EFICIÊNCIA EM PROCESSOS DE COMBUSTÃO À GÁS

Apresentação

Eng Wagner Branco

wagnerbranco@zetecambiental.com.br

Engenharia de Combustão

Diagnósticos energéticos.

Cursos e treinamentos em controle de

combustão industrial e emissões.

Medições e correções em sistemas de queima

a óleo combustível, gás, madeira, biomassa.

Engenharia Ambiental

Controle de emissões nos processos de combustão.

Treinamentos em detecção de gases tóxicos e

Inflamáveis.

Serviços de pesquisa de vazamentos de gás.

Consultoria para implantação de equipamentos

anti-poluentes.

Produtos para Controle de Combustão

Analisadores de gases de combustão.

Instrumentos para controle e medição de

temperatura e pressão.

Detectores de chama.

Produtos para tratamento de óleo combustível ,

óleo Diesel, biodiesel, carvão e biomassa.

Principais atividades da Zetec Tecnologia Ambiental

Zetec Tecnologia Ambiental Ltda Rua Cesar Marengo 34 – Campo Grande

04455-220 São Paulo SP

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Você conhece seu equipamento de queima?

. Como você controla a combustão?

. Qual é a capacidade térmica de seus equipamentos?

. Qual o volume de ar que entra pelos queimadores?

. Qual a melhor relação ar/combustível para seus queimadores?

. Como você controla a qualidade do combustível?

. Seus fornos ou caldeiras estão parametrizados?

. Qual o consumo específico em sua planta térmica?

Balanço de Massa e de Energia

nos Processos de Combustão

Primeiros passos para avaliação de eficiência

em um forno ou caldeira:

. Determinação das massas envolvidas.

. Determinação das entradas de energia.

. Determinação das saídas e perdas de energia.

COMBURENTE O2 + N2

(ar atmosférico)

COMBUSTÍVEL C + S + H2 + N + HC

Óleos dest. petróleo

Gases

Biomassa

PRODUTOS

DA

COMBUSTÃO

CO2

CO

H2O

N2

O2

SO2

NOx

HC

Cinzas

MP

BALANÇO DE MASSA DA COMBUSTÃO

PROCESSO

Produto final

Perdas de calor

ou de produto

Fluxo de energia em um forno

Balanço de massa e energia de uma caldeira

Qd

QU

QU

Qi

Qi

Qi

Quando compramos um combustível, nós compramos energia

Por este motivo , precisamos conhecer o valor energético do combustível,

e possuir um histórico de fornecimento, registrando suas características,

qualidade e corrigindo seus valores quando necessário para realização dos

balanços de massa e de energia.

Principais energéticos no Brasil

Combustível PCI

Bagaço de cana (50% umidade) 1.795 kcal/kg

Lenha (eucalipto 40% umidade) 2.600 kcal/kg

Serragem (20% umidade) 3.500 kcal/kg

Carvão mineral (Charqueadas – RS) 3.100 kcal/kg

Óleos pesados (1A, 2A) 9.400 a 9.650 kcal/kg

Óleo de xisto (Petrobrás Six) 9.700 kcal/kg

Gás natural (Gasbol) 8.650 kcal/m³

GLP (médio) 11.025 kcal/kg

Estes valores podem sofrer variações.

Combustível GN (m³)

GLP (kg)

BPF (kg)

LENHA (kg)

GN (m³) 1 0,79 0,92 3,55

GLP (kg) 1,26 1 1,17 4,50

BPF (kg) 1,08 0,85 1 3,83

LENHA (kg) 0,28 0,22 0,26 1

Tabela de equivalência de combustíveis

baseado no PCI

Ex: A lenha necessita de 4,5 kg para se equivaler à 1 kg de GLP

Capacidade térmica de um equipamento

Dado pela capacidade de consumo de energia térmica

Q = D . PCI

Onde:

Q = potencia térmica referente a vazão/consumo de combustível em kcal/h

D = Consumo de combustível por hora

PCI = poder calorífico do combustível (kcal/kg, kcal/m³)

Todos os cálculos de rendimento, eficiência de queima, são dados com base no

PCI de um combustível.

Expressar Q em MW ou em KW

Produção de Calor por Combustão

Correção do PCI

Q = mc . (PCI + cp + tc)

Onde: Q = energia da combustão mc = massa de combustível PCI = poder calorífico do combustível Cp = calor específico do combustível Tc = temperatura do combustível Calores típicos para cp : Combustíveis líquidos – 2,1 kJ/kg ºC GLP – 2,5 kJ/kg ºC Carvão – 1,3 kJ/kg ºC

Consumos Específicos

Unidade de energia consumida referida

à massa, quantidade de peças produzidas

ou outra unidade.

Alguns exemplos na indústria

Combustível Consumo específico (kcal/kg argila queimada)

Óleo BPF 525 – 750

GLP 409 – 535

Gás Natural 316 – 470

Lenha 400 - 783

Consumo específico na cerâmica estrutural

Valores de referência em alguns fornos

Forno Consumo específico (kcal/kg argila queimada)

Forno Túnel a G.N. 380

Forno túnel a lenha 400

Hoffman a G.N. 470

Hoffman a lenha 500

Reversível a G.N. 500

Reversível a lenha 750

Fornos de torrefação de café

Combustível Consumo específico

Gás natural 0,04 Nm³/kg café torrado

GLP 0,03 kg/kg café torrado

Fornos da indústria de cimento

Combustível Consumo específico

Gás natural 0,086 Nm³/kg de clínquer

Coque verde petróleo 0,105 kg/kg de clínquer

Óleo 7A 0,086 kg/kg de clínquer

Modo do fogão aceso Consumo de gás GLP

Fogo baixo 0,200 kg/h

Fogo médio 0,225 kg/h

Fogo alto 0,250 kg/h

Fonte: Liquigás Consumo pode variar conf. modelo fogão, fabricante

Consumo específico em fogão domestico, 4 bocas e forno convencional

Consumo específico em fornos a rolo – revestimento cerâmico

Combustível PCI Ƞ Produção

teórica de

vapor

GN 8.600 kcal/m³ 90% 10,5

GLP 11.025 kcal/kg 90% 13,7

BPF 9.650 kcal/kg 85% 11,9

LENHA

(40% umidade)

2.450 kcal/kg 65% 2,3

BAGAÇO CANA

(50% umidade)

1.725 kcal/kg 65% 2,0

Cálculo teórico da produção para uma caldeira com pressão de 10 kg/cm²,

água de alimentação a 80 ºC.

O que é o GLP?

Mistura gasosa de hidrocarbonetos obtidos pelo fracionamento do gás natural ou pela

destilação do petróleo.

Mistura de hidrocarbonetos leves e pesados

Butano - C4H10

Propano – C3H8

Impurezas: óleos condensáveis (oleínas)

Poder Calorífico Inferior : 25.282 kcal/Nm³ ou 11.025 kcal/kg

Dados do GLP para combustão com ar atmosférico

Necessidades de ar para combustão estequiométrica:

em massa: 17 kg ar/kg

em volume: 28 Nm³ ar / Nm³ gás

CO2 estequiométrico: 13,7%

Relação CO/CO2 = 0,000 (qualidade da mistura)

Dimensões de chama deve ser compatível com dimensões da fornalha.

Seleção de um queimador em função das dimensões de fornalha

Conversão de unidades

Normalmente, a potência térmica de um queimador a gás está expresso em KW.

KW – unidade de potência usada pela norma DIN

1 KW = 860 kcal

1 kcal = 3,968 BTU

1 KW = 0,736 CV

Dimensões de Fornalhas/Câmaras de Combustão

Carga de fornalha

Câmaras de Combustão – Fornalhas – Projeto

Requisitos de projeto:

. Deve possuir volume apropriado ao tipo e à quantidade de combustível a ser queimado.

. Dimensões compatíveis para evitar contato direto da chama com as paredes

ou com tubos d’água.

. Dimensões apropriadas para a grelha no caso de queima de combustíveis sólidos.

. Forma da câmara para favorecer e queima e garantir o fluxo regular dos

gases de combustão.

.Temperaturas compatíveis com o equipamento e com o próprio combustível

que se deseja queimar.

Carga térmica de fornalha é dada por:

Kcal

m³

Expressar a carga de fornalha em MW

Cf =

Volume de fornalha

Volumes pequenos

Pode ocorrer combustão parcial,

esbarros de chama nas paredes, altas

temperaturas, alta emissão de gases não queimados

material particulado, acelerada fadiga térmica.

Volumes grandes

Pode ocorrer temperaturas localizadas, má

distribuição de calor, baixa transferência de troca

térmica, alto consumo energético.

Projeto adequado

Cargas térmicas adotadas por alguns fabricantes nacionais de caldeiras

Caldeiras com capacidades de 2 a 30 ton/v a óleo pesado ou gás

Carga de fornalha típica entre 1,35 a 1,55 MW (1.333.000 kcal/m³)

O que representa um consumo de 154 m³GN/m³ de fornalha ou

140 kg de óleo combustível/m³ de fornalha.

Anomalias decorrentes de cargas térmicas elevadas

- Superaquecimentos

- Fluência

- Grafitização

-Trincas

Medida dos parâmetros/variáveis de operação

Roteiro para levantamento inicial das condições de combustão

1 – Determinação do consumo de combustível 2 – Capacidades térmicas

3 – Volumes de combustão (m³ fornalha) 4 – Superfícies de aquecimento

5 – Dimensões (chaminés, dutos) 6 – Vazão de queimadores

7 – Vazão de ar em ventiladores/exaustores

O que medir?

Controle da combustão

O2 + CO + CO2 + temp. gases exaustão

Controle de emissões

MP + NOx + SO2 + HC

Variáveis do processo

Temperatura de fornalha e de fundo. Pressão de fornalha, pressão de tiragem, pressão do

ar de combustão /gás/vapor de atomização. Vazão mássica ar/gases

Com o que medir?

Manômetro digital

Analisador fixo de oxigênio

Analisador de gases

Anemômetro

Transdutores

O que nos informam os gases da combustão?

O2 : excesso de ar utilizado na combustão.

CO2 : Taxa de conversão do carbono. O conteúdo de CO2 deve ser

próximo ao valor estequiométrico para baixos teores de

excesso de ar.

CO: Indica falta de ar, excesso de combustível, funcionamento

inadequado ou defeito de combustão. (combustão incompleta).

Eficiência na combustão e na transmissão de calor Controle visual da chama: evitar contato (incidência) da chama com paredes, Esbarros na fornalha, ponta chama no fundo de caldeiras ou aquecedores ou chama para fora da fornalha no caso de fornos. Adequar características do queimador e de chama ao processo. Controle pelos resultados: Controlar consumo específico, qualidade do material, qualidade vapor. Controle por instrumentos: Medir e controlar todas as variáveis do processo, como temperaturas, pressões,

Parâmetros da combustão

Problemas em instalações a gás:

a presença de CO no ambiente

Cálculo do rendimento de combustão pela

determinação das perdas de calor sensível.

Perda de Calor Através dos

Gases de Combustão

A perda de calor pelos gases da combustão se deve à:

Temperatura dos gases

Produtos de combustão parcialmente queimados

CO, HC, H2

Elemento combustível não queimado

Carbono

Excesso de ar aplicado

Determinação das perdas de calor sensível

nos gases da combustão

A1

Pgs = (Tgas – Tamb ) + B

CO2

onde:

Pgs = perdas de calor sensível nos gases da combustão

com base no PCI do combustível utilizado

Tgas = temperatura dos gases no duto de saída

Tamb = temperatura do ar de combustão/ambiente

A1/B = fatores característicos do tipo de combustível

CO2 = CO2 medido na chaminé

Combustível CO2 máx A1 B

Óleos pesados 15,8 0,5000 0,007

Gás natural 11,8 0,3700 0,009

GLP 14,0 0,4200 0,008

Rendimento de combustão

Dado por:

Ƞ = 100 – Pgs

Onde:

Ƞ = rendimento da combustão, % PCI

Pgs = Perda de calor sensível, % PCI

Perdas devida ao CO nos gases da combustão

Otimização dos processos de combustão

Caldeira Forno

Pré-ar X X

Economizador X

Controle de purgas X

Controle nível X

Pré-aquecimento de carga

X

Controle excesso de ar X X

Controle vazão de ar X X

Algumas ações que visam otimização energética

Agradeço a atenção de todos e me coloco à disposição.

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