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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI
CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNÓLOGICA DE MINAS GERAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ENERGIA
Rodrigo Pereira Francisco
ESTUDO TERMOQUÍMICO DA QUEIMA DE
COMBUSTÍVEIS EM CALDEIRAS USANDO BALANÇOS DE
ENERGIA
SÃO JOÃO DEL REI - MG
RODRIGO PEREIRA FRANCISCO
ESTUDO TERMOQUÍMICO DA QUEIMA DE
COMBUSTÍVEIS EM CALDEIRAS USANDO BALANÇOS DE
ENERGIA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia da Energia, Em Associação Ampla entre o Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais e a Universidade Federal de São João Del Rei, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Engenharia da Energia. Orientador: Prof. Dr. Flávio Neves Teixeira
SÃO JOÃO DEL REI - MG
Dedicatória
À Deus, à Mariana, aos meus pais e irmãos.
Resumo
O processo de combustão é responsável por mais de 85% da energia utilizada pelo homem e está presente em quase todos os setores da sociedade em qualquer parte do mundo. No Brasil, estima-se que 80% da energia utilizada sejam oriundas da queima de derivados do petróleo, gás natural, carvão mineral, lenha, carvão vegetal e resíduos agroindustriais, ou seja, por processos de combustão. A desvantagem da utilização destes processos é a poluição do ar, tema que tem sido extensivamente pesquisado nas últimas décadas e caracteriza-se como um fator de grande importância na busca da preservação do meio ambiente e na implementação de um desenvolvimento sustentável, pois seus efeitos afetam de diversas formas a saúde humana, os ecossistemas e os materiais. O primeiro passo para aproveitar melhor esta forma de conversão de energia é conhecer como o processo de combustão acontece, quais as variáveis podem ser alteradas visando maior eficiência e redução na emissão de poluentes. Esta dissertação foi desenvolvida com este objetivo e para alcançá-lo desenvolveu-se um modelo para gerenciamento de combustão utilizando planilhas eletrônicas. Para construção do modelo utilizou-se uma equação de balanço estequiométrico e admitido alguns poluentes com sendo resultado do processo de combustão. Com isto foi possível balancear a equação utilizando o %O 2 e CH 4 como dados de entrada e determinar pelo balanço o restante dos produtos. Com os resultados obtidos pelo balanço estequiométrico foi possível calcular as perdas de energia da caldeira. Com todos estes resultados na planilha realizou-se alterações sucessivas em parâmetros de entrada e foram plotados alguns gráficos de resultados.
Palavras-chave: caldeira, combustão, estequiometria, poluentes
ABSTRACT
The combustion process is responsible for more than 85% of the energy used by humans and is present in almost all sectors of society anywhere in the world. In Brazil, it is estimated that 80% of energy use are derived from the burning of oil, natural gas, coal, firewood, charcoal and agro-industrial residues, ie, by combustion processes. The disadvantage of using these processes is air pollution, a topic that has been extensively researched in recent decades and is characterized as a major factor in the pursuit of environmental preservation and implementation of sustainable development as its effects affect various forms of human health, ecosystems and materials. The first step to take advantage of this form of energy conversion is known as the combustion process takes place, which variables can be changed for greater efficiency and reduced emissions. This thesis was developed with this goal and to achieve it was developed a model for combustion management using spreadsheets. For constructing the model used was a stoichiometric balance equation and being admitted to some pollutants that result from the combustion process. With this it was possible to balance the equation using the% O 2 and CH 4 as input data and determine the balance of the remaining products. With the results obtained by the stoichiometric balance was possible to calculate energy losses of the boiler. With all these results on the worksheet was held successive changes in input parameters and graphs were plotted some results.
Keywords: boiler, combustion, stoichiometry, pollutants
Figura 32 - Limites máximos de emissão de poluentes atmosféricos para queima de óleo
Lista de Abreviaturas e Siglas
BEN - Balanço Energético Nacional tep - tonelada equivalente de petróleo CEMIG - Companhia Energética de Minas Gerais GLP - Gás Liquefeito de Petróleo CFB - Leito Fluidizado Circulante BFB - Leito Fluidizado Borbulhante SO 2 - Dióxido de Enxofre NO - Monóxido de Nitrogênio CO - Monóxido de Carbono NOx - Óxidos de Nitrogênio CO 2 - Dióxido de Carbono NO 2 - Dióxido de Nitrogênio BPF - Baixo Ponto de Fluidez HU/UFMS - Hospital Universitário da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul N 2 O - Óxido Nitroso HCl - O 2 - Oxigênio CCT - Tecnologia do Carvão Limpo C - Carbono H - Hidrogênio N - Nitrogênio S - Enxofre
ppm - partes por milhão IBAMA - Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis MGA - Média Geométrica Anual MAA - Média Aritmética Anual EPA - Agência de Proteção Ambiental OMS - Organização Mundial da Saúde HPA - Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos BaP - Benzo(a) Pireno MMT - Média Móvel Trimestral MAT - Média Aritmética Trimestral SNCR - Redução Seletiva Não Catalítica SCR - Redução seletiva catalítica kgf - quilograma força cm – centímetro PAN - peroxiacetil nitrato Tad - Temperatura adiabática de chama mg - miligrama Nm^3 - normal metro cúbico Ф - razão de equivalência (A/F)stoic - razão ar combustível estequiométrica (A/F) - razão ar combustível real (F/A)stoic - razão combustível ar estequiométrica (F/A) - razão combustível ar real MWi - massa molecular do elemento i MWmix - massa molecular da mistura
xi - fração molar do elemento i Yi - fração mássica do elemento i Σ - somatório H - entalpia h - entalpia específica qd - energia disponível na câmara de combustão cp - calor específico Tref - Temperatura de referência
- Figura 23 - Combustor de leito fluidizado (Carvalho Júnior e Lacava, 2003)
- Figura 24 - Emissão de poluentes na combustão (Pinheiro e Valle, 1995)
- Figura 25 - Gráfico de ajuste k
- Figura 26 - Gráfico de ajuste k
- Figura 27 - Gráfico de ajuste de k
- Figura 28 - Gráfico do ajuste de k
- Figura 29 - Características Técnicas Nominais para caldeiras AAlborg
- Figura 30 - Volume de ar para combustão para diversos combustíveis
- Figura 31 - Fatores de Emissão por combustível
- combustível.............................................................................................................................
- cana-de-açucar Figura 33 - Limites máximos de emissão de poluentes atmosféricos para queima de bagaço de
- de madeira............................................................................................................................... Figura 34 - Limites máximos de emissão de poluentes atmosféricos para queima de derivados
- queima da lenha Figura 35 - Gráfico do % de excesso de ar em função do % de O 2 nos gases de exaustão para
- queima da lenha Figura 36 - Gráfico da Temperatura adiabática de chama em função percentual de O 2 para
- queima da lenha Figura 37 - Gráfico da concentração de CO em função da temperatura e percentual de O2 para
- Figura 38 - Gráfico da concentração de NOx em função da temperatura e percentual de O
- Figura 39 - Gráfico da emissão de CO em relação à temperatura adiabática de chama
- Figura 40 - Gráfico da emissão de CO em relação à temperatura adiabática de chama
- Figura 41 - Gráfico da concentração de SO 2 em função da temperatura e do combustível
- Figura 42 - Gráfico da emissão de poluentes em função do combustível e à 0,7 Tad
- Figura 43 - Gráfico da emissão de poluentes em função do combustível e à 0,8 Tad
- Figura 44 - Gráfico da emissão de poluentes em função do combustível e à 0,9 Tad
- Figura 45 - Gráfico da emissão de poluentes em função do combustível e à Tad
- Figura 46 - Gráfico das perdas de energia em função do % O2 nos gases
- Tabela 1 - Evolução da Oferta Interna de Energia por fonte (BEN-2010) [103 tep] Lista de Tabelas
- Tabela 2 - Evolução da Oferta Interna de Energia por Fonte (BEN – 2010) [%]
- Tabela 3 - Classificação dos combustíveis segundo a origem (Teixeira e Lora, 2004)
- Tabela 4 - Classificação dos combustíveis segundo o estado físico (Teixeira e Lora, 2004)
- Tabela 5 - Conversões da composição elementar de uma base para outra
- Tabela 6 - Poder calorífico de alguns gases (Teixeira e Lora, 2004)
- Tabela 7 - Valores Usuais do coeficiente de excesso de ar (Considine, 1977)
- Tabela 8 - Principais poluentes atmosféricos, origens e consequências (Mota, 1997)
- Tabela 9 - Principais fontes de poluição atmosférica (Monteiro Júnior - 2008)
- Tabela 10 - Concentração média de poluentes no ar limpo e contaminado (Lora e Teixeira,
- Tabela 11 - Padrões nacionais de qualidade do ar (Resolução CONAMA 003/90).................
- Tabela 12 - Padrões de qualidade do ar para o Estado de São Paulo (Derisio, 1992)
- Tabela 13 - Padrões de qualidade do ar adotados pela EPA (CETESB, 2010)
- Tabela 14 - Valores de referência adotados pela União Européia (CETESB, 2010)
- (CETESB, 2010)....................................................................................................................... Tabela 15 - Limites máximos da concentração de poluentes no ar recomendados pela OMS
- 28/06/90)................................................................................................................................... Tabela 16 - Critérios para episódios agudos de poluição do ar (Resolução CONAMA Nº 03 de
- (Lora, 2002) Tabela 17 - Eficiência dos sistemas de controle de MP em função do tamanho das partículas
- Tabela 18 - Princípios físicos dos sistemas de controle de particulados (USArmy, 2003c)
- Tabela 19 - Classificação dos métodos de controle das emissões de NOx (Lora, 2002)
- Tabela 20 - Cálculo da constante de equilíbrio 1 (k1)
- Tabela 21 - Cálculo da constante de equilíbrio 2 (k2)
- Tabela 22 - Cálculo da constante de equilíbrio 3 (k3)
- Tabela 23 - Cálculo da constante de equilírio 4 (k4)
- Tabela 24 - Composição elementar combustíveis
- Dedicatória
- Agradecimentos
- Resumo
- Palavras-chave: caldeira, combustão, estequiometria, poluentes
- ABSTRACT
- Lista de Tabelas
- Lista de Abreviaturas e Siglas
- Capítulo 1 - Considerações Iniciais
- 1.1 - Introdução
- 1.2 - Estrutura do Trabalho
- 1.3 - Revisão da Literatura
- 1.4 - Objetivo
- Capítulo 2 - Fundamentos da Combustão
- 2.1 - Primeira lei da termodinâmica.....................................................................................
- 2.2 - Misturas de gases ideais
- 2.3 - Combustíveis
- 2.3.1 - Composição química elementar.............................................................................
- 2.3.2 - Composição química imediata...............................................................................
- 2.3.3 - Tipos de base da composição elementar e imediata..............................................
- 2.4 - Entalpia absoluta e entalpia de formação
- 2.5 - Entalpia de combustão e poderes caloríficos...............................................................
- 2.6 - Combustão
- 2.7 - Estequiometria
- 2.8 - Temperatura Adiabática de Chama
- 2.9 - Equilíbrio Químico
- 2.10 - Critério de Equilíbrio Químico
- 2.11 - Produtos de Combustão
- Capítulo 3 - Caldeiras
- 3.1 - Caldeiras Flamotubular
- 3.2 - Caldeiras Aquotubulares
- 3.3 - Balanço térmico de caldeiras
- 3.4 - Tiragem........................................................................................................................
- Capítulo 4 - Poluentes atmosféricos e seu controle
- 4.1 - Poluente Primário
- 4.2 - Poluente Secundário
- 4.3 - Poluentes primários e secundários e seus efeitos
- 4.3.1 - Material particulado (MP)......................................................................................
- 4.3.2 - Dióxido de Enxofre (SO 2 )......................................................................................
- 4.3.3 - Trióxido de Enxofre (SO 3 ).....................................................................................
- 4.3.4 - Monóxido de carbono (CO)...................................................................................
- 4.3.5 - Dióxido de Carbono (CO 2 ).....................................................................................
- 4.3.6 - Compostos Orgânicos Voláteis (VOC’s)...............................................................
- 4.3.7 - Hidrocarbonetos (HC)............................................................................................
- 4.3.8 - Dióxido de Nitrogênio (NO 2 ).................................................................................
- 4.3.9 - Ozônio (O 3 )............................................................................................................
- 4.4 - Fontes de Poluição
- 4.5 - Padrões de Qualidade do Ar
- 4.6 - Tecnologias para controle da poluição
- 4.6.1 - Material particulado (MP)......................................................................................
- 4.6.2 - Dióxido de Enxofre (SO 2 )....................................................................................
- 4.6.3 - Óxidos de Nitrogênio (NOx).................................................................................
- 4.6.4 - Monóxido de Carbono (CO).................................................................................
- 4.6.5 - Carbonos Orgânicos Voláteis (VOC’s)................................................................
- Capítulo 5 - Metodologia
- 5.1 - Equações Utilizadas para o balanço estequiométrico
- Capítulo 6 - Resultados e discussão
- temperatura de chama 6.1 - Influência do percentual de oxigênio nos gases de exaustão no excesso de ar e
- de exaustão 6.2 - Variação da concentração de poluentes em função do percentual oxigênio nos gases
- 6.3 - Balanço térmico da caldeira em função do percentual de excesso de ar
- Capítulo 7 - Conclusões e Recomendações
- Referências Bibliográficas:
