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combustao incompleta
Tipologia: Notas de estudo
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3 o^ ANO, TURMA: A, C/D
Tete. Abril 2015
▲ Conhecer os tipos de combustão ▲ Conhecer a equação da combustão, como ela se realiza; ▲ Saber sobre a combustão dos diferentes combustíveis; ▲ Saber como se realize a combustão do carvão mineral.
A combustão é um processo exotérmico onde uma substância combustível reage com uma substância comburente. Para que a combustão ocorra é indispensável a presença tanto do combustível quanto do comburente, ou seja: Combustão →Combustível + Comburente O combustível é qualquer substância que é queimada enquanto o comburente é normalmente o oxigênio que se encontra no ar na proporção de 21%. Para que a combustão ocorra existe uma série de condições necessárias, uma delas é que os reagentes atinjam a energia de ativação necessária para a produção dos produtos da reação. A quantidade de oxigênio disponível determina se a combustão será completa ou incompleta.
Figura 1: Esquema da análise energética do processo de combustão
A análise energética de um sistema de combustão considera a energia liberada pela reação, a energia associada aos fluxos de combustível e ar e as perdas deenergia com os gases de exaustão, cinzas, combustão parcial, purgas e fluxo de calor pelas fronteiras do equipamento
Durante a reação de combustão são formados diversos produtos resultantes da combinação dos átomos dos reagentes.
Os principais elementos químicos que constituem um combustível são Carbono, Hidrogênio e em alguns casos, Enxôfre. Estes elementos reagem com oxigênio, e na sua forma pura apresentam a seguinte liberação de calor:
C + O 2 →^ CO^2 -393.500 kj / kmol H2+ O 2 →H2O -241.800 kj / kmol
S + O 2 →SO 2 -29.300 kj / kmol
2.1.Processo de combustão:
Neste processo a energia química armazenada no combustível é transformada em energia térmica contida nos gases da combustão (gases em altas temperaturas). Outras formas de energia em pequenas quantidades são também liberadas durante a combustão; ▲ Energia eletromagnética: luz ▲ Energia elétrica: íons e elétrons livres ▲ Energia mecânica: barulho
2.2.Produtos da Combustão
▲ Verifica-se ausência de CO nos produtos de combustão ▲ Verifica-se ausência de oxigênio ou ar nos produtos de combustão ▲ A porcentagem de CO2 contido nos produtos é a máxima possível conhecida como; CO estequiométrico; CO2 máximo ou máxima porcentagem teórica de CO2. ▲ Combustão estequiométrica é difícil de ocorrer na prática devido a misturas arcombustível imperfeitas e taxas de reação finita. ▲ Por ordem econômica, a maioria dos equipamentos opera com excesso de ar para garantir a combustão completa. Isto assegura que não há desperdício de combustível e que a combustão será completa.
3.3 Combustão Incompleta A combustão incompleta ocorre quando o elemento combustível não é completamente oxidado no processo de combustão. Quando isto ocorre verifica-se a presença de monóxido de carbono nos produtos da combustão. Combustão incompleta usa o combustível de forma ineficiente, pode ser perigoso por causa daprodução de monóxido de carbono e contribui para a poluição ambiental. As condições que favorecem combustão incompleta são; ▲ Insuficiente mistura ar-combustível (causando localmente zonas de misturas ricas e misturas pobres) ▲ Fornecimento insuficiente de ar à chama (fornecimento de menor quantidade de oxigênio do que requerido). ▲ Tempo insuficiente de permanência dos reactantes na chama (impedindo completar a reação de combustão) ▲ Chama entrando em contato com uma superfície fria (extinção da reação de combustão) ▲ (^) Temperatura de chama muito baixa (reação de combustão lenta) Veja a equação abaixo
CxHy + O2 →CO + C + y/2 H2O
O processo de combustão pode ser descrito do ponto de vista de conservação de massa por uma reação química simples. Como normas gerais devemos ter em conta que a massa total de produtos da reação devera ser igual a massa total dos reactantes (combustível + oxidante), quando analisemos o balanço energético desta reação química exotérmica, observaremos que os produtos são de composição química diferente aos reatantes e saem da reação química a uma temperatura bastante elevada.
Combustível + oxigênio produto + calor
E necessário ter em conta que cada lado da equação devera ter o mesmo numero de átomos.
Os coeficientes numéricos que precedem os símbolos químicos na reação química são chamados de coeficientes estequiométricos.
Como a reação química mostra o numero de moléculas de cada reatante e produto, é usado o “mol” que é proporcional ao numero de moléculas e isto pode proporcionar a composição molar e volumétrica da reação( de acordo a teoria de mistura de gases ideais).
O oxigênio que proporciona o processo de oxidação ,normalmente vem do ar úmido ambiente, portanto antes de fazer balanços molares é necessário definir a composição molar (mássica) e volumétrica do ar ambiente normal usado em cálculos de combustão.
a)Composição mássica media do ar ambiente:
Oxigênio (0 (^) 2)^ 23,3%
Nitrogênio (N 2) e outros gases.^ 76,7%
b)Composição volumétrica do ar ambiente:
Oxigênio (0 (^) 2) 21%
Nitrogênio e outros gases (N (^) 2) 79%
E importante notar que para encontrar os coeficientes estequiométricos, o principio de conservação de massa tem que ser aplicado a nível atômico, pois os reagentes são transformados em produtos que tem que ter todos os átomos presentes nos reatantes.
Ilustramos a seguir o cálculo dos coeficientes estequiométricos para a reação completa de metano com oxigênio.
(4.3)
Onde:
x, y, z: coeficientes estequiométricos a serem calculados com equações de balanço de átomos:
A reação química numa combustão pode ser expressa da seguinte forma
5.Reação de combustão A reação de oxigênio com o combustível ocorre de acordo com princípios físicos básicos; Conservação da massa : a massa de cada elemento nos produtos da combustão deve ser igual à massa dos elementos antes da reação. Lei da combinação de massas : componentes químicos são formados por combinação de elementos em relacionamento estável de massas. Conservação de energia : um balanço de energia permite conhecer a energia liberada pela reação. 5.1. Oxidante
O oxigênio para a reação de combustão é obtido normalmente do ar. O Ar é basicamente uma mistura de oxigênio, nitrogênio, pequenas quantidades de vapor de água, dióxido de carbono e
outros gases inertes (argônio, etc). Para efeitos práticos de analise de uma reação de combustão é adotado que o ar seco possui a seguinte composição Para efeito de cálculo considera-se que o nitrogênio é inerte durante a combustão embora se saiba que pequenas quantidades de oxido de nitrogênio podem ser formados.
N2 + O2 → 2NO
5.2.Limites de inflamabilidade (limite de explosividade) A combustão auto-sustentada 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 inflamabilidade: mínima concentração de gás ou de vapor combustível em ar ou oxigênio. ▲ (^) Limite superior de inflamabilidade: máxima concentração de gás ou de vapor combustível em ar ou oxigênio. ▲ A combustão não ocorrerá se a mistura ar-combustível estiver muito pobre, abaixo do limite inferior de inflamabilidade, ou muito rica, acima do limite superior. ▲ De um modo geral, os limites de inflamabilidade são determinados a 20 oC e 100 kPa.
Efeito da pressão e temperatura da mistura: ▲ (^) aumento da temperatura da mistura ar-combustível amplia os limites de inflamabilidade; o limite inferior decresce e o limite superior aumenta.
▲ Quando a temperatura é aumenta em níveis altos, é atingida a temperatura de auto-ignição, ocorrendo a combustão espontânea. ▲ (^) Em pressões inferiores a atmosférica a tendência geral é de contração da faixa
6.1.Mecanismos de Combustão de Sólidos Todos os combustíveis sólidos, em geral, ao entrarem em um região de combustão,passam pelas etapas de aquecimento, secagem, pirólise e combustão, sendo que a relevância de cada uma delas varia de acordo com o combustível sólido considerado. Uma partícula ao ser colocada em uma região de combustão inicialmente troca calor por convecção e radiação com os gases quentes e sofre aquecimento. Se esta partícula estiver dentro de uma câmara de combustão ela também troca calor por radiação com as paredes desta câmara. Quando a temperatura da superfície atinge a temperatura de saturação da água presente no sólido, inicia-se a etapa de secagem.Um sólido orgânico seco, ao sofrer aquecimento contínuo, começa a sofrer decomposição térmica, conhecida como pirólise, a partir de uma certa temperatura. A fração volátil do combustível sólido se decompõem em compostos gasosos de baixo peso molecular (CO2, H2O, CH4, H2, CO etc.) e vapores complexos de elevado peso molecular, denominados alcatrão. Os produtos de pirólise normalmente impedem a entrada de gases reagentes, como o oxigênio, no interior da partícula. Desta forma a combustão do resíduo carbonoso, resultante da pirólise da partícula, somente tem início após completada a etapa de pirólise. Os produtos de pirólise, por conterem produtoscombustíveis, queimam do lado externo da partícula, auxiliando no seu aquecimento. A partir do fim da pirólise, quando os fluxos de gases e vapores saindo da partícula se reduzem drasticamente, o oxigênio e outros gases reagentes podem entrar no interior do resíduo carbonoso e reagir com os componentes sólidos. O mecanismo predominante, nesta etapa, diferentemente das etapas de aquecimento, secagem e pirólise, é o de difusão dos gases reagentes presentes na atmosfera da câmara de combustão. Dependendo do teor e das propriedades da cinza do combustível sólido, pode-se imaginar dois modelos de combustão de resíduos carbonosos de sólidos: o de núcleo não reagido e o de núcleo exposto. No modelo de núcleo não reagido existe uma camada de cinza ao redor da partícula, através da qual os gases têm de se difundir antes de atingir a região carbonosa, representando uma resistência adicional à sua difusão. Carvões minerais com elevados teores de cinza normalmente seguem este modelo. No modelo de núcleo exposto quase não se observa a formação de uma camada de cinza sobre a partícula, como no caso de carvões onde o teor de cinzas é muito baixo. A reação do carbono
com oxigênio, em condições normalmente encontradas em queimadores de sólidos, é muito rápida, ocorrendo praticamente na superfície da partícula de carvão. O oxigênio praticamente não penetra no interior da partícula, sendo totalmente consumido na superfície e levando a uma diminuição da espessura da camada de carvão ao longo da combustão. No caso do modelo de núcleo não reagido a combustão do material carbonoso da partícula é acompanhada por um aumento de espessura da camada de cinza.
Fase de pré-aquecimento , quando o combustível não queimado é esquentado até o seu ponto de fulgor e depois para seu ponto de combustão. Gases inflamáveis começam a ser envolvidos em um processo similar à destilação seca.
Fase de destilação ou fase gasosa , quando a mistura dos gases inflamáveis com oxigênio sofre ignição, energia é produzida em forma de calor e luz. Fogo normalmente é visível nesta fase.
Fase de carvão ou fase sólida , quando a saída de gases inflamáveis é muito pouca para a presença persistente de chama, e o combustível carbonizado queima lentamente. Ele só fica incandescente e depois continua a arder sem chama.
A combustão de um combustível líquido em uma atmosfera oxidante acontece na verdade em forma gasosa. Isto quer dizer, quem queima é o vapor, não o líquido. Portanto, um líquido inflamável normalmente só irá pegar fogo acima de uma certa temperatura, que é seu ponto de fulgor. Abaixo dessa temperatura, o líquido não irá evaporar rápido o suficiente para sustentar o fogo caso a fonte de ignição seja removida.
O poder calorífico de um combustível é definido como a quantidade de calor liberada pela combustão completa do combustível, por unidade de massa (kcal/kg) ou de volume (kcal/m3) e nas condições normais de temperatura e pressão. Se esta quantidade de calor é obtida com os produtos de combustão na fase gasosa, obtém-se o poder calorífico inferior (PCI). Por outro lado, se a água nos produtos de combustão for considerada na fase líquida, ou
margem de segurança. A maioria dos processos industriais tem seus produtos de combustão exauridos a temperaturas onde a água está na forma de vapor, e por esta razão o conhecimento do Poder. Calorífico Inferior é útil e facilita os cálculos de aproveitamento de calor.
O carvão mineral é um combustível natural fóssil, resultante da transformação da matéria vegetal de grandes florestas soterradas há milhões de anos e sujeitas à ação da pressão, temperatura e bactérias. A pressão do solo, calor e movimento da crosta terrestre produziram a destilação dos produtos gasosos dos pântanos para formar lignitos. A contínua atividade subterrânea propiciou a redução progressiva do conteúdo gasoso dos carvões, resultando em carvões de diferentes classificações (rank): turfa, lignito, sub-betuminoso, betuminoso e antracito
9.1.Os Processos Industriais de Combustão de Carvão
Combustão Pulverizada: O carvão pulverizado tem se apresentado como uma alternativa vantajosa para o uso no campo da termeletricidade. A combustão de carvão pulverizado ou combustão do carvão em suspensão se processa com maior velocidade que a combustão em grelhas, sendo o carvão finamente pulverizado, com granulometria abaixo de 0,1 mm. As temperaturas alcançadas no processo são mais homogêneas, facilitando a construção de grandes caldeiras. Os queimadores de carvão pulverizado têm sido projetados evitando contatos da chama com as paredes da fornalha e sempre garantindo uma mistura rigorosa com o ar de combustão. O uso de carvão pulverizado exige, entretanto, alguns cuidados especiais com a estabilidade de chama e com a sua preparação, envolvendo o emprego de esteiras transportadoras, silos, moinhos e sistemas complementares de operação. Nos processos atuais de combustão pulverizada(CP), o carvão é queimado como partículas pulverizadas, aumentando substancialmentea eficiência da combustão e da conversão. A maioria das tecnologiasmodernas de CP atinge 99% de eficiência na combustão. A eficiênciade conversão da energia térmica em energia elétrica pode chegar a 43%, nocaso de plantas com ciclo a vapor supercrítico (temperatura entre 700°C e 720°C). Ganhos adicionais de eficiência
podem ser alcançados, mas atualmenteo encarecimento do sistema não os justifica. Esperam-se, porém, melhoramentos futuros, elevando a eficiência a 50%, sem aumento de custo.
Figura 2 :Queimador de carvão pulverizado
Combustão em Leito Fluidizado:^ Na^ combustão^ em^ leito^ fluidizado,^ as^ especificações granulométricas para a queima do carvão devem ser menores que 10 mm. As vantagens deste processo se resumem na eficiência verificada na queima do carvão e fácil controle da poluição ambiental. A combustão em leito fluidizado adapta-se muito bem para a queima de carvões com elevados teores de cinza. No entanto, alguns estudos complementares ainda são necessários para um melhor entendimento deste processo. A tecnologia de combustão em leitofluidizado permite a redução de enxofre (até 90%) e de NOx (70-80%),pelo emprego de partículas calcárias e de temperaturas inferiores ao processoconvencional de pulverização. Uma das vantagens em relação àcombustão pulverizada convencional é a redução de enxofre sem perdasde eficiência térmica. Outra vantagem dessa tecnologia é que ela pode queimar resíduos e carvões de baixa qualidade, com baixo índice de emissões, sendo, portanto, adequada também a sistemas de incineração.
Gaseificação Integrada a Ciclos Combinados: A tecnologia de gaseificaçãointegrada do carvão é recente e consiste na reação do carvão com vapor de alta temperatura e um oxidante (processo de gaseificação), dando origem a um gás combustível sintético de médio poder calorífico. Esse gás pode ser queimado em turbinas a gás, onde o calor residual dos gases de exaustão pode ser recuperado e aproveitado por meio de uma turbina a vapor (ciclo combinado). Isso possibilita a remoção de cerca de 95% do enxofre e a captura de 90% do nitrogênio. Em termos de perspectivas, estudos indicam que as várias tecnologias de uso racional do carvão apresentam diferentes estágios de desenvolvimento. Somente uma delas, a combustão pulverizada (CP), pode ser considerada tecnológica e comercialmente aprovada (AIE, 1999).
Feito o nosso trabalho de investigação sobre a combustão concluimos que: ✓ A combustão não ocorre com oxigenio puro ✓ Ar é comburente A combustão é a reação de oxiredução que move o planeta, pois é utilizada na manutenção da maior parte das atividades industriais, na produção de eletricidade e nos motores dos meios de transporte
1.FERNANDO COSTA. Fundamentos sobre Gases Combustíveis. 200_. Disponível em: <http:// www.krona.srv.br/display05.htm>. Acesso em: 16 Abril 2015
3.JOSÉ, Humberto Jorge. Combustão e Combustíveis. Florianópolis: [S.n.], 2004. (Apostila da disciplina de Química Tecnológica Geral, Diversos Cursos, Universidade Federal de Santa Catarina)
