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UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE
DOURADOS - UFGD
FACULDADE DE ENGENHARIA
Prof. Dr. Omar Seye
Curso Engenharia de
Energia
COMBUSTÃO E
COMBUSTÍVEIS
Disciplina:
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis para utilização em energia e aquecimento industrial
apresentam características importantes tais como baixo custo por
conteúdo energético, disponibilidade, facilidade de transporte e
armazenamento, possibilidade de utilização dentro de tecnologias
disponíveis, baixo custo operacional e de investimento, etc.
Durante muitos anos, os derivados de petróleo preencheram a
maioria destas características e se tornaram o tipo mais utilizado de
combustível industrial. Nas décadas recentes, outros tipos de
combustíveis tem sido utilizados e pesquisados, principalmente
aqueles que produzem menor impacto ambiental que os
combustíveis fósseis.
Definição
Toda substância capaz de reagir com o oxigênio e
liberar energia térmica é identificada como combustível.
Capitulo 2: Combustíveis
Origem
Combustível Básico Derivado
FÓSSEIS
Petróleo
GLP. Gasolina Óleo Diesel, Óleo Combustível, Óleos Residuais
Gás Natural
Gases manufaturados
Xisto Betuminoso Carvões Minerais
VEGETAIS
Cana-de-açúcar Bagaço de cana, Álcool Etílico
Lenha Carvão Vegetal. Gases manufaturados, Metanol
Resíduos Vegetais Biogás
Do ponto de vista de origem, os combustíveis podem ser classificados como: fósseis (não renováveis) e vegetais (renováveis), representados pela tabela abaixo.
Classificação
Capitulo 2: Combustíveis
Classificação
Naturais Artificiais
Sólidos Carvão mineral (turfa, hulha,
linhito ...);
Madeira (lenha, serragem, pó
de pinho ....);
Xistos (betuminosos e piro
betuminosos;
Resíduos industriais (bagaço de cana, cascas de
cereais ...)
Sólidos Carvão vegetal;
Coque de petróleo
Líquidos Petróleo Líquidos Álcool (etanol)
Derivados de petróleo (gasolina,
óleos, diesel,...)
Óleo de xisto
Gasosos Gás natural (metano) Gasosos Gás de alto forno
Gás de gasogênio
Gás liquefeito de petróleo (GLP)
Quanto a utilização de combustíveis é conveniente classificá-los e estudá-los quanto
a sua forma física: sólidos, líquidos ou gases. Os combustíveis podem ser
naturais ou artificiais, sendo estes subdivididos em sólidos, líquidos e gasosos
Composição básica de um combustível: elementos químicos e
substâncias químicas
Elementos químicos
Podemos definir elementos
químicos como elementos
encontrados na natureza, em
seu estado primitivo. Para o
nosso curso seria
interessante salientar alguns,
bem como seus símbolos:
• Carbono (C)
• Hidrogênio (H)
• Nitrogênio (N)
• Enxofre (S)
Capitulo 2: Combustíveis
Substâncias químicas
Quando tivermos a união de dois ou mais
elementos químicos, iguais ou diferentes,
teremos como produto final uma substância
inorgânica ou orgânica como por exemplo:
• Dióxido de carbono ou gás carbônico (CO2)
• Monóxido de carbono (CO)
• Ácido sulfúrico (H2SO4)
• Ácido sulfuroso (H2SO3)
• Gás metano (CH4)
• Gás oxigênio (O2)
Capitulo 2: Combustíveis
Composição típica dos combustíveis
A maior parte dos combustíveis fósseis são hidrocarbonetos e as suas composições típicas são de carbono, hidrogênio, oxigênio e outros elementos.
C H O N, S etc.
Gás Natural ~75 ~25 - -
Petróleo 84~86 11~14 0~3 0~5
Carvão
Mineral
78~95 ~7 1~15 1~5
Lenha 49 6 43 ~1
Capitulo 2: Combustíveis
Análise de Combustíveis
Algumas propriedades devem ser conhecidas nos combustíveis:
Composição Elementar: A composição elementar é o conteúdo, por
porcentagem em massa, de carbono (C), Hidrogênio (H), Enxofre (S),
Oxigênio (O), Nitrogênio (N), Umidade (W) e Cinzas (A).
Utiliza-se as normas ASTM D 3176 e ASTM E 777, E 775 e E778 para
esta determinação.
É a característica técnica mais importante do combustível e constitui a base para análise dos processos de combustão, tais como cálculo dos volumes de ar, gases e entalpia, determinação do poder calorífico do combustível.
Composição imediata: É o conteúdo em porcentagem de massa de
carbono fixo (F), voláteis (V), umidade (W) e cinzas (A). Determina-se
utilizando as normas ASTM Standard Methods for Proximate Analysis of
Coal and Coke, ASTM D3172 a D3175, ASTM D 1102 e ASTM E870 a E
872.
A material volátil é a parte do combustível que se separa em forma gasosa
durante o aquecimento do mesmo. O teor de voláteis tem influência no
comprimento de chama, no acendimento e no volume necessário da
fornalha.
O carbono fixo é o resíduo combustível deixado após a liberação do
material volátil. Compõe-se principalmente de carbono, embora possa
conter outros elementos não liberados durante a volatilização.
Os cinzas englobam, todos os minerais incombustíveis e é composta
basicamente de óxidos, tais como a alumina, óxido de cálcio, óxido de
magnésio etc...
Capitulo 2: Combustíveis
Análise de Combustíveis
Capitulo 2: Combustíveis
Análise de Combustíveis
A umidade presente no combustível sólido é importante para determinação
de seu poder calorífico.
Os dados da composição elementar e imediata dos diferentes tipos de
combustíveis sólidos podem ser expressos na seguintes bases de
referencia:
(1) - Base de trabalho, ou seja, tal como se utiliza (com cinzas, umidade
etc...)
Ct + Ht + Ot + Nt + St + Wt = 100%
Vt + Ft + At + Wt = 100%
Capitulo 2: Combustíveis
Análise de Combustíveis
(2) - Base de analítica, ou seja, tal como o combustível é analisado,
sem umidade externa (Wext)
Ca + Ha + Oa + Na + Sa + Wa = 100%
Va + Fa + Aa + Wa = 100%
Umidade externa é aquela que a amostra perde no trajeto até o
laboratório, apenas exposta ao ar ambiente de menor umidade
(3) - Base seca, isto é, sem umidade:
Cs + Hs + Os + Ns + Ss = 100%
Vs + Fs + As = 100%
Após ter sido colocada em uma estufa
Capitulo 2: Combustíveis
Análise de Combustíveis
(3) - Base combustível, sem umidade e sem cinzas:
Cc + Hc + Oc + Nc + Sc = 100%
Vc + Fc = 100%
Considerando-se apenas os principais componentes a serem
oxidados.
Capitulo 2: Combustíveis
Análise de Combustíveis
Expressões para o cálculo da composição elementar ao se passar de
uma base a outra
Capitulo 2: Combustíveis
Análise de Combustíveis
Composição imediata da biomassa, em base seca
Composição elementar da biomassa, em base seca
Capitulo 2: Combustíveis
Análise de Combustíveis
Poder Calorífico É a quantidade de energia por unidade de massa que se desprende durante a
combustão completa do combustível. Define-se Poder Calorífico Superior, quando
a água proveniente da combustão é obtida na forma líquida e Poder Calorífico
Inferior quando a água proveniente da combustão é obtido na forma vapor.
Em instalações industriais, a temperatura dos gases de saída geralmente é maior
que a temperatura de condensação, portanto a entalpia de concentração da água
não é considerada. Mede-se o Poder Calorífico Superior pelo método ASTM D
2015-77
Capitulo 2: Combustíveis
Análise de Combustíveis
Carvão Mineral
O carvão mineral brasileiro é utilizado principalmente na produção de
energia termoelétrico e na industria cimenteira. Devido ao seu alto teor de
cinzas e enxofre, não é muito utilizado industrialmente, a não ser nas
localidades próximas a minas produtoras. As principais propriedades de
carvões brasileiros são apresentados a seguir;
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis sólidos
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis sólidos
Lenha
É um combustível amplamente utilizado no Brasil, tanto em aplicações
domésticas como em aplicações industriais para geração de vapor,
principalmente em pequenas unidades produtoras. É caracterizada por
baixo teor de cinzas, ausência total de enxofre e umidade variável, a qual
depende do tempo e método de armazenagem. A lenha quando cortada
possui por volta de 50% de umidade. Estocada ao ar livre, em toras
empilhadas, atinge a umidade de equilíbrio dentro de 3 a 6 meses, a
qual, depende da umidade relativa do ar é por volta de 15 a 25%. A
análise da lenha varia pouco com o tipo de árvore, e isto é uma regra
geral para todo material celulósico. Algumas propriedades são
apresentas nos quadros a seguir.
O poder calorífico inferior vai depender muito do teor de umidade. A
variação do PCS quanto ao tipo de madeira também não é muito grande.
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis sólidos
Composição média da lenha seca
Elemento C H O N Cinzas
% massa 50,2 6,1 43,4 0,2 0,2
Poder Calorífico Superior 4.400 kcal/kg
Variação do PCI em função do teor de umidade
% água 50 35 10
PCI (kcal/kg) 1990 2770 4070
Bagaço de Cana
O bagaço de cana-de-açúcar é o combustível das usinas de açúcar e
álcool e utilizado localmente, logo após a moagem da cana. As modernas usinas
não consomem todo o bagaço produzido e o excedente pode ser fornecido a
terceiros, “in natura” ou seco e enfardado. O bagaço é queimado diretamente
com 50% de umidade, como vem da colheita.
A composição elementar é muito semelhante a lenha e suas propriedades podem
ser tomadas como similares, exceto é claro, quando a sua forma física.
A quantidade de bagaço obtida nas usinas é de aproximadamente 24 –
30% do peso inicial da cana, equivalente a 2,6 toneladas de bagaço (48% de
umidade, b.u.) por tonelada de açúcar.
Outra características importante do bagaço de cana é a composição
granulométrica que caracteriza a distribuição das partículas do bagaço em
frações determinadas por faixas de diferentes diâmetros médios. A composição
granulométrica é determinadas experimentalmente, utilizando-se um conjunto
padronizado de peneiras, e depende da variedade da cana, do esquema de
preparação e moagem da usina do grau de desgaste destes equipamento.
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis sólidos
Carvão Vegetal
Obtido através da carbonização da lenha.
Em média 2 m3 de lenha geram 1 m3 de carvão;
Poder calorífico aproximado de 7000 kcal/kg;
Usado principalmente para siderurgia e gasogênios
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis sólidos
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis sólidos
Combustíveis oriundos da madeira
Cavaco
Pellet
Serragem
Os combustíveis líquidos, normalmente empregados na geração de vapor,
são derivados do petróleo. Gasolina, nafta, querosene, óleo diesel e óleo
combustível são frações obtidas da destilação do petróleo. Apenas o óleo
combustível é usado em caldeiras. O óleo diesel, ainda que queimado em
algumas caldeiras, tem sua produção destina a motores de combustão
interna.
Os combustíveis líquidos são amplamente utilizados na industria pelas
facilidades de armazenamento, operação e transporte, e os derivados de
petróleo estão praticamente presentes na maioria das aplicações.
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis líquidos
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis líquidos: Propriedades
Ponto de fulgor: é a temperatura do combustível na qual, sob a ação
de uma chama escorvadora sobre a superfície líquida do mesmo,
provoca uma ignição e combustão transitória. Importante propriedade
para a segurança de armazenamento.
Ponto de ignição: temperatura do combustível na qual a chama
escorvadora provoca uma combustão continuada sobre a superfície do
mesmo.
Ponto de auto-ignição: temperatura mínima de uma mistura
ar/combustível na qual a combustão é iniciada e se mantém, sem a
presença de uma chama ecorvadora.
Ponto de fluidez: temperatura mínima necessária para que o
combustível se torne um fluido.
Viscosidade: importante propriedade que vai determinar as
temperaturas de armazenamento, bombeamento econômico e
pulverização (atomização) para combustão.
Poder Calorífico: é a quantidade de energia por unidade de massa que
se desprende durante a combustão completa do combustível. Define-se
poder Calorífico Superior, quando a água proveniente da combustão é
obtida na forma líquida e Poder calorífico Inferior quando a água
proveniente da combustão é obtida na forma de vapor.
Todas as propriedades tem normas e métodos para medição e algumas
podem variar em resultados conforme o método utilizado
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis líquidos: Propriedades
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis líquidos: Derivados de petróleo
Os derivados de petróleo são produtos
do processamento do óleo cru,
basicamente em dois tipos de
processos:
Destilação atmosférica, onde grupos
de frações são separadas por
diferença de ponto de ebulição (ou
pressão de vapor), numa coluna de
destilação;
Destilação à vácuo do resíduo, onde
é extraído no resíduo de fundo da
coluna atmosférica mais frações leves.
O resíduo de destilação à vácuo é
utilizado para produção de asfalto ou
complementação da produção de óleo
combustível;
Craqueamento térmico ou catalítico, onde é possível transformar frações pesadas do óleo
em frações mais leves, ajustando o perfil da produção com as necessidades de mercado
consumidor.
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis líquidos: Óleo combustível
Os óleos combustíveis são divididos em dois tipos: óleos combustíveis
leves e óleos combustíveis pesados. Os óleos combustíveis leves chama-
se óleo diesel e são empregados em motores de combustão por
compressão de médias e altas rotações, enquanto que os óleos
combustíveis pesados são os óleos APF (alto ponto de fluidez) e BPF
(baixo ponto de fluidez), utilizados em motores de grande porte e de baixa
rotação. A diferença que existe entre os óleos combustíveis pesados e
leves é sobretudo sua viscosidade.
O teor de enxofre é uma característica importantíssima para especificação
e utilização de óleos combustíveis. Como explicado, o enxofre ocasiona a
formação de SO2 e SO3, o qual em reação com a água dos produtos de
combustão deve ser formar ácido sulfúrico. A formação e concentração de
ácido sulfúrico depende do teor de SO2, e conseqüentemente do teor de
enxofre no óleo. E da pressão parcial do vapor de água nos gases de
combustão.
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis Gasosos
Os combustíveis gasosos tem aumentando sua aplicabilidade na
indústria nacional, respondendo a demanda por fontes de energia mais
limpas e eficientes. A limitação de seu crescimento está na
disponibilidade e distância dos centros consumidores pela sua maior
dificuldade de transportes.
Gás Liquefeito de Petróleo (GLP) é importante combustível, tanto de
aplicação industrial como domestica. Gás Natural (GN) tem sido
explorado recentemente, porem, deve ser transportado por gasodutos, o
que dificulta sua maior utilização, dada a necessidade de investimento
em infra-estrutura.
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis Gasosos: Propriedades
Algumas propriedades importantes necessitam ser conhecidas para os
combustíveis gasosos. A composição química pode ser facilmente
determinada através da análise laboratorial, em cromatográficos
químicos. O poder calorífica é normalmente dado em termos de
energia/volume, relativa a determinada condição de temperatura e
Pressão. Em alguns casos pode ser fornecido em termos de
energia/massa.
Densidade Relativa: È a densidade do gás relativa ao ar nas mesmas
condições de temperatura e de pressão.
Número de Wobbe: É uma relação entre poder calorífico e densidade
relativa dada pela equação:
A importância do número de Wobbe está ligada a intercambialidade de
gases para uma mesma aplicação ou queimador. Observe que a relação
de poder calorífico e a raiz quadrada da densidade relativa tem a ver com
a quantidade de energia (por volume ) que é possível passar por
determinado orifício com a queda de pressão correspondente. Em outras
palavras. No que se refere a potencia de um dado queimador, gases com
o mesmo número de wobbe vão apresentar o mesmo desempenho
energético.
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis Gasosos: Propriedades
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis Gasosos: Propriedades
Velocidade de Chama: É a velocidade de uma frente de chama de uma
mistura ar/combustível, efetuada sob determinadas condições. O
conhecimento de parâmetros da velocidade de chama é útil também para
a estabilidade dos gases, no sentido de se garantir a estabilidade de
combustão em queimadores. Dois fenômenos podem ocorrer em
queimadores de gás:
O deslocamento da chama, quando a velocidade da mistura não
queimada é maior que a velocidade de chama, e
O retorno de chama, quando a velocidade de chama é maior que a
velocidade da mistura ar/combustível.
Ambos podem trazer conseqüências desastrosas aos equipamentos e um
queimador de gás deve ser projetado para determinadas faixas de
velocidades de chama para se garantir a estabilidade.
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis Gasosos: Exemplos
Gás Liquefeito de Petróleo: A aplicação industrial de GLP tem sido feito
em processo em que a limpeza é fundamental tais como em fornos
alimentícios, metalurgia e cerâmica fina. O GLP é uma mistura de frações
leves de petróleo na faixa de 3 e 4 carbono na cadeia. Para efeitos práticos
de combustão pode ser considerado como uma mistura em parte iguais de
propano e butano.
Composição em Massa %
etano
propano
propeno
butano
buteno
1,0
30,6
20,7
32,9
14,7
PCS (kcal/Nm3) 22600
PCI (kcal/Nm3) 21050
Densidade (kg/Nm3) 2060
Massa molecular média 48,79
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis Gasosos: Exemplos
Gás Natural: A exploração de gás natural pode ser feita através da
produção do “gás associado” a um poço de petróleo, com frações de
gás leves que justifiquem seu aproveitamento, ou em bacias
produtoras de gás natural. Sempre há produção de gases associados
a exploração do petróleo. Quando a produção de gás é pequena ou o
centro consumidor está muito distante, o gás é queimado localmente
em chamas abertas na atmosfera (flare). Gás natural é basicamente
metano, com algumas parcelas de leves de etano e propano. Sua
composição pode variar de local a local.
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis Gasosos: Exemplos: Gás Natural
O gás natural consiste em uma serie de diferentes hidrocarbonetos
sendo o metano (CH4), o principal. Caracteriza-se por:
Sua formação é semelhante a do petróleo e é encontrado em poços
perfurados na terra ou no mar, pode ser associado ou não com o
petróleo;
Poder calorífico variável de 9400 a 12800 kcal/m3;
combustão limpa e isenta de material particulado;
baixa emissão de poluente;
melhor eficiência de queima
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis Gasosos: Exemplos: Gás Natural
A composição química do gás natural varia em torno dos
seguintes valores:
% em volume
Metano CH4 73
Etano C2H6 14
Propano C3H8 3
Butano C4H10 2
Nitrogênio N2 7
Dióxido de carbono CO2 1
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis Gasosos: Exemplos: Gás Natural
A presença de enxofre é pequena. Para o gás natural tratada para
remoção de hidrocarbonetos maiores, para uso comercial, o teor de
enxofre é normalmente inferior a 22 mg/Nm3 e, por exemplo, pode
apresentar a seguinte composição química:
% em volume
Metano CH4 90
Etano C2H6 6
Nitrogênio N2 3
Dióxido de carbono CO2 1
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis Gasosos: Exemplos: Gás Manufaturados
São gases fabricados a partir de diversos combustíveis como carvão mineral, nafta e lenha. A composição varia principalmente em relação ao processo de fabricação e síntese e em relação a matéria prima.
Capitulo 2: Combustíveis
Combustíveis Nucleares
As substâncias radioativas existentes, com o isótopo de urânio (U-235), são classificados como combustíveis nucleares. As substâncias radioativas, ao contrario dos combustíveis convencionais, liberam energia atômica por fissão ou por fusão nuclear. A fissão nuclear se processa em reatores, mediante bombardeiro controlado de nêutrons. Os perigos de radioatividade têm dificultado uma utilização mais ampla de reatores nucleares na geração de vapor e, portanto, na geração de energia elétrica.
Capitulo 2: Comburente
É o elemento que alimenta a combustão. No nosso caso o comburente
é oxigênio O2, que é um dos componente do ar.
% em volume
Oxigênio O2 21,00
Dióxido de carbono CO2 0,03
Nitrogênio N2 78,00
Vapor d´ água 0,04
Gases raros (hélio, neônio) 0,93
Componente Fração molar, %
Nitrogênio 78,08
Oxigênio 20,95
Argônio 0,93
Dióxido de carbono 0,03
Gases raros (hélio, neônio) 0,01