eficiência em processos de combustão à gás

EFICIÊNCIA EM PROCESSOS DE
COMBUSTÃO À GÁS
Apresentação
Eng Wagner Branco
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Principais atividades da Zetec Tecnologia Ambiental
Engenharia de Combustão
Engenharia Ambiental
Produtos para Controle de Combustão
Diagnósticos energéticos.
Controle de emissões nos processos de combustão.
Analisadores de gases de combustão.
Cursos e treinamentos em controle de
combustão industrial e emissões.
Treinamentos em detecção de gases tóxicos e
Inflamáveis.
Instrumentos para controle e medição de
temperatura e pressão.
Medições e correções em sistemas de queima
a óleo combustível, gás, madeira, biomassa.
Serviços de pesquisa de vazamentos de gás.
Detectores de chama.
Consultoria para implantação de equipamentos
anti-poluentes.
Produtos para tratamento de óleo combustível ,
óleo Diesel, biodiesel, carvão e biomassa.
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.
BALANÇO DE MASSA DA COMBUSTÃO
Produto final
COMBURENTE
O2 + N2
(ar atmosférico)
PROCESSO
COMBUSTÍVEL
C + S + H2 + N + HC
Óleos dest. petróleo
Gases
Biomassa
Perdas de calor
ou de produto
PRODUTOS
DA
COMBUSTÃO
CO2
CO
H2O
N2
O2
SO2
NOx
HC
Cinzas
MP
Fluxo de energia em um forno
Balanço de massa e energia de uma caldeira
Qi
QU
Qd
Qi
QU
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
Lenha
(eucalipto 40% umidade)
Serragem
Óleos pesados
Óleo de xisto
Gás natural
(Charqueadas – RS)
2.600 kcal/kg
3.100 kcal/kg
9.400 a 9.650 kcal/kg
(1A, 2A)
(Petrobrás Six)
9.700 kcal/kg
8.650 kcal/m³
(Gasbol)
11.025 kcal/kg
(médio)
Estes valores podem sofrer variações
1.795 kcal/kg
3.500 kcal/kg
(20% umidade)
Carvão mineral
GLP
(50% umidade)
.
Tabela de equivalência de combustíveis
baseado no PCI
Combustível
GN
(m³)
GLP
BPF
(kg)
(kg)
LENHA
(kg)
GN
GLP
BPF
LENHA
(m³)
(kg)
(kg)
(kg)
1
0,79
0,92
3,55
1,26
1
1,17
4,50
1,08
0,85
1
3,83
0,28
0,22
0,26
1
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
Consumo específico na cerâmica estrutural
Combustível
Consumo específico
(kcal/kg argila queimada)
Óleo BPF
525 – 750
GLP
409 – 535
Gás Natural
316 – 470
Lenha
400 - 783
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
Gás natural
Consumo específico
0,086 Nm³/kg de clínquer
Coque verde petróleo
0,105 kg/kg de clínquer
Óleo 7A
0,086 kg/kg de clínquer
Consumo específico em fogão domestico, 4
bocas e forno convencional
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 fornos a rolo – revestimento cerâmico
Cálculo teórico da produção para uma caldeira com pressão de 10 kg/cm²,
água de alimentação a 80 ºC.
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
Combustível
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:
Cf =
Kcal
m³
Expressar a carga de fornalha em MW
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?
Anemômetro
Manômetro digital
Analisador de gases
Analisador fixo de oxigênio
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 =
Tgas =
Tamb =
A1/B =
CO2 =
perdas de calor sensível nos gases da combustão
com base no PCI do combustível utilizado
temperatura dos gases no duto de saída
temperatura do ar de combustão/ambiente
fatores característicos do tipo de combustível
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
Algumas ações que visam otimização energética
Caldeira
Forno
Pré-ar
X
X
Economizador
X
Controle de purgas
X
Controle nível
X
Pré-aquecimento de
Otimização dos
carga
processos de combustão
X
Controle excesso de ar
X
X
Controle vazão de ar
X
X
Agradeço a atenção de todos e me coloco à disposição.
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