Aula 16 combustão industrial e controle das emissões - parte ii - 20.05.11

Processo de
Produção
Química
1º. Sem./2011
Engenharias

Combustão

Tópicos

O Processo de Combustão

A reação de combustão

Os tipos de combustão

Eficiência na combustão

Controle da Combustão

Tratamento Efluentes Gasosos

Aspectos legais das Emissões

Combustão

Processo Combustão

 Caldeiras Flamotubulares

Gás Óleo Lenha

 Gases de combustão passam através dos tubos

3

Combustão

Processo Combustão

 Caldeiras Aquatubulares

 Água passa através dos tubos

4

Combustão

Processo Combustão
• CO2 (g)
Partículas sólidas • CO (g)
(poeira) Análise
• N2 (g)
Orsat
+ • O2 (g)
• SO2 (g)
Hidrocarbonetos • NOx (g)
pesados • H2O (v)
Combustível
Combustão Gases residuais
C + HC + S + (fumos)
H2 + N
• C + O2  CO2
Comburente
• H2 + ½ O2  H2O Cinzas
Ar atmosférico (comb. sólidos)

(O2 + N2)
5

Combustão

Reação de Oxi-redução

 A combustão é uma reação de
oxi-redução em alta temperatura
 Combustível  redutor  se
oxida (perde e-)
 Comburente  oxidante  se
reduz (ganha e-)
 Necessita de energia de ativação
 Reação exotérmica (libera calor)
 Processo auto-ativante
6

Combustão

Processo Combustão

 De modo geral a reação acontece em “fase
gasosa”

Pulverizado
Combustível
ou Vapor + O2
líquido
evaporado

Difusão O2
Combustível Interface
até
sólido sólido-gás
superfície

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Combustão

Processo Combustão

 Principais reações e energias envolvidas

(1) C (grafite) + O2  CO2 + 94,03 Kcal/mol
(2) H2 (gás) + ½ O2  H2O (vapor) + 57,80 Kcal/mol
(3) H2 (gás) + ½ O2  H2O (líquido) + 68,32 Kcal/mol

 Variação de “entalpia” a 25º C

(1) ∆H(CO2) a 25ºC = - 94,03 Kcal/mol
(2) ∆H(H2O vapor) a 25ºC = - 57,80 Kcal/mol
(3) ∆H(H2O liq) a 25ºC = - 68,32 Kcal/mol
8

Combustão

Processo Combustão

 Combustível com enxofre

(4) S (sólido) + O2  SO2 + 72,00 Kcal/mol
(5) S (sólido) + 3/2 O2  SO3 + 105,5 Kcal/mol

 Combustão incompleta (falta de O2)

(6) C (grafite) + CO2 (gás)  2 CO (gás) - 40,79 Kcal/mol

 Se adicionarmos mais AR (excesso de O2)

(7) CO (gás) + ½ O2  CO2 (gás) + 69,91 Kcal/mol
9

Combustão

Tipos de Combustão

 Combustão  Combustão
Incompleta Completa

10

Combustão

Tipos de Combustão

 Depende da relação (combustível / O2)

Incompleta CH4 + 2/3 O2  CO + 2H2O Insuficiência de
CH4 + O2  C + 2H2O O2

Teoricamente Quantidade
completa CH4 + 2 O2  CO2 + 2H2O estequiométrica
de O2
Praticamente Excesso de O2
CH4 + 2 O2  CO2 + 2H2O
completa

11

Combustão

Eficiência da Combustão

 Tipo de combustível
 Eficiência do queimador
 Condições operacionais da
combustão (excesso de ar)

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Combustão


5a 20 a 30 a
30% 40% 100%
excesso de ar

13

Combustão

Comburente

Componentes - AR %
Na prática:
Nitrogênio 78,03
Oxigênio 20,99 Comburente (O2) 20,99%
Argônio 0,94 Gases inertes (N2 e gases nobres) 79,01%
Dióxido de carbono 0,03
Hidrogênio 0,01 Nos Cálculos (ar seco):
Neônio 0,00123
Oxigênio (O2) massa molar = 32 21,0% p/v
Hélio 0,0004
Nitrogênio (N2) massa molar = 28 79,0% p/v
Criptônio 0,00005
Xenônio 0,000006 Oxigênio (O2 23,2% p/p (em peso)
Nitrogênio (N2) 76,8% p/p (em peso)

14

Combustão


 Avaliação do Rendimento da Combustão

Se a composição do A quantidade teórica de ar
combustível e dos para a combustão completa e
produtos de sua a composição estequiométrica
combustão são medidos, o dos produtos combustíveis
rendimento da combustão são calculados e comparados
pode ser calculado; com a composição real obtida
pela análise dos gases de
combustão

15

Combustão

 O que é um “queimador” ?
 é o equipamento encarregado de processar a
queima de um combustível (gás, liquido, sólido)
numa fornalha ou câmara de combustão.

16

Combustão

 Principais funções de um “queimador”:
 Promover uma boa mistura ar combustível de tal
forma que a chama seja estável e bem
conformada.
 Dosar o combustível e o ar em proporções que
estejam dentro dos limites de flamabilidade para
ignição e uma queima estável.
 Garantir que não haverá retorno de chama nem
descolamento.
 Permitir que o combustível e o oxidante fiquem
em contato o tempo suficiente para ocorrer e
completar a reação de combustão.
17

Combustão


 Cálculo da % de ar em excesso

20,9
��. �� = − 1��100
20,9 − %��2 ��

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Combustão


 Eficiência máxima = % correta de ar excesso

Diminui eficiência e o ar
extra “roubará” calor se
% aquecendo
correta
de
excesso Combustão
incompleta  gases
de ar residuais “roubarão”
calor latente

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Combustão


 Identificação % correta de ar excesso

Reconhecido pela grande
% quantidade de oxigênio no gás de
combustão
correta
de
excesso Reconhecido pelo aparecimento
de ar de quantidades excessivas de
CO no gás de combustão, um
pouco antes do aparecimento da
fumaça preta (fuligem)
20

Combustão


Controle pelos
Controle visual Controle instrumental
resultados

• Técnica requer • Consiste de técnicas • Avaliação dos
experiência de medição dos resultados pela
operacional para parâmetros de contabilidade dos
observação. operação como: consumos específicos,
Operadores devem • medição das como:
possuir o sentido e temperaturas do • vazão de vapor x cons.
comando do fogo e o processo, pressões de de combustível
controle da queima é ar dos ventiladores, • quantidade de material
feito através da das câmaras de processado x consumo
observação: combustão, da tiragem de combustível
• da densidade da • indicação de vazões de • qualidade do material
fumaça no topo da ar ou de combustível processado, etc
chaminé • medição dos produtos
• da cor, do aspecto e da combustão – O2,
forma da chama CO, CO2
21

Combustão


22

Combustão


23

Combustão


24

Combustão


25

Combustão


verifica se a
Análise combustão Aparelho
gases esta com %
ar excesso de Orsat
residuais
correto

26

Combustão


 Análise de Orsat (absorção seletiva)

% CO2 v/v KOH
% O2 v/v Ac. pirogálico
% CO v/v Cloreto cuproamoniacal
% N2 v/v Diferença balanço massa
Vapor d’água Se condensa

 Base seca (sem vapor d’água)
27

Combustão

 Conclusões
 A aplicação do bom senso ao interpretar a
análise do gás de combustão pode levar, por
exemplo, à descoberta de:
 deficiências no processo de combustão;
 vazamento no forno ou no sistema condutor;
e
 inconsistências na análise de especificação
do combustível.

28

Combustão


 Coloração da chama e da fumaça (depende
do tipo combustível):
 Ideal: para óleos combustíveis
 Fumaça cinza-claro e chama laranja-amarelado
 Excesso exagerado de ar:
 Fumaça branca, volumosa e chama amarelo
brilhante.
 Falta de ar:
 Fumaça escura, preta e chama amarelo-
avermelhado.

Combustão

Análise dos Gases

Analisador Portátil
• O equipamento permite
configurações com até 6 sensores,
sendo no máximo 2 infra-vermelhos.
O2 - Mensurado
CO - Mensurado
CO2 - Mensurado
Gases opcionais:
NO2 - mensurado
H2S - calculado
NO/NOx
SO/SO2

Combustão

Análise dos Gases

A análise dos gases de combustão ou de gases
perdidos dos processos de combustão:
– Em base seca de volume (sem referência à água
no gás);
– Grande variedade de equipamentos para análise
de gases.

O valor da análise do gás de combustão reside
na informação que tal análise é capaz de
proporcionar e na interpretação colocada em tal
informação.

Combustão

Análise dos Gases

Intrepretação da anáilse:
A aplicação do bom senso ao interpretar a análise
do gás de combustão pode levar, por exemplo, à
descoberta de:
• deficiências no processo de combustão;
• vazamento no forno ou no sistema condutor; e
• inconsistências na análise e especificação do
combustível.

Combustão

Produtos da Combustão

33

Combustão

Produtos da Combustão
 Combustão de sólidos e líquidos:
 Além dos gases gerados há a liberação de
material particulado e fuligem
 Compostos poluentes atmosféricos (produtos da
combustão incompleta):
 CO e CO2;
 Óxidos de nitrogênio e enxofre;
 Compostos orgânicos voláteis: VOCs e
SVOCs, PAHs, PCDDs (dioxinas) e PCDFs
(furanos)
 Elementos inorgânicos e metais pesados 34

Combustão

Emissões Gasosas
Controle e monitoramento de emissões:
• Células eletroquímicas, análise de O2, CO, NO, NO2, SO2 e CxHy;
• Cálculo do ar excedente;
• CO2 calculado com base no tipo de combustível previamente
definido (10 tipos selecionáveis), e no excesso de ar;
• Valores de concentração (ppm ou %);
• Medição da temperatura do gás e do ar ambiente;
• Cálculo da eficiência de combustão como função da temperatura
do ar de combustão e do gás de combustão;
• Concentrações com referência a uma porcentagem definida de
O2;
• Velocidade do gás (m/s), com ajuste prévio da densidade do gás;
• Medição do índice de fuligem – comparação com escala
Bacharach.

Combustão

Emissões Gasosas

Importante:
Conhecimento prévio da composição do
combustível para previsão e controle das emissões
originadas da sua queima:
• CO e CxHy: seu aparecimento entre os produtos da
combustão é indicativo de baixa eficiência do processo;
• NO e NO2: teor de N no combustível;
• SO2: teor de S no combustível.

Combustão

Emissões Gasosas
 Gases de combustão:
• CO2, H2O, SOx, CO, NO e NO2 (NOx)
 A queima lança no ar e deixa nas instalações onde se deu a
queima, três tipos principais de substâncias e de compostos:
• HC (CxHy), inclusive os aromáticos e os policíclicos
aromáticos (PAHs), os óxidos (CO, CO2)
• elementos inorgânicos (S, N, K, F) e seus compostos
oxidados (SO2, NO, NO2) ou combinados com metais
(nitratos, sulfatos).
• pequenas proporções de metais pesados, ou de íons, sais e
óxidos destes metais (Al, As, Cu, Hg, Pb, Cd, Cr, Sb).
 Estas substâncias e compostos provêm da queima de
diversos materiais.

Combustão

Emissões Gasosas

Combustão de sólidos e líquidos:
– Além de gases, liberação de material particulado e
fuligem.
• Compostos poluentes atmosféricos.
– CO;
– Óxidos de nitrogênio e enxofre;
– Compostos orgânicos voláteis (combustão
incompleta): VOCs e SVOCs, PAHs, PCDDs
(dioxinas) e PCDFs (furanos)

Combustão

Emissões Gasosas
 Fuligem (Escala Bacharach)

Combustão

Emissões Gasosas
 Teor de CO2 no gás de exaustão seco
 Fornece uma medida útil do rendimento da combustão
de um determinado combustível
 Proporção máxima de CO2 nos produtos de combustão
será encontrada quando a relação Ar/C for
estequiométrica;
 Na prática: concentrações de CO2 devem ser mais baixas
que a estequiométrica pela necessidade de se usar ar em
excesso;
 A quantidade de excesso de ar decresce com o aumento
da capacidade e com o rendimento maior no
equipamento de combustão

Combustão

Emissões Gasosas

 Para minimizar as perdas de calor ...

 Teor de CO2 deve ser alto
 Nem sempre teor de CO2 alto significa bom
rendimento;
 Ideal: análise do percentual de outro gás, embora a
medição de apenas um já ser um indicativo da
qualidade da queima, principalmente aliado a outras
características como a cor da fumaça da chaminé e da
chama

Combustão

Emissões Gasosas

 Comparação dos resultados das análises
com padrões:

Tabela: Teores de CO2 e O2 padrão.

Combustão

Emissões Gasosas

 Baixos valores de CO2 podem ser provocados por:

 Excesso exagerado de ar no processo de
combustão;
 Insuficiência de ar (combustão incompleta);
 Tiragem excessiva;
 Entrada falsa de ar na fornalha;
 Nebulização imperfeita do combustível (óleos).

Emissão Combustão

Técnicas de Redução

Emissão Combustão

Material Particulado

 Cinzas
 Cinzas (óxidos inorgânicos, CaO, Al2O3, K2O, etc.);

 % cinzas - determinado pela combustão completa
da amostra
 Maior em combustíveis sólidos
 Óleos combustíveis pesados  até 0,1%

46

Emissão Combustão


 Fuligem
 Fuligem (combustível não queimado  10 - 1000 nm);
 Pode ser formada pela recombinações de voláteis ou
frações leves do combustível

 ou pela liberação de voláteis
(sólidos e líquidos) que não
foram oxidados devidos a
condições ineficientes da
combustão
 Muito indesejável - PAH

47

Emissão Combustão


 Técnicas para redução dessas emissões:

 Aerociclones
 Preciptador eletrostático
 Lavador de gases

Emissão Combustão


 Bateria de aerociclones

 baixo custo e alta perda de carga

Emissão Combustão


 Preciptador Eletrostático

Entrada de
ar

 Tipo horizontal de 1 estágio
 Eficiência alta > 99%

Emissão Combustão

 Preciptador Eletrostático

 Tipo vertical

Emissão Combustão

 Lavador de gases ou scrubber

 Separa particulados e/ou
poluentes gasosos
 Lavagem do gás com
água (nebulizada)
 Necessita de sistema de
tratamento de efluentes
 Baixa eficiência partículas
pequenas

Emissão Combustão

Óxidos de enxofre

 Formados na combustão de combustíveis
contendo enxofre (sólidos e óleos pesados)
 Combustão forma o SO2, uma parcela oxida
formando SO3 (dependendo da T e do excesso
de ar), ou na atmosfera através da radiação UV
 Umidade dos gases e do ar atmosférico reage
com SO3  H2SO4 (causa corrosão)
 Um dos principais causadores das chuvas
ácidas, junto com os NOx

Emissão Combustão

Óxidos de enxofre

Lavagem dos Gases Combustão leito
fluidizado

• Remoção efluentes gasosos • Através da adição de
através da lavagem dos calcário ao combustível
gases em uma corrente de
líquido alcalino • O enxofre é adsorvido no
calcário
• A água desse processo deve
ser analisada e se • Gera resíduos sólidos (NBR
necessário tratada antes de 10.004)
seu lançamento em rios e
• Calcário: Rocha com %
lagos (vide Resolução
(CaCO3) acima de 30%
CONAMA n. 357)

Emissão Combustão

Remoção SO2

 Lavador de gases

 Tratamento de água
de lavagem –
Resolução Conama
357/2005 (condições
padrões para
lançamento de
efluentes em corpos
hídricos

Emissão Combustão

Monóxido de Carbono

 Altamente tóxico, sem cor, odor e gosto, e
não irritante;
 Só pode ser detectado através de
instrumentos de análise
 Alguns efeitos fisiológicos que ocorrem a
pessoas expostas a diferentes
concentrações deste gás no ar:
 Vide tabela próximo slide

Emissão Combustão

Monóxido de Carbono

Tabela: efeitos fisiológicos do monóxido de carbono

Emissão Combustão

Óxidos de nitrogênio

 Os óxidos de nitrogênio (NOx) formados
durante o processo de combustão são
constituídos de aproximadamente 95% de
óxido nítrico (NO) e o restante de dióxido de
nitrogênio (NO2).

Emissão Combustão


 Principais alternativas para minimização
destas emissões:
 Utilização de combustíveis com baixo teor de
nitrogênio;
 Modificações no processo de combustão.
 Baixo excesso de ar;
 Recirculação dos gases de exaustão;
 Tratamentos pós-combustão.

Emissão Combustão


60

Emissão Combustão

 NO térmico (N2 e O2 do ar, T(°C) > 1500°C):
 N2 + O  NO + N
 N + O2  NO + O
 N + OH  NO + H
 NO ativo (N2 e O2 do ar, via radical CH, T ~ 800°C):
 CH + N2  HCN + N  ...  NO
 NO combustível (Carvão 1%, Biomassa > 7%):
 CxHyOzNw + O2  NO + HCN/NH3 ...
 NO via N2O térmico:
 N2 + O + M  N2O + M
 N2O + O2  NO + NO

Emissão Combustão


Redução dos teores de NOx:

 Tratamento pré e durante a combustão:
 Utilização de combustíveis com baixo teor de N.
 Combustão com baixo excesso de ar (até 15%)
 Combustão estagiada: 2 estágios (20 a 50%)
 Recirculação dos gases de exaustão (até 70%)
 Tratamentos pós-combustão
 Redução seletiva não-catalítica
 Redução seletiva catalítica (redução 80 a 90%)

Emissão Combustão


 Combustão com baixo excesso de ar:
 envolve a operação com o excesso de ar mais baixo
possível, mantendo-se a combustão completa. Nesse
caso, normalmente utiliza-se de 5 a 8% de excesso de
ar, obtendo-se reduções de até 15% nas emissões de
NOx. Essa diminuição nas emissões é devido à
iminuição na formação de NO térmico e combustível

Emissão Combustão


 Combustão estagiada:
 é o emprego de mais de um estágio de combustão.
Normalmente são dois estágios: primeiro estágio
utiliza condições ricas em combustível; segundo
estágio emprega excesso de ar. Diminuições entre 20
a 50% nas emissões de NOx podem ser esperadas
para a combustão do gás natural.

Emissão Combustão


 Recirculação dos gases de exaustão: 10 a 20% dos
gases de exaustão (200-300)°C são recirculados para
a fornalha ou queimador
 Diminuição na temp. da chama e da disponibilidade de
O2, diminuindo a formação de NO térmico (formado em
altas temp. pela reação entre o N2 e o oxigênio atômico
- O), ambos provenientes principalmente do ar de
combustão).
 Reduz a formação de NOx em até 70% em
queimadores a gás natural.

Emissão Combustão


Redução dos teores de NOx: (pós combustão)
 Redução seletiva não-catalítica (SNCR):
 NH3, ou uréia, é injetada acima da zona de
combustão, reagindo com OH a NH2, que então reage
com NO formando N2 e água. Necessita de altas
temperaturas (900-1100oC)

Emissão Combustão


Redução dos teores de NOx: (pós combustão)
 Redução seletiva catalítica (SCR):
 nessa técnica faz-se a injeção de NH3 quando os
gases de exaustão passam por um leito de
catalisador. A redução nas emissões de NOx é acima
de 80-90%. A temperatura ótima de operação fica
entre 300 – 400º C. SCR tem sido usada
comercialmente desde 1980 no Japão e 1986 na
Alemanha.

Emissão Combustão

Orgânicos Voláteis

Características
 São formados pela combustão incompleta do
combustível
 ou por parcelas do próprio combustível (PQOV)
 ou formados a partir dos radicais de hidrocarbonetos
não oxidados completamente
 No combustível: % de hidrocarbonetos totais
 % HC e o %CO podem ser utilizados com indicadores
de combustão completa (controle)

Emissão Combustão


Principais razões da formação dos HC totais nos
gases de combustão = CO e outros
Regra dos 3 Ts
 Turbulência - Mistura não homogênea entre
combustível e ar;
 Tempo - Má distribuição do tempo de residência
dos gases;
 Temperatura - Esfriamento da chama,
interrompendo as reações

Emissão Combustão


Principais - PQOV
 VOCs e SVOCs (volatile and semi volatlie
organic compoundse);
 PAH (polynuclear hydrocarbons);
 PCDDs (polyclorineted dibenzo para dioxins)
~75 isomeros - DIOXINAS
 PCFs (polyciclic dibenzofurans) ~135 isomeros -
FURANOS
 PCBs (polychlorinated biphenyls)

Emissão Combustão


Benzeno, Tolueno, Etilbenzeno e Xileno (BTEX)
 Encontram-se fortemente ligados às partículas
sólidas originadas dos processos de combustão

Emissão Combustão


Hidrocarbonetos poliaromáticos (HPA ou PAH)
 Encontram-se fortemente ligados às partículas
sólidas originadas dos processos de combustão
 São centenas de compostos contendo 2 a 8 anéis
carbônicos derivados do Benzeno;

Estrutura quimica do Benzo(a)pireno

Emissão Combustão


Dioxinas e Furanos
 Extremamente tóxicos, mutagênicos e carcinogênicos
mesmo em concentrações-traço (Chagger et al., 1998);
 São detectadas em todas as matrizes ambientais (solo,
sedimentos, água, animais e plantas);
 Formam-se através da combustão incompleta de
compostos orgânicos, entre temperaturas de 200 à
600°C;
 Toxicidade depende do número e das posições dos
átomos de cloro

Emissão Combustão


74

Emissão Combustão


75

Emissão Combustão

Aspectos Legais

 A RESOLUÇÃO nº382, de 26 de dezembro de 2006, do
Conselho Nacional do Meio Ambiente –CONAMA,
estabelece os limites máximos de emissão de poluentes
atmosféricos para fontes fixas.

Emissão Combustão

CONAMA 382

 Os limites máximos de
emissão para os óxidos de
enxofre, estabelecidos no
item 3 do Anexo I da
Resolução nº 382 é de 2.700
mg/Nm³ para a potência
térmica nominal de até 70
MW e de 1.800 mg/Nm³
acima de 70 MW, ambos
limites considerados em
base seca e 3% de excesso
de oxigênio. Óleo 1A com 2,7% de enxofre  emissão de 4.186 mg SO2/Nm³
Óleo 4A com 3,1% de enxofre  emissão de 4.836 mg SO2/Nm³
Óleo 1B com 0,7% de enxofre  emissão de 1.065 mg SO2/Nm³
Óleo 8B com 0,9% de enxofre  emissão de 1.387 mg SO2/Nm³

Onde Estudar a Aula de Hoje

Livro
• Química Tecnológica – Cengage
Learning

Apostila – UFSC
• Combustão e Combustíveis

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