combustíveis

Combustão Industrial

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Combustão industrial


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Sumário

Objetivos 5 Informações técnicas 7 Definição 8 Composição dos combustíveis 9 Tipos de combustíveis mais utilizados 10 Combustíveis sólidos naturais 11 Combustíveis sólidos derivados 14 Combustíveis líquidos naturais 17 Combustíveis líquidos derivados 19 Combustíveis gasosos naturais 27 Combustíveis gasosos derivados 28 Exercícios 31


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Objetivos

Ao final deste fascículo você será capaz de: • Identificar as utilizações dos combustíveis; • Identificar e definir um combustível; • Relacionar tipos de combustíveis; • Discriminar a composição do combustível; • Relacionar os combustíveis mais utilizados; • Relacionar os óleos combustíveis mais utilizados; • Especificar óleos combustíveis da norma CNP–05; • Identificar as características dos óleos combustíveis.


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Informações técnicas O desenvolvimento industrial acelerou-se a partir da utilização constante e progressiva da energia nos processos de transformação. As principais fontes de energia são: • As forças da natureza como quedas d’água, energia solar, ventos; • Os combustíveis sólidos, líquidos e gasosos; • A energia atômica liberada nas reações nucleares. Atualmente, o combustível é a mais importante fonte de energia industrial e o lastro da economia mundial. Pode-se afirmar que a sociedade industrial baseia-se na Combustão.


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Definição Combustível é um elemento que reage com o oxigênio, liberando calor. Ainda que uma substância reaja quimicamente com desprendimento de energia como o caso da reação abaixo. Exemplo:

HCl + NaOH + NaCl + H2O + calor

Não significa que estes elementos sejam considerados combustíveis industriais. Os elementos considerados combustíveis industriais são mais restritos e são compostos de carbono e outros elementos que podem ser queimados facilmente com o oxigênio do ar atmosférico, liberando grande quantidade de calor facilmente controlável. Para que um material possa ser considerado combustível, industrialmente viável, os seguintes requisitos técnicos e econômicos devem ser observados: • Facilidade de obtenção; • Segurança no armazenamento e transporte; • Baixo custo de operação; • Poder calorífico não muito baixo; • Facilidade de uso.


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Composição dos combustíveis

Os elementos químicos que entram na maioria dos combustíveis são: carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre e outros. Desses elementos, os mais importantes como geradores de calor são o carbono e o hidrogênio; o enxofre, embora seja um liberador de calor, é considerado um elemento indesejável no combustível, devido à formação de óxidos de enxofre que provocam corrosão nos equipamentos.


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Tipos de combustíveis mais utilizados

Há os combustíveis de obtenção natural e os combustíveis derivados dos naturais através de processos de transformação. Distinguem-se os tipos de acordo com o estado físico do elemento. Assim, temos os combustíveis sólidos naturais e derivados, os liquefeitos natural e derivados e os gasosos naturais e derivados.

Sólidos

Naturais

• lenha • xistos • carvão mineral • bagaço de cana

Derivados

• carvão vegetal • coque de carvão • coque de petróleo

Líquidos

Natural

• petróleo

Derivados

• derivados de petróleo (gasolina, óleo diesel, óleo combustível e derivados querosene)

• óleo de xisto • álcool etílico

b

Gasosos

Natural

• gás natural

Derivados

• hidrogênio • gás liquefeito de

petróleo (GLP) • gás de alto forno

(siderurgia • gás de água (utilizando

carvão)


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Combustíveis sólidos naturais

Lenha É o combustível mais antigo e ainda em uso, embora tenha diminuído sua importância como combustível industrial. Praticamente, três fatores importantes contribuíram para isto. Primeiro o baixo poder calorífico; segundo, o uso crescente dos derivados do petróleo e por último o desenvolvimento da indústria de celulose da madeira que se tornou mais importante para esta aplicação.


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Outro fator a ser levado em conta é que sua extração sem controle resulta na devastação das matas e requer reflorestamento imediato.

Elemento %

Carbono 50,0

Hidrogênio 6,0

Oxigênio 43,0 Nitrogênio 0,5

Cinzas 0,5

A elevada porcentagem de água somada com produtos destiláveis, conduz a um poder calorífico reduzido. Assim, o “poder calorífico” da lenha seca com 15% de umidade média atinge os seguintes valores: • Poder calorífico inferior: de 3.200 a 3.500 kcal/Kg; • Poder calorífico superior: de 3.800 a 4.500 kcal/Kg. Xistos São rochas oleíferas; o termo mais adequado para denominar essas rochas oleíferas seria Folhelhos, mas o uso já consagrou internacionalmente a expressão "xisto". Geologicamente, o xisto é uma das principais rochas metamórficas de origem sedimentar de textura foliácea e de lâminas muito delgadas.


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Os xistos são classificados em betuminosos e pirobetuminosos. Os xistos betuminosos são rochas compactas de origem sedimentar impregnadas de betume (mistura de hidrocarbonetos naturais). Os xistos pirobetuminosos também são rochas compactas de origem sedimentar, que contam um complexo orgânico de composição indefinida chamada querogênio (mistura complexa de mataria orgânica). Carvão mineral É o chamado carvão fóssil, sendo resultante da fossilização de florestas e sedimentação de materiais orgânicos combustíveis. É utilizado em alguns países como principal combustível industrial, sendo também usado na fabricação de coque para fins siderúrgicos. No Brasil, existem jazidas de carvão mineral do sul do país. A seguir, fornecemos uma tabela com propriedades e composição de carvões minerais.

Material

Turfa

Linhito

Hulhas

Antracito

Período de formação

Quaternário Terciário Primário Primário

Cor Amarela a parda

Parda a negra Negra Negra

Aspecto Terroso Lenhoso Rochoso Rochoso

Estrutura Musgosa e fibrosa

Fibrosa Compacta Compacta

Umidade (ao natural)

9O% 20-40% 10 - 20% 2-3,5%

Umidade (seco ao ar)

20 - 25% 15-25% 1,0-20% 2-3,5%

C (base seca H e sem 0

cinza)

55 - 65% 5,5% 32%

65-73% 4,5%21%

73 - 92% 5,3 - 6% 16 - 8%

92-96% 2,5 4%

Poder Clororífico

kcal/kg

3.000 a

3.500

3.800 a

4.600

5.000 a

8.200

7.200 a

8.000 Aplicação

Restrita a pequenas

distâncias de até 100km

Considerável

Grande Fabricação de produtos a base de

C (grafite e eletrodutos)


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Combustíveis sólidos derivados

Carvão vegetal O carvão vegetal (ou carvão de lenha), obtido pela carbonização da lenha, possui “poder calorífico” mais elevado, com cerca de 7.200 kcal/kg, apresentando matérias voláteis e cinzas em pequena quantidade. Tem largo emprego no uso doméstico. Obtém-se um metro cúbico de carvão com a carbonização de 2m3 de lenha.

1m3 1m3 1m3


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Composição aproximada do carvão de lenha.

Elemento % Carbono 78

Hidrogênio 7 Material volátil 12

Cinza 3

Carvão de lenha

Coque de carvão O “coque de carvão” ou simplesmente “coque metalúrgico” é um combustível obtido do aquecimento da hulha em ambiente fechado, sem contato com o ar, processo esse que se denomina “carbonização” ou decomposição térmica do carvão. Com o aquecimento, ocorre o desprendimento dos materiais voláteis, restando somente a fração denominada “coque”. Tem largo emprego nas indústrias siderúrgicas, metalúrgicas e de fundição.


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Composição aproximada do carvão coque.

Elemento % Carbono fixo 87,0

Materiais voláteis 1,5 Cinzas 10,5

Umidade 1,0

Coque de petróleo O coque de petróleo é resultante de coqueificação de derivados de petróleo, sendo o mais utilizado o óleo combustível residual. Um dos usos para o coque de petróleo é na obtenção de material básico para eletrodos no processo de obtenção do alumínio.


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Combustíveis líquidos naturais

Petróleo Originou-se de restos de plantas e animais marinhos inferiores que se acumularam no fundo de antigos mares e foram soterrados por movimentos da crosta terrestre. O petróleo assume, atualmente, a base do progresso e soberania de uma nação, pois do petróleo derivam os óleos combustíveis necessários aos processos de elaboração e transformação de produtos e outras aplicações. As principais jazidas petrolíferas do Brasil localizam-se nos estados da Bahia, Sergipe, Alagoas, Rio Grande do Norte, Espírito Santo e Rio de Janeiro. Em vários estados, o petróleo está sendo prospectado em plataformas submarinas.


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A composição do petróleo varia muito, apresentando, em média, a seguinte composição. Elemento % Carbono 81 a 87 Hidrogênio 10 a 14 Oxigênio 0 a 7 Enxofre 0 a 6

Nitrogênio 0 a 12


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Combustíveis líquidos derivados

Gasolina É usada como combustível para os motores de combustão interna com ignição de centelha. Seu maior emprego é nos veículos automotivos (automóveis, utilitários, caminhões de transporte, equipamentos agrícolas e motores marítimos). A gasolina de maneira geral apresenta, em média, a seguinte composição em peso. Elemento % Carbono 83,5 a 85 Hidrogênio 15,0 a 15,8

Enxofre menos de 1


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Óleo diesel É uma fração mais pesada que o querosene. Tem largo uso como combustível para os motores de combustão interna em que a ignição se faz por compressão, sem necessidade de uma centelha. Este tipo de motor é chamado motor diesel. Os motores diesel são utilizados em veículos automotivos: caminhões de transporte, transportes coletivos, tratores e máquinas agrícolas, locomotivas, navios, máquinas de terraplenagem e pequenas caldeiras.

Composição média aproximada do óleo diesel.

Elemento % Carbono 85,9 a 86,7 Hidrogênio 12,7 a 13,4 Enxofre 0 a 1,3 máx


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Óleo combustível

Tem largo emprego nos mais variados tipos de indústrias, pois é o elemento utilizado nos queimadores de diversos equipamentos (caldeiras, retortas, aquecedores, fornos), geradores de energia necessária à transformação ou elaboração de produtos. Os combustíveis líquidos industriais mais importantes são os óleos residuais que fazem parte da Norma CNP – 05. • Óleo combustível tipo A É o óleo comumente conhecido como BPF - Baixo Ponto de Fluidez. • Óleo combustível tipo B É o óleo comumente conhecido como APF - Alto Ponto de Fluidez. • Óleo combustível tipo D É o óleo comumente conhecido como BTE - Baixo Teor de Enxofre. • Óleo combustível tipo C (OC-4).


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Especificação para óleos combustíveis - Norma CNP-05 com as alterações da resolução provisória 06/73 (30/10/73)

VISCOSIDADE

SAYLBOLT (2)

Óleo

combus-

tível

Ponto de

fulgor a

ºC

Ponto e

fluidez

superior 0C

(1)

Cinzas

% em

peso

Teor de

enxofre %

em peso

Água e

sedimento

% em peso FUROL A 50ºC

UNIVERSAL A 37.8ºC MÍNIMO MÁXIMO MÁXIMO MÁXIMO MÁXIMO MÁXIMO MÁXIMO MÁXIMO

Tipo A

(BPF)

66 (4) - 5%(*) 2 (3) 400(*) 150 -

Tipo B

(APF)

66 - - 5%(*) 2 (3) 400(*) 150 -

Tipo C

(óleo nº

4)

66 (5) 0,10 - 0,5(3) - 33 12

Tipo D

(BTF)

66 - - 1% 2 (3) 400(*) 150 -

(*) Estes valores foram fixados em substituição aos valores anteriores (4,5% de teor de enxofre e 300ssf a 50º), pela resolução provisória 06/73. Especificação para o ponto de fluidez superior 0C

Meses do ano Estados, territórios e distrito federal DEZ. JAN.

FEV. MAR.

ABR. OUT.

NOV

MAl. JUN. JUL.

AGOST. SET.

1. Acre, Amapá, Fernando de Noronha, Rondônia, Roraima, Amazonas, Pará, Maranhão, Piauí, Ceará, Rio Grande do Norte, Paraíba, Pernambuco, Alagoas, Sergipe e Bahia.

27 27 24

2. Espírito Santo, Rio de Janeiro, Goiás, Distrito Federal e Minas Gerais

27 24 21

3. São Paulo e Mato Grosso 24 21 18 4. Paraná, Santa Catarina, Rio Grande

do Sul 21 18 15


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Características Óleo BPF A principal característica do óleo BPF é a da não necessidade de aquecê-lo para bombeamento em temperaturas normais. Óleo APF É um óleo que apresenta a característica de não fluir normalmente na temperatura ambiente exigindo aquecimento para esta finalidade. Óleo BTE A característica principal é a limitação em 1% da quantidade de enxofre, não havendo, no entanto, limite para o ponto de fluidez. Toda instalação para estocagem é uso de BTE deve possuir aquecimento. Óleo OC-4 É misturado com parte de óleo BPF até adquirir coloração escura para diferenciá-lo do óleo diesel, porque em alguns locais as viscosidades desses dois óleos possuem valores muito próximos, como demonstra a figura na página 22. Quando, por razões técnicas, necessita-se utilizar um tipo de combustível que não se enquadra em um tipo padrão, é comum misturar-se óleo APF ou óleo tipo C com o óleo BPF.


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A quantidade de cada um baseia-se na viscosidade necessária ao serviço e pode ser calculada de acordo com o gráfico abaixo.

Exemplo: Vamos supor que se disponha de óleo diesel e óleo BPF com as seguintes especificações. • Óleo tipo B - DIESEL: SSU a 1000F = 39 • Óleo tipo A - BPF : SSU a 1000F = 6000 Locam-se os valores e traça-se uma reta no gráfico, unindo os dois pontos, sob esta reta temos todas as misturas possíveis.


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Vamos supor que se necessite de óleo com 3600 SSU a 1000F; verifica-se que o óleo terá uma mistura composta de 95% BPF e 5% de diesel. Querosene É incolor e menos volátil que a gasolina. Tem emprego importante na aviação (nas turbinas de avises a jato) e em iluminação rural. A análise elementar média, em peso, é a seguinte:

Elemento % Carbono 84 Hidrogênio 15,8 Enxofre 0,20 máx

Óleo de xisto É obtido dos dois tipos de rocha de xisto por processo térmico (retortagem e pirólise). O maior rendimento é obtido com o aquecimento a temperaturas elevadas dos xistos pirobetuminosos. Do óleo de xisto, por processo de refino, obtém-se todos os produtos derivados do petróleo.


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Os trabalhos de pesquisa realizados na estação experimental de processamento de Monteiro Lobato, em Tremembé, levaram ao desenvolvimento de processo próprio, para o aproveitamento das reservas de xisto das formações de Irati (processo petrosix) e do Vale do Paraíba (Sistema I). Em junho de 1972, teve lugar pela primeira vez em nosso País a extração de óleo de xisto pirobetuminoso com o funcionamento da usina protótipo do Irati (UPI) – Paraná. Álcool etílico O álcool etílico (C2H5OH) é obtido de fermentação e destilação de alguns vegetais, tais como: cana de açúcar, mandioca e outros. A sua obtenção econômica contém 4% de água, recebendo a denominação de álcool hidratado. Em uma destilação mais apurada é obtido o álcool sem água, chamado álcool anidro. Sua utilização tornou-se importante em substituição à gasolina automotiva. Atualmente está sendo misturado à gasolina, na proporção de 20%. Os projetos recentes desenvolvem motores exclusivamente a álcool.


27

]

Combustíveis gasoso naturais

Gás natural Geralmente ocorre nas formações geológicas petrolíferas. É constituído principalmente de metano misturado com hidrocarbonetos parafínicos (etano e outros). A maior jazida natural encontra-se na Holanda. No Brasil, encontra-se gás natural nos poços de Aratu, na Bahia. Industrialmente, é matéria-prima para a indústria petroquímica. O poder calorífico do gás natural situa-se, em média de 8.500 a 9.000kcal/m3.


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Combustíveis gasosos derivados

Gás liquefeito de petróleo (GLP) Mistura de propano e butano obtidos a partir da destilação do petróleo. Composição média aproximada: (C3H8) PROPANO 60% (C4H10) BUTANO 40% Poder calorífico: 11900 kcal/kg


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Gás de coqueria O gás de coqueria é produzido nas baterias dos fornos onde é feita a destilação do carvão mineral para produção de coque metalúrgico. A estas baterias dá-se o nome de coqueria. O gás aí obtido é utilizado nas próprias usinas siderúrgicas, puro ou misturado com gás de alto forno, para aquecimento das baterias de coque, outros fornos da usina ou caldeiras. Poder calorífico: 4200 kcal/m3. Composição média aproximada.

Elemento % Hidrogênio 58 Metano 27 Monóxido de carbono 7

Nitrogênio 5 Dióxido de carbono 3

Gás de alto forno É obtido ou produzido no interior dos altos-fornos siderúrgicos por meio de reações entre: oxigênio, coque, minério de ferro, calcário etc. O gás é coletado no topo do alto-forno, lavado e armazenado no gasômetro. É queimado na própria usina, no aquecimento dos regeneradores dos fornos, aquecimento das coquerias, caldeiras, etc. Devido ao acentuado teor de dióxido de carbono e nitrogênio, o seu poder calorífico oscila em torno de 800kcal/kg.


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Composição media aproximada.

Elemento % Dióxido de carbono 14 Monóxido de carbono 26 Hidrogênio 3 Nitrogênio 57 Gás de água É produzido pela passagem intermitente de vapor de água através do coque incandescente. O vapor de água se decompõe formando monóxido de carbono e hidrogênio. Poder calorífico de 2500 a 2700kcal/m3. Composição média aproximada.

Elemento % Hidrogênio 47,3 Monóxido de carbono 43,5 Nitrogênio 4,4 Dióxido de carbono 3,5

Metano 0,7 Oxigênio 0,6


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Exercícios 1. Uma substância que reage com o oxigênio, liberando calor é:

a) Comburente; b) Combustível; c) Craqueador; d) Armazenador; e) N.d.a.

2. Os elementos químicos que entram na composição da maioria dos combustíveis

são: Carbono (C); Hidrogênio (H); Oxigênio (O); Nitrogênio (N); Enxofre (S) e outros. Desses elementos os mais importantes como geradores de calor são: a) N e C; b) C e H; c) S e N; d) O e H; e) N, d.a.

3. Com referência ao óleo combustível (produto de fundo da torre de destilação a

vácuo) relacionar a coluna da esquerda com a da direita: (1) – Alto ponto de fluidez ( ) BPF (2) – Baixo teor de enxofre ( ) APF (3) – Baixo ponto de fluidez ( ) BTE

4. A mistura de propano e butano, obtida a partir da destilação do petróleo é:

a) GLP; b) Gás liquefeito de petróleo; c) Gás natural; d) As alternativas a e b; e) N.d.a.

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