A4 combustiveis isi

1Instalações e Serviços Industriais2006
Combustíveis
Notas das aulas da disciplina
de
INSTALAÇÕES E SERVIÇOS INDUSTRIAIS

Temas a discutir
• Recursos energéticos
• Tipos de combustíveis
• Transporte e armazenagem

Recursos energéticos
• A escassez dos chamados combustíveis
clássicos é cada vez mais frequente.
• A procura das energias alternativas é cada
vez maior, principalmente nas sociedades
industrializadas. No entanto não foram ainda
desenvolvidos métodos economicamente
viáveis para a produção destas energias,
capazes de superar o rendimento, a
simplicidade e a versatilidade da utilização
dos combustíveis clássicos.

Reservas energéticas mundiais
Fonte de energia Tipo Reservas
(x1021
J)
Química (Fossil) Carvão,
Petróleo e Gás
32
6
Fissão nuclear Uránio/ Tório 600
Fusão Deutério 1010
Outras fontes de energia
solar,
eólica,
hídrica, geotérmica,
resíduos industriais e urbanos.

Combustíveis clássicos
• A maior parte dos combustíveis são
fósseis.
ExEx:: carvão, petróleo e seus derivados e o gás
natural.
• Combustíveis não fósseis
ExEx:: madeira e seus derivados - carvão vegetal,
cascas, resíduos sólidos.

Característica térmica
dos combustíveis
• Composição química:
– CnHm - hidrocarbonetos
– CnHmNoOpSq - composição geral tipo
• Tipo de reacção química: reacção exotérmica
• Poder calorífico: calor libertado na combustão
completa por unidade de massa, volume ou
mole de combustível (normalmente kJ/kg, kJ/m3
ou kJ/mole)
– PCS = PCI + m(água)*λ
λ - calor latente de vaporização da água

Combustíveis sólidos
• Coque
• Carvão: antracite, hulha, lenhite,
betuminoso, sub-betuminoso, turfa
• Madeira: casca, serrim, serradura, estilha
(pinho, eucalipto, oliveira, etc.)
• Resíduos sólidos: casca de arroz, bagaço
de azeitona, bagaço de cana de açúcar, lixo
urbano, lixo hospitalar, pneus, restos de
materiais poliméricos.

Coque de petróleo
• Coque de petróleo
– Produto sólido, negro e brilhante, obtido por
craqueamento de resíduos pesados,
essencialmente constituído por carbono (90 a
95%)
– Combustível sólido muito poluente e com um
elevado potencial de perigosidade para a saúde
humana e para o ambiente, nomeadamente pela
sua composição em enxofre e metais pesados.
Queima sem deixar cinzas
– Usado na indústria metalurgia, cerâmica e mais
recentemente nas cimenteiras

Coque de petróleo e a poluição
• O aumento da utilização do coque petróleo decorre do
facto deste combustível ser mais barato do que outras
alternativas menos poluentes, nomeadamente o gás
natural, por, inexplicavelmente, não estar sujeito ao
Imposto Sobre Produtos Petrolíferos (ISP).
• Com o objectivo de corrigir as assimetrias criadas pela
preferência do coque de petróleo em algumas indústrias
portuguesas, os Ministérios da Economia e do Ambiente
publicaram a Portaria 1387/2003 de 22 de Dezembro,
tornando obrigatória a monitorização das emissões de
gases e o cumprimento da legislação em vigor nas
instalações que utilizem este combustível.

Processo de obtenção do coque

Imagens de combustíveis sólidos
Antracite
Preto com brilho metálico.
Duro, parte formando estiletes muito finos.
Estilha
Bagaço de azeitona

Preparação dos combustíveis sólidos
para queima
• Preparação:
– secagem,
– trituração,
– corte,
– separação granulometrica

Secadores

Trituradores

Principais propriedades
características dos combustíveis
sólidos
• Densidade
• Teor de humidade
• Percentagem de C
• Percentagem de O2, H2, N2, S
• Percentagem de matérias voláteis e minerais
• Percentagem de cinzas e sua temperatura de fusão
• Granulometria
• Coesão
• Dureza/Resistência
• Dilatação por efeito de humidade
• Fusibilidade das cinzas
• Poder calorífico

Quando surge a utilização industrial
do carvão?
• O uso generalizado iniciou-se na
Europa no século XVI, se bem que
antes da era Cristã já os Chineses e os
Romanos o tivessem utilizado.
• Inglaterra: País da Europa que
começou a substituir a madeira pelo
carvão, na fabricação do ferro, papel
e na indústria têxtil (revolução
industrial).

Como resulta o carvão?
• Série de transformações sobre os restos vegetais
acumulados em fundos pantanosos, lagunas ou
deltas fluviais, e sua subsequente consolidação em
areias e rochas.
• Acção de bactérias anaeróbicas, que produzem a
decomposição dos hidratos de carbono e um
comcomitante enriquecimento progressivo em
carbono.

Reservas e formação do carvão

Classificação do carvão por grau de
incarbonização (%)
1. Antracite 92 - 95
2. Hulha 91 - 93
3. Betuminoso 80 - 91
4. Sub-betuminoso 75 - 80
5. Linhite 60 - 75
6. Turfa < 60

Armazenagem do carvão
Céu aberto
Áreas cobertas
Perigo de combustão espontânea
devido ao calor produzido por oxidação
atmosférica
– carvão recém extraído e
– montes de altura elevada
Pilha de 2,5 m, ventilação adequada,
cobertura e pulverização com água.

Transporte do carvão e de outros
combustíveis sólidos
• Do local de extracção até ao consumidor
– via marítima ou terrestre (férrea)
• Do local de armazenagem até à caldeira
– tela transportadora
– sem-fim
– cabazes em rotação vertical
– gravidade
– transporte pneumático
– manualmente

Movimentação do carvão

Dados sobre
Explosividade de poeiras
Material d50 [mm] Concentração
Explosiva
Mínima
[g/cm3]
Pmax
[bar]
(dP/dt)max V1/3
[bar m/s]
Alumínio 29 30 12,4 415
Carvão Bituminoso 24 60 9,2 129
Cortiça 7 - 10,3 202
Polimetilmetacrilato 21 30 9,4 269
Polipropileno 25 30 8,4 101
Policloreto de Vinil 107 200 7,6 46
Açúcar 30 200 8,5 138
Zinco 10 250 6,7 125

Combustíveis líquidos
• Derivados do petróleo
– gasolina
– gasóleo
– diesel-oil
– burner-oil
– thick-fuel-oil
– thin-fuel-oil
– coque
• Outros
– alcóol, azeite, solventes, licor negro, restos de
tintas e vernizes

Principais propriedades dos
combustíveis líquidos
• Viscosidade
• Percentagem de enxofre
• Temperatura de inflamação
• Limite de inflamabilidade
• Pressão de vapor
• Cor/cheiro
• Percentagem de água
• Percentagem de sedimentos
• Densidade
• Coeficiente de dilatação
• Poder calorífico
• Toxicidade

Quando surge a
utilização do petróleo ?
• 3 séculos a.c. já os SumSumééricosricos utilizavam o
asfalto proveniente do Vale de Eufrates para
embalsamar os mortos e calafetar os barcos e
ajudar a fixar as pedras dos templos. O
petróleo era também usado para tratar de
doenças de pele.
• As origens da indústria do petróleo situam-se
por volta do ano 18591859, quando o norte
americano DrakeDrake, realizou o 1º furo no subsolo
(21 m). Actualmente os furos chegam a
ultrapassar 5,5 km de profundidade.

Como resulta o petróleo ?
• Encontra-se nos meios de origem sedimentar,
formados no fundo de uma baía, um meio
marítimo, ou em lagoas profundas e num
ambiente químico redutor.
• As rochas devem ser suficientemente porosas,
para permitir que o petróleo se armazene e
permeáveis para permitir a sua circulação.
• A matéria orgânica deposita-se, e pouco a
pouco vai-se cobrindo de sedimentos. À medida
que a profundidade aumenta vai-se degradando
por efeito de bactérias, transformando-se em
hidrocarbonetos.

Reservas de petróleo

Evolução
recente do preço
do petróleo

Esquema simplificado das várias
fases na destilação do petróleo e
produtos finais
GPL
Butano e Propano
Normal Super
Gasolinas Solventes
Petróleo
p/ motores
Carboreactores
(JP1/JP4)
Petróleos Gasóleos
Fuel oil Alfaltos
Óleos lubrificantes
Resí duo
Destilação do petróleo bruto

Refinaria da GALP - Porto

Unidades processuais do processo de
destilação
• Destilação Atmosférica
Nesta unidade realiza-se, por destilação, a separação primária de
matéria prima (petróleo bruto) em quatro grandes fracções,
designadas por:
– produto topo (leves)
• O produto de topo é depois redestilado, dando origem a
gases incondensáveis (fuel-gás), GPL e naftas leve e
pesada
– petróleo,
– gasóleo e
– resíduo atmosférico.

Adoçamento do Petróleo
•
O petróleo separado na destilação atmosférica
contém vários contaminantes, especialmente
sulfuretos orgânicos, designados tióis ou
mercaptanos, que corroem os metais e exalam um
odor desagradável.
• Por esta razão, o petróleo é sujeito a um tratamento
específico, no qual os sulfuretos são convertidos em
dissulfuretos não corrosivos e eventuais traços de
gás sulfídrico e ácidos carboxílicos são removidos.
• A maior parte do petróleo tratado é usado como
combustível para a aviação, sob a designação de jet-
fuel.

Dessulfuração de Gasolina Pesada
•
Remove por via catalítica em atmosfera de hidrogénio, os
compostos orgânicos de enxofre, oxigénio e azoto presentes na
gasolina pesada, os quais actuariam como veneno permanente
ou temporário do catalisador da Unidade de Reformação
Catalítica (Platforming) situada a jusante, na fileira de
tratamento.
• O produto gasoso da reacção, constituído por hidrogénio e
hidrocarbonetos muito leves gás sulfídrico (H2S) e amoníaco
(NH3), é submetido a um tratamento de purificação por aminas
(tratamento de gases);
• o gás sulfídrico separado é enviado para a unidade de
recuperação de enxofre e os hidrocarbonetos encaminhados
para a rede de fuel-gás.

Platformings semi-regenerativo e
de regeneração contínua (CCR)
• O propósito desta operação é converter os hidrocarbonetos
nafténicos e parafínicos em aromáticos (reformação catalítica),
libertando hidrogénio como sub-produto de reacção.
• A carga à unidade é constituída por nafta pesada dessulfurada;
o produto líquido obtido, designado "reformado", com elevado
teor em hidrocarbonetos aromáticos e um número de octano
muito alto, é usado como componente de gasolinas ou como
matéria prima para a Fábrica de Aromáticos.
• O hidrogénio produzido, depois de purificado (PSA), é usado
como co-reagente nos processos catalíticos hidrogenantes. Os
hidrocarbonetos leves produzidos na reacção são enviados
para a recuperação

Tratamento de GPL e de Gasolina Leve
•
Este processo de tratamento, designado Merox, tem como
objectivo remover os mercaptanos (tióis) presentes nas
correntes de GPL e nafta leve, através duma extracção com
uma solução aquosa de soda cáustica.
• Os mercaptitos de sódio formados são depois removidos da
solução de soda cáustica (regeneração da soda) por oxidação
com ar na presença dum catalisador, convertendo-se em
dissulfuretos orgânicos insolúveis na solução aquosa,
separando-se por decantação.
• Os G.P.L. tratados são enviados para a Unidade de
Recuperação de Gases. A gasolina leve tratada, segue para a
armazenagem.

Tratamento de Gases I e II e
Recuperação de Gases
•
O tratamento de gases realiza a extracção do gás sulfídrico
contido nas várias correntes gasosas destinadas a fuel-gás,
utilizando uma lavagem, em contra-corrente, com uma solução
aquosa de dietanolamina. A recuperação de gases,
compreende a separação dos gases incondensáveis contidos
nas correntes GPL (propano e butano) provenientes de
diferentes unidades. Os produtos resultantes destas operações
são: gás sulfídrico que é enviado à Unidade de Recuperação
de Enxofre, os incondensáveis de petróleo (fuel-gás) e os
G.P.L., que depois de sujeitos ao tratamento Merox, são
separados em Propano e Butano comerciais.

Dessulfuração de Gasóleo I e II
• Trata-se dum processo de hidrodessulfuração do
gasóleo (reacção catalítica, realizada a alta pressão
parcial de hidrogénio, na presença dum catalisador
apropriado) que reduz drasticamente o seu teor de
enxofre.
• Em consequência da severidade da operação,
formam-se alguns leves por craqueamento da carga,
que são separados por stripping do gasóleo tratado,
antes de este ser enviado para a armazenagem.
• pelos respectivos processos de purificação.

Produção de Enxofre
•
Converte o sulfureto de hidrogénio (H2S) contido na
corrente gasosa proveniente do Tratamento de
Gases, em enxofre elementar. Este processo,
designado “Claus”, compreende a queima de 1/3 da
corrente de H2S para formação de SO2 que,
reagindo com os 2/3 remanescentes, na presença
dum catalisador, produz enxofre elementar. É um
processo importante da fileira de tratamento na
medida em que recupera, como produto comercial,
todo o enxofre removido dos diferentes produtos
pelos respectivos processos de purificação.

Principais combustíveis líquidos
usados em caldeiras
Gasóleo Diesel Burner Thin Thick
Gasóleo 100 85 50 20 0
Thick 0 15 50 80 100

Armazenagem dos combustíveis
líquidos
• Depósitos verticais ou horizontais
– capacidade p/ 15 a 30 dias de consumo
– materiais de construção: aço, fibra de vidro
• Equipamento de apoio para combustíveis
pesados (i.e. elevada viscosidade)
– permutador de fundo (p/ limpeza)
– permutador de choque (p/ bombagem)
– resistências eléctricas
• Equipamento de controle de nível

UNIDADES PROCESSUAIS
• U0100 - Pré - Destilação
Esta unidade é, normalmente, alimentada com reformado (efluente da
reformação catalítica), produzido na Fábrica de Combustíveis. É constituída por
três colunas de destilação em série, que separam a alimentação nas seguintes
correntes processuais: fracção gasolina leve C5-; corte de C6/C7; corte de C8's
e um corte de aromáticos pesados C9+. A gasolina leve é devolvida à refinaria
como componente de gasolinas e de nafta química; os aromáticos pesados
são usados como matéria prima na Unidade Solventes (U0500), para a
produção de solventes industriais aromáticos (C9+ tipo I e II) e como
componente de gasolinas na refinaria.
• U0200 - Arosolvan
Esta unidade trata o corte C6/C7 proveniente da U0100. Os componentes
alifáticos são separados dos aromáticos por extracção líquido-líquido, usando
como solvente a N-metil-2-pirrolidona (NMP). O extracto, após recuperação do
solvente por destilação e lavagem com água, é submetido a uma destilação
para obtenção do benzeno e o tolueno de elevada pureza. A corrente de
refinado alifático, após lavagem com água, é usada na U0500 para produção
de solventes industriais alifáticos (hexano, heptano, solvente borracha, etc.)
ou devolvida à refinaria como componente de nafta química e gasolinas.

• U0300 - Parex
A U0300 destina-se a produzir para-xileno de elevada pureza, a partir
do corte C8 recebido da U-100, quase inteiramente constituído por p-
xileno e seus isómeros. O para-xileno é separado por um processo de
adsorção selectiva realizada em fase líquida; o adsorvente (peneiro
molecular) é um material zeolítico cuja natureza e tipo de
porosidade favorece a adsorção do p-xileno em detrimento dos
outros hidrocarbonetos presentes. A desadsorção do paraxileno, faz-
se usando a um desorvente específico, neste caso o para-
dietilbenzeno, do qual finalmente se separa por destilação.
• U0400 - Isomar
Esta unidade recebe a mistura pobre em para-xileno proveniente da
U0300. Esta corrente, essencialmente constituída pelos isómeros orto
e meta-xileno e por etilbenzeno, segue para um reactor onde, em
atmosfera hidrogenante e na presença de um catalisador especifico,
ocorre a isomerização dos C8's, restabelecendo o equilíbrio em
xilenos. De seguida, por destilação é retirado o orto-xileno como
produto final e a restante corrente de C8's (rica em paraxileno) retorna
à U0300.

• U0500 - Solventes
Funciona alternadamente, produzindo por destilação do
refinado da unidade Arosolvan (U-0200) solventes
alifáticos, designadamente hexano e heptano, ou solventes
aromáticos (C9+ tipo I e II) por destilação da corrente de
aromáticos pesados proveniente da U0100.
• GZ0600 - Produção de Azoto
A Fábrica de Aromáticos possui uma unidade de produção de
azoto. O azoto é obtido por destilação criogénica do
ar liquefeito. Como gás inerte, o azoto é utilizado na instalação
para inertização de equipamentos e circuitos por razões de
segurança e na cobertura de produtos armazenados para evitar
a sua oxidação.

Características dos principais
• Massa volúmica
• thick-fuel-oil = 940,5 - 0,7 T (kg/m3)
• thin-fuel-oil = 930,5 - 0,7 T (kg/m3)
• gasóleo = 850,5 - 0,7 T (kg/m3)
• PCI
• thick-fuel-oil = 40195 kJ/kg
• thin-fuel-oil = 41030 kJ/kg
• gasóleo = 42705 kg/kg
• Viscosidade cinemática
• thick-fuel-oil = 300 - 800 CSt
• thin-fuel-oil = 100 - 200 CSt
• gasóleo = 2,1 - 5,8 CSt

Temperaturas mínimas
recomendadas para armazenagem e
transporte
da nafta
• Armazenagem
thick-fuel-oil = 40 oC
thin-fuel-oil =25 oC
• Saída do tanque para alimentação do
queimador
thick-fuel-oil = 50 oC
thin-fuel-oil =30 oC

Reservatórios de combustível

Transporte de
• Da refinaria até ao consumidor
– via marítima ou terrestre (camiões cisternas)
• Do local de armazenagem até à caldeira
– gravidade
– bombagem: bomba de engrenagens
equipamento da linha:
filtro, permutador, resistências eléctricas,
válvula de comando modulado, by pass,
circuito de retorno

Combustíveis gasosos
• Derivados dos processos químicos
– gás de refinaria (H2S)
– gás de alto forno (da volatiliz. de comb. sólidos)
• Derivados do petróleo
– propano, propeno
– butano
• Gás natural
– metano, etano

Principais propriedades
dos combustíveis gasosos
• Densidade (d)
• Densidade em relação ao ar seco
• Temperatura de ebulição à pressão atmosférica
• Temperatura de inflamação no ar
• Limite de inflamabilidade
• Massa molecular
• Índice de Wobbe: Wo=Ho/(d)0,5
• Odor (artificial, para efeito de detecção)
• Poder calorífico (Ho)

Quando surgiu a
utilização do gás natural ?
• Iniciou-se no princípio do século XX nos EUA
• Relação percentual de consumo mundial em
1955: EUA
90
Europa
Oriental
5
Europa
Ocidental
1
Resto do
Mundo
4
• Nos anos 70 houve um impacto no consumo
de gás natural
• Entrada do gás natural em Portugal: 1997

Reservas de GN no Mundo

Gás natural em Portugal
• O gás natural é totalmente importado
• Existem normas que regulamentam:
– importação, ordenamento, armazenamento,
transporte e distribuição (concessão de um
serviço público)
• Prevê-se que entre o ano 2000 e 2010 o gás
natural seja responsável por 8 a 10% do
consumo energético nacional.
• Prevê-se que a dependência em relação ao
petróleo diminua para cerca de 55 a 60 %.

Principais combustíveis gasosos
usados em caldeiras
• Gás natural (inst. de média e grande dimensão)
• Propano/butano (instalações pequena
dimensão)
• Biogás (ETAR´s)
• Gás de cidade (Lisboa)

Rede nacional de GN

Rede ibérica de GN

Preço do Gás Doméstico

Armazenagem dos combustíveis
gasosos
• Reservatórios sob pressão: gás no estado
líquido
• Reservatórios (normalmente subterrâneos) nos
pontos terminais das condutas ou próximo
dos consumidores: gás natural
• Espaços porosos ou com fendas: campos de
exploração de gás abandonados e minas de
hidrocarbonetos
• Cavernas artificiais

Tanque de armazenagem

Transporte dos
combustíveis gasosos
• Do posto até ao consumidor
– via marítima ou terrestre (camiões cisternas), para
pequenas quantidades e locais em que não há rede
de distribuição
– pipelines, a uma pressão de 80 bar, podendo subir
até 180 bar, quando estes estão submersos
• Do ramal (válvula de seccionamento da
concessionária) até à caldeira: Existem 3 categorias
em função da pressão de serviço (>20 bar, entre 4 e 20
bar, e < 4 bar)
– tubagem, válvulas de seccionamento, unidades de
contagem e instrumentação de registo, uniões,
purgadores de ar

Rede de gás

VF de diversos combustíveis
φ =0,8 φ =0,9 φ =1,0 φ =1,1 φ =1,2 VFmax φ p/ VFmax
Etano 36,0 40,6 44,5 47,3 47,3 47,6 1,14
Propano - 42,3 45,6 46,2 42,4 46,4 1,06
Metano 30,0 38,3 43,4 44,7 39,8 44,8 1,08
Isopentano 33,0 37,6 39,8 38,4 33,4 39,9 1,01
Acetileno 107 130 144 151 154 155 1,25
Etileno 50,0 60,0 68,0 73,0 72,0 73,5 1,13
Propileno - 48,4 51,2 49,9 46,4 51,2 1,00

Limites de inflamabilidade
• Temperaturas baixas ⇒ baixas
taxas de reacção
• Existe uma gama restrita de
condições que dão origem a taxas
de reacção suficientemente
elevadas para permitir combustão
auto-sustentada.
• Limites de inflamabilidade –
corresponde às percentagens
volumétricas de combustível na
mistura gasosa entre as quais é
possível ter uma combustão auto-
sustentada.

Limites de inflamabilidade
de alguns combustíveis
Determinados à pressão atmosférica e temperatura ambiente num tubo
vertical de 50 mm de diâmetro co propagação de baixo para cima
Combustível LII (% Volumétrica) LSI (% Volumétrica)
Metano 5,3 15
Etano 3,0 12,5
Propano 2,2 9,5
Etileno 3,1 32
Propileno 2,4 10,3
Acetileno 2,5 80
Benzeno 1,4 7,1
Alcool metílico 7,3 36
Etanol 4,3 19

Limites de
inflamabilidade em Ar e O2
LII LII LSI LSI
Ar O2 Ar O2
CO 12 16 75 94
Amoníaco 15 15 28 79
Hidrogénio 4 4 74 94
Acetileno 2,5 2,5 80 93
Etileno 2,7 2,9 36 80
Metano 5 5 14 61
Propano 2,2 2,2 10 55
Etano 3 3 12,5 66
Butano 1,8 1,8 8,4 49
Hexano 1,2 1,2 7,5 52

Distribuição dos combustíveis no
sector cerâmico
Dados de 2004
Fonte:

Combustíveis no sector cerâmico
Dados 2004

Tabela de factores de emissão
Combustível
Factor de emissão
(ton CO2/TJ)
Biomassa 0
Gás natural 56,1
Gás propano 63,0
Fuel 73,3
Coque de petróleo 100,8

LINKS
• http://www.galpenergia.com/Galp+Ener
gia/Portugues/a+Galp+Energia/a+refina
cao/refinaria+porto/Ref_Porto_default.h
tm

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