Geometria Analítica

JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE COMBUSTÍVEIS Máquinas Térmicas MATERIAL PARA USO EM SALA DE AULA Obs Por se tratar de um material preparado para fins de transferência de conhecimento em sala de aula estas apresentações não contem todas e de forma exaustiva as devidas referências a publicações e autores de onde tem sido extraída as informações técnicas Sendo assim a divulgação de forma ampla deste material na internet como no caso de sites de divulgação de materiais acadêmicos ou não NÃO ESTÁ AUTORIZADA JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO jorgeguerreroufpebr httplattescnpqbr5940127221480832 httpsorcidorg0000000157676173 httpsresearchgatenetprofileJorgeHenriquez3 JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Os combustíveis são substâncias que em contato com um agente oxidante normalmente oxigênio sofre uma reação química que libera energia térmica Embora muitas substâncias possam apresentar esta característica apenas algumas delas podem ser consideradas na prática como combustíveis com importância comercial e industrial Requisitos ser abundante na natureza ou fácil de produzir artificialmente desprender suficiente quantidade de calor na queima apresentar custos relativamente baixos de extração produção e transporte JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Os combustíveis podem ser caracterizados pelas suas propriedades físicoquímicas e a classificação mais comum é de acordo com o estado da matéria Combustíveis Sólidos Combustíveis Líquidos Combustíveis Gasosos Ainda estes podem ser classificados como sendo Naturais ou Primários extraídos diretamente da natureza Lenha Carvão mineral Gás natural Outros Artificiais ou Secundários obtidos através de um processo de transformação Carvão vegetal Coque de petróleo GLP Etanol Outros Exemplo de um processo de transformação produção de etanol e Pellets JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE O carbono hidrogênio e enxofre são elementos que oxidam na presença de oxigênio e são responsáveis diretos da qualidade do combustível positiva ou negativa O enxofre embora seja um elemento combustível a sua presença é indesejada em função da sua contribuição para a formação de substâncias tóxicas e corrosivas Da mesma forma a presença de nitrogênio contribui para a formação de óxidos de nitrogênio que é um elemento poluente O oxigênio presente no combustível faz com que haja necessidade de menos ar do ambiente para a combustão embora a sua contribuição seja pequena neste aspecto Os principais elementos químicos presentes na composição da maioria dos combustíveis comerciais são carbono C hidrogênio H2 oxigênio O2 nitrogênio N2 e enxofre S JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Caracterização dos Combustíveis Sólidos Análise imediata e análise elementar Poder Calorífico inferior e superior Densidade Granulometria ou estado de divisão Temperatura de fusão das cinzas Etc Caracterização dos Combustíveis Líquidos Análise elementar Poder calorífico superior e inferior Densidade Viscosidade Ponto de fluidez Ponto de fulgor Caracterização dos Combustíveis Gasosos Análise elementar Poder calorífico inferior e superior Densidade relativa Velocidade de chama Número de aeração Índice de Wobbe Temperatura de Autoignição Limites de Flamabilidade JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Propriedades de um combustível O conhecimento da composição química e das propriedades de um combustível é importante não só no projeto como na operação de equipamentos que envolvem o processo de combustão JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Por outro lado as características do combustível repercutem diretamente no manuseio armazenamento e transporte do combustível além do dimensionamento de equipamentos auxiliares como bombas tubulações sistema de alimentação tubulações etc Oleoduto Gasoduto Transporte e estocagem de bagaço de cana Tratamento estocagem e alimentação de óleo combustível JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Obs Os métodos empregados na análise imediata são relativamente simples motivo pelo qual a análise imediata dos combustíveis sólidos é mais comumente empregada que a análise elementar cuja realização é sempre mais complexa A composição do combustível é essencial para avaliar teoricamente a combustão e determinar as condições mais adequadas para a queima do combustível Permite através da análise da combustão obter a composição química dos produtos da combustão Adicionalmente a análise dos produtos resultantes após a combustão também é essencial para poder fazer balanços térmicos e também identificar a quantidade e tipo de substancias liberadas para o meio ambiente Na análise da composição são utilizadas técnicas padronizadas e estas podem ser de dois tipos Análise elementar Análise imediata Composição dos combustíveis JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Análise elementar Define o conteúdo percentual em massa ou volume dos elementos que formam parte da composição química do combustível basicamente carbono hidrogênio enxofre oxigênio nitrogênio e também cinzas e umidade como complemento de informações É determinada experimentalmente e serve para análise do processo de combustão cálculo da quantidade de ar necessário para a combustão quantidade e tipo de gases produzidos e energia liberada no processo de combustão ou Poder Calorífico Analisador Elementar Vario EL Cube C H N S O Cl Princípio de funcionamento Combustão ou pirólise da amostra e conversão dos elementos em produtos gasosos Gases quantificados em detector de condutividade térmica TCD JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Análise imediata A análise imediata de uma amostra de combustível define o conteúdo percentual em massa de carbono fixo F voláteis V cinzas A e umidade W Estes parâmetros estão relacionados diretamente com a utilização do combustível e são importantes para o cálculo do projeto da fornalha e das quantidades necessárias de ar primário e secundário em função da percentagem de voláteis presentes no combustível Também o teor de voláteis tem um papel importante durante a ignição e as etapas iniciais da combustão de combustíveis sólidos JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Vale salientar que o conteúdo de água aqui medido representa a água que reside no combustível e que varia conforme a umidade relativa do ar condição de equilíbrio Assim a água que entra na composição química do combustível que faz parte das moléculas dos seus constituintes não está incluída nesta umidade e nem aquela adquirida pela exposição à chuva Esta última pode ser eliminada facilmente por ventilação natural ou pelo aquecimento em estufa a 50 oC O elevado teor de umidade tem uma grande influência no processo de combustão e afeta o Poder calorífico do combustível Umidade Representa a quantidade de água retida mecanicamente no combustível e é determinada na análise experimental pela perda em peso do combustível sólido quando aquecido em estufa a 110 oC A avaliação deve ser realizada com uma pequena quantidade de combustível 100 g finamente dividido JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Materiais voláteis É a parte do combustível que se separa na forma de gases quando o combustível é submetido a um teste padrão de aquecimento Ela se compõe de gases combustíveis como hidrogênio e de gases não combustíveis Oxigênio e Nitrogênio A quantidade de material volátil presente no combustível afeta A mecânica de acendimento O volume da fornalha O arranjo das superfícies de troca térmica Cinzas É determinada após a oxidação completa da amostra de combustível durante a análise experimental e engloba todos os constituintes minerais do combustível Estes constituintes compreendem compostos de Óxido de alumínio Al2O3 Óxido férrico Fe2O3 Óxido de silício SiO2 Óxido de Potássio K2O Óxido de Cálcio CaO Óxido de Magnésio MgO etc Carbono fixo Representa a fração do combustível entendido como sendo basicamente constituído por carbono e parte de enxofre se houver É determinado na análise por exclusão após a determinação das frações de voláteis umidade e cinzas ou seja a diferença entre a massa total da amostra e as frações desses outros parâmetros JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Procedimentos de uma análise imediata Esta análise é realizada através de um procedimento de aquecimento padrão controlado e seguindo uma sequência que simula o que acontece na prática com a combustão de um sólido Explicando de uma forma simplificada a análise é realizada separando e pesando uma pequena amostra de combustível sólido que será submetida ao seguinte procedimento a Aquecimento da amostra em mufla ou estufa perto dos 105 ºC para eliminação da umidade Após esse processo a amostra é pesada novamente para determinar a massa perdida neste caso a massa de umidade b Novo aquecimento da amostra sem a umidade numa temperatura bem mais elevada aprox 950ºC Nestas condições serão eliminados os gases presentes na amostra O2 N2 H2 Novo processo de pesagem para determinar a massa perdida que será relacionada a saída dos voláteis massa de voláteis c Com a amostra seca e sem voláteis iniciase um novo processo de aquecimento desta vez numa temperatura de aproximadamente 750ºC facilitando que o carbono da amostra seja oxidado sobrando no final do processo apenas as cinzas Estas são pesadas determinando a massa de cinzas d Finalmente computando as sucessivas medições de massas e realizando um balanço de massa final é determinada a massa de carbono massa de carbono massa inicial massa umidade voláteis cinzas JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Esta análise é realizada seguindo normas técnicas ASTM American Society for Testing and Materials Standard Test Method for Moisture in the Analysis Sample of Coal and Coke D317387 1996 3p ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas Carvão mineral Determinação do teor de matérias voláteis NBR8290 MB1892 1983 ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas Carvão mineral Determinação do carbono fixo NBR8299 MB1899 1983 ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas Carvão mineral Determinação do teor de cinzas NBR8289 MB1891 1983 ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas Carvão Vegetal Análise Imediata NBR 8112 MB1857 Outubro 1986 Análise Imediata feita automaticamente em TGA JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Tipos de base para os dados de composição A apresentação dos dados de composição elementar e imediata podem ser oferecidos em base seca base úmida e base combustível As duas primeiras são as bases mais usuais Base seca representa a composição do combustível em massa ou volume desconsiderando o teor de umidade presente no combustível Análise elementar C H O N S cinzas 100 Análise imediata carbono fixo cinzas voláteis 100 Base úmida representa a composição do combustível em massa ou volume incluindo o teor de umidade presente no combustível Análise elementar C H O N S cinzas umidade 100 Análise imediata carbono fixo cinzas voláteis umidade 100 Base combustível representa a composição considerando apenas os elementos orgânicos do combustível e sem considerar o teor de umidade Análise elementar C H O N S 100 Análise imediata carbono fixo voláteis 100 JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Fonte Biomassa para Energia Cortez et alOrganizadores Ed Unicamp 2008 JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE O poder calorífico representa a máxima quantidade de energia liberada por unidade de massa ou volume do combustível num processo de combustão O valor depende da sua composição Métodos de Determinação Formulas semiempíricas Aplicando a primeira lei da termodinâmica à reação química da combustão Experimentalmente Bomba calorimétrica Para combustíveis sólidos e líquidos o poder calorífico inferior pode ser calculado com uma boa aproximado pela seguinte relação baseada na análise elementar Formula de DI Mendeleev Valores de C H O S e W fração em massa na composição do combustível 25 10900 103000 33900 kJ kg W S O H C PCI Baseado na análise imediata Obs pouco usual Para o carvão mineral JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE A relação entre poder calorífico inferior e superior dependerá unicamente do calor latente associado à mudança de fase vaporlíquido que sofre a água presente nos produtos da combustão H representa a fração de hidrogênio presente no combustível L é o calor latente de condensação da água w é a fração de umidade do combustível Para condições de temperatura a 20ºC e pressão atmosférica JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Dispositivo experimental para determinação do poder calorífico 1 Um vaso de decomposição contendo o oxigênio e o combustível e onde a reação é realizada 2 um recipiente contendo uma quantidade bem definida de água e onde são imersos a bomba o termômetro e um dispositivo agitador 3 uma camisa isolante que evita a perda de energia para o meio ambiente A bomba calorimétrica é constituída basicamente de três partes Obs Este dispositivo permite determinar o PCS de combustíveis sólidos e líquidos JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE No vaso de decomposição existe um cadinho onde é colocada uma amostra do combustível em torno de 1 grama A bomba é hermeticamente fechada e pressurizada com oxigênio aproximadamente 30 bar de forma a garantir oxigênio suficiente para a queima completa do combustível O calor liberado na reação de combustão é transferido para a água contida no calorímetro e a elevação de temperatura desta registrado por um termômetro em contato com a água A função do agitador é homogeneizar a temperatura da água A energia térmica transferida à água é associada ao poder calorífico da amostra 𝑄 𝑚 𝑐𝑖 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 á𝑔𝑢𝑎 𝑃𝐶𝑆 𝑄𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Poder Calorífico Análise experimental com gases JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Densidade Nos combustíveis sólidos a densidade é importante para dimensionar sistemas de armazenamento silos área aberta etc sistema de transporte esteira pneumático sistemas de combustão tamanho da grelha velocidade em grelha móvel etc Densidade Aparente ρP representa a razão entre a massa da partícula e o seu volume externo Densidade Real ρR é também conhecida por densidade verdadeira ou esquelética Representa a razão entre a massa da partícula e o volume da fase sólida da partícula sem os poros Densidade Global ou de Leito ρGL Representa a densidade de um leito fixo constituído de um conjunto de partículas sob pressão ambiente Densidade média de alguns combustíveis sólidos Fonte Combustão de sólidos apostila do IPT A porosidade de partículas é um parâmetro importante que serve para determinar taxas de combustão e gaseificação a porosidade de leitos é utilizado nos cálculos das perdas de carga Número de Reynolds velocidade do escoamento etc JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Nos combustíveis líquidos é uma propriedade importante e fundamental no cálculo da vazão dimensionamento de tubulações perda de carga etc Pode ser encontrada tabelada como Densidade Relativa sendo definida com a densidade do combustível liquido em relação á densidade da água para as mesmas condições de pressão e temperatura Embora o termo densidade relativa seja o mais correto é ainda comum utilizar para petróleo e seus derivados a densidade expressa em API American Petroleum Institute definido como Nos combustíveis gasosos a densidade é uma informação importante do ponto de vista da segurança e no dimensionamento de tubulações cálculo de vazão fatores de correção etc Dada como uma densidade relativa e definida como a relação entre a densidade do gás e a densidade do ar nas mesmas condições de pressão e temperatura No caso de vazamentos ou drenagem Os gases com densidades superiores à do ar atmosférico apresentam a tendência de se acumularem temporariamente em partes baixas como subsolos e rebaixos no piso ou nas edificações infiltrandose ainda em aberturas como bocas de lobo valetas poços e galerias subterrâneas Já os gases mais leves que o ar ao serem liberados na atmosfera tendem a subir e se acumular temporariamente em partes elevadas e ou se infiltrarem em aberturas superiores nas edificações O acúmulo de gases combustíveis em ambientes confinados ou mal ventilados pode causar um acidente desde que ocorra uma condição de ignição JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE O teor e ponto de fusão das cinzas constituem fatores importantes na escolha do tipo de fornalha As cinzas de baixo ponto de fusão podem causar problemas na operação de uma fornalha Entopem a passagens de grelhas Obstruem a entrada de ar de combustão Depositamse nas paredes de tijolos refratários tubos das paredes de água tubos dos superaquecedores alterando as características de troca térmica Cabe destacar que nem sempre a deposição de cinzas nas grelhas de uma fornalha é indesejada Se a deposição não entupir a passagem do ar de combustão as cinzas depositadas servem como uma proteção térmica das grelhas Temperatura de fusão das cinzas Temperatura inicial de deformação Temperatura de amolecimento Temperatura de fluidez JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Viscosidade A viscosidade de um fluido é a medida da sua resistência ao escoamento Esta propriedade pode variar apreciavelmente com a temperatura diminuí com o aumento da temperatura porém varia pouco com a pressão A importância da viscosidade para o transporte e utilização do combustível é fundamental Conhecendo os valores de esta propriedade podemos determinar as faixas de temperatura onde se obtém uma bombeabilidade econômica e uma boa atomização do combustível líquido e consequentemente uma combustão eficiente É um dado importante também no dimensionamento de tubulações para seu transporte NBR 58471998 produtos de petróleo líquidos transparentes e opacos determinação da viscosidade cinemática e cálculo da viscosidade dinâmica NBR 104411998 produtos de petróleo líquidos transparentes e opacos determinação da viscosidade cinemática e cálculo da viscosidade dinâmica MB 326 atual NBR 14950 método de ensaio para a determinação da viscosidade de produtos de petróleo ASTM D2171 Test Method for Viscosity of Asphalts by Vacuum Capillary Viscometer ASTM D88 Test Method for Saybolt Viscosity JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Ponto de fluidez é definido como a maior temperatura em que um combustível líquido sendo resfriado deixa de fluir Este parâmetro estabelece condições de manuseio ou estocagem São definidos limites variados dependendo da região de uso clima condições ambientais Ponto de fulgor Definido como a menor temperatura durante um teste de aquecimento gradual na qual o combustível vaporiza numa quantidade suficiente para formar uma mistura arcombustível capaz de inflamar momentaneamente lampejo de chama na superfície do combustível Esta informação é importante para aspectos de segurança no manuseio do combustível líquido e também para detectar a contaminação do combustível por produtos mais leves httpsyoutubeXPEdk4M9sEg NBR 113491990 Produtos de petróleo determinação do ponto de fluidez ASTM D97 Test Method for Pour Point of Petroleum Products MB 48 atual NBR 14598 determinação do ponto de fulgor método pelo vaso fechado Pensky Martens ASTM D93 Test Method for Flash Point by PenskyMartens Closed Cup Tester ASTM D92 Test Method for Flash and Fire Points by Cleveland Open Cup Tester JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Velocidade de Chama É também chamada de velocidade de queima ou de ignição A velocidade de chama é a velocidade na qual a chama atravessa uma mistura argás frente de chama A frente de chama será uma fronteira entre a mistura arcombustível e os produtos da combustão e propagase em direção à mistura fresca Na combustão de uma mistura reagente estacionária pode ser observada uma região com espessura extremamente fina décimos de mm onde ocorre a preparação da mistura para a combustão e as reações de combustão propriamente JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Costuma ser dada em cms ou pelo índice de Weaver fator S que dá a relação da máxima velocidade de chama de um gás e a máxima velocidade de chama do hidrogênio A velocidade de chama varia com a quantidade de ar na mistura Para varias substâncias combustíveis a velocidade máxima ocorre próximo da condição estequiométrica A temperatura também afeta a velocidade de chama Fonte Introdução à combustão Stephen Turns 2013 JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE As velocidades de chama aumentam significativamente na queima com oxigênio puro A velocidade de chama de um gás queimando num equipamento influi no comportamento da chama que deve atender as necessidades para a qual foi projetado o equipamento sem descolamento ou retorno de chama assim velocidade de chama é uma característica muito importante para o projeto dos bocais dos queimadores Fonte Introduction to Physics and Chemistry of Combustion Michael Liberman Springer 2008 JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Estabilidade de Chama Enquanto as velocidades de saída das misturas argás ou oxigêniogás nos bocais tendem a expulsar a chama para fora do queimador a velocidade da chama se desloca no sentido contrário dirigindose ao bocal do queimador Enquanto houver equilíbrio entre estas velocidades a chama se manterá estável definindo assim a faixa de potências de cada queimador Descolamento da Chama Fenômeno que ocorre quando a velocidade da mistura ar combustível na saída do queimador atmosférico excede a velocidade de propagação da chama Nesta condição a combustão tem seu início distante do queimador e se a velocidade for ainda mais elevada pode ocorrer a extinção da chama fenômeno chamado de sopro O descolamento da chama resulta de quantidade excessiva de ar primário ou velocidade excessiva do gás Provoca o aparecimento nos produtos da combustão de gás combustível não queimado ou produtos de combustão incompleta Retorno da Chama Fenômeno que ocorre inversamente ao deslocamento da chama quando a velocidade de propagação da chama é muito superior à velocidade da mistura ar combustível na saída do queimador atmosférico resultando que a combustão penetra no interior do queimador JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Número de Wobbe O Número de Wobbe também chamado de Índice de Wobbe representa o calor fornecido pela queima de gases combustíveis através de um orifício submetido a pressões constantes a montante e a jusante desse orifício A pressão do gás a montante do orifício é aquela fornecida ao queimador e a pressão a jusante é a da câmara de combustão normalmente a pressão atmosférica ou valores próximos dela positivos ou negativos O índice de Wobbe representa uma relação entre o PCS de um gás e a sua densidade relativa W é o Índice de Wobbe JNm3 PCS é o Poder Calorífico Superior JNm3 d é a Densidade Relativa do Gás Gases Manufaturados oriundos do carvão ou de hidrocarbonetos líquidos 19 W 39 MJNm³ Gases Naturais ou Gases Manufaturados de mesma composição 39 W 59 MJNm³ Gases Liqüefeitos de Petróleo 75 W 92 MJNm³ JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Fonte Combustion M Lackner ÁB Palotás F Winter Ed WileyVCH 2013 JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Temperatura de AutoIgnição Na condição ambiente quase a totalidade das misturas de combustível gasoso com ar ou oxigênio não reagem espontaneamente observandose que a mistura se encontra em equilíbrio do tipo metaestável análogo a uma configuração mecânica A ignição é a excitação que desencadeia a combustão para uma mistura ar combustível A ignição de mistura ar combustível pode ser induzida por aquecimento dos reagentes até ocorrer a autoignição excitação através de uma fonte num ponto singular tal como faísca elétrica corpo incandescente ou uma chama externa piloto caracterizando a ignição forçada JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Limites de Flamabilidade A combustão autosustentada só é possível quando a porcentagem em volume de combustível e ar na mistura em condições de temperatura e pressão padrão está dentro de certos limites Limite inferior de flamabilidade mínima concentração de gás ou de vapor combustível em ar ou oxigênio necessária para que ocorra a propagação de chama Limite superior de flamabilidade máxima concentração de gás ou de vapor combustível em ar ou oxigênio para que ainda ocorra a propagação de chama A combustão não ocorrerá se a mistura arcombustível estiver muito pobre abaixo do limite inferior de flamabilidade ou muito rica acima do limite superior De um modo geral os limites de flamabilidade são determinados a 20 oC e 100 kPa JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Limites de flamabilidade de combustíveis misturados com ar na pressão atmosférica JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Os resíduos vegetais industriais representam uma importante fonte de energia que pode ser aproveitada no próprio local de produção Alguns combustíveis importantes A serragem que representa um produto secundário das indústrias de transformação de madeiras pode servir como insumo energético em fornalhas especialmente projetadas para este tipo de combustível A borra de café é um resíduo industrial do café solúvel Quando extraída do silo apresenta um teor de umidade de 79 e devera passar por um processo de secagem para a sua utilização como combustível em torno de 25 a 30 de umidade Recomendase utilizala a medida que atravessa o processo de secagem num sistema integrado onde é aproveitado o calor dos gases de escape da própria caldeira onde é queimada a borra O poder calorífico da borra seca é aproximadamente 236 MJkg e a sua análise elementar em massa é Composição elementar Carbono 485Hidrogênio 96 Oxigênio 358 Cinzas 41 Resíduos vegetais JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Pellets Biomassa e Energias Renováveis httpwwwbiomassabrcombiodefaultasp JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Biomassa A biomassa compreende os produtos resíduos ou detritos de origem biológica provenientes da agricultura incluindo substâncias de origem animal e vegetal da atividade florestal incluindo a indústria de processamento de madeira e resíduos orgânicos industriais e urbanos Oliveira2016 De uma forma mais direta podese dizer que a biomassa é todo recurso renovável oriundo de matéria orgânica de origem animal ou vegetal que pode ser utilizada na produção de energia ANEEL 2005 JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE O processo de produção de carvão vegetal é conhecido como carvoejamento e é tradicionalmente produzido em fomos de alvenaria normalmente em condições precárias nos próprios locais de desmatamento e posteriormente transportado em caminhões gaiola ou ensacado até o local de consumo Roberto Garcia em Combustíveis e Combustão Industrial Ed Interciência Os consumos de lenha por metro cúbico de carvão produzido são em média os seguintes 31 st para lenha de mata nativa 19 st para lenha de reflorestamento st significa estéreo e representa 1 m3 de lenha empilhada Carvão vegetal JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Pela sua utilização em indústrias siderúrgicas muitas empresas desse ramo têm investido no desenvolvimento de fornos metálicos contínuos e em tecnologias para se coletar os gases emanados durante o processo de carvoejamento Desta forma podemse aproveitar os compostos ali presentes e ao mesmo tempo se evitar a poluição atmosférica causada pela atividade JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE O bagaço de cana de açúcar é o resíduo sólido fibroso resultante da moagem da cana para a extração da garapa a qual posteriormente poderá ser fermentada para a produção de álcool etílico ou processada para a produção de açúcar A produção de bagaço de cana representa 25 da massa da cana bruta e a produção de cana em termos médios de Brasil é de 55 tonha A produção de álcool em uma destilaria autônoma é de 70 litros por tonelada de cana Bagaço de cana Composição elementar do bagaço de cana segundo vários autores massa Fonte Combustíveis e combustão industrial Roberto Garcia Ed Interciência JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE É um combustível fóssil de formação mais recente que o carvão Nele predomina a rocha de natureza argilosa ou calcária impregnada com substâncias orgânicas A cor do xisto varia de preta a parda É um combustível fóssil resultante da transformação de vegetais sob a ação prolongada do tempo É um combustível geologicamente mais novo sua composição é muito heterogênea e depende da jazida Xisto Turfa JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Coque chumbinho Agulha esponja JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE A portaria no 80 da ANP Agência Nacional de Petróleo do 30 de abril de 1999 estabeleceu uma mudança na especificação dos óleos combustíveis brasileiros através do Regulamento Técnico ANP No 399 Este regulamento estabelece a existência formal e os requisitos de apenas 4 tipos de óleos combustíveis sendo 2 de baixo teor de enxofre e 2 de alto teor A tabela a seguir mostra a nova especificação e os métodos utilizados na sua determinação Óleos combustíveis brasileiros JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE O óleo diesel é um combustível derivado do petróleo composto principalmente por hidrocarbonetos e em menor proporção por nitrogênio oxigênio e enxofre É uma mistura de várias correntes obtidas nas unidades de destilação podendo fazer parte do óleo diesel as seguintes frações Nafta pesada Querosene Diesel leve de vácuo dependendo de sua qualidade e ou da refinaria Óleo leve de reciclo proveniente de unidade de craqueamento catalítico fluido hidrotratado ou não Nafta pesada produzida em unidade de coqueamento retardado Diesel leve e médio produzidos em unidade de coqueamento retardado após serem hidrotratados Os aspectos ambientais tem incentivado a gradativa redução do teor de enxofre no óleo diesel produzido pela Petrobras e em uso no Brasil Obs S10 significa 10ppm de enxofre 10 mgkg ou 0001 Óleo Diesel JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Definese o biodiesel como um combustível renovável derivado de óleos vegetais como girassol mamona soja babaçu e demais oleaginosas ou de gorduras animais produzido através de um processo químico que remove a glicerina do óleo O biodiesel é uma evolução na tentativa de substituição do óleo diesel por biomassa iniciada pelo aproveitamento de óleos vegetais em natura É obtido através da reação de óleos vegetais com um intermediário ativo formado pela reação de um catalizador com um álcool processo que recebe o nome de transesterificação Os produtos da reação química são um éster o biodiesel e glicerol glicerina Os ésteres produzidos têm características físico químicas muito parecidas às do óleo diesel dai o nome de biodiesel para os ésteres o que possibilita o seu uso em motores de combustão interna ciclo diesel O biodiesel é misturado ao Diesel em proporções que foram aumentando ao longo dos anos normativas Biodiesel JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE O Metanol álcool metílico CH3OH e o Etanol álcool etílico C2H5OH são os dois tipos de álcoois mais conhecidos e utilizados As suas principais aplicações são como combustível líquido e reagente químico Destes dois o Etanol é o mais usado como combustível devido a que é menos tóxico que o Metanol O metanol é produzido a partir da hidrogenação catalítica do monóxido de carbono a temperatura e pressões elevadas entre 300 a 400 oC e 200 a 300 atm Também pode ser obtido a partir da destilação da madeira aquecimento de madeira em altas temperatura com ausência de oxigênio Por sua vez a produção de etanol podese dar a partir da fermentação dos açucares de produtos vegetais como é o caso do Brasil onde a sua favorável geografia permite o uso de massa orgânica para a produção deste combustível A cana de açúcar ocupa um papel de destaque na produção nacional de álcool etílico Álcool JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Gás Natural É uma mistura de vários hidrocarbonetos leves na qual predomina o gás metano acompanhado pelo etano e o propano e em pequenas quantidades pelo gás carbônico nitrogênio e outros É encontrado nas formações geológicas petrolíferas associado ou não com petróleo Quando encontrado junto com petróleo é produzido como decorrência da produção de petróleo e nesse caso pode ser enviado para gasodutos de transporte e distribuição no mercado consumidor Composição volumétrica do gás natural brasileiro e boliviano fonte Combustão combustíveis e câmaras de combustão Dmitri Vlassov Ed da UFPR JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE O Propano C3H8 e o Butano C4H10 são dois gases obtidos durante o refino do petróleo Estes gases são os principais componentes do Gás Liquefeito de Petróleo GLP usado para aplicações domesticas e industriais O Propano e Butano são gases mais pesados do que o ar razão pela qual em caso de vazamento ocorre um acumulo nas partes inferiores do local Composições típicas de GLP proveniente de várias fontes em em volume Fonte Combustíveis e combustão industrial Roberto Garcia Ed Interciência Gases do Refino do Petróleo JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Os gases de baixo poder calorífico são aqueles que têm o poder calorífico superior na faixa de 900 a 1700 kcalm3 Tal característica torna economicamente inviável o transporte para longas distâncias tendo que ser consumido em aplicações próximas do local de produção Estes gases são também chamados de gases pobres e normalmente apresentam elevados teores de nitrogênio próximos a 50 em volume e de monóxido de carbono de 20 a 30 em volume o que os tomam muito tóxicos Recomendase portanto que as instalações sejam feitas em locais arejados e que se evitem vazamentos do gás Gases de este tipo são o gás de alto forno e o gás produzido em gaseificadores Composição do Gás de alto forno Fonte Combustíveis e combustão industrial Roberto Garcia Ed Interciência Gases de baixo poder calorífico JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE é um derivado da decomposição anaeróbia de resíduos sólidos biodegradáveis Aproximadamente 50 do gás é metano o principal componente do gás natural O outro 50 do gás é principalmente dióxido de carbono com pequenas quantidades de nitrogênio e oxigênio assim como níveis mínimos de compostos orgânicos diferentes do metano O metano é um potente gás estufa que tem 21 vezes o potencial para produzir aquecimento global do dióxido de carbono Alguns cálculos indicam que aproximadamente 10 das emissões de carbono que se liberam na atmosfera provém dos aterros sanitários Para reduzir seu efeito o gás do aterro pode ser capturado e utilizado na produção de energia com isto se reduzem emissões para a atmosfera e se oferece uma fonte de energia não convencional que substitui o uso de combustíveis fósseis Gás de aterro sanitário JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Todos os aterros sanitários com resíduos sólidos municipais emitem este gás em quantidades que dependem de vários fatores como a composição dos resíduos e o tamanho do aterro sanitário Geralmente a geração de gás começa depois da disposição do lixo e continua por 20 ou 30 anos depois do fechamento do aterro sanitário O gás pode ser utilizado como combustível para motores turbinas ou outros dispositivos para produzir eletricidade Composição dos gases do aterro sanitário de Mountain View Califórnia EUA Fonte Adaptado de Castilhos Jr2003 JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE X JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Hidrogênio O hidrogênio como combustível apresenta as melhores condições do ponto de vista ambiental considerando apenas o processo de combustão Não libera gases de efeito estufa Embora seja muito abundante na natureza normalmente aparece recombinado com outras substância orgânicas e inorgânicas água hidrocarbonetos etc Normalmente é produzido por processos de transformação De acordo com a tecnologia de produção recebe uma denominação de cor As variedades mais conhecidas são Hidrogênio cinza verde e azul JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Tecnologias para produção de H2 Eletrólise Alcalina AEL Eletrólise de membrana ou eletrólise ácida membrana de troca de prótons PEMEL Eletrólise de alta temperatura eletrólise de óxido sólido HES ou SOEL JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Hidrogênio branco Tratase do hidrogênio geológico ou natural É raro de se encontrar e sua exploração é economicamente cara Hidrogênio preto Produzido a partir do carvão mineral antracito O carbono presente no carvão é liberado para a atmosfera na forma de CO2 poluindo o ambiente Hidrogênio marrom Produzido a partir do carvão mineral betuminoso menor teor de carbono do que o antracito Hidrogênio cinza Produzido pela reforma a vapor do gás natural reação de metano com vapor de água em altas temperatura e pressão No processo gera CO2 sendo um processo poluidor Hidrogênio azul Produzido também pela reforma a vapor do Gás Natural A diferença está na destinação que se dá ao CO2 produzido Neste caso existe a captura de carbono para uso ou armazenamento JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Hidrogênio turquesa Produzido por pirólise utilizando fontes de energias renováveis Hidrogênio musgo Produção a partir de biomassa ou biocombustíveis utilizando tecnologias de gaseificação ou reforma catalítica Embora haja produção de CO2 o processo é neutro em carbono Hidrogênio verde Usa a eletrolise da água para a produção do hidrogênio A energia elétrica deve vir de fontes renováveis Hidrogênio rosa produzido por eletrólise da água com fonte de energia nuclear Hidrogênio amarelo Aquele obtido exclusivamente com energia solar ou seja é uma variação do hidrogênio verde JORGE R HENRÍQUEZ GUERRERO DPTO ENGENHARIA MECÂNICA UFPE Bibliografia 1 Combustíveis e combustão industrial Roberto Garcia Ed Interciência 2002 2 Fontes Renováveis de Energia no Brasil Mauricio T Tolmasquim Ed Interciência 2003 3 Geração Termelétrica Planejamento Projeto e Operação Electo E S Lora e Marcos Rosa do Nascimento Ed Interciência 2004 4 Combustion and Fuels ASHRAE Fundamentals Handbook 1997 5 Apostila curso de combustão industrial do IPT 6 Combustão combustíveis e câmaras de combustão Dmitri Vlassov Ed da UFPR 2001 7 Introdução à combustão Stephen Turns Edit AMGH 2013 8 httpwwwanpgovbrpetrorefinoesquemaproducaoasp Site da Agencia Nacional do Petróleo