Conceitos básicos sobre combustão

Por Eng. Harald Blaselbauer

O conteúdo deste artigo não necessariamente reflete a opinião da Anicer e é de responsabilidade de seu autor.

O aumento por demandas de fontes para produção de calor em processos industriais, especialmente as cerâmicas vermelhas que há vinte ou trinta anos utilizavam os derivados de petróleo, foram sendo gradualmente substituídos por fontes sustentáveis e menos poluentes. As cerâmicas vermelhas que em 1990 ainda utilizavam o óleo BPF para queima em fornos túneis, hoje utilizam em sua maioria o pó de serra, resíduo fornecido por fábricas de móveis.

As demais cerâmicas utilizam toras ou cavaco picado de madeira, com elevados teores de umidade, em média de 40 a 45 %.

A concorrência direta com as empresas de papel e celulose pela biomassa, fez com que os preços dispararam nos últimos 36 meses, transformando este insumo no maior custo para o segmento.

A escassez sempre foi a mola impulsionadora para a procura de alternativas energéticas viáveis.

Em 2008 desenvolvemos sopradores especiais para a captação de biogás produzido na decomposição de material orgânico no aterro sanitário de Caieiras – SP, conectados a tubulações de ate 3 km de extensão, eliminando através da incineração. Posteriormente foi implementada uma unidade de transformação em biogás que alimenta geradores de energia elétrica, atualmente com uma capacidade de 29.5 Mw/h.

Atualmente nos associamos a empresas europeias e desenvolvemos a tecnologia de produção e purificação do biogás transformando – em Biometano aplicáveis em aterros sanitário e estações para tratamento de esgoto.

Outra forma de aumentar a eficiência do processo de queima é a instalação de monitoramento eletrônico da combustão que mistura quantidade de combustível e ar de combustão de forma contínua para a redução de consumo de biomassa em ate 25 %.

O que é combustão?

A combustão é um conjunto de reações químicas com objetivo primário de produzir calor para processos industriais, ou seja, são reações exotérmicas que liberam calor através da oxidação de determinados elementos químicos, e que são oxigênio dependentes, ou seja, só ocorrem na presença de oxigênio. A eficiência da combustão determina a liberação de quantidades em função das características do combustível, das condições da câmara de queima e da integração entre o oxigênio e o combustível.

Quais são os elementos químicos que liberam calor na combustão?

Carbono, Hidrogênio e Enxofre.

Na natureza os combustíveis disponíveis apresentam em sua composição, predominância de hidrogênio e carbono, por isto são chamados hidrocarbonetos. Alguns hidrocarbonetos como o carvão mineral de determinadas regiões do sul do Brasil, apresentam altos teores de enxofre, que apesar de liberar energia térmica ao ser oxidado, produz compostos que se combinam com a água e o próprio oxigênio formando ácido sulfúrico e seus derivados, altamente nocivos e que provocam a acidificação das chuvas e do solo, danificando o ambiente, por isso, seu uso deve ser reduzido, preferencialmente eliminado.

Observamos que o carvão mineral, especialmente proveniente do Estado de Santa Catarina apresenta percentuais elevados de enxofre de até 3,2 % em peso, portanto, limita-se sua utilização em função desta característica.

Em cada tonelada de carvão mineral há 32 kg de enxofre, que se hidrolisam formando em seu ciclo final, o ácido sulfúrico ( H₂SO4) por tanto cada kg de enxofre presente no combustível irá gerar uma massa de ácido sulfúrico de até 183 Kg, ou seja, para cada kg de enxofre presente nas reações de combustão formam-se na atmosfera 5,7 Kg de ácido sulfúrico.

Um exemplo, foi detectado em um polo cerâmico brasileiro, com a acidificação das chuvas pela utilização frequente de carvão mineral, fazendo com que os órgãos ambientais intensifiquem a fiscalização proibindo a sua utilização.

A composição de hidrocarbonetos utilizados como combustíveis apresentam composições variáveis de hidrogênio e carbono onde no topo da escala da tabela temos:

É fundamental conhecer as reações de combustão e suas consequências, observando que cada componente químico apresenta mecanismos específicos de oxidação e liberação de calor.

Ao definirmos uma escala de valores decrescentes, podemos relacionar que o componente com maior poder calorífico é o hidrogênio e o de menor é o carbono (carvão) conforme a tabela acima.

Os gases apresentam condições de combustão mais favoráveis pela integração do combustível e do comburente, ao passo que nos combustíveis sólidos esta relação é menor, portanto, a qualidade da combustão também é inferior.

A maioria das cerâmicas vermelhas utiliza como fonte de energia térmica a madeira de eucalipto reflorestado, processada sob a forma de toras ou fragmentadas em: cepilhos, cavacos ou pó, permitindo a alimentação dosada por sistemas mecânicos, automatizando o sistema, dispensando mão de obra.

Para cerâmicas com fornos túneis o combustível mais adequado é o pó de serra, obtido por duas formas:

• Captação de pó de serra, resíduo produzido nas várias fases da fabricação de móveis.
• Resíduos e retalhos dos recortes de matérias-primas como aglomerados como mdf, mdp, que passam pelo processo de moagem e classificação em dois ou três estágios atá que adquira as características necessárias para queima.
• Utilização de embalagens de madeira como pallets, que são recicladas e transformadas em cavacos ou pó de serra.

A principal vantagem é o processo de preparo para obtenção de uma determinada distribuição granulométrica do material, indispensável para uma distribuição de calor para o produto em toda a extensão do pacote de queima sobre o vagão.

As principais vantagens da biomassa de madeiras são:

• Disponibilidade
• Custo baixo quando comparado a outros combustíveis.
• Renovável e autossustentável.
• Baixo nível de componentes poluentes.
• Teores insignificantes de enxofre.

A eficiência da combustão é o índice que determina a maior quantidade de energia térmica liberada por unidade de massa de combustível portanto, em tese, a melhor eficiência de combustão é aquela em que a quantidade estequiométrica de cada composto encontra sua quantidade ideal de oxigênio e se combina, liberando a maior quantidade de energia térmica por unidade de massa, e isto só ocorria a nível molecular, ou seja, uma molécula de hidrogênio ou carbono encontra o número de moléculas de oxigênio e se oxidam de forma completa, liberando o máximo de energia térmica.

No entanto, isto não acontece na prática, porque não conseguimos que haja uma interação ideal a nível molecular entre estes componentes.

Quanto maior a interação do oxigênio com o combustível, melhor será a qualidade da combustão e menor será o excesso de ar de combustão necessário para uma combustão mais eficiente, disponibilizando uma quantidade maior de calor. A qualidade da combustão no caso do gás natural ou GLP é maior que no dos combustíveis líquidos e maior ainda do que os combustíveis sólidos.

No caso da madeira, o projeto da fornalha, as disposições de grelhas de queima e isolamento térmico, correntes parasitas de ar, entre outros, produzem efeitos das mais variadas ordens.

2.0- COMPOSIÇÃO DA MADEIRA:

A análise da composição química elementar da madeira, proveniente de diversas espécies, obteve a seguinte composição (base seca):

Na composição elementar da madeira há presença de 44 % de oxigênio em sua composição que é utilizado durante a combustão, portanto, captamos apenas a quantidade restante do ar.

Segundo a EMBRAPA (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária) a concentração de enxofre na madeira reflorestada de eucalipto é extremamente baixa, de máximo 0,01%, insignificante para os efeitos ambientais.

Encontram-se outros elementos químicos em pequenas quantidades tais como: cálcio, potássio, magnésio e sódio.

Relacionamos abaixo os mecanismos de oxidação dos componentes da madeira:

2.1 – CARBONO:

A reação completa ocorre quando há disponibilidade de oxigênio na proporção adequada ou excesso, observamos que a reação que apresenta a maior liberação de calor por Kg de C, portanto ao oxidar um átomo de carbono será inevitavelmente produzir uma molécula de gás carbônico ou dióxido de carbono.

REAÇÃO N. 1 : C + O₂ = CO₂ + 8.050 Kcal /kg de C

No entanto quando não há oxigênio em quantidade suficiente, ocorre a combustão incompleta do carbono, observando a seguinte reação:

REAÇÃO N. 2: 2C + O₂ = 2CO + 2.380 Kcal/kg de C

Na equação acima também podemos calcular a demanda de oxigênio necessário para a realização da combustão do carbono

Portanto, a demanda estequiométrica de oxigênio para oxidação do carbono é de 2,7 kg de oxigênio por kg de carbono.

Observe que a combustão incompleta do carbono apresenta as seguintes consequências:

• Disponibilização de apenas 29,6 % do calor liberado em relação a reação n. 1, aumentando o consumo de combustível em 238 %
• É inflamável, portanto passível de uma nova combustão, conforme a reação n. 3, no entanto pela dificuldade de recaptação ela não será realizada.
• O monóxido de carbono CO é um gás insípido, inodoro, incolor, no entanto extremamente tóxico. Ao ser inalado tem o poder de impedir a troca de gases pelo sangue, provocando a intoxicação, portanto, um indivíduo exposto a uma concentração de 2.000 PPM (partes por milhão) por uma hora perde a consciência.

Caso o monóxido de carbono pudesse ser recaptado poderia ser submetido a uma nova queima, observariamos a seguinte reação: :

REAÇÃO N. 3 : 2CO + O₂ = 2CO₂ + 2.430 Kcal/kg de C

Como na pratica esta reação não ocorre, pela dificuldade na recaptação deste gás no processo esta reação é meramente didática.

2.2. – HIDROGÊNIO:

2 H₂+ O₂ = 2H₂O + 33.920 Kcal/Kg H – 540 Kcal/kg de H₂O vaporizado. OU
2 H₂+ O₂ = 2H₂O + 29.060 Kcal/kg de H₂

Como a velocidade de reação do hidrogênio é maior, ele capta todo suprimento de oxigênio necessário para se oxidar, ao passo que o processo de oxidação do carbono e muito mais lenta e acaba por utilizar do suprimento restante de oxigênio na combustão.

2.3- UMIDADE:

A madeira após o corte contém em média 50 a 60 % de umidade. Estocada em local coberto após seis a oito meses sofre uma redução para 15 a 20 %.

Para observar a importância da umidade no poder calorífico do cavaco picado de madeira, tabelamos os valores abaixo:

Se comparamos o consumo de cavaco com 10 % de umidade são necessários 254,45 Kg para produzir 1.000.000, para gerar a mesma quantidade de calor com umidade de 40 % são necessários 412,37 kg de madeira correspondente a 62 % de aumento.

Para a redução das emissões de CO₂ na atmosfera é fundamental aprimorar o processo e controle da combustão, gerando de forma mais eficiente o calor necessário para cada processo, e por consequência lógica pode-se afirmar que as emissões de CO₂ aumentam em função da elevação da umidade.

O CO₂ tem sido injustamente classificado como nocivo, isto é um grande equivoco pois sem ele nenhum processo de fotossíntese seria realizado, nenhum produto de origem vegetal seria produzido no planeta, todas dependem do processo de fotossíntese que basicamente utiliza como matéria-prima o CO₂ da atmosfera para sua realização. Sua concentração na atmosfera e de aproximadamente 0,035 % do volume total de gases da atmosfera.

3.0 – QUALIDADE DA COMBUSTÃO:

Como demonstramos acima a combustão completa e o controle da umidade são fatores importantes para a obtenção de um melhor aproveitamento em processos que utilizam a madeira como combustível.

Relacionamos os componentes resultantes da combustão da madeira, adotando como hipótese a combustão incompleta:

CO₂ – gás carbônico ou dióxido de carbono – a redução na emissão é desejável em virtude do efeito estufa provocado pelo excesso deste gás na atmosfera.

H₂O – Água.

Cinzas – As cinzas são produzidas pela presença de elementos na madeira que são incombustíveis, apresentam características específicas e se apresentam sob a forma de material particulado. MP

Outros compostos:

Considerando uma combustão incompleta teremos:

CO – monóxido de carbono, que apesar de combustível deveria ser requeimado, no entanto consideramos este processo bastante difícil de ser obtido em função das características específicas da cerâmica.

Fuligem: Além das cinzas produzidas pela combustão normal, a combustão incompleta promove condições para a geração de fuligem, em muitas vezes sob a forma de carbono não queimado, apresentando-se sob a forma de material particulado que varia de coloração cinza ao negro intenso, produzindo particulados faixa granulométrica 1 a 30 microns.

Portanto, inúmeras melhorias podem ser implantadas no processo de geração de calor, reduzindo perdas e aumentando a eficiência inclusive como a instalação de sistemas regenerativos de calor, implantação de monitoramento eletrônico, instalação de sistemas para alimentação de ar para combustão, entre muitas outras e dependem da configuração da empresa e de seus processos.

Realizamos a consultoria e modernização de seu processo de queima, aumentando a liberação de calor com a redução do consumo de biomassa, modificando equipamentos e implementado processo para melhoria do combustível, além de dimensionar secadores para biomassa.

Eng. Harald Blaselbauer
Especialista em queima e secagem – cerâmica vermelha.
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Email: blaselbauer@gmail.com