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AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente à Ele, o nosso Deus em quem confiamos, por soprar o precioso ar que respiro.
Agradecemos ao Prof. Dr. Eng°. Lucrécio Biquiza, nosso supervisor e aos nossos colegas Saíde Indane e Estevão Macaringue, que no meio de tantos compromissos ajudaram-nos, dispondo-se a orientar tão sabiamente este trabalho.
Aos funcionários e docentes do Departamento de Engenharia Química, especialmente os pertencentes ao curso de Engenharia Química.
Aos nossos colegas e amigos, que tornaram o curso mais divertido, fazendo - nos companhia nos momentos tristes e felizes.
Aos nossos professores, pela paciência, dedicação e ensinamentos além da sala de aula. Em especial ao Prof. Dr. Eng°. António Cumbane.
Do fundo do nosso coração, o nosso muito OBRIGADO!
RESUMO
Considerando as actuais circunstâncias de dependência energética relativamente ao petróleo, com implicações claras para a sociedade a nível económico, energético e ambiental e acentuadas no sector dos transportes pela dificuldade em encontrar soluções evidentes, foi elaborado um estudo para avaliar os impactos da utilização de biocombustíveis em motores de combustão interna. A importância do presente trabalho é justificada pela tendência crescente da utilização de biodiesel no mundo. De facto, nas actuais circunstâncias, esta é uma solução efectiva, surgindo com a capacidade de substituir em parte àqueles que são os combustíveis mais utilizados pelos transportes rodoviários em Moçambique, o gasóleo e a gasolina. No presente estudo, de cariz essencialmente experimental, utilizou-se um banco de ensaios de motor-gerador com um sistema de medidores e analisadores de emissões diversas e um sistema de cargas eléctricas constituído por lâmpadas e fogões que visavam proporcionar variações de potência no motor-gerador. Com este equipamento foi feita a avaliação das emissões, mas também procedeu-se com a caracterização do combustível, medindo-se a densidade, a viscosidade e o poder calorífico. Tem-se como objectivo principal, neste projecto, a avaliação das emissões de um motor a diesel alimentado com mistura de querosene e óleo de jatropha. Nesta experiência foram analisadas as emissões de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO 2 ), hidrocarbonetos (HC), oxigénio (O 2 ) e óxidos de nitrogénio (NOx), razão de excesso de ar (λ) e razão ar combustível (A/C). O motor-gerador foi submetido a diferentes condições de carga respectivamente de 0W, 500W, 2000W, 3000W e 3500W.
SÍMBOLO SIGNIFICADO
PMI Ponto Morto Inferior PMS Ponto Morto Superior ppm Partes por milhão rc Relação do volume máximo e mínimo rpm Rotações por minuto SN Smoke Number t Tempo V Volt v Volume vol. Volume Vd Volume de deslocamento do pistão W Watt
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
- AGRADECIMENTOS..........................................................................................................
- RESUMO
- GLOSSÁRIO
- LISTA DE FIGURAS
- LISTA DE TABELAS
- ÍNDICE DE GRÁFICOS
- LISTA DE ANEXOS
- INTRODUÇÃO
- 1.1 Objectivos.............................................................................................................
- 1.1.1 Geral..............................................................................................................
- 1.1.2 Específicos
- 1.2 Âmbito do trabalho
- 1.3 Metodologia
- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
- 2.1 Combustíveis
- 2.1.1 Querosene
- 2.1.2 Biocombustíveis
- 2.2 Jatropha curcas L
- 2.2.1 Usos e Aplicações
- 2.2.2 Jatropha em Moçambique
- 2.3 Princípio de funcionamento de um motor-gerador
- 2.3.1 Motor diesel...................................................................................................
- 2.3.2 Grupos-geradores...........................................................................................
- 2.4 Combustão
- 2.4.1 Razão ar-combustível (A/C)
- 2.4.2 Razão equivalente ar-combustível (λ)
- 2.5 Propriedades físico-químicas dos combustíveis
- 2.5.1 Massa específica
- 2.5.2 Viscosidade cinemática
- 2.5.3 Teor de enxofre
- 2.5.4 Teor de Carbono, de Hidrogénio e de Nitrogénio
- 2.5.5 Poder calorífico
- 2.5.6 Número de cetano
- 2.5.7 Volatilidade
- 2.6 Emissões do processo de combustão e seus efeitos
- 2.6.1 Monóxido de carbono (CO)
- 2.6.2 Óxidos de nitrogénio (NOx)
- 2.6.3 Material particulado (MP)
- 3 PARTE EXPERIMENTAL
- 3.1 Ensaio no motor-gerador
- 3.1.1 Recipientes de combustíveis
- 3.1.2 Analisador dos gases de exaustão
- 3.1.3 Cargas (Lâmpadas e Fogões)
- 3.2 Medição das propriedades físico-químicas
- 3.2.1 Densímetro
- 3.2.2 Viscosímetro de Redwood
- 3.2.3 Calorímetro....................................................................................................
- 3.3 Métodos e procedimentos experimentais
- 3.3.1 Avaliação das emissões dos gases de combustão
- 3.3.2 Medição da intensidade de corrente
- 3.3.3 Medição das propriedades físico-químicas
- 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
- 4.1 Razão ar-combustível (A/C)
- 4.2 Emissões dos gases de exaustão
- 4.2.1 Teor de monóxido de carbono (CO)
- 4.2.2 Teor de óxidos de nitrogénio (NOx)
- 4.2.3 Teor de dióxido de carbono (CO 2 )..................................................................
- 4.2.4 Hidrocarbonetos (HC)
- 4.2.5 Teor de oxigénio (O)......................................................................................
- 5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES.....................................................................
- 5.1 Conclusões
- 5.2 Recomendações
- 6 BIBLIOGRAFIA
- ANEXOS
- Anexo 1. Dados colhidos dos ensaios no motor-gerador
- Anexo 2. Determinação das propriedades físico-químicas
- Anexo 3. Valores médios e resultados dos parâmetros
- Anexo 4. Valores médios globais dos parâmetros
- Anexo 5. Resultados do poder calorífico
- Figura 1 A planta jatropha na sua fase de frutificação (a) e a cápsula com sementes (b)…
- Figura 2. Diagrama p – v do motor ciclo termodinâmico motor diesel……………………..
- Figura 3. Os quatro tempos de um motor diesel…………………………………………….
- Figura 4. Conjunto motor-gerador e equipamentos auxiliares……………………………....
- Figura 5. Motor-gerador…………………………………………………………………….
- Figura 6. Analisador de gases Horiba MEXA-548L (a) e MEXA-720NOx (b)………….....
- Figura 7 Densímetro………………………………………………………………………..
- Figura 8. Viscosímetro de Redwood………………………………………………………..
- Figura 9. (a) Refrigerador, (b) Câmara de combustão, (c) Calorímetro…………………….
- de biocombustíveis…………………………………………………………………………... Tabela 1. Algumas fontes de biocombustíveis e processos de obtenção dos diferentes tipos
- Tabela 2. Óleo da Jatropha curcas e suas aplicações……………………………………….
- Tabela 3 Características técnicas do motor-gerador………………………………………..
- Tabela 4 Características técnicas dos analisadores de gases Horiba MEXA……………….
- Tabela 5. Características dos materiais fornecedores da potência ao motor………………...
- Gráfico 4.1. Variação da razão A/C com a potência aplicada……………………………… ÍNDICE DE GRÁFICOS
- Gráfico 4.2. Variação do teor de monóxido de carbono com a potência aplicada…………..
- Gráfico 4.3. Variação do teor de óxidos de nitrogénio com a potência aplicada……………
- Gráfico 4.4. Variação do teor de dióxido de carbono com a potência aplicada……………..
- Gráfico 4.5. Variação do teor de hidrocarbonetos com a potência aplicada…………….......
- Gráfico 4.6. Variação do teor de oxigénio com a potência aplicada………………………...
- Anexo 1. Dados colhidos dos ensaios no motor-gerador…………………………..…. LISTA DE ANEXOS
- Anexo 2. Determinação das propriedades físico-químicas……………………….……
- Anexo 3. Valores médios e resultados dos parâmetros…………………………..……
- Anexo 4. Valores médios globais dos parâmetros…………………………………..…
- Anexo 5. Resultados do poder calorífico………………………………………………
1.1 Objectivos
1.1.1 Geral O presente trabalho tem como objectivo geral fazer a avaliação das emissões do motor- gerador ciclo diesel alimentado com uma mistura de querosene e óleo de jatropha.
1.1.2 Específicos Avaliação das emissões do motor-gerador operando com uma mistura com 99% querosene e 1% óleo de jatropha; Avaliação do consumo específico de combustível do motor-gerador com o aumento da potência consumida; Caracterização das propriedades físico-químicas da mistura de querosene e óleo de jatropha.
1.2 Âmbito do trabalho
Este trabalho visa fazer a avaliação das emissões de um motor-gerador alimentado com uma mistura de querosene e óleo de jatropha. O mesmo destina-se a um trabalho de pesquisa da cadeira de Laboratórios de Engenharia Química II do 4° nível do curso de Engenharia Química, administrado pelo Departamento de Engenharia Química, Faculdade de Engenharia da Universidade Eduardo Mondlane.
1.3 Metodologia
Este trabalho foi desenvolvido seguindo uma sequência de passos, sendo o primeiro a pesquisa bibliográfica tendo em vista ao conhecimento e à familiarização dos procedimentos experimentais a levar a cabo. O segundo passo consistiu na realização dos experimentos, acompanhada, sempre que necessário, de uma pesquisa e revisão bibliográfica. No que tange às experiências, há que mencionar que estas consistiram na caracterização da mistura de óleo de jatropha e querosene, tendo-se medido para tal a densidade, a viscosidade cinemática e o poder calorífico. Fez-se ainda, a avaliação das emissões do motor-gerador, que consistiu na medição da quantidade de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO 2 ), hidrocarbonetos (HC) e oxigénio (O 2 ) entre outros parâmetros. Posteriormente à fase de execução dos experimentos fez-se o tratamento de dados, a sua discussão bem como a sua conclusão e recomendações para trabalhos futuros. Importa salientar que em Moçambique existe diferentes categorias de emissões para motores diesel veiculares, que se encontram estabelecidas no Regulamento Sobre Padrões de
Qualidade Ambiental e de Emissão de Efluentes. Contudo não existe nenhuma regulamentação ambiental para motores-geradores (estacionários) e, o mais agravante, que sejam alimentandos com uma mistura de óleo de jatropha e querosene.
de cadeia linear e parafinas de cadeia ramificada, bem como cicloparafinas em forma de anel (também conhecidos como naftenos). O querosene é menos volátil que a gasolina, o seu ponto de inflamação (a temperatura a que irá gerar um vapor inflamável perto a sua superfície) é de 38 °C (100 °F) ou superior, enquanto a gasolina é tão baixa -40°C (-32°F). Esta propriedade faz com que o querosene seja um combustível relativamente seguro para armazenar e manusear (Enciclopédia Britânica).
2.1.2 Biocombustíveis O termo biocombustível aplica-se a todos os elementos orgânicos capazes de gerar combustão. Neste sentido, abrange tanto os combustíveis sólidos por exemplo, lenha, líquidos, gasosos e gelatinosos. A tabela 1mostra algumas fontes de produção debiocombustíveis.
Tabela 1. Algumas fontes de biocombustíveis e processos de obtenção dos diferentes tipos de biocombustíveis. MATÉRIA-PRIMA PROCESSO BIOCOMBUSTÍVEL Cana-de-açúcar Fermentação/Destilação Etanol Resíduos de matéria orgânica Decomposição anaeróbica Biogás Arvores, arbustos, etc. Mecânico Lenha Arvores, arbustos, etc. Pirólise Carvão vegetal Resíduos de folhas e madeira Pirólise e reforma Hidrogénio Etanol Reforma Hidrogénio Óleos vegetais e gordura animal Transesterificação ou esterificação
Biodiesel
Óleos vegetais e gordura animal Craqueamento Bio-óleo e outros Fonte: Soares e Lima et al. 2004. De forma mais clara, os biocombustíveis são todos os combustíveis fabricados com matéria orgânica de origem animal (biomassa) ou vegetal. Existem dois tipos principais de biocombustíveis líquidos: etanol - produzido por carbohidratos (p. ex: açucares, cana-de- açúcar, trigo, milho e ultimamente, inclui-se nesta lista produtos florestais como ervas energéticas) e biodiesel, produzido por derivados de sementes oleosos (p. ex: Jatropha curcas , girassol, canola, soja e óleo de palma). Trata-se de um combustível alternativo que providencia igual potência que o diesel convencional (SITOE, 2008).
Os biocombustíveis podem ser misturados em quantidades relativamente pequenas com combustível de petróleo para uso nos motores de combustão, e nas máquinasimportantes na área dos transportes.
2.1.2.1 Importância do uso de biocombustíveis O biodiesel apesar de ter sito preferido face aos derivados de petróleo, apresenta características que o tornam num combustível com grande potencial, já que apresenta excelentes propriedadeslubrificantes e por isso pode ser utilizado nos motores a diesel com pequenas ou até mesmonenhumas modificações. Para além disso o biodiesel é um combustível não tóxico, biodegradável eessencialmente isento de enxofre, o que torna deste modo a queima limpa do combustível, comparada com a provocada pela queima do diesel proveniente do petróleo, reduzindo assim as emissões de SOx, CO, hidrocarbonetos não queimados e partículas sólidas (SANTOS, 2007). Sharmer et al. estimaram que no caso de se utilizar 1kg de biodiesel puro, em vez do dieselconvencional, podem reduzir-se cerca de 3,2 kg de CO 2 emitido. A mistura de 80% de dieselconvencional e 20% de biodiesel (conhecido por B20) pode ser utilizado sem que se proceda aalterações nos motores dos veículos, o mesmo não acontece quando se utiliza na forma pura, poisneste caso são necessários pequenos ajustes nos motores.
2.2 Jatropha curcas L
A Jatropha Curcas L pertence à família das Euphorbiaceae , a mesma famíliaque a da mandioca. É uma planta resistente à seca e com propriedades tóxicas. EmMoçambique é conhecida por gala-maluco ( grão-maluco ). Em diferentes partes domundo tem designação própria, como por exemplo, no Brasil onde é conhecida porpinhão-manso, pinhão-paraguaio, pinhão-de-purga, entre outros. (VEDANA, 2007).Segundo Martin e Mayeux (1984), crê-se que a jatropha seja originária da América doSul mais concretamente do estado de Ceará no Brasil. Foi introduzida por navegadoresportugueses, nos fins do século XVIII, nas ilhas de Cabo Verde e na Guiné, de ondemais tarde foi disseminada pelo continente Africano (VEDANA, 2007). A distribuição actual mostra que a introdução desta planta é mais favorável para as zonas áridas dos trópicos com pluviosidade anual de 300 - 1000mm. Ela ocorre principalmente em zonas de baixas altitudes que variam de 0 a 500 metros, em áreas com temperatura anual média acima de 20°C, mas a planta pode desenvolver-se em zonas de altas altitudes, sendo tolerante a pequenas baixas de temperatura. Ela cresce em solos irrigáveis e adapta-se facilmente a solos marginais com poucos nutrientes (SITOE, 2008).
No nosso País, a Jatropha nunca foi valorizada devido às suas propriedades tóxicas.Contudo ela tem inúmeras aplicações, como por exemplo a produção de biodiesel,como matéria-prima para a produção de sabão e como planta medicinal. É ainda usada como cerca para a protecção de machambas. O facto do paladar da jatropha não ser o preferido pelos animais faz com que o cercado não seja por eles destruído. O óleo dajatropha pode satisfazer as necessidades da população rural em óleo substituindo opetróleo para cozinhar e na iluminação doméstica. Pode ainda ser usada na refrigeraçãode produtos e como combustível quente para propósitos industriais (TAKEDA, 1982 apud FERNANDO, 2006). O bagaço do óleo da jatropha pode ser usado como adubo orgânico. No Brasil as sementes são consideradas antelmínticas, e as folhas são usadas para afumigação de casas contra percevejos e outros insectos. Também o extracto etílico apresenta uma actividade antibiótica contra as bactérias Staphylococcusaureus e Escherichiacoli (FERNANDO, 2006). Contudo, ela pode ter também efeitos negativos, pois sendo uma planta que se desenvolve em qualquer agro-ecossistema, ela pode tornar-se uma espécie invasora comefeitos negativos sobre a biodiversidade natural. O consumo da semente da jatropha pelohomem pode produzir efeitos negativos na sua saúde causando vómitos, desidratação,agitação e efeitos negativos no sistema nervoso (DO ROSÁRIO, 2006). Tabela 2. Óleo da Jatropha curcas e suas aplicações TIPO DE APLICAÇÃO DESCRIÇÃO REFERÊNCIA Tratamento da pele e cosméticos
O óleo da Jatropha curcas pode ser usado para o tratamento de eczema e doença de pele e atenuar as dores de reumatismo (Heller, 1996)
Pesticida
O óleo e seus extractos líquidos tem um potencial a ser aproveitado como insecticida. Por exemplo foi usado para controlar as pragas de insectos na cultura do algodão e na praga de legumes, batatas e cereais.
(Solos, D.)
Sabão
A glicerina como um subproduto do biodiesel pode ser usada na produção do sabão. Segundo Henning (sd:9) a produção de sabão resulta de uma reacção química entre o óleo da Jatropha curcas e a soda cáustica. Os principais ingredientes são: óleo da Jatropha curcas , Agua, Aditivos (perfumes, mel, flores, goma) e soda cáustica.
Henning (sd:9)
Bagaço
O bagaço é um subproduto obtido após o extracto do óleo. O bagaço contém curcina, uma proteína altamente tóxica similar a rícino que se obtêm no castor (óleo de rícino), tornando o impróprio para o consumo de animais, também pode ser usado como fertilizante e como combustível para turbinas a vapor para gerar electricidade.
2.2.2 Jatropha em Moçambique Segundo o Boletim da Repartição da Agricultura (1910), houve nos anos 1900, milhares de pés desta árvore a bordarem as ruas da Manhiça e formando sebes vivas de aspecto agradável. As sementes não foram nunca aproveitadas devido às suas propriedades tóxicas. Pensa-se que foi pelo facto das sementes serem venenosas e as folhas amargas, que esta planta não se vulgarizou. Até o ano de 2005, a Jatropha em Moçambique não tinha aparente importância. A planta crescia naturalmente e as pessoas ou cortavam-na ou simplesmente deixavam-na crescer naturalmente. Era usada como sebe para a separação de quintais nas zonas rurais, mas sem a importância que tem hoje. Actualmente está a ser promovida com o principal objectivo de produção de biodiesel (GAGNAUX, 2009). Moçambique já está comprometido com o cultivo de Jatropha curcas , e as informações disponíveis sobre o seu óleo sugerem que a planta possa ser umaexcelente geradora de biodiesel. Além disso, informações sobre experiências em outrospaíses demonstram que a Jatropha curcas pode ser cultivada com sucesso. O que ainda não está claro até o momento, no entanto, é se o custo de produção é realmente tão baixo como alguns promotores da planta têm sugerido, e se as produções alcançadas em terras marginais são substanciais o bastante para gerar volumes significativos e rendimentos economicamente viáveis (SITOE, 2008).
2.3 Princípio de funcionamento de um motor-gerador
2.3.1 Motor diesel O primeiro motor diesel ou motor de ignição por compressão foi desenvolvido por Rudolph Diesel em torno do ano de 1892 (GIACOSA, 1970 apud GARZÓN). O motor dieselé uma máquina de combustão interna. A ignição do combustível ocorre espontaneamente ao ser injectado no ar comprimido dentro da câmara de combustão. De forma geral os motores diesel podem ser classificados segundo a aplicação, sistema de injecção, disposição dos cilindros, relação de compressão e cilindrada. A relação de compressão simbolizada como rc é a relação do volume máximo e volume mínimo do cilindro. A cilindrada simbolizada como Vd é definida como o volume de deslocamento do pistão em um curso durante o ciclo.
De acordo com a aplicação, os motores diesel podem ser classificados em estacionários (usados em geradores, bombas ou máquinas de rotação constante), veiculares (veículos de
dosados em proporções quimicamente correctas, formando a mistura estequiométrica que é introduzida no interior do cilindro, sendo comprimida e então ignizada por uma centelha.
Nos motores Diesel, apenas o ar entra no cilindro através da válvula de admissão. O ar é comprimido, tendo sua temperatura aumentada, quando então o combustível é vaporizado dentro da câmara de combustão. Quando em contacto com o ar, reacções químicas espontâneas resultam na sua auto-ignição.
Os motores de ciclo diesel, podem ser divididos em duas diferentes categorias, de dois tempos e de quatro tempos. Aqui será abordado somente o funcionamento do motor de quatro tempos por ser o tipo de motor utilizado no presente trabalho.
O motor de quatro tempos se caracteriza por desenvolver todo o seu ciclo em quatro diferentes etapas, que são admissão, compressão, expansão e escape.
Admissão (1º tempo) - nessa etapa, a válvula de admissão se abre, permitindo a entrada do ar no interior da câmara de combustão. O pistão se desloca para baixo (Ponto Morto Inferior – PMI). Na maioria dos motores Diesel modernos, uma ventoinha empurra a carga de ar para dentro do cilindro (turbo compressão). Compressão (2º tempo) – nessa etapa, a válvula de admissão é fechada e o pistão volta para a posição superior (Ponto Morto Superior – PMS), comprimindo o ar, aumentando a temperatura dentro da câmara de combustão. Pouco antes de o pistão atingir o PMS, o diesel injectado é pulverizado em finas gotículas, pelo bico injector, misturando-se facilmente com o ar quente, acabando por auto inflamar-se. Expansão (3º tempo) – durante o processo de combustão da mistura (ar/ combustível), ocorre a expansão dos gases e a energia liberada empurra o pistão de volta para o PMI, gerando o trabalho requerido para o ciclo.
Escape (4º tempo) – nessa última etapa, a válvula de escape se abre, e o pistão volta para o PMS, empurrando os gases de combustão para fora da câmara.
1ºTempo: Admissão 2º Tempo: Compressão
3º Tempo: Expansão 4º Tempo: Escape Figura 3. Os quatro tempos de um motor diesel
2.3.1.2 Consumo de combustível (CC) O consumo de combustível é medido como caudal mássico por unidade d tempo ( m c )
(HEYWOOD, 1988 apud ALI, A. S., 2014):
t m mc c
Onde: m c : caudal mássico de combustível (g/h); mc : massa de combustível consumido pelo gerador em um certo intervalo de tempo (g); t^ : tempo necessário para o consumo da massa^ mc (s).
2.3.2 Grupos-geradores Denomina-se grupo-gerador diesel a composição de um motor diesel e um gerador de corrente alternada, denominado alternador, convenientemente montados e dotados dos componentes de supervisão e controle, necessários ao seu funcionamento autónomo e destinado ao suprimento de energia eléctrica produzida a partir do consumo de combustível PEREIRA, 2005 apud BARROS 2007). São geradores accionados por motores de combustão
