

PODER CALORÍFICO (MJ/kg, base

seca)


16

c fixo voláteis cinza c h o s n Superior Inferior

Bagaço de cana14 13,0 83,0 4,0 46,3 6,4 43,3 <0,1 18,9 17,5

Cavacos de eucalipto15

13,5 85,9 0,6 48,3 5,8 44,6 <0,1 0,6 19,6 18,3

Casca de eucalipto

18,3 77,7 4,0 43,3 5,0 46,8 <0,1 0,8 16,8 15.7

Sobras de serraria

13,3 85,9 0,8 46,6 5,9 45,0 <0,1 1,6 18,7 17,4

Carvão vegetal 75 a 85

13 a 17 1 a 3 77 a 92

2,8 a 3,5

<0,1 1,3 a 2,5

28,0 a 34,0

27,5 a 33,0

Carvão mineral16 energético (35% cinzas)

32 a 40

22 a 29 32 a 36

45,0 a 52,3

3,7 0,5 0,9 20,9 a 23,5

20,3 a 22,0

Tabela 6 - Análise imediata, elementar e poder calorífico de combustíveis sólidos

Combustível

Análise elementar (% massa, base seca)

Poder calorífico (MJ/kg)17

c h o s n Superior Inferior

Álcool etílico anidro 52,2 13,0 34,8 29,7 26,8

14 Fonte: Eletrobrás.

15 Resultados obtidos em análises realizadas pelo IPT.

16 Fonte: Companhia Auxiliar de Empresas Elétricas Brasileiras - CAEEB.

17 1 MJ = 238,85 kcal.


17

Óleo tipo 3A 86,6 9,5 0,5 2,67 0,7 42,118 39,818

Óleo tipo 7B 86,1 11,0 0.91 41,718 39,418

Óleo tipo 8A 85,9 9,7 1,8 1,2 41,818

Óleo diesel 86,0 13,1 0,9 45,5 42,6

Tabela 7 - Análise elementar e poder calorífico de combustíveis líquidos

Os combustíveis gasosos, tais como gases naturais, gases manufaturados e gases sub-produtos de processos primários são normalmente constituídos de CO, CO2, CH4, H2 e N2.

Dada a composição volumétrica desses gases em base seca, os poderes caloríficos podem ser calculados a partir das expressões abaixo:

PCS = 30,19 CO + 30,5 H2 + 95,17 CH4 (kcal/m3n)

PCI = 30,19 CO + 25,8 H2 + 85,76 CH4 (kcal/m3n)

onde CO, H2, CH4 ... representam as frações volumétricas desses gases na mistura, em base seca.

3 CINZA NO COMBUSTÍVEL 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.

18 Valor típico.


18

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.

Na Tabela 6 são apresentados teores de cinza típicos para alguns combustíveis sólidos; para o caso de combustíveis líquidos o CNP estabelece especificações dos derivados do petróleo.

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 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.

Na Tabela 8 são apresentadas algumas análises de cinzas.

COMPOSTOS ORIGEM DA CINZA

(% em massa) Bagaço de cana19

Carvão vegetal20

Turfa21 Carvão mineral22

19 Certificados IPT, n9 734.203 e 729.591.

20 Relatório IPT, n9 19.231.


19

Silício (em SiO2) 46,0 59,3 67,1 59,3

Titânio (em TiO2) 0,53 1,48 0,72 1,48

Alumínio (em Al2O3) 2,8 27,0 18,6 27,0

Bário (em BaO) 0,13

Manganês (em Mn2) 0,79

Ferro (em Fe203) 3,0 6,24 4,48 6,24

Cálcio (em CaO) 5,4 1,67 3,77 1,67

Magnésio (em MgO) 7,3 0,4 0,77 0,4

Sódio (em Na2O) 0,5 0,11 0,38 0,11

Potássio (em K2O) 23,0 0,44 3,95 0,44

Fusibilidade - Temperatura de amolecimento das cinzas (ºC)

Atmosfera T inicial 960 1.430 1.430

oxidante T final 1.235 1.600 1.600

Atmosfera T inicial 915 1.060

redutora T final 1.130 1.400

Tabela 8 - Composição química e fusibilidade das cinzas

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:

21 Certificado IPT, n9 672.057

22 Relatório IPT, n9 20.070.


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- 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, algumas das quais podem ser vistas em Souza (4) e EPRI-AF, 791 (5).

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.

4 UMIDADE NO COMBUSTÍVEL


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A não ser em casos excepcionais, a água presente no combustível é inconveniente, pois traz como decorrências: dificuldade de ignição, abaixamento das temperaturas ao longo da chama e da eficiência de transferência de calor ao equipamento a ser aquecido; portanto é conveniente a redução do seu teor.

O vapor de água em combustíveis gasosos pode ser eliminado pela condensação, através do resfriamento e/ou pressurização do gás.

Os combustíveis líquidos, derivados de petróleo, geralmente são imiscíveis com a água, sendo separados desta por decantação.

O teor de água em combustíveis sólidos pode ser reduzido por decantação, filtragem ou secagem, dependendo da situação.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - IPT. Conservação de energia na indústria do vidro - Manual de recomendações. São Paulo, 1983. 316 p.(Pub. IPT No 1245).

[2] Furnari, F. Seminário Interno do Agrupamento de Engenharia Térmica - IPT 1987.

[3] Eletrobrás, Ministério das Minas e Energia, Brasil. Aproveitamento energético dos resíduos da agroindústria da cana de açúcar. Rio de Janeiro, L.TC, 1983. 340 p.

[4] Souza, F.D.A., et alii. Relatório no 20.070 IPT, Gaseificador Ciclônico de Carvão Mineral a Cinza Fundida para Fornos de Cimento, 1985, Anexo 2, p. A2.1 - A2.3.

(5) EPRI-AF-791, Research Project 466-1, Coal Preparation for Combustion and Conversion, Final Report, May 1978, p.6-7, 6-10.

cap. 1 - estequiometria

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