COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO

1. COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO Em Fornos e Caldeiras Frederico Maia Brandão

2. INTRODUÇÃO • O homem primitivo para retirar o seu sustento da natureza, utilizou no início, sua força muscular. Com o decorrer dos tempos, e para diminuir seu esforço, passou a substituir a força muscular pela utilização de animais. • Sempre com o objetivo de obter maior produção com menor esforço, aperfeiçoou os meios de subsistência e conforto. • Descobre-se a utilização da ENERGIA como proporcionadora de maior quantidade de trabalho em menor tempo e como substituto do esforço físico e animal.

3. ENERGIA Conceitos e fundamentos • Das mais diversas maneiras, a energia está presente em nosso dia a dia. • Aristoteles no século IV A.C. definiu energia como: “Uma realidade em movimento” • Termodinâmica no século XIX : “Energia é a medida da capacidade de efetuar trabalho” • James Clerk Maxwell(1831-1879) propôs a definição: “ Energia é aquilo que permite uma mudança na configuração de um sistema, em oposição a uma força que resiste à esta mudança”

4. FORMAS DE ENERGIA • A energia inicialmente utilizada foi a dos ventos,da água e do Sol. • Posteriormente, utilizou-se a enérgia térmica, elétrica e motriz. • Recentemente , o homem passou a utilizar a energia nuclear(atômica). FISSÃO Nêutron FUSÃO E = mc2(Einstein) Núcleo de hélio c=3x108m/s H He + Energia + Energia U H Pu Núcleo de hidrogênio Átomo de Urânio

5. ENERGIA TÉRMICA • Dependendo das reações químicas e da liberação de energia acumulada na forma de ligações entre átomos e moléculas, a energia química apresenta grande interesse por sua vasta aplicação. Um grande exemplo é a ENERGIA DOS COMBUSTÍVEIS, que é na realidade, energia química de ligação. • Sua aplicação típica associa-se aos processos de combustão nos motores, fornos e caldeiras, onde a energia química de materiais como gasolina, álcool, óleo combustível, lenha etc., é convertida em energia térmica, na forma de gases sob altas temperaturas.

6. PROCESSOS DE CONVERSÃO ENERGÉTICA • Independente dos sistemas considerados e as formas de energia envolvidas, todos os processos de conversão energética são regidos por duas leis físicas fundamentais. ENERGIA TÉRMICA RADIAÇÃO ENERGIA QUÍMICA ENERGIA NUCLEAR ENERGIA TÉRMICA INTERNA ENERGIA MECÂNICA ENERGIA ELÉTRICA

7. LEIS FÍSICAS DA CIÊNCIA ENERGÉTICA • 1a – LEI DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA- 1a LEI DA TERMODINÂMICA(1840 por Joule e Meyer) “A energia não se cria nem se destrói” Eentra = Esai + Esistema

8. LEIS FÍSICAS DA CIÊNCIA ENERGÉTICA • 1a LEIDA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA Eútil Sistema energético Econsumida (Aporte de energia) Perdas • Baseia-se nessa lei o conceito de desempenho ou eficiência energética de um sistema: energ = Eútil = Econsumida – Perdas = 1 - Perdas Econsumida Econsumida Econsumida

9. LEIS FÍSICAS DA CIÊNCIA ENERGÉTICA • 2a LEIDA DISSIPAÇÃO DA ENERGIA - 2a LEI DA TERMODINÂMICA • Em todos os processos de conversão energética, sempre deve existir uma parcela de energia térmica como produto, ou seja existem inevitáveis perdas térmicas nos processos energéticos. • Além das perdas decorrentes das limitações tecnológicas e econômicas dos sistemas reais, tais como isolamentos térmicos imperfeitos, atrito, perdas de carga e inércias, entre outras. Ciclos térmicos de potência: rever = 1 – T2/ T1

10. RECURSOS ENERGÉTICOS • Denominam-se recursos energéticos as reservas ou fluxos de energia disponíveis na Natureza e que podem ser usados para atender às necessidades humanas. • Petróleo • Carvão mineral • Turfa • Recursos fósseis • Xisto betuminoso Energias finitas • Gás natural • Urânio e Tório(Energia atômica)

11. RECURSOS ENERGÉTICOS • Energia solar • Energia hidraulica(rios) • Energia eólica(ventos) • Recursos Renováveis • Energia das ondas do mar A utilização inadequada de potenciais energéticos renováveis pode determinar a sua exaustão • Energia de biomassa(lenha,cana) • Energia geotérmica Taxa de renovação sustentável para florestas tropicais é da ordem de 15 tep/hec/ano

12. ENERGIA E MEIO AMBIENTE Com o homem e a sua atividade industrial apareceu a poluição ambiental. A rápida industrialização e urbanização dos países em desenvolvimento têm levado a um aumento severo da poluição das águas, altos níveis de concentração de poluentes no ar, aumento da quantidade de resíduos sólidos urbanos e ainda a devastação de reservas florestais e esgotamento das possibilidades de renovação dos insumos básicos para o homem. DEGRADAÇÃO DO MEIO AMBENTE

13. ENERGIA E MEIO AMBIENTE “È a degradação do ambiente, mudanças do ar, águas ou solo ue afetam a saúde e a sobrevivência ou as atividades do homem e outros organismos vivos” POLUIÇÃO A produção de energia tem grande influencia sobre o meio ambiente Desmatamento pelo alto consumo de lenha 1 Emissão de poluente, produtos da combustão de combustíveis fósseis(CO2, NO2, SOx , Nox, Cx Hx, particulados, etc.). 2

14. CONSUMO MUNDIAL DE ENERGIA NO SÉCULO XX 300 200 Consumo Annual ExaJoules(Exa=1018) 100 1900 1920 1940 1960 1980 2000

15. CONSUMO E RESERVAS • DE ENERGIA NO MUNDO

16. CONTRIBUIÇÃO DAS FONTES DE ENERGIA NO MUNDO

17. CONTRIBUIÇÃO DAS FONTES DE ENERGIA NO BRASIL

18. RESERVAS ENERGÉTICAS BRASILEIRAS 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 RESERVAS EM MILHÕES DE tep TURFA PETRÓLEO GÁS NATURAL GÁS DE XISTO ÓLEO DE XISTO CARVÃO MINERAL ENERGIA NUCLEAR ENERGIA HIDRAULICA 1 tep libera 41868 MJ(106J) = 10.000Mcal

19. RESERVAS ENERGÉTICAS MUNDIAIS 39,0 1053,1 (109 Barris) 146,4 (1012m3) 63,7 1039,2(109 tons) 236,0 O carvão mineral será o combustível mais utilizado nos próximos 200 anos. Porém é entre os combustíveis fósseis o mais poluente.

20. RESERVAS ENERGÉTICAS MUNDIAIS

21. CO2 SOx SOx SOx NOx NOx NOx CO2 NOx NOx SOx CO2 Particulados CO2 SOx CO2 CHUVA ÁCIDA POLUIÇÃO DO AR EFEITO ESTUFA EMISSÃO DE POLUENTES PARA ATMOSFERA

22. COMBUSTÍVEIS COMBUSTÍVEL FONTE DE ENERGIA CALORÍFICA SUBSTÂNCIA A CALOR + SUBSTÂNCIA B = REAÇÃO QUÍMCA EXOTÉRMICA POIS LIBERA CALOR COMBUSTÍVEL + OXIGÊNIO = CALOR + LUZ

23. COMBUSTÍVEIS INDUSTRIAIS CONDIÇÕES : • DISPONIBILIDADE– EXISTA EM GRANDES UANTIDADES E • FACIILIDADE DE OBTENÇÃO • BAIXO CUSTO– PREÇO ACESSÍVEL NO LOCAL DE CONSUMO E BAIXO CUSTO DE OPERAÇÃO • APLICABILIDADE– SE OBTENHA COMBUSTÃO COM OS • RECURSOS EXISTENTES E FACILIDADE DE USO • MANUSEABILIDADE– SEGURANÇA NO ARMAZENAMENTO E TRANSPORTE • RENDIMENTO– PODER CALORÍFCO NÃO MUITO BAIXO

24. CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS LENHA MADEIRA CAVACO TURFA SERRAGEM NATURAIS LINHITO HULHA ANTRACITO SÓLIDOS CARVÃO VEGETAL ARTIFICIAIS COQUE DE CARVÃO COQUE DE PETRÓLEO BRIQUETES PETRÓLEO NATURAIS ÓLEO DE XISTO LÍQUIDOS DERIVADOS DO PETRÓLEO ALCATRÃO ARTIFICIAIS ALCOOL

25. CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS GÁS NATURAL NATURAIS HIDROGÊNIO GASOSOS GÁS LIQUEFEITO DE PETRÓLEO(GLP) GÁS DE COQUERIA(SIDERURGICAS) ARTIFICIAIS GÁS DE ALTO FORNO(SIDERURGICAS) GÁS DE ÁGUA(UTILIZANDO CARVÃO) GÁS DE GASOGÊNIO A maioria dos combustíveis mostrados acima é usada para a queima em fornos e caldeiras

26. CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS LENHA LENHA MADEIRA CAVACO TURFA SERRAGEM NATURAIS LINHITO HULHA ANTRACITO SÓLIDOS CARVÃO VEGETAL ARTIFICIAIS COQUE DE CARVÃO COQUE DE PETRÓLEO BRIQUETES PETRÓLEO NATURAIS ÓLEO DE XISTO LÍQUIDOS DERIVADOS DO PETRÓLEO ALCATRÃO ARTIFICIAIS ALCOOL

27. LENHA Poder calorífico de lenha seca com 20% de umidade: PCS - 2.500 a 3.500 kcal/kg É O COMBUSTÍVEL MAIS ANTIGO E AINDA EM USO

28. CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS LENHA CAVACOS E SERRAGENS MADEIRA CAVACO TURFA SERRAGEM NATURAIS LINHITO HULHA ANTRACITO SÓLIDOS CARVÃO VEGETAL ARTIFICIAIS COQUE DE CARVÃO COQUE DE PETRÓLEO BRIQUETES PETRÓLEO NATURAIS ÓLEO DE XISTO LÍQUIDOS DERIVADOS DO PETRÓLEO ALCATRÃO ARTIFICIAIS ALCOOL

29. CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS LENHA MADEIRA CAVACO TURFA SERRAGEM NATURAIS LINHITO CARVÃO VEGETAL HULHA ANTRACITO SÓLIDOS CARVÃO VEGETAL ARTIFICIAIS COQUE DE CARVÃO COQUE DE PETRÓLEO BRIQUETES PETRÓLEO NATURAIS ÓLEO DE XISTO LÍQUIDOS DERIVADOS DO PETRÓLEO ALCATRÃO ARTIFICIAIS ALCOOL

30. CARVÃO VEGETAL Poder calorífico do carvão vegetal: PCS – 7.200 a 7.500 kcal/kg 1m3 1m3 2m3 1m3

31. CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS LENHA MADEIRA CAVACO TURFA SERRAGEM NATURAIS LINHITO HULHA HULHA ANTRACITO SÓLIDOS CARVÃO VEGETAL ARTIFICIAIS COQUE DE CARVÃO COQUE DE PETRÓLEO BRIQUETES PETRÓLEO NATURAIS ÓLEO DE XISTO LÍQUIDOS DERIVADOS DO PETRÓLEO ALCATRÃO ARTIFICIAIS ALCOOL

32. HULHA(CARVÃO DE PEDRA) importado nacional Poder calorífico do carvão de pedra : PCS – 7.000 a 7.500 kcal/kg(importado) 5.000 a 7.000 kcal/kg(nacional)

33. CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS LENHA MADEIRA CAVACO TURFA SERRAGEM NATURAIS LINHITO HULHA ANTRACITO SÓLIDOS CARVÃO VEGETAL ARTIFICIAIS COQUE DE CARVÃO COQUE DE PETRÓLEO PETRÓLEO BRIQUETES PETRÓLEO NATURAIS ÓLEO DE XISTO LÍQUIDOS DERIVADOS DO PETRÓLEO ALCATRÃO ARTIFICIAIS ALCOOL

34. PETRÓLEO Originou-se de restos de plantas e animais marinhos que se acumularam no fundo de antigos mares e foram soterrados sofrendo um processo de decomposição por pressao formando o petróleo. COMBUSTÍVEIS DERIVADOS Obtidos da destilação fracionada do petróleo

35. CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS LENHA MADEIRA CAVACO TURFA SERRAGEM NATURAIS LINHITO HULHA ANTRACITO SÓLIDOS CARVÃO VEGETAL ARTIFICIAIS COQUE DE CARVÃO COQUE DE PETRÓLEO COQUE DE PETRÓLEO BRIQUETES PETRÓLEO NATURAIS ÓLEO DE XISTO LÍQUIDOS DERIVADOS DO PETRÓLEO ALCATRÃO ARTIFICIAIS ALCOOL

36. COQUE DE PETRÓLEO importado Poder calorífico do coque : PCS – 6.000 a 7.500 kcal/kg(importado)

37. CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS LENHA MADEIRA CAVACO TURFA SERRAGEM NATURAIS LINHITO HULHA ANTRACITO SÓLIDOS CARVÃO VEGETAL ARTIFICIAIS COQUE DE CARVÃO COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS ARTIFICIAIS COQUE DE PETRÓLEO GASOLINA QUEROSENE ÓLEO DIESEL ÓLEO COMBUSTÍVEL BRIQUETES PETRÓLEO NATURAIS ÓLEO DE XISTO LÍQUIDOS DERIVADOS DO PETRÓLEO ALCATRÃO ARTIFICIAIS ALCOOL

38. ÓLEO COMBUSTÍVEL importado Poder calorífico do óleo combustível : PCS – 8.000 a 9.500 kcal/kg

39. CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS GÁS NATURAL GÁS NATURAL NATURAIS HIDROGÊNIO GASOSOS GÁS LIQUEFEITO DE PETRÓLEO(GLP) GÁS DE COQUERIA(SIDERURGICAS) ARTIFICIAIS GÁS DE ALTO FORNO(SIDERURGICAS) GÁS DE ÁGUA(UTILIZANDO CARVÃO) GÁS DE GASOGÊNIO

40. GÁS NATURAL COMPOSIÇÃO DO GÁS NATURAL úmido seco

41. CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS GÁS NATURAL NATURAIS HIDROGÊNIO GLP GASOSOS GÁS LIQUEFEITO DE PETRÓLEO(GLP) GÁS DE COQUERIA(SIDERURGICAS) ARTIFICIAIS GÁS DE ALTO FORNO(SIDERURGICAS) GÁS DE ÁGUA(UTILIZANDO CARVÃO) GÁS DE GASOGÊNIO

42. GLP - GÁS LIQUEFEITO DE PETRÓLEO COMPOSIÇÃO DO GLP

43. DENSIDADE RELATIVA Densidade absoluta ou massa específica = massa/volume = kg/cm3 Densidade absoluta do ar atmosférico = 1,293 kg/cm3 Densidade relativa de um gás é: A relação de massa deste gás e a massa de igual volume de ar atmosférico nas mesmas condições de temperatura e pressão.

44. PODER CALORÍFICO 1 caloria Eleva de 1OC 1g de água 1g de água a 14,5 OC 1g de água a 15,5 OC 1000 calorias Eleva de 1OC 1kg de água 1kg de água a 15,5 OC 1kg de água a 14,5 OC Um combustível com 8000 kcal/kg de poder calorífico CALOR de 8000 kcal Eleva de 1OC 8.000 kg de água Eleva de 10OC 800 kg de água Eleva de 100OC 80 kg de água

45. COMPARAÇÃO DE COMBUSTÍVEIS À primeira vista, a comparação de combustíveis pelo seu poder calorífico seria uma forma real Poder calorífico do óleo = 10.300 kcal/kg Poder calorífico da lenha = 2.500 kcal/kg 1 tonelada de óleo corresponde a 10.300/2.500 = 4,12 toneladas de lenha Considerando 1tonelada de lenha = 2,5 m3 1 tonelada de óleo corresponde a 10,3 m3 de lenha • Quando se faz comparações entre combustíveis deve-se levar em consideração vários fatores, que pesam na avaliação. • Nem todos os combustíveis dão o mesmo rendimento quando queimam Caldeiras Fornos

46. COMPARAÇÃO DE COMBUSTÍVEIS • A razão de melhor eficiência em caldeiras do que em fornos resulta mais das condições de queima num e noutro equipamento. • Numa comparação de combustíveis deve ser levado em consideração este fator, e efetuando-se testes nos equipamentos. • No caso da lenha considerando-se um eficiência de 50%, somente 1.250 kcal das 2.500 kcal serão aproveitadas. • Os combustíveis sólidos quando queimam, perdem eficiência. Geralmente estes combustíveis queimam sobre grelhas ou em suspensão na fornalha. Resulta daí: 1. Há sempre excesso ou deficiência de ar, pois é praticamente impossível balancear a quantidade de combustível introduzida na fornalha, mesmo sob a forma de pó, com a quantidade de ar estritamente necessária para a combustão 2. O excesso de ar é quase necessário para que o combustível seja todo queimado , não é fora do normal um excesso de ar de 100% 3. No caso de uso de grelhas, parte do combustível se escapa para o cinzeiro, onde acaba a combustão. Peneirando-se as cinzas de um cinzeiro pode-se avaliar a quantidade de combustível perdido.

47. COMPARAÇÃO DE COMBUSTÍVEIS 4. É comum, a alimentação manual dos combustíveis sólidos nas fornalhas e, neste caso, cada vez que se abrem as portas para alimentação, uma considerável quantidade de ar frio penetra na câmara de combustão e grande quantidade de calor é perdida por irradiação. 5.Quantidades excessivas de combustível são introduzidas nas fornalhas, formando camadas que impedem a entrada de ar e produzindo combustão incompleta. Assim quando se comparam combustíveis diferentes deve ser levado em consideração a eficiência de combustão 1 m3 de lenha = 400kg a 2.500 kcal/kg com 50% de eficiência 1 tonelada de óleo a 10.300 kcal/kg com 80% de eficiência 1 tonelada de óleo = 10.300x1000x80 = 16,5 m3 de lenha 2.500x400x50

48. PODER CALORÍFICO PODER CALORÍFICO SUPERIOR kcal/kg COMBUSTÍVEL Lenha (20% umidade) 2.500-3000 Serragem, serragens 2.500 Carvão de pedra(estrangeiro) 7.000-7500 Carvão de pedra(nacional) 5.000-7.000 Carvão vegetal(1a qualdade) 7.500 Coque 6.000 Antracito 8.500 Linhito(8% umidade) 4.500 Turfa 2.500 Casca de semente de algodão 2.800 Casca de semente de amendoin 3.200

49. PODER CALORÍFICO PODER CALORÍFICO SUPERIOR kcal/kg COMBUSTÍVEL Torta de óleo de algodão 4.500 Torta de óleo de mamona 4.500 Torta de óleo de oiticica 5.000 Bagaço de cana(40% de umidade) 2.300 Resíduos de couro 2.000 Resíduos de borracha 4.000 Alcool etílico 7.200 Hidrogênio 34.500 Metano 12.900 Propano 11.950 Butano 11.800

50. PODER CALORÍFICO PODER CALORÍFICO SUPERIOR kcal/kg COMBUSTÍVEL Gasolina 11.000 Querosene 10.800 Óleo diesel 10.600 Óleo combustível especial(no4) 10.500 Óleo combustível BPF(fuel oil) 10.300-10.600 Acetileno 9.800 Gás natural 12.800 Gás de água(gasogênio) 3.000 Gás de alto forno 700 Monóxido de carbono(gasogênio) 3.000