Combustão Biomassa e Biocombustíveis - Aula sobre Processos e Reações

1 32 Aula 3 Combustão Biomassa e Biocombustíveis Prof Silvia Layara Floriani Andersen 2 32 Introdução É uma das tecnologias mais antigas da humanidade Maior parte da energia consumida no mundo vem da combustão Combustível Comburente Cinzas Gases residuais fumos CO2CO2 H 1 2 O2H 2O COMBUSTÃO Oxidação em alta temperatura normalmente 1000 oC 3 32 Introdução Diversas reações químicas que liberam energia na forma de calor e luz REAÇÕES OXIREDUÇÃO Elementos principais encontrados nos combustíveis C H N S O Principais produtos das reações de combustão gases de exaustão e cinzas combustíveis sólidos 4 32 Definições Reação química troca eou reordenamento de átomos de moléculas que colidem Átomos e moléculas são quantificados em termos de quantidade de substância no de moles 1 mol 6023x1023 partículas 5 32 Definições Fração molar xi razão entre número de moles do composto i e número de moles da mistura nin Massa molar massa de 1 mol da espécie mi Para mistura pode ser calculada como Equação de estado dos gases ideais 6 32 Combustível Materiais carbonáceos comumente disponíveis que podem facilmente ser queimados ao ar atmosférico com desprendimento de grande quantidade de calor controlável sem esforço Requisitos para ser considerado industrialmente Facilidade de uso Não formação de substâncias tóxicas ou corrosivas Obtenção fácil Baixo custo de produção Segurança no armazenamento e no transporte 7 32 Comburente Substância à custa da qual se dá a combustão Normalmente é o oxigênio Fonte de oxigênio ar atmosférico Nitrogênio 7803 vv Oxigênio 2099 vv Argônio 094 vv Dióxido de carbono 003 vv Hidrogênio 001 vv Neônio 000123 vv Hélio 00004 vv Criptônio 000005 vv Xenônio 0000006 vv Comburente oxigênio 2099 vv Gases inertes N2 e gases raros 7901 vv Composição química ar atmosférico Para fins de cálculo A fração N2 abrange os gases raros e o CO2 8 32 Gases residuais fumos Produtos da combustão CO2 e H2O combustão completa CO combustão incompleta COV SO2 e SO3 NO NO2 N2O NOx Material particulado Fumaça Gases residuais com vapor de água Neblinas partículas de líquidos em suspensão água ou hidrocarbonetos pesados condensados Poeiras partículas sólidas em suspensão cinzas ou combustível 9 32 Cinzas Resíduos sólidos da combustão Matéria mineral Resíduo INORGÂNICO Cuidados temperatura de fusão das cinzas 1200 oC baixo 10 32 Reações Químicas Reações básicas da combustão CO2 CO2 9403 kcalmol 1 2H2O22H2Olíquido 6832 kcalmol 2 2H2O22H2Ovapor 5780 kcalmol 3 1 ΔH25 oC 9403 kcalmol 2 ΔH25 oC 6832 kcalmol 3ΔH25 oC 5780 kcalmol 11 32 Reações Químicas Se tiver enxofre 4 S sólido O2SO2 gás 720 kcalmol 5 S sólido 15O2SO3 gás 1055 kcalmol SO2SOx 12 32 Reações Químicas Considerando ar atmosférico seco C O2376N2 CO2 376 N2 6 H2 12O2376N2 H2O 3762 N2 7 S O2376N2 SO2 376 N2 8 S 15 O2376N2 SO3 564 N2 9 volumétrica molar AR 21 O2 e 79 N2 7921 376 Para cada mol de O2 376 mol de N2 13 32 Definições de ar Ar de combustão ar que reage com o combustível Ar teórico quantidade de ar teoricamente exato estequiometria Ar em excesso ar que está em excesso ao teórico Ar primário ar misturado com o combustível antes de entrar na câmara de combustão Ar secundário ar necessário para a combustão depois de o O2 do ar primário ter sido consumido 14 32 Oxigênio e ar teórico O2 teórico O2 para combustão completa O2 do combustível Oxigênio para a combustão completa Ar teórico quantidade de ar que contenha a quantidade de oxigênio teórico V ar teórico V O2teórico 021 15 32 Ar em excesso Quantidade de ar real Quantidade de ar teórico quantidade de ar em excesso A necessidade de ar em excesso devese a 2 fatores Dificuldade de contato arcombustível mistura ineficiente As reações de combustão acontecem na fase gasosa reações de equilíbrio químico C O2 CO2 H2 ½ O2 H2O C ½ O2 CO Acima de 1500 oC ocorre a dissociação do CO2 e da H2O Reações exotérmicas aumento da temperatura desloca o equilíbrio para a esquerda reforma CO e H 2 SOLUÇÃO aumentar a quantidade de ar 16 32 Definições de ar Razão arcombustível AC Razão de equivalência ɸ ɸ 1 mistura pobre em combustível ɸ 1 mistura estequiométrica ɸ 1 mistura rica em combustível ϕ A C estequiométrico A C real A razão de equivalência é um fator importante para determinar o desempenho do sistema AC mar mcomb kgar kgcomb 17 32 Definições de ar Percentual de ar estequiométrico Percentual de excesso de ar Coeficiente de excesso de ar α ar estequiométrico100 ϕ excessodear1ϕ ϕ 100 α V ar real V ar estequiométrico 18 32 Coeficiente de excesso de ar Umidade 50 40 30 Fornalha ferradura 1618 1315 1213 Grelha basculante 1314 12513 115125 Umidade α Partículas leves melhor mistura arcombustível VALOR ÓTIMO de α αótimo Função do tipo e características do combustível e da fornalha VALORES EMPÍRICOS TESTES EXPERIMENTAIS 19 32 Coeficiente de excesso de ar 20 32 Coeficiente de excesso de ar α αótimo consumo excessivo de energia elétrica nos ventiladores devido ao volume excedente de ar e gases que são movimentados pelos ventiladores e RESFRIAMENTO da fornalha α αótimo combustão química e mecânica incompleta CO H2 CH4 MP 21 32 Coeficiente de excesso de ar Determinação de α Dados experimentais α fCO2 O2 CO H2 CH4 Concentrações volumétricas dos compostos nos gases de exaustão ANÁLISE DE GASES PERMITE AVALIAR Grau de perfeição do processo de combustão perda de calor por combustão incompleta Condições de combustão Caráter da combustão em diferentes zonas do forno dinâmica da combustão Infiltrações de ar nos dutos de gases 22 32 Exemplo Uma turbina a gás estacionária de pequeno porte e baixa emissão opera a plena carga 3950 kW em uma razão de equivalência de 0286 com uma vazão de ar de admissão de 159 kgs A composição equivalente do combustível um gás natural é C116H432 Determine a vazão de combustível e a razão arcombustível na operação da turbina Dados ɸ 0286 MMar2885 kgkmol ṁar 159 kgs MMcomb 11612014321008 18286 kgkmol ṁcomb ACreal SOLUÇÃO A Cestequiométrico mar mcomb esteq Reação estequiométrica C116 H 432aO2376 N2xCO2 y 2 H 2O376 aN2 C116 H 432224O2376 N2116CO2216 H2O84224 N2 A Cestequiométrico 2243237628 18286 1682 ϕ A Cesteq A Creal 02861682 A Creal A Creal 588 A razão ACmássica ACvazões A Creal mar mcomb 588159kgs mcomb ṁcomb 0270 kgs 23 32 Pontos temperatura Ponto de fulgor é a menor temperatura em que o produto se vaporiza e forma uma mistura com o ar capaz de inflamarse momentaneamente quando se aplica uma centelha Se a fonte externa de calor é retirada a combustão cessa CHAMA NÃO SE MANTÉM Biomassa calor Gás faísca 24 32 Pontos temperatura Ponto de combustão É a mínima temperatura em que os vapores do combustível aquecido entrem em combustão Quando a fonte externa de calor é retirada a combustão se mantém Biomassa calor Gás faísca CHAMA SE MANTÉM 25 32 Pontos temperatura Temperatura de ignição É a temperatura necessária para inflamar a mistura arcombustível sem fonte externa de calor Se a temperatura ultrapassa o ponto de ignição o combustível entra em combustão espontânea Biomassa calor Gás COMBUSTÃO ESPONTÂNEA 26 32 Combustão espontânea Normalmente os combustíveis necessitam de uma fonte externa de calor Reações de oxidação são exotérmicas liberam calor Certos materiais quando estocados podem chegar em pressões e temperatura sufuciente para iniciar e manter o processo de combustão COMBUSTÃO ESPONTÂNEA 27 32 Combustão espontânea Ex depósitos de carvão Pirita facilmente oxidável Reação exotérmica aumentando a T dos depósitos 400 oC outros compostos do carvão entram em combustão Solução resfriamento ou estoque em pequenas proporções 28 32 Chama É resultado da combustão de um GÁS A chama pode ou não vir acompanhada de luz ESTRUTURA DA CHAMA Zona interior Zona azul Zona redutora Zona oxidante 29 32 Estrutura da chama Zona interior argás sem reação Zona azul queima completa Zona redutora é a zona mais brilhante é onde se processa a decomposição do combustível C em liberdade forma luminosa 30 32 Estrutura da chama Zona oxidante é a zona externa da chama e que está em contato com o ar atmosférico Os produtos da zona redutora queimam com facilidade Exercícios 32 32 Referências Hilsdorf JW Barros ND Tassinari CA Costa I Química Tecnológica Cengage Learning São Paulo 2016 CORTEZ LAB LORA EES Gómez O Biomassa Para Energia Editora da Unicamp Campinas 2008 Turns SR Introdução à combustão Conceitos e aplicações AMGH Editora Ltda Porto Alegre 2013 José HJ Schultz EL Combustão e combustíveis Apostila de Química tecnológica geral UFSC Florianópolis 2002