Combustão Processos Químicos e Impactos Ambientais PQI3211

PQI3211 PROCESSOS QUÍMICOS Tópicos em Combustão Prof Moisés Teles moisestelesuspbr Departamento de Engenharia Química Escola Politécnica da USP Motivação combustão Combustão de líquidos gasolina diesel álcool óleo BPF etc Combustão de Sólidos carvão madeira resíduos agrícolas etc Combustão de Gases gás natural butano propano etc COMBUSTÍVEL OXIGÊNIO PRODUTOS DA COMBUSTÃO CALOR Motivação combustão Questões Ambientais Gases de efeito estufa aquecimento global Combustíveis fósseis Problemas ambientais associados a emissões NOx SOx CO CO2 particulados hidrocarbonetos não queimados formaldeído PAHs Questões de Sáude Incineração de Resíduos tóxicospatogênicos resíduos hospitalares industriais etc Formação de dioxinas Questões de Segurança Incêndios explosões industriais controle e segurança para prevenção de detonações explosivas Impactos na qualidade do ar saúde humana e mudanças climáticas Motivação combustão Questões Econômicas Obtenção de calor e eletricidade industrial Gases Impactos ambientais associados ao processo de combustão Emissão Fonte Efeito CO2 Combustão completa de combustíveis Aquecimento global CO Combustão incompleta de combustíveis SMOG SO2 Combustão do enxofre presente em combustíveis SMOG chuva ácida NOx Subproduto de vários processos de combustão chuva ácida VOCs Vazamento e evaporação de combustíveis líquidos SMOG CH4 Vazamento de tanques de gaz tubulações em sistemas de transporte Aquecimento global H2O Combustão do hidrogênio presente em combustíveis Névoa localizada Particulados Carbono e hidrocarbonetos não queimadosparcialmente queimados Cinzas e sujeiras em combustíveis SMOG Elementostraço Impurezas no combustível Cancerígenos Compostos halogenados Compostos no combustívelgases contendo cloro fluor bromo ou iodo Cancerígenos Fonte Environmental impacts of combustion Government of Canada httpwwwnrcangccaenergypublicationsefficiencyindustrialcipec6695 Motivação combustão Emissão de gases do efeito estufa Um dos maiores problemas ambientais do século está relacionado ao processo de combustão Motivação combustão Fonte httpswwwieaorgreportsgreenhousegasemissionsfromenergyoverviewdriversofco2emissions Fonte United States Environmental Protection Agency Emissão de gases do efeito estufa 2013 Usinas termelétricas Gases Motivação combustão Princípios básicos Processo de Combustão Forno fornalha reator de combustão Combustível Ar C H O S 21 mol O2 79 mol N2 Gases CO2 CO O2 N2 SO2 H2O Calor Resíduos cinzas Em base seca quando não se considera a água Análise de Orsat Ar seco composição molar média N27803 O22099 Ar094 CO2003 H2 He Ne KR Xe001 Simplificação 79 N2 21 O2 376 mol N2mol O2 333 mol CO2 333 mol N2 333 H2O 50 mol CO2 50 mol N2 Reflita como transformar dados em base úmida para base seca Utilidade medições de composição base seca vazões base úmida Princípios básicos Base seca Vs base úmida Massa molar média 29 gmol Reações químicas Combustão completa C O2 CO2 C3H8 5 O2 3 CO2 4 H2O CS2 3 O2 CO2 2 SO2 Combustão parcial ou incompleta C 05 O2 CO C3H8 72 O2 3 CO 4 H2O Altas temperaturas 1800 C N2 do ar pode reagir para formar NO Fonte de O2 ar Fonte de C grande discussão ambiental E o uso de O2 puro Ar teórico e Ar em Excesso Oxigênio teórico Quantidade estequiométrica necessária para combustão completa todo C a CO2 e todo H a H2O Ar teórico quantidade de ar que contém o oxigênio teórico Ar em excesso quantidade em que o ar alimentado ao reator excede o ar teórico moles de ar teórico Ar em Excesso moles de ar fornecido moles de ar teórico X 100 Por que utilizar ar oxigênio em excesso Ar teórico e Ar em Excesso 2 2 2 2 2 4 4 2 4 wSO y H O xCO w O z y x C H O S w z y x Oxigênio teórico ou estequiométrico Combustão completa Para a combustão completa de 1 mol de metano Quantos moles de oxigênio são necessários Qual a massa de ar necessária ar 1 mol de O2 376 mol de N2 Razão de equivalência relação combustível ar real relação combustível ar estequiométrico Verifique o balanço atômico CH4 2 O2 CO2 2 H20 CH0 247629 27608 g CALDEIRA Tipos de combustíveis 1 Líquido 2 Sólido 3 Gasoso Combustível Ar Água de Alimentação Cinzas Gases Vapor de Alta Pressão Equipamentos com a finalidade de transformar água em vapor onde a energia necessária para a operação é dada pela queima de um combustível httpswwwyoutubecomwatchvTea6e7AmZFs Esquema de uma caldeira tubulões de vapor httpswwwyoutubecomwatchvnLJ5tT1E1k httpswwwyoutubecomwatchvRzlCTWattb8 CALDEIRA COMBUSTÍVEIS Tipos de combustíveis Líquido óleo BPF licor negro Sólido biomassa carvão mineral carvão vegetal xisto coque Gasoso gás natural gás liquefeito de petróleo propano e butano Estudo de caso Pellets densificação mecânica de biomassa 650 700 kgm3 Facilidade de transporte e uniformidade nas propriedades Torrefação tratamento térmico 200300 C em pressão atmosférica e gases inertes Remoção total de água e decomposição da hemicelulose Perdas 70 massa e 10 conteúdo calorífico Maior densidade energética e facilidade de armazenamento biomassa pellets Pellets torrefeitos Kohl T Teles M et al Exergoeconomic assessment of CHP integrated biomass upgrading Applied Energy 156 2015 CALDEIRA COMBUSTÍVEIS Propriedades principais Composição química elementar porcentagem de elementos químicos carbono C hidrogênio H oxigênio O nitrogênio N fósforo P e enxofre S constituintes de uma certa substância Umidade quantidade de água contida no combustível Exemplos Composição análise elementar Revisão análise elementar umidade carbono hidrogênio nitrogênio oxigênio e enxofre análise imediata cinzas materiais voláteis e carbono fixo Vassilev et al 2010 Fuel 89 2010 913933 Se um combustível contém uma mistura de substâncias combustíveis seu poder calorífico HV superior ou inferior é dado por Existem várias correlações do PCI ou PCS em função da composição elementar do material Pesquise correlações desse tipo para o bagaço de cana de açúcar e para a palha de arroz CALDEIRA COMBUSTÍVEIS Propriedades principais Poder calorífico superior PCS quantidade de calor energia quando um material entra em combustão e os gases da descarga resfriados de modo que o vapor de água neles seja condensado Poder calorífico inferior PCI É a quantidade de calor energia liberada quando um material entra em combustão e os gases de descarga são resfriados até o ponto de ebulição da água evitando que a água contida na combustão seja condensada A diferença entre PCI e PCS a entalpia de vaporização da água formada na reação e da água previamente existente no combustível Entalpia de vaporização da água 2440 kJkg Característica 1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 6B 7A 7B 9A Viscosidade cSt60C 430 378 683 605 1657 1944 Viscosidade SSF 50C 7630 136799 3066715 Densidade D204C 09994 09895 10181 10120 10329 10438 10167 10238 10440 10580 Água e Sedimentos 014 009 009 01 007 008 01 009 Enxofre massa 129 079 119 088 108 096 1 127 093 109 Ponto de Fulgor C 106 101 105 106 114 101 130 144 157 168 Ponto de Fluidez C 5 3 PCS kcalkg 9981 10340 9988 10150 9983 10360 9998 10350 9992 10010 10042 PCI kcalkg 9487 9620 9502 9660 9505 9640 9545 9840 9544 9620 9525 Cinzas massa 005 003 006 005 006 001 005 001 006 005 005 Asfaltenos massa 73 47 81 65 94 76 98 160 122 94 151 Carbono massa 871 870 863 872 873 870 864 874 861 871 872 Hidrogênio massa 95 120 94 112 95 105 96 104 100 111 102 Nitrogênio p 05 05 05 06 06 04 06 03 08 07 11 Alumínio mgkg 21 7 30 29 32 9 23 8 20 22 10 Vanádio mgkg 39 33 42 42 51 80 59 67 88 101 Níquel mgkg 26 35 34 33 40 39 33 37 53 42 56 Sódio mgkg 22 18 24 17 21 17 25 6 25 21 72 Obs Os valores constantes na tabela acima podem sofres variações significativas de uma unidade produtora para outra e ao longo do ano Por isso devem ser tomados apenas como referência Exercícios Ex 1 Um processo de combustão é conduzido com 30 de excesso de oxigênio Qual o excesso de ar utilizado Resp 30 de ar em excesso 100 x ar em excesso 100 x excesso de O2 021 ar requerido O2 requerido 021 O excesso percentual de O2 é equivalente ao excesso percentual de ar Ex 2 Um gás contendo 80 mol de etano e 20 mol de O2 é queimado em um motor com 200 de excesso de ar 80 do etano se transformam em CO2 10 se transformam em CO e 10 não queimam Qual a quantidade mol de oxigênio a ser fornecida por 100 mol de gas Resp 780 mol No cálculo do oxigênio em excesso levase em conta a eventual presença de O2 no combustível e combustão completa do mesmo Reação C2H6 72 O2 2CO2 3 H2O 80 de etano 80 mols de etano 20 de oxigênio 20 mols de O2 Oxigênio teórico 3580 mols 280 mols de O2 Já existem 20 mols de O2 no gás Quantidade de O2 teórico corrigido 280 20 260 mols de O2 Excesso 2x260 520 mols de O2 Fornecido Teórico Excesso 260 520 780 mols de O2 Controle de combustão em caldeiras ar primário secundário terciário Ar teórico e Ar em Excesso FIM