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Aula da Disciplina Processos de Produção Quimcos, da Faculdade Area1 - Grupo DeVry - Tema: Combustão Industrial - Parte II
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Processo de
Produção
Química
1º. Sem./2011
Engenharias
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
Tópicos
3
Combustão
Processo Combustão
Gás Óleo Lenha
Caldeiras Flamotubulares
Gases de combustão passam através dos tubos
4
Combustão
Processo Combustão
Caldeiras Aquatubulares
Água passa através dos tubos
5 5
Combustão
Processo Combustão
Combustível
C + HC + S +
H2 + N
Cinzas
(comb. sólidos)
Gases residuais
(fumos)
Comburente
Ar atmosférico
(O2 + N2)
Combustão
• C + O2 CO2
• H2 + ½ O2 H2O
• CO2 (g)
• CO (g)
• N2 (g)
• O2 (g)
• SO2 (g)
• NOx (g)
• H2O (v)
Análise
Orsat
Partículas sólidas
(poeira)
+
Hidrocarbonetos
pesados
6 6
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
7 7
Combustão
Processo Combustão
De modo geral a reação acontece em “fase
gasosa”
Combustível líquido
Pulverizado ou
evaporado Vapor + O2
Combustível sólido
Interface sólido-gás
Difusão O2 até
superfície
8 8
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
9 9
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
10 10
Combustão
Tipos de Combustão
Combustão
Incompleta
Combustão
Completa
11 11
Combustão
Tipos de Combustão
Depende da relação (combustível / O2)
Incompleta CH4 + 2/3 O2 CO + 2H2O
CH4 + O2 C + 2H2O
Insuficiência de
O2
Teoricamente
completa
CH4 + 2 O2 CO2 + 2H2O
Quantidade
estequiométrica
de O2
Praticamente
completa CH4 + 2 O2 CO2 + 2H2O
Excesso de O2
12 12
Combustão
Eficiência da Combustão
Tipo de combustível
Eficiência do queimador
Condições operacionais da
combustão (excesso de ar)
13 13
Combustão
Eficiência da Combustão
5 a 30%
20 a 40%
30 a 100%
excesso de ar
14 14
Combustão
Comburente
Componentes - AR %
Nitrogênio 78,03
Oxigênio 20,99
Argônio 0,94
Dióxido de carbono 0,03
Hidrogênio 0,01
Neônio 0,00123
Hélio 0,0004
Criptônio 0,00005
Xenônio 0,000006
Na prática:
Comburente (O2) 20,99%
Gases inertes (N2 e gases nobres) 79,01%
Nos Cálculos (ar seco):
Oxigênio (O2) massa molar = 32 21,0% p/v
Nitrogênio (N2) massa molar = 28 79,0% p/v
Oxigênio (O2 23,2% p/p (em peso)
Nitrogênio (N2) 76,8% p/p (em peso)
15 15
Combustão
Eficiência da Combustão
Avaliação do Rendimento da Combustão
Se a composição do combustível e dos produtos de sua combustão são medidos, o rendimento da combustão pode ser calculado;
A quantidade teórica de ar para a combustão completa e a composição estequiométrica dos produtos combustíveis são calculados e comparados com a composição real obtida pela análise dos gases de combustão
16 16
Combustão
Eficiência da 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.
17 17
Combustão
Eficiência da 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.
18
Combustão
Eficiência da Combustão
Cálculo da % de ar em excesso
𝐸𝑥𝑐. 𝑎𝑟 =20,9
20,9 − %𝑂2 𝑚𝑒𝑑 − 1𝑥100
19 19
Combustão
Eficiência da Combustão
Eficiência máxima = % correta de ar excesso
Diminui eficiência e o ar extra “roubará” calor se aquecendo
Combustão incompleta gases residuais “roubarão” calor latente
% correta
de excesso
de ar
20 20
Combustão
Eficiência da Combustão
Identificação % correta de ar excesso
Reconhecido pela grande quantidade de oxigênio no gás de combustão
Reconhecido pelo aparecimento de quantidades excessivas de CO no gás de combustão, um pouco antes do aparecimento da fumaça preta (fuligem)
% correta
de excesso
de ar
21
Combustão
Controle da Combustão
Controle visual
• Técnica requer experiência operacional para observação. Operadores devem possuir o sentido e comando do fogo e o controle da queima é feito através da observação:
• da densidade da fumaça no topo da chaminé
• da cor, do aspecto e forma da chama
Controle instrumental
• Consiste de técnicas de medição dos parâmetros de operação como:
• medição das temperaturas do processo, pressões de ar dos ventiladores, das câmaras de combustão, da tiragem
• indicação de vazões de ar ou de combustível
• medição dos produtos da combustão – O2, CO, CO2
Controle pelos resultados
• Avaliação dos resultados pela contabilidade dos consumos específicos, como:
• vazão de vapor x cons. de combustível
• quantidade de material processado x consumo de combustível
• qualidade do material processado, etc
22
Combustão
Controle da Combustão
23
Combustão
Controle da Combustão
24
Combustão
Controle da Combustão
25
Combustão
Controle da Combustão
26 26
Combustão
Controle da Combustão
Análise gases
residuais
verifica se a combustão esta com % ar excesso
correto
Aparelho de Orsat
27 27
Combustão
Controle da Combustão
% 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
Análise de Orsat (absorção seletiva)
Base seca (sem vapor d’água)
28 28
Combustão
Controle da 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.
Combustão
Eficiência da 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.
33
Combustão
Produtos da Combustão
34 34
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
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
Técnicas de Redução
46 46
Emissão Combustão
Material Particulado
Cinzas (óxidos inorgânicos, CaO, Al2O3, K2O, etc.);
% cinzas - determinado pela combustão completa
da amostra
Maior em combustíveis sólidos
Óleos combustíveis pesados até 0,1%
Cinzas
47 47
Emissão Combustão
Material Particulado
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
Fuligem
Emissão Combustão
Material Particulado
Técnicas para redução dessas emissões:
Aerociclones
Preciptador eletrostático
Lavador de gases
Emissão Combustão
Material Particulado
Bateria de aerociclones
baixo custo e alta perda de carga
Emissão Combustão
Material Particulado
Preciptador Eletrostático
Tipo horizontal de 1 estágio
Eficiência alta > 99%
Entrada de
ar
Emissão Combustão
Material Particulado
Preciptador Eletrostático
Tipo vertical
Emissão Combustão
Material Particulado
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
• Remoção efluentes gasosos através da lavagem dos gases em uma corrente de líquido alcalino
• A água desse processo deve ser analisada e se necessário tratada antes de seu lançamento em rios e lagos (vide Resolução CONAMA n. 357)
Combustão leito fluidizado
• Através da adição de
calcário ao combustível
• O enxofre é adsorvido no
calcário
• Gera resíduos sólidos (NBR
10.004)
• Calcário: Rocha com %
(CaCO3) acima de 30%
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
Óxidos de nitrogênio
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.
60
Emissão Combustão
Óxidos de nitrogênio
Emissão Combustão
Óxidos de nitrogênio
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
Óxidos de nitrogênio
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
Óxidos de nitrogênio
Redução dos teores de NOx:
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
Óxidos de nitrogênio
Redução dos teores de NOx:
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
Óxidos de nitrogênio
Redução dos teores de NOx:
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
Óxidos de nitrogênio
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
Óxidos de nitrogênio
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
Orgânicos Voláteis
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
Orgânicos Voláteis
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
Orgânicos Voláteis
Benzeno, Tolueno, Etilbenzeno e Xileno (BTEX)
Encontram-se fortemente ligados às partículas
sólidas originadas dos processos de combustão
Emissão Combustão
Orgânicos Voláteis
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
Orgânicos Voláteis
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
74
Emissão Combustão
Orgânicos Voláteis
75
Emissão Combustão
Orgânicos Voláteis
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
78
Onde Estudar a Aula de Hoje
Livro
• Química Tecnológica – Cengage
Learning
Apostila – UFSC
• Combustão e Combustíveis
79
Contato
79