Combustíveis

Combustíveis sólidos

(Livros “Combustão”, § 5“Fuels and Fuel Technology”)

(Livro “Combustão”, § 5.4)

Combustíveis líquidos

Combustíveis gasosos

(inclui alguns elementos de Mário Nina)

(Livro “Combustão”, § 5.3)

(Livro “Combustão”, § 5.2)

Diagrama de combustíveis

Combustíveis sólidos apresentam a menor relação hidrogénio / carbono e podem conter uma fração apreciável de oxigénio

Apesar da grande variedade de combustíveis sólidos, a composição situa-se em bandas típicas

O carvão representa as maiores reservas de combustíveis fósseis e encontram-se mais distribuídas que qualquer outras reservas

Divisão dos combustíveis sólidos

Os combustíveis podem ser classificados em combustíveis naturais e em combustíveis manufaturados (ou artificiais )

Combustíveis sólidos naturais

madeira

turfa

lenhitehulhas

(muitas vezes a turfa e a lenhite são considerados carvões vegetais, e as hulhas

Combustíveis sólidos manufaturados

carvãohulhas

antracite

carvão de madeira

carvão de turfa

coque de lenhite

briquettes de carvão

coque (de carvão)

baixa temperatura

média temperatura

alta temperatura

vegetais, e as hulhas e a antracite carvões minerais)

Análise de combustíveis sólidos

A composição é caraterizada por dois tipos de análiseAnálise Elementar

Análise Imediata

Análise Elementar - Frações mássicas dos elementos:

C, H, O, N, S e cinzas (atualmente inclui-se Cl, Ca, ... )

Análise Imediata - Frações mássicas de acordo com decomposição:

C, H, O, N, S e cinzas (atualmente inclui-se Cl, Ca, ... )

Azoto (NP1012), Enxofre (ASTM D3177)

Humidade (determinada a 110ºC)

Matéria volátil (gases libertados em aquecimento a 950ºC) - NP3423

Carbono fixo (obtido por diferença para os restantes valores)

Cinza (matéria restante após oxidação do resíduo carbonoso) - NP1019

Análise Imediata

Nesta análise carateriza-se a composição do combustível em:

Humidade

Voláteis

Carbono fixo

Cinzas

Base das análises

A composição dos combustíveis sólidos para ambas as análises pode ser expressa em três bases:

As received (Ar - incluindo humidade e cinzas)

Dry basis (Db - base seca, exclui a humidade)

Dry ash free (Daf - exclui humidade e cinzas)

A análise imediata é normalmente em Ar e a elementar em Daf

A conversão entre as bases é simples, e.g.

xCAr = xCDaf * (1 – xAshAr - xHumAr)

Dry ash free (Daf - exclui humidade e cinzas)

xVolDb = xVolAr/(1 - xHumAr)

(7.1)

(7.2)

Caraterísticas da madeira

A madeira é um combustível sólido com menos maturação e pode ser considerado renovável

A humidade nas árvores varia de 25 a 50%,e após secagem no ar de 10 a 15%

O conteúdo de cinza é baixo (0,5%)

A madeira é constituída por celulose (incluindo hemi-celulose) (51-60%), lenhina (44-32%), resinas (<2%), e água solúvel (3-6%), para além da humidade

O poder calorífico varia de 17 a 19 MJ/kgAr, sendo para celulose 16 MJ/kg e resinas 32,5 MJ/kg

A madeira pode ser queimada diretamente, ou convertida em gás ou em carvão de madeira

Combustão da madeiraA combustão da madeira inicia-se com o seu aquecimento, libertação de humidade, e pirólise, libertando matéria volátil

6 CO + 6 H2 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

A combustão da madeira pode ocorrer (basicamente !) com chama ou na interface sólido-ar. Tal depende da temperatura a que ocorre a pirólise

Pirólise da celulose:

C6H12O6 → 6 CO + 6 H2

k1

6 C + 6 H2O + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2OC6H12O6 → 6 C + 6 H2Ok2

predomínio da combustão sem chama

predomínio da combustão com chama

k1

k2

k

T

Carbonização e gaseificaçãoda madeira

A combustão da madeira pode ser ineficiente e muita matéria volátil não ser queimada. Além disso a utilização de combustível gasoso é, geralmente, mais versátil

A madeira aquecida a baixa temperatura (< 350 ºC) com deficiência de oxigénio dá origem a cerca de 40% de carvão de madeira e 12 a 17% de oxigénio dá origem a cerca de 40% de carvão de madeira e 12 a 17% de matéria volátil (≈ 30 MJ⋅kg-1)O carvão de madeira (já com muito pouca matéria volátil) arde sem as perdas referidas. A ausência de chama pode também ser uma vantagem

A madeira aquecida a elevada temperatura (1000 a 1200 ºC) com deficiên-cia de oxigénio dá origem a cerca de 20% de carvão de madeira e elevada quantidade (≈ 2,75 m3⋅kg-1) de matéria volátil (monóxido de carbono, dióxido de carbono, azoto, hidrogénio e metano)

Formação de carvão

Tipo e composição de carvões

Tipo de carvão Carbono % massa

Hidrogénio % massa

Idade (anos*106)

Antracites 93 - 95 3.8 - 2.8 210 - 250

Carbonoso* 91 - 93 4.25 - 3.8 210 - 250

Bituminoso* 80 - 91 5.6 - 4.35 150 - 180

Sub-bitum.* 75 - 80 5.6 - 5.1 60 - 100

Lenhite 60 - 75 5.7 - 5.0 20 - 60

Turfa 50 - 60 6.1 - 5.8 1

Madeira** 46 - 51 6.2 - 5.9 0

* Hulhas

** Madeira é considerada renovável (não fóssil)

Composições típicas de combustíveis sólidos

Composições em % mássica (base seca sem cinzas) Combustível*

Carbono Hidrogénio Azoto Enxofre Oxigénio Matéria volátil

Cinzas

Cedro 49.0 6.4 ? ? 44.6 0.4 Pinheiro 52.6 6.1 ? ? 41.3 0.1

Pinho vermelho 53.6 5.9 0.1 ? 40.4 0.2 Bétula 49.9 6.5 ? ? 43.6 0.3

Carvalho 50.5 6.6 ? ? 42.9 0.2 Choupeiro 51.9 6.3 ? ? 41.8 0.7

Madeira (típica) 52.2 6.1 0.1 ? 41.6 79.3 1.5 Madeira (típica) 52.2 6.1 0.1 ? 41.6 79.3 1.5 Turfa 57.5 5.5 1.6 0.4 35.0 68.0 8.0 Lenhite 74.8 4.8 1.2 1.2 18.0 46.8 29.0 Carvão

Semi-betuminoso 72.5 4.8 1.5 4.0 17.2 47.5 17.5

Carvão betuminoso (teor de mat. volátil

elevado) 85.0 5.6 1.5 1.4 6.5 36.7 7.0

Carvão betuminoso (teor de mat. volátil

intermédio) 89.0 5.0 1.7 0.6 3.7 22.9 3.0

Carvão betuminoso (teor de mat. volátil

baixo) 89.8 5.0 1.6 0.8 2.8 16.8 5.2

Antracite A 89.8 4.0 0.9 2.6 2.7 8.7 19.5 Antracite B 93.0 3.7 1.3 0.7 1.3 7.5 8.0

Carvão vegetal 93.0 2.5 0.8 0.1 3.6 10.0 1.0 Coque 93.0 3.0 1.0 1.0 2.0 8.0 7.0

Balanço de massa

As equações de balanço de massa são normalmente efetuadas em base mássica

1kg Carvão + s kg Ar -> (1+s) kg Produtos

(xC C + xH H + xN N + xS S + xO O + xAsh Ash + xHum H2O) + λ xOstoic (O2 +

+ 3,31 N2 ) → xC CO2 + (xH + xHum) H2O + xS SO2 + (xN + 3,31 λ xOstoic) N2 + 2 → 2 2 2 stoic 2

+ xAsh Ash + (λ -1) xOstoic O2

Note-se que 3,31 = 1 – 0,232

0,232

A equação pode também ser escrita sem cinza (que é um produto sólido), e também pode ser escrita em base molar para o ar e os produtos gasosos.

onde xOstoic= xC + xH + xS - xO32

32

32

12

16

2

(7.3)

(7.4)

Poder calorífico

O poder calorífico pode ser expresso nas diferentes bases mássicas (Ar, Daf, Db), havendo a considerar o PCI e PCS a volume ou a pressão constante

A sua determinação segue a norma ASTM D2205

A entalpia de formação do carvão é próxima de zero e o poder calorífico pode ser calculado a partir da entalpia de formação dos produtos da pode ser calculado a partir da entalpia de formação dos produtos da combustão

Existem diversas expressões aproximadas

PCS ~ 33,8 xC + 144,3 (xH - xO/8) + 9,4 xS (Dulong)

PCS ~ 34,1 xC + 132,3 [xH - (xO + xN)/11] + 6,8 xS – 1,5 xAs(Mason and Gandhi, 1983)

(em MJ⋅kg-1 e base seca. A última inclui efeito da cinza xAsh)

(7.5)

(7.6)

Classificação de carvões

Com o objectivo de caracterizar os carvões e compatibilizar diferentes nomenclaturas existem diversas classificações

ASTM (USA)

NCB (UK)

EC para hulhas

Classificação de Seyler

Para além da antiguidade (rank) e composição as classificações incluem:

Índice de Swelling (expansão) (variação do diâmetro na pirólise)

Índice de aglomeração (também indica plasticidade)

Índice de Coking, Caking (comportamento do carvão quando sujeito aaquecimento lento e rápido)

Classificação ASTM

Classificação NCB

O National Coal Board usa códigos numéricos relacionados com teor de voláteis, poder calorífico e índice de Cokingíndice de Coking

Este conceito é estendido na classificação da Comunidade Económica Europeia

Classificação Europeia

Diagramas com análises

ImediataElementar

A – antracite, B – semi-antracite. Betuminosos (1% a 5% de humidade):

C – betuminosos aglutinados, D – betuminosos parcialmente

aglutinados, E – betuminosos não aglutinados,

F – semi-betuminosos (3% a 20% de humidade), G – lenhites (12% a

25% de humidade), H – turfa (20% a 35% de humidade).

Diagrama de Seyler (adaptado)

Classificação de SeylerC lasse

C arbo no (% )

H id ro génio (% )

M atéria vo lá til (% )

PCS (M J/kg )

Índ ice de expansão

Antracite > 93 .3 3 .0 -3 .8 5 -10 32 .9 1 C arbo no so s S em i-antracite 3 .8 -4 .4 10-14 37 .4 1 S em i-betum ino so

93 .3 -91 .2 4 .4 -5 .0 14-20 33 .7 3 .5

B etum ino so s M eta- 91 .2 -89 .0 4 .4 -5 .4 20-28 33 .5 9 O rto - 89 .0 -87 .0 4 .7 -5 .6 28-31 33 .1 9 P ara- 87 .0 -84 .0 4 .9 -5 .7 31-36 32 .0 6 Lenho so s Lenho so s M eta- 84 .0 -80 .0 5 .0 -5 .7 36-42 30 .5 2 O rto - 80 .0 -75 .0 5 .0 -5 .7 42-49 28 .4 1 Lenhite < 75 .0 5 .0 -5 .7 49-59 25 .0 1

As hulhas podem deformar-se durante a volatilização

O teor de voláteis pode ser dado por:

VM = 10,61 xH – 1,24 xC + 84,15

ln(VM) = 0,23364 xH – 0,02706 xC + 2,579

exceto para a antracite:

Outras propriedades importantes

Temperatura de fusão das cinzas

em diversos estágios: IDT, Hemi, Fluid

Índices de moagem Hardgrove (HGI) e abrasividade

Índices de formação de depósitosÍndices de formação de depósitos

‘Fouling’ e ‘Slagging’ com base nas cinzas

Densidade aparente (1,2 – 1,8 103 kg⋅m-3)

Porosidade (varia ao longo da combustão)

Área interna (~ 100 m2⋅g-1)

Outras propriedades

Combustível* PCS

(MJ/kg)

Humidade original

(% mássica)

Gama de temperaturas de fusão das cinzas (K)

Índice de expansão

Índice de Hardgrove

Massa volúmica aparente (kg/m3)

(A/F)esteq, massa #

Cedro 19.62 5.92

Pinheiro 20.72 20 6.37

Pinho vermelho 21.07 50 6.46

Bétula 20.18 6.10

Carvalho 20.53 8 6.23

Choupeiro 20.89 6.34

Madeira (típica) 20.88 48

1300-1600 não

aplicável

6.31

não aplicável

Madeira (típica) 20.88 48 6.31

Turfa 20.93 93 53-79 700-1100** 7.0

Lenhite 27.80 47 1310-1480 66-82 400 9.48

Carvão semi-betuminoso

28.97 26 100 640-800 9.25

Carvão betuminoso (mat. volátil elevada)

35.82 1.5 1830 + 3-7.5 57-62 11.42

Carvão betuminoso (mat. volátil média)

36.37 3.5 1610 + 8.5 44-54 11.80

Carvão betuminoso (mat. volátil baixa)

26.68 3.8 8.5-9 68 11.93

Antracite A 34.66 6.3 1520 25-35 11.59

Antracite B 36.28 1.0 11.91

Carvão vegetal 34.75 2.0 300-600 11.40

Coque 34.33 8.0 > 1600

não aplicável

370-510 11.64

Variação de propriedades

Densidade aparente Área interna específica

Preparação do carvão

separação na fase de corte

escolha por tamanhos

A preparação do carvão destina-se a obter um combustível com as características adequadas ao equipamento e aplicação em causa

escolha por tamanhos

escolha manual (D > 100 mm)

trituração dos blocos maiores(sem produção de finos)

limpeza (com base nalguma propriedades que distinga o carvão das impurezas)

secagem

mistura de diferente tipos

Armazenagem do carvão

Os carvões deterioram-se durante a armazenagem devido à oxidação a baixa temperatura

Factores que afectam a oxidação:

quantidade de matéria volátil ⇒ oxidação

relação superfície / volume ⇒ oxidação

ventilação da pilha de carvão ⇒ oxidaçãoventilação da pilha de carvão ⇒ oxidação

Se a temperatura não exceder 50 ºC para lenhite e 80 ºC para os betuminosos não ocorrerá ignição espontânea. No entanto, o carvão degrada-se:

– PC diminui

– C e H diminuem

– O aumenta

– dimensão dos partículas diminui

O período crítico para a ocorrência da ignição espontânea é de 4 a 5 semanas depois de extraído. Carvão armazenado há mais de 6 meses habitualmente não será sujeito a ignição espontânea

Resumo (Fuels and Fuel Technology - W Francis & M C Peters - 1980)

Divisão dos combustíveis líquidos

Os combustíveis podem ser classificados em combustíveis naturais e em combustíveis manufaturados (ou artificiais)

Os combustíveis naturais são, essencialmente, os derivados do petróleo (embora resultem de uma intervenção humana). Por vezes são classificados em leves (gasolinas, petróleos, gasóleos, ...) e pesados(fuel-óleos pesados e bunker). Os primeiros são principalmente usados em

Combustíveis líquidos manufaturados

álcoois

biocombustíveis

produtos de síntese de hidrocarbonetos

produtos de síntese de carvão

(fuel-óleos pesados e bunker). Os primeiros são principalmente usados em motores, e os segundos em caldeiras e em grandes (e lentos) motores

...

Hidrocarbonetos (e álcoois)A quase totalidade dos combustíveis líquidos são formados por hidrocarbonetos, ou por hidrocarbonetos oxigenados

Parafínicos (alcanos)

n-alcanocadeias ramificadas

Olefínicos (alcenos) - parafínicos com ligações duplasOlefínicos (alcenos) - parafínicos com ligações duplas

Acetilénicos (alcinos) - parafínicos com ligações triplas

Nafténicos (ciclo-parafínicos)

Aromáticosanel único

aneis múltiplos

Petróleo bruto e crudeO petróleo bruto resulta da decomposição de plantas (essencialmente marinhas – e também de animais) na quase ausência de oxigénio. Depois de extraído e já sem gases e sólidos, designa-se habitualmente por crude

Composição elementar típica

CarbonoHidrogénioAzoto

80 a 89 %12 a 14 %0,3 a 1 %Azoto

EnxofreOxigénio

0,3 a 1 %0,3 a 3 %2 a 3 %

Classificação do petróleo bruto

Parafínico

Nafténico

Asfáltico(aromático)

Destilação fracionadaO crude é destilado em torres de destilação. As frações mais pesadas são destiladas novamente a pressões sub-atmosféricas

Gasolina Etileno

GÁS

Óleo base mineral

(fonte: BP)

LÍQUIDO

Destilação fracionada à pressão atmosférica e a baixa pressão

Embora dependa muito do seu tipo (parafínico, nafténico, asfáltico), um crude médio poderá dar origem a

20 a 30 % de gasolina

30 a 45 % de intermédios

25 a 50 % de fuel óleo residual

A destilação no vácuo permite obter mais frações leves e intermédias

Operações de cracking permitem obter frações mais leves

cracking térmico – aquecimento (≈ 500 ºC e 25 bar) de óleos pesados acima da sua temperatura de decomposição. Obtém-se 50 a 70 % de gasolina de baixa qualidade

reforming térmico – semelhante ao anterior mas com aquecimento a temperaturas mais elevadas. Obtém-se 50 a 70 % de gasolina de melhor qualidade

cracking catalítico – aquecimento na presença de um catalisador de alumínio e sílica. Obtém-se gasolina de boa qualidade

hidrocracking – aquecimento na presença de catalisadores e de hidrogéneo. Obtém-se elevadaquantidade de querosene e combustível Diesel

Gasolina – mistura de hidrocarbonetos leves, principalmenteutilizada em motores de explosão. É aditivada para aadequar às aplicações requeridas

Tipos de combustível

Querosene – mistura de hidrocarbonetos menos leves do que os dagasolina. Utilizada em turbinas a gás, em ram-jets,e para aquecimento e iluminação

Gasóleo – mistura de hidrocarbonetos menos leves do que osda querosene. Utilizada em motores Diesel rápidosda querosene. Utilizada em motores Diesel rápidos

Comb. Diesel leve – mistura de hidrocarbonetos seguinte. Utilizado emmotores Diesel semi-rápidos

Comb. residual – resíduo da destilação. Muito viscosos (necessidadede pré-aquecimento). Têm elevada quantidade deenxofre, e alguns contêm compostos metálicos (quedão origem a reações indesejáveis). Utilizado emmotores Diesel muito grandes e lentos, e em caldeiras

Comb. Diesel pesado – mistura de hidrocarbonetos seguinte. Utilizado emmotores Diesel lentos

Alguns valores típicos dos hidrocarbonetos líquidos

CombustívelComposição

média (aprox.)

PCI

(MJ⋅kg-1)

Massa volúmica (kg ⋅m-3)

Tebulição (ºC)

(a 1,0 bar)

Viscosidade cinemática

(cSt @ 50ºC)

Gasolina C8H15 44,0 750 30 a 200 0,8 (@ 20ºC)

Querosene C10,5H20 44 800 150 a 300 -

Gasóleo C H 43,2 810 210 a 235 2,5 (@ 20ºC)

Propriedades

Gasóleo C11H19 43,2 810 210 a 235 2,5 (@ 20ºC)

Diesel leve C12,3H22 43,0 840 185 a 360 2,8

Diesel pesado C14,5H25 42,8 900 > 200 8

Residual (fuel-oil) > C14,5H25 40 950 - 180 a 380

Notas: – quase todos os valores apresentados apresentam variações apreciáveis. Estas apenas foram apresentados para a Tebulição

– as referências utilizadas são múltiplas e nem sempre muito coerentes entre si, o que é devido principalmente à grande variedade de misturas de hidrocarbonetos que estes combustíveis podem apresentar

Note-se que alguma propriedades variam muito pouco e outras variam muito

O Poder Calorífico varia muito pouco (43 a 44 MJ⋅kg-1, exceto para os combustíveis residuais), assim como a relação mássica ar / combustívelestequiométrica (tipicamente 14,4 a 14,6)

A massa volúmica também varia pouco, e só nos combustíveis residuais é um pouco mais elevada, aproximando-se da da água (o que levanta grandes problemas na separação da água do combustível !)

Diferenças importantes encontram-se na volatilidade (ilustrada na tabela pela temperatura de ebulição), e na viscosidade. Esta é muito importante na pela temperatura de ebulição), e na viscosidade. Esta é muito importante na formação de gotas e, consequentemente, nas caraterísticas dos sprays . Os combustíveis mais viscosos têm que ser pré-aquecidos, quer para a bombagem, quer para a injeção

Outra diferença importante é o teor de enxofre no combustível, aumentando substancialmente da gasolina (≈ 0,07 % em massa) até ao Diesel pesado (≈ 1,7 %). Os fuel-oils tem valores muito mais elevados (2,5 a 4 %)

Outra diferença importante nos motores é a facilidade (ou dificuldade) de auto-inflamação. Este comportamento é caraterizado pelo Número de Cetano e pelo Índice de Octano

Os álcoois são hidrocarbonetos oxigenados onde um átomo de hidrogénio foi substituído pelo radical OH

Álcoois

Existem inúmeros álcoois, mas os mais comuns são o metanol e o etanol

O metanol é obtido como um dos produtos da carbonização da madeira, ou através de um processo de síntese 2 H2 + CO → CH3OH

No processo obtém-se cerca de 75 % de metanol e 25 % de álcoois mais pesados, fazendo-se a separação por destilação fracionada.pesados, fazendo-se a separação por destilação fracionada.

O etanol é obtido da fermentação de açúcares, seguido de destilação fracionada

O metanol e o etanol são bons combustíveis para motores de explosão. Mas têm um elevado calor latente de vaporização, o que pode causar problemas de arranque a frio. São bons dissolventes, pelo que em misturas com gasolina proporcionam um funcionamento mais limpo do motor. No entanto, provocam alguns problemas de corrosão e atacam os elastómetros.

Outros biocombustíveis

A procura de combustíveis alternativos aos derivados do petróleo levou a um desenvolvimento de técnicas para produção de óleos vegetais especifica-mente para combustão (embora desde a mais remota antiguidade se utilizassem óleos vegetais e animais como combustíveis)

Os óleos obtidos não são compatíveis com motores de explosão, mas são-no (até certo ponto) com os motores Diesel . Para possibilitar uma adaptação recíproca, tem havido um grande esforço no desenvolvimento destes óleos e

Estes biocombustíveis (em particular o biodiesel) são obtidos a partir de óleos extraídos de plantas (girassol, palma, soja, colza, ...), recorrendo a um processo químico chamada transesterificação, no qual se faz reagir o óleo extraído com um álcool na presença de catalisadores

recíproca, tem havido um grande esforço no desenvolvimento destes óleos e dos motores Diesel, principalmente para misturas gasóleo-biodiesel

Classificação dos combustíveis gasosos

biogás

petróleo

carvão

gás da madeira (destilação ou carbonização)

gás da turfa (destilação ou carbonização)

gás do carvão (carbonização)gás do carvão (gaseificação em ar)

Gás natural

gás do carvão (gaseificação em ar)

gás do carvão (hidrogenização)gás de água (gaseificação em ar e vapor)gás de Lurgi (gaseificação em O2 e vapor)

gás de refinaria (cracking)oil gas (hidrogenização)oil gas (oxidação parcial)oil gas (reacção com gás de água)

acetileno (reacção de água e carbide)

hidrogénio (electrólise)

Gás manufaturado

do carvão

do petróleo

Composições típicas

CH4 75 a 95 %

Gás Naturaldo carvão

CH4

C2H6

CO2

93 a 99 %

até 3 %

até 4 %

N2 e inertes até 4 %

Biogás

CH4

CO2

PCS

≈ 75 %

≈ 25 %

29,6 MJ⋅m-3 (0ºC, 1 bar)

Gás Natural das mantas de petróleo

4

C2H6

C3H8

3 a 12 %

até 6 %

BiogásO biogás obtém-se da decomposição de matéria orgânica por acção bactereológica, em digestoresfechados, na ausência (ou quase) de oxigénio. Exige um elevado teor de humidade

A matéria orgânica (desde que A matéria orgânica (desde que possua elevado grau de humidade) pode ser de diversas origens, quer vegetal, quer animal, sendo muito habitual a utilização de dejetos orgânicos

Os digestores mantêm-se a temperaturas da ordem dos 30 a 40 ºC

Uma vez que o processo não é totalmente anaeróbico, o gás tem uma percentagem significativa de CO2, mas os resíduos sólidos são bons fertilizantes

Utilização do Gás NaturalO gás natural tem um poder calorífico elevado, é uniforme nas suas propriedades (consoante a sua origem), e não contém impurezas nocivas (ou contém-nas em muito baixo teor)

A sua velocidade de propagação de chama é relativamente baixa, necessitando queimadores especiais

A sua chama é pouco luminosa, dificultando a transmissão de calor por radiação

Tem um elevado índice de octano (resiste bem à auto-inflamação), pelo que é um bom combustível para motores de explosão (mas incompatível com os Diesel – excepto na versão Dual-Fuel). É também um bom combustível para turbinas a gás

. Isto é uma vantagem quando se pretende diminuir as perdas de calor, mas é um inconveniente se a transmissão de calor for um objectivo (por exemplo, em caldeiras), sendo então necessárias grandes superfícies de troca de calor por radiação

O gás natural forma misturas explosivas com ar (dentro dos Limites de Inflamabilidade). Dispositivos de segurança são necessários, nomeadamente para permitir o arranque e a paragem dos sistemas de queima

A sua massa volúmica é inferior à do ar, pelo que se dispersa facilmente na atmosfera, reduzindo o risco de formação de misturas explosivas na atmosfera

O poder calorífico por unidade de volume do gás natural é muito baixo. Assim, na sua armazenagem ou transporte utiliza-se o gás comprimido ou Assim, na sua armazenagem ou transporte utiliza-se o gás comprimido ou liquefeito. Nos grandes gasodutos é tipicamente comprimido a 60 a 70 bar (temperatura ambiente). As pressões de armazenagem são da ordem de 200 a 250 bar. A sua massa volúmica é muito maior quando liquefeito, pelo que o seu transporte e armazenagem na fase líquida é muita atractiva. No entanto a temperatura necessária é muito baixa (≈ -160 ºC). Os depósitos têm que ser criogénicos.. A temperatura é mantida deixando vaporizar algum líquido, o que se traduz numa perda de combustível, o qual deverá ser queimado

Gases do petróleo liquefeitos (GPL)Os gases do petróleo liquefeitos (LPG em inglês) são os hidrocarbonetos (ou misturas de hidrocarbonetos) que são gasosos à pressão e temperatura atmosféricas habituais, mas que podem ser armazenados na fase líquida à temperatura atmosférica a pressões relativamente baixas

Acabam por ter as vantagens habituais associadas aos gases e a elevada densidade energética por unidade de volume associada aos líquidos

Principais componentes do GPL

A principal origem do GPL é o gás natural, o petróleo bruto, os crackingtérmico e catalítico, e o reforming

Propano Propeno N-butano Iso-butano 1-buteno

=

Butano e propano comerciaisO butano comercial é constituído principalmente por hidrocarbonetos C4

saturados e não saturados, com menos de 20% de hidrocarbonetos C3, e menos de 2% de hidrocarbonetos C5

O propano comercial é constituído principalmente por hidrocarbonetos C3

saturados e não saturados, com menos de 5% de hidrocarbonetos C2, e menos de 10% de hidrocarbonetos C4

. Aditivos orgânicos de cheiro intenso (normalmente desagradável) são adicionados para

Contêm percentagens baixas (< 0,02%) de compostos de enxofre

facilitar a detecção de fugas

O propano é muitas vezes utilizado em queimadores pressurizados

Quando a taxa de evaporação é intensa pode ocorrer o congelamento nas válvulas de despressurização (L = 0,22 MJ⋅dm-3 à pressão atmosférica). Nesse caso é necessário aquecer as válvulas

O propano é um excelente combustível para motores de explosão (péssimo para Diesel) devido ao seu elevado índice de octano e à razão C/H baixa, dando origem a baixa formação de depósitos carbonosos

É usado em maçaricos oxi-propânicos. A temperatura de chama é menor do que a dos maçaricos oxi-acetilénicos, mas é suficiente para numerosas aplicações. A menor velocidade de propagação de chama mais baixa que nestes últimos diminui os problemas de retorno de chama, e os limites de inflamabilidade muito mais estreitos (2 a 10% em ar contra 2,5 a 80% para o acetileno) diminuem os riscos de explosão

Butano e propano podem ser adicionados a outros gases para aumentar o poder calorífico da mistura

acetileno) diminuem os riscos de explosão

O butano está mais vocacionado para aplicações domésticas. O propano é mais indicado para aplicações industriais devido à sua pressão de armazenagem mais elevada

Temperatura de vaporização (pressão atmosférica)

Densidade do líquido a 15 ºC

Densidade do gás (relativa ao ar)

PCS

Calor latente de evaporação (pressão atmosférica)

(ºC)

(MJ⋅kg-1)

- 42

0,51

1,5

50,0

0,43

- 6

0,59

2,0

49,3

0,45

Propano Butano

Calor latente de evaporação (pressão atmosférica)

Calor latente de evaporação (pressão atmosférica)

Limites de inflamabilidade (% de gás na mistura)

Ar estequiométrico

Temperatura de ignição

Temperatura adiabática de combustão

Pressão de armazenagem a 20 ºC

(MJ⋅kg )

(MJ⋅dm-3)

(m3ar / m3

gas)

(ºC)

(ºC)

(bar)

0,43

0,22

2,0 a 9,5

23

500

1950

8,6

0,45

0,22

2,0 a 8,5

30

480

1880

2,0

Índice de Wobbe

PC – poder calorífico

d

PCW =

d – densidade relativa ao ar (seção 1.4.11 da NP-927)

Os gases são agrupados em famílias de acordo com o índice de Wobbe de

acordo com caraterísticas de queima semelhantes

(7.7)

Esta classificação procura agrupar gases com características de queima semelhantes entre si. Estas características são de tal modo distintas, de família para família, que dois gases de famílias diferentes nunca são intermutáveis e a passagem de um para outro obriga a operações de conversão dos aparelhos

Fabricam-se, portanto, equipamentos, queimadores e aparelhos de queima especificamente para cada uma das famílias de gases indicadas

1ª Família (do gás de cidade) – Índice de Wobbe entre 21,5 e 28,7 MJ⋅m-3. Essencialmente os gases obtidos a partir da hulha e, mais modernamente, os gases de características análogas fabricados a partir de hidrocarbonetos líquidos ou gasosos. Têm como constituintes principais o hidrogénio, o metano, o monóxido de carbono e gases inertes C02 e N2.

2ª Família (do gás natural) – Índice de Wobbe entre 37,1 e 52,4 MJ⋅m-3.

3ª Família (dos gases do petróleo liquefeitos) – Índice de Wobbe entre 72,0 e

85,1 MJ⋅m-3. Compreende os hidrocarbonetos gasosos, geralmente fornecidos sob forma de líquido, em garrafas ou reservatórios, em que os constituintes principais são o butano e o propano

2ª Família (do gás natural) – Índice de Wobbe entre 37,1 e 52,4 MJ⋅m .

Compreende os diversos gases naturais em que o constituinte principal é o metano, e os gases manufacturados de substituição do gás natural

Comparação dos combustíveisFonte: Ferreira dos Santos (1986)

Sob o ponto de vista do consumidor a prontidão do fornecimento e a certeza do mesmo são fatores de grande importância. Assim, para se proceder a uma escolha de combustível, deve-se considerar o local de produção, seu transporte e modo de fornecimento, e pontos de consumo, para além da utilização propriamente dita

Combustíveis sólidosCombustíveis sólidos

Estes, nomeadamente o carvão e o coque, possuem as seguintes vantagens em relação a outras fontes energéticas:

a) os seus preços são inferiores;

b) podem ser armazenados em grandes quantidades, em superfícies planas e duras;

c) tendo um teor em hidrogénio baixo pode-se utilizar uma proporção maior do PCS;

d) o valor médio encontrado para o enxofre no carvão é inferior em menos de metade do teor médio encontrado para o fuel-óleo residual, dando origem a menos problemas de corrosão e poluição;

e) a cinza do carvão praticamente não possui vanádio, o qual existe no óleo;

f) pode ser utilizado na sua forma pulverizada cujas vantagens são semelhantes às consideradas para óleo;

g) possui maior diversificação de fornecedores.

No entanto, existem desvantagens ligadas ao seu manuseamento e sua No entanto, existem desvantagens ligadas ao seu manuseamento e sua utilização:

h) operação suja em termos de manuseamento dada a formação de poeiras.Sistemas de transporte são muitas vezes sujeitos a paragens;

i) sofrem deterioração durante a sua armazenagem com redução tamanho das partículas e do seu poder calorífico. Em casos extremos, combustão espontânea poderá ocorrer;

j) por vezes possuem proporções elevadas de matéria mineral, que presentes nas cinzas poderão causar sérios problemas;

k) a presença de enxofre leva a formação de óxidos de enxofre durante a combustão, responsável por problemas de corrosão e poluição;

l) o controle da combustão dos sólidos é mais difícil de efectuar do que os combustíveis líquidos e gasosos, com grande variedade de qualidade e tamanho.

Combustíveis líquidos

Em relação aos combustíveis sólidos, os combustíveis líquidos têm as seguintes vantagens:seguintes vantagens:

a) podem ser armazenados de forma mais compacta. Numa base de poder calorífico/massa, os óleos contem cerca de 50 % mais de energia do que o carvão. Numa base de área ocupada, o óleo armazenado é quase 5 vezes mais compacto;

b) a movimentação processa-se de forma mais simples do que nos sólidos. Assim, o equipamento de bombagem, transporte e controle torna-se mais barato;

c) o poder calorífico maior implica uma maior potência para uma mesma massa de combustível;

d) o controle e regulação de combustão processa-se mais facilmente;

e) os queimadores são mais facilmente adaptáveis a potências caloríficas diferentes;

f) o arranque é também mais simples do que numa instalação a carvão;

g) o excesso de ar mínimo é mais baixo, pelo que se obtêm temperaturas mais elevadas. Além disso, o uso de óleos aromáticos leva a chamas mais luminosas e portanto maior calor por radiação;mais luminosas e portanto maior calor por radiação;

h) o fornecimento de fuel é mais uniforme em composição do que o de carvão. Não há problemas de poeiras em cargas e descargas;

i) os óleos possuem teores muito reduzidos de cinza. Não há problemas com jorra (breu), nem há depósitos ("bird nesting") nas caldeiras;

j) o carvão tem problemas de combustão espontânea durante a armazenagem. O óleo não;

k) os destilados leves (gasóleos e querosenes) tem menos enxofre que o carvão. É apropriado para aquecimento central e aplicações domésticas.

Combustíveis gasosos

O uso e manuseamento de gases tem grandes vantagens em relação aos outros combustíveis sólidos e líquidos. Assim tem-se:

a) é limpo, e a sua combustão não produz cinzas, poeiras ou partículas que possam poluir a atmosfera;

b) qualquer composto de enxofre ou mesmo enxofre que exista no gás é facilmente removido antes de ser queimado, por processos simples e económicos;

c) podem ser queimados eficazmente com quantidades mínimas de excesso de ar (5 a 10 %) e não produzem fumos se houver um bom controle na combustão;

d) podem ser queimados uniformemente sem ser necessário qualquer processo especial de controle e manuseamento;

e) podem ser distribuídos facilmente a diversos locais por tubagem subterrânea, como era o caso do gás de cidade e é actualmente o caso do gás natural doméstico;

f) a sua pureza e poder calorífico são sempre bem definidos;

g) apenas nos GPL têm que ser tomados cuidados especiais de armazenamento em relação às condições climatéricas.