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Combustão Industrial
JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS Professor Adjunto da Universidade Federal de Minas Gerais
Coordenador do Laboratório de Combustíveis e Combustão
Doutor em Engenharia Mecânica - Térmica (UFMG)
Doutor em Engenharia Aeronáutica - Energia (ITA)
Engenheiro Químico (UFMG)
www.mautone.eng.br mautone@demec.ufmg.br
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SUMÁRIO
INTRODUÇÃO A COMBUSTÃO
DEFINIÇÕES BÁSICAS
COMBUSTÍVEIS
CLASSIFICAÇÃO DE CHAMAS
REGIMES DE COMBUSTÃO
QUEIMADORES INDUSTRIAIS
EMISSÕES
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QUEIMADORES INDUSTRIAIS
Definições – Razão de redução de queima (turn-down ratio) é a capacidade de
operar além do valor mínimo de liberação de calor. Exemplo: 3/1 é
um queimador que pode operar a 3 vezes sua capacidade mínima.
Representa a flexibilidade do queimador.
– Ar primário é o ar diretamente misturado ao combustível.
– Ar secundário é o ar injetado na periferia do queimador e serve para
completar a queima, resfriar os gases de combustão e confinar a
chama numa região desejada.
– Retorno de Chama é o fenômeno causado quando a velocidade de
chama da mistura combustível é maior que a velocidade de injeção
da mistura no queimador.
– Sopro ou Descolamento de Chama ocorre quando a velocidade de
chama da mistura combustível é menor que a velocidade de injeção
da mistura no queimador. É o oposto do retorno de chama.
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QUEIMADORES INDUSTRIAIS
Tipos
– Queimadores de gás
Aspirante (tubo Venturi)
Queima Direta (válvula borboleta
ou ventaneiras operando por
convecção natural)
– Queimadores de líquidos
Injetor:
– Mecânico
– Vapor d’água
(para óleo combustível)
– Ar comprimido
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QUEIMADORES INDUSTRIAIS
Tipos
– Queimadores de líquidos
Tiragem natural ou forçada
– Queimadores combinados
Podem usar gás e/ou
combustível líquido
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QUEIMADORES INDUSTRIAIS
Tipos
– Queimadores de alta eficiência
• Baixa emissão de NOx
• Alta razão de mistura por
turbilhonamento
do ar (swirl).
• Recirculação de gases
queimados.
• Exige tiragem forçada.
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QUEIMADORES INDUSTRIAIS
Dimensionamento de queimadores – Capacidade de liberação de calor
– Razão de redução de queima
– Pressão de operação
– Pressão de alimentação de combustível, ar e fluidos
auxiliares (água, vapor ou ar comprimido)
– Razão de mistura ar/combustível(s)
– Consumo de fluidos auxiliares
– Distâncias mínimas entre queimadores e das paredes
(é função do comprimento e diâmetro da chama)
– Nível de ruído (<90 dB(A) é o ideal)
– Emissão de CO2 e NOx por kg de combustível
– Prever 20% mais capacidade que a nominal para
especificar o número de queimadores, visando
manutenção e sobrecarga do forno.
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QUEIMADORES INDUSTRIAIS
Intercambiabilidade de gases combustíveis – Um queimador pode operar com diferente gases, sem
necessitar grandes ajustes, desde que:
Não apresente retorno ou sopro de chama.
Manter o fluxo térmico do queimador.
Apresentar uma combustão eficiente.
Não aumentar as emissões de poluentes.
– O Índice de Wobbe (IW) é usado como critério desta
intercambiabilidade. O limite aceitável de diferença entre os índices é de E5%.
comb
W
PCSI
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QUEIMADORES INDUSTRIAIS
Intercambiabilidade de gases combustíveis – Outro índice é o Fator de Velocidade de Chama de
Weaver (S) que permite verificar se haverá
mudança de posição da chama.
– Outros métodos são: Múltiplos índices da
AGA e o Índice de Knoy
2Oinertes
i.combi
X8,18X511
BXS
s/cm275U
1paraU10011
U
UB
0
HL
0
L0
HL
0
iL
i
2
2
Gás Bi
Hidrogênio 339
CO 61
Metano 148
Etano 301
Propano 398
n-Butano 513
i-Butano 513
Pentano 600
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QUEIMADORES INDUSTRIAIS
Intercambiabilidade de gases combustíveis
– Outros métodos são: Múltiplos índices da AGA e o
Índice de Knoy
Weaver flame speed factor
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REGIMES DE COMBUSTÃO Combustão Laminar
Exemplo – Comparar o índice de Wobbe do metano
e do n-butano, a 1 atmosfera e 45 oC.
Exercício – Qual a
velocidade de queima do
CO em relação ao
hidrogênio?
Temperatura 45 oC 318,15 K
Pressão 1 atm 101325 Pa
Runiversal 8314 J/(kg.K)
Condições Normais
Temperatura 0 oC 273,15 K
Pressão 1 atm 101325 Pa
PM Ar 28,84 kg/kmol
Massa específica 1,2868 kg/m3
Caloria 4,18 Joule
PCS
(kcal/kg)
PCS
(kJ/kg)
PM
(kg/kmol)
Massa
Específica
(kg/Nm3)
PCS
(kJ/Nm3)
Massa
Específica
(kg/m3)
Densidade
Relativa ao
Ar
Índice
Wobbe
kJ/Nm3
Índice
Wobbe
kcal/Nm3
Metano CH4 13.249,0 55.380,8 16 0,7139 77.577,2 0,6129 0,4763 112.405,4 26.891,2
n-Butano C4H10 11.822,0 49.416,0 58 2,5878 19.095,6 2,2218 1,7266 14.532,2 3.476,6
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BIBLIOGRAFIA
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS. NBR 5484: Motores alternativos de
combustão interna de ignição por compressão
(Diesel) ou ignição por centelha (Otto) de
velocidade angular variável – Ensaio – Método de
ensaio. Rio de Janeiro, 1985.
BARROS, J. E. M. Estudo de Motores de
Combustão Interna Aplicando Análise Orientada a
Objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado,
Engenharia Mecânica, UFMG, 2003.
13
BIBLIOGRAFIA
BAUKAL Jr., C. E. Air-oxy/Fuel Burners. In:
Industrial Burners Handbook, BAUKAL Jr., C. E.
(ed.). Boca Raton: CRC Press, 2003.
COSTA, M. Combustão sem Chama Visível
(Flameless Combustion). Palestra, II Escola de
Combustão. São José dos Campos: RNC, 22-26
de Junho de 2009.
ESCOLA DE COMBUSTÃO em
http://redenacionaldecombustao.org/escoladecomb
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BIBLIOGRAFIA
GARCIA, R. Combustíveis e Combustão Industrial.
Rio de Janeiro: Interciência, 2002.
GLASSMAN, I. Combustion. New York: Academic
Press, 1977.
KUO K. K. Principles of Combustion. New York:
John Willey & Sons, 1986.
LEFEBVRE, A. Gas Turbine Combustion.
Philadelphia: Taylor&Francis, 1998.
LEVENSPIEL, O. Engenharia das Reações
Químicas. São Paulo: Edgar Blucher, vol. 2, 1974.
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BIBLIOGRAFIA
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http://redenacionaldecombustao.org/, jan/2011.
SHARMA, S. P. et MOHAN, C. Fuels and
Combustion. New Delhi: Tata McGraw-Hill, 1984.
SMITH, J. M. e VAN NESS, H. C. Introdução a
Termodinâmica da Engenharia Química. Rio de
Janeiro: Guanabara Dois, 3ª Ed.,1980.
STREHLOW, R. A. Combustion Fundamentals. New
York: McGraw-Hill, 1988.
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BIBLIOGRAFIA
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Concepts and Applications. Boston: McGraw-Hill,
2000.
WILLIAMS, F. A. Combustion Theory. New York:
Benjamin Cumings Pub., 1985.
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