Sistemas de Queima

Sistemas de queima de

Combustíveis sólidos

Combustíveis líquidos

Combustíveis gasosos

Sistema de queimaCada tipo de combustível apresenta vantagens e inconvenientes relativos. O mesmo é verdade relativamente aos sistemas de queima. O importante é ter o combustível e o sistema adequados à utilização em causa

A escolha do sistema de queima adequado não depende apenas de considerações relativas à combustão propriamente dita

– alimentação de combustível

Aspetos a terem conta

– alimentação de comburente

– zona de mistura

– zona de ignição

– zona de estabilização

– circuitos de evacuação

– segurança

– impacte ambiental

– custos (aquisição, exploração, manutenção, ...)

– ...

O sistema de queima é constituído (tipicamente) por

câmara de combustão (ou zona de combustão)queimador(es)

alimentação do combustível

sistemas auxiliares

O tipo de câmara de combustão e de

queimador dependem de

tipo de utilizaçãotipo de combustível

potênciaprocesso de misturaforma de estabilização de chamaenvolvente, espaço, peso admissível, ...

Os sistemas auxiliares são igualmente importantes

circuitos de

alimentação do combustível alimentação do comburente (e de outros

gases, se for esse o caso)evacuação dos produtos de combustão,

cinzas, etc,

arrefecimento

processos de preparação do combustívelsistemas de controlesistemas de segurança...

Alimentação de combustíveis sólidos

Combustíveis sólidos podem ser queimados

blocos e briquetes(carvão, madeira, resíduos)

– leito estacionário sobre grelhas

– leito fixo ou fluidizado

– queimadores pneumáticos

partículas e palitos(carvão, madeira, resíduos)

pulverizados(carvão)

São queimados com chamas de difusão. A relação superfície / volume é um parâmetro fundamental da rapidez da combustão: S / V ⇒ tempo

Embora a combustão sem chama tenha interesse em algumas aplicações, na maior parte dos casos é queimado com chama (devido à libertação de matéria volátil)

Tipicamente, nos leitos fixos o combustível é alimentado por gravidade. Quando pulverizado, é alimentado por um sistema pneumático

Alimentação por gravidade

Silo agitado Sem-fim CorreiaTabuleirovibratório

Estrela rotativae sem-fim

Tabuleiro

Transporte pneumático

Por vácuo Por pressão

Pressão em tanque

Alimentação pneumática

Alimentação de combustíveis líquidosOs combustíveis líquidos podem ser pré-vaporizados ou alimentados na fase líquida para a zona de combustão

Embora haja algumas aplicações com combustão a partir de filmes líquidos, na quase totalidade dos casos o líquido é atomizado (quer para a pré-vapo-rização, quer para a combustão)

A atomização A atomização aumenta substancialmente a relação S / V do líquido

A atomização pode ser mecânicaou

pneumática

(mais simples e económica)

(mais eficaz e com melhor controlo)

Classificação dos atomizadores

Atomizadores mecânicos

Atomizadores

injeçãopermanente

abertura / fechocontrolados pela pressão

Atomizadores de pressão

injeçãointermitente

abertura / fechocontrolados exteriormente

Nos motores Diesel e de Explosão a injeção é intermitente

Nos motores Diesel tradicionais o início e o fim da injeção é controlado pela pressurização (intermitente) do combustível . É o aumento de pressão que faz mover a agulha do injetor, abrindo o injetor e permitindo a injeção

Nos motores com alimentação common rail o combustível está sempre pressurizado. O movimento da agulha é controlado por um movimento da agulha é controlado por um selenoide (os motores mais recentes têm injetores piezo-eléctricos, de resposta mais rápida do que os com selenoides)bomba que pressuriza

intermitentemente o combustível

injetor intermitentemente pressurizado sensores

Nos motores de Explosão o líquido tem que estar completamente vaporizado aquando da ignição (intermitente)

O combustível pode ser aspirado para o escoamento de ar (carburador)

Ou pode ser empurrado (injeção). Pode sê-lo para o coletor, para a entrada de cada cilindro,

ou para o interior da câmara de combustão

(injeção de gasolina) (injeção de gás – o líquido é (injeção de gasolina) (injeção de gás – o líquido é previamente vaporizado)

Atomizadores mecânicos (continuação)

Atomizadores

disco rotativo

Atomizadores rotativos

copo rotativo

Atomizadorespneumáticos mistura interna

ar - líquido

mistura externaar - líquido

Atomizadoresar - líquido

de película assistido a ar

Atomizadoresvapor - líquido

Caraterísticas dos sprays e gotasOs sprays são caraterizados pelo seu ângulo de abertura e pelo seu padrão

oco semi-oco sólido

α

Os sprays são caraterizados pelos diâmetros das gotas e distribuição destas αTipicamente os sprays contêm uma grande gama de diâmetros entre 1 e 300/400 µm

Existem vários diâmetros médios, sendo muito usado o de Sauter (razão volume/área superficial representativa):

∑∑

==2

3

32

ii

ii

DN

DNDSMD

Ni é o número de gotas no intervalo i e Di é o diâmetro médio nesse intervalo

Pré-tratamento e aquecimentodo fuel-óleo

O fuel-óleo tem que ser filtrado, limpo, decantado, separado da água, etc, antes de ser enviado para o sistema de alimentação. Neste sistema tem que ser filtrado novamente

A filtragem é particularmente importante no casos dos motores, devido à muito pequena dimensão dos orifícios dos injetores (da ordem dos µm nos muito pequena dimensão dos orifícios dos injetores (da ordem dos µm nos motores Diesel mais pequenos), em particular nos motores Diesel

Devido à sua elevada viscosidade, os fuel-óleos têm que ser aquecidos para serem bombeados e ainda mais aquecidos para serem convenientemente atomizados:

Fuel-óleo Tbombagem Tatomização

Leve 10 ºC 65 ºC

Médio 25 ºC 95 ºC

Pesado 40 ºC 120 ºC

Desintegração do líquido num spray

O modo como o líquido se desintegra num spray é fundamental para a obtenção das desejadas dimensões das gotas e sua distribuição

A instabilidade do jacto ou película de líquido saindo de injetor e em A instabilidade do jacto ou película de líquido saindo de injetor e em contacto com gases leva à rutura do jacto ou película, resultante de um balanço de forças coesivas (tensão superficial) e de forças entre líquido e gases (resistência)

Oscilações no líquido podem-se propagar em certas condições e promover a desintegração em gotas

O processo é caracterizado pelo número de Weber (razão entre as forças exercidas na superfície da gota e as forças coesivas):

r

u

liq

relar

σρ 2

We =12Wecrit ≈

Alimentação de combustíveis gasososA alimentação dos combustíveis gasosos é mais fácil e de mais fácil controlo. No entanto, é necessário muito cuidado por razões de segurança, em particular se se trabalha com pré-mistura

O controlo faz-se variando a pressão do gás e/ou a dimensão da saída

Alimentação do comburente

Habitualmente o comburente é ar atmosférico, ar enriquecido com oxigénio, ou oxigénio puro

O ar pode ser aspirado, soprado, ou pressurizado. O oxigénio puro é, geralmente, pressurizado

Designa-se por ar primário o que é fornecido juntamente com o combustível, e por ar com o combustível, e por ar secundário o que é fornecido à zona de combustão

Por vezes há também ar terciário. Tipicamente destina--se a envolver, proteger, arrefecer, ..., a zona de combustão

Ar aspirado

Ar pressurizado

A forma e velocidade do comburente condicionam em grande parte a forma da chama e a sua estabilidade

O fornecimento de ar para a combustão em grelha (quer o ar seja soprado, quer seja tiragem normal) condiciona em grande parte a potência térmica libertada na combustão

Em muitas situações, em particular com os combustíveis sólidos e com os fuel-óleos, o ar é pré-aquecido

QueimadoresEm grande parte, os queimadores confundem-se com os sistemas de alimentação já analisados

Os queimadores têm diversas funções relevantes no sistema. Assim:

– misturar

– assegurar combustão completa

– assegurar rápida ignição

– assegurar a ocorrência da chama em toda a zona de interesse masevitar contacto da chama com paredes frias

– assegurar operação silenciosa

– assegurar chamas estáveis (sem retorno nem descolamento de chama)

– assegurar distribuição energética uniforme

– evitar a extinção da chama em operação

– ser fácil de construir e de manter

– ter uma vida útil adequada

Moinhos de carvão

Câmaras (e zonas) de combustãoA combustão ocorre num local próprio, o qual pode estar ou não limitado por paredes. No primeiro caso a forma da câmara de combustão tem um papel importante na aerodinâmica da combustão (juntamente com o queimador e alimentação do comburente). No segundo caso a aerodinâmica é dependente apenas do queimador e alimentação do comburente (e gases auxiliares, se for esse o do comburente (e gases auxiliares, se for esse o caso).

Nalguns casos a câmara de combustão destina-se apenas a fornecer gás quente. Noutros casos a câmara tem ela própria funções específicas (trocas térmicas , produção de trabalho, ...)

Regimes de fluidizaçãoNa fluidização os sólidos encontram-se suspensos e comportam-se em conjunto como um líquido. Aumentando a velocidade do gás formam-se bolhas e aumenta o arrastamento de partículas, recirculadas no exterior

Leito fixo ou fluidização incipiente

Leito circulante

Leito fluidizado borbulhante

Transporte pneumático

O leito é constituído por uma massa de areia, cinzas, refractários e outros materiais inertes (ou não), onde se introduz o carvão grosseiramente moído.

Ar pré-aquecido é introduzido por baixo ao longo do leito, e a combustão tem lugar no seio do leito

O controlo faz-se controlando a temperatura e compartimentando o leito

Leito fluidizado

O conceito de fluidização pode ser interpretado de diversos modos

“simples” circulante pressurizado

A combustão em leito fluidizado apresenta inúmeras vantagens:

– elevadas taxas de transferência de calor entre o leito e os permutadores de calor

– retenção de elevadas quantidades de enxofre (com limalha de ferro e calcário) e de outros poluentes no leito (dependendo da composição deste)

– baixa emissão de NOx devido à baixa temperatura

– ...

A temperatura de funcionamento é relativamente baixa (800 a 1000 ºC)

O controlo faz-se controlando a temperatura e compartimentando o leito

Algumas caraterísticas da queima de sólidos

Processo de combustão Característica

Suspensão Grelha Leito fluidizado

Eficiência da combustão (%) 99 70-90 90-99

Eficiência térmica global (%) 35-45 25-35 40-55 Eficiência térmica global (%) 35-45 25-35 40-55

Excesso de ar (%) 15-50 20-40 10-25

Granulometria do combustível (mm) < 0,5 12-20 8

Temperatura de operação (ºC) 1400-1700 1400-1700 800-1000

Emissões de NOx Alta Alta Baixa

Captura de SOx (%) ? ? 80-90

“Turndown” * 5:1 3:1 3:1

Potência eléctrica máxima (MW) 1000 50 250

* Relação entre a capacidade (potência) nominal e a capacidade mínima de operação

Câmaras de combustão –tipos, geometrias, configurações diversasNas câmaras de combustão das fornalhas, onde o objectivo é a troca de calor por radiação, a disposição do conjunto de queimadores pode tomar diversas configurações

Câmaras de combustão –tipos, geometrias, configurações diversasForno a gás natural para realizar ensaios de resistência ao fogo de diversos tipos de elementos (de pequenas e de grandes dimensões – nomeadamente paredes, portas, etc). Note-se que nestes ensaios se pretende estudar a influência da temperatura dos gases (e como os elementos reagem ao longo do tempo), não sendo relevante a radiação (que até deve ser evitada)

Fornalha de grandes dimensões

Fornalhas com água no fundo para captura de cinzas por via húmida

Fornalhas de

Fornalhas de fundo seco

Fornalhas de queimadores invertidos para combustíveis com maior tempo de queima

Fornalhas de queimadores ciclónicos

Caldeiras industriais (médias)

Queima de carvão

– em grelha

– pulverizado

Queimador de carvão pulverizado

Queima em grelha

Alimentação inferior ou superior

Grelha vibratória

Grelha móvel

Câmaras de combustão de turbinas a gás

Can combustion chamber Annular combustion chamber

Vistas esquemáticas de instalações de grandes fornalhas