Combustão

Combustão

O calor gerado pelo processo de combustão é a principal fonte de energia térmica para a maioria das caldeiras. Algumas caldeiras utilizam outros métodos de aquecimento, como as caldeiras elétricas, mas estas são menos comuns em comparação com as caldeiras a combustíveis fósseis.

O processo de combustão envolve a oxidação dos átomos de hidrogênio de um combustível para liberar calor. Dado que as caldeiras a combustíveis fósseis e o vapor estão intimamente ligados, é essencial compreender o processo de combustão para entender a geração de vapor. Este capítulo explora o processo de combustão e sua importância na geração de vapor.

Reação Química da Combustão

A combustão é a oxidação rápida de um combustível, resultando na liberação de energia sob a forma de calor e luz. Para esta lição, é importante estar familiarizado com alguns elementos químicos comuns e seus respectivos símbolos.

Tabela de Símbolos Químicos

Nota: Embora o Oxigênio tenha o símbolo químico 'O', é mais frequentemente encontrado em sua forma molecular 'O2' e é geralmente representado dessa forma.

Os combustíveis são compostos por hidrocarbonetos e são representados pelos símbolos químicos CxHy; os valores de x e y variam conforme o tipo de combustível. Outras substâncias podem se formar quando elementos se combinam, como quando duas partes de hidrogênio (H) se combinam com uma parte de oxigênio (O) para formar água (H2O).

A imagem abaixo ilustra a reação química que ocorre quando o combustível (CxHy) é queimado na presença de oxigênio (O). Os reagentes da reação química são o combustível (hidrocarbonetos) e o oxigênio. Os produtos da reação são dióxido de carbono (CO2), água (H2O) e ΔH.

O símbolo 'ΔH' (delta H) representa o calor de reação (também conhecido como entalpia de reação). ΔH indica a quantidade de energia liberada ou absorvida durante a reação química, variando conforme a completude da combustão.

Reação Química da Combustão

Requisitos para Combustão

A combustão só ocorre se três condições forem atendidas:

• Oxigênio
• Calor
• Combustível

No contexto de uma caldeira, o oxigênio é fornecido pelo ar ambiente, que contém aproximadamente 21% de oxigênio. Os combustíveis mais comuns para caldeiras são gás natural, óleo combustível e carvão. O calor necessário pode ser gerado durante a ignição, como ao criar um arco elétrico para acender a mistura ar/combustível.

O triângulo do fogo (também conhecido como triângulo de combustão) ilustra os requisitos para a combustão; um tetraedro do fogo (mostrado abaixo) serve a um propósito semelhante.

Tetraedro de Fogo

Os três fatores de combustão também devem estar na proporção correta, caso contrário, a combustão não ocorrerá. Excesso de ar e pouco combustível podem impedir a combustão, assim como excesso de combustível e pouco ar.

Combustão Perfeita, Completa e Incompleta

A combustão em caldeiras pode ser classificada como perfeita, completa ou incompleta.

• Combustão Perfeita – a quantidade exata de ar é fornecida para alcançar a combustão completa do combustível. A combustão perfeita só é alcançável em condições de laboratório.
• Combustão Completa – a quantidade mínima de ar é fornecida para alcançar a combustão completa. Os operadores de caldeiras devem sempre buscar alcançar a combustão completa.
• Combustão Incompleta – insuficiência de ar leva à combustão incompleta. 

A combustão completa é crucial para evitar a redução da eficiência da caldeira e potenciais riscos de segurança. Quando o combustível queima completamente, os produtos típicos da combustão incluem dióxido de carbono (CO2), vapor de água (H2O), nitrogênio (N2), óxidos de enxofre (SOx) e óxidos de nitrogênio (NOx). Se o combustível não queima completamente, os produtos da combustão podem incluir monóxido de carbono (CO), fuligem e fumaça.

O monóxido de carbono é um gás inflamável e tóxico, menos denso que o ar. A combustão incompleta pode resultar na geração de monóxido de carbono, o que é indesejável devido aos riscos à saúde e segurança. Outros subprodutos da combustão incompleta, como fuligem e fumaça, podem reduzir a transferência de calor dentro da caldeira, levando a uma diminuição geral na eficiência.

Ar Primário, Secundário e em Excesso

A quantidade de ar fornecida a uma caldeira para combustão varia conforme a combustão seja completa ou incompleta. É possível analisar os gases da combustão para determinar a completude da combustão. Excesso de oxigênio nos gases indica que ar demais foi fornecido. Altos níveis de monóxido de carbono indicam que o ar foi insuficiente, resultando em combustão incompleta.

Se o combustível não for completamente queimado, os níveis de monóxido de carbono serão elevados, e mais ar precisará ser fornecido pelo queimador da caldeira para alcançar a combustão completa. Se houver excesso de ar, os níveis de oxigênio nos gases da combustão serão altos, e a quantidade de ar fornecida ao queimador precisará ser ajustada.

O ar total fornecido à caldeira é classificado como primário, secundário ou em excesso.

• Ar Primário – misturado com o combustível antes de entrar na câmara de combustão. Controla a quantidade de combustível queimado.
• Ar Secundário – adicionado à câmara de combustão durante a combustão. Controla a eficiência da queima do combustível.
• Ar em Excesso – ar adicional ao processo de combustão que não é necessário para a combustão. É o ar secundário que não participa do processo de combustão.
• Ar Total – soma do ar fornecido para o processo de combustão, ou seja, ar primário + ar secundário + ar em excesso = ar total.

Nota: O termo ar de diluição refere-se ao ar adicionado ao conduto (espaço entre a caldeira e a chaminé) para facilitar o fluxo dos gases da combustão para a atmosfera

Recursos Adicionais

https://en.wikipedia.org/wiki/Combustion

https://www.bbc.co.uk/bitesize/topics/zypsgk7/articles/zcwxcj6#

http://www.auburn.edu/academic/forestry_wildlife/fire/combustion.htm