Combustão

Combustão é toda reação química exotérmica (que libera energia na forma de calor) entre um combustível e um comburente, sendo necessária uma fonte de ignição que inicie o processo. Onde:

• Combustível: é a substância oxidável, responsável por alimentar a combustão. Exemplos: Gás Natural, GLP, Óleo, Gasolina, Carvão, Diesel;
• Comburente: é a substância que intensifica, alimenta a combustão, neste caso é o gás Oxigênio (O₂);
• Energia para ignição: fagulha.

Combustível (principalmente Carbono e Hidrogênio), Comburente (Oxigênio) e calor.

Para simplificar, podemos dizer que o combustível mais utilizado é o gás natural e a equação estequiométrica da combustão é a seguinte: CH4 + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O + Calor

A combustão perfeita é obtida quando a análise dos gases gerados através da combustão revela a ausência de CO, H₂ e O₂, e a máxima presença de CO₂. Na prática, em processos industriais, normalmente é necessário que o O₂ esteja em excesso (2%) a fim de evitar qualquer produção de CO.

O motor de combustão interna, também conhecido como motor a explosão, é uma máquina térmica que tem como função converter energia proveniente da queima de combustíveis em energia mecânica. Os tipos de motores de combustão interna mais utilizados são o motor a gasolina e o motor a diesel. Eles estão presentes principalmente nos meios de transporte, como carros, caminhões e motocicletas.

Tipos de combustão:

• Combustões completas e perfeitas com %N₂, %CO₂ e %H₂O nos produtos da combustão;
• Combustões estequiométricas com %O₂, %N₂, %CO₂ e % H₂O nos produtos da combustão devido a um ligeiro excesso de ar;
• Combustões incompletas com %CO nos produtos da combustão devido à deficiência de ar.

Medindo CO, CO₂ e O₂ nos gases de combustão podemos avaliar as oportunidades de melhoria na eficiência da combustão.

O pré-aquecimento do ar de combustão através dos gases de combustão pode resultar em economias significativas de combustível. Os trocadores de calor aumentam a temperatura do ar de combustão utilizando a energia contida nos gases de combustão (fumos).

Melhoramos substancialmente a eficiência da combustão aumentando o teor de O₂ no ar, razão pela qual a Oxicombustão é usada. Os principais benefícios do uso do Oxigênio na combustão são:

• Aumento de produtividade;
• Redução do consumo específico entre -5 a -50%;
• Redução do volume de gases de combustão em até 50%;
• Possibilidade de atingir temperaturas mais altas;
• Melhora da qualidade do produto através de melhor controle de combustão;
• Maior flexibilidade na operação;
• Redução das emissões de NOx;
• Aumento da produção, reduzindo os tempos de fusão.

A) O processo geral de produção de cimento é composto essencialmente por 6 etapas:

• Extração e britagem;
• Pré-mistura e armazenamento;
• Moagem de matérias-primas e homogeneização;
• Calcinação;
• Moagem de cimento;
• Carregamento e expedição.

A etapa de calcinação é realizada em forno de cimento. É onde o oxigênio tem uma aplicação potencial para melhorar o desempenho da combustão.

A produção de cimento é um processo que exige muita energia variando de 3,2 a 5 MJ/kg de clínquer dependendo das condições do processo. Os combustíveis fósseis, como carvão e coque de petróleo, têm sido tradicionalmente utilizados como fontes de energia na indústria de fabricação de cimento.

No entanto, nas últimas décadas, muitos países ao redor do mundo estão implementando o processo de aplicação de resíduos, matérias-primas e outros alternativas para substituir combustíveis fósseis na produção de cimento — não apenas para reduzir os custos de energia, mas também para poupar recursos naturais, diminuindo assim as emissões de CO₂ e a necessidade de opções de descarte.

Devido à utilização de combustíveis alternativos, passou-se a utilizar oxigênio, substituindo parte do ar primário para compensar o impacto negativo dos combustíveis alternativos na combustão sem afetar a qualidade do clínquer.

O oxigênio é introduzido no forno através de uma lança localizada entre o queimador principal e a carga. Este procedimento de punção é tradicional para aplicações em fornos, pois direciona a maior parte da transferência de calor radiativo para a carga, enquanto as paredes refratárias são protegidas de um possível superaquecimento pela chama principal.

B) No EAF (Forno Elétrico a Arco), o potencial de oxicombustão está relacionado com:

• Pós-combustão de gases de processo (CO, etc.) no forno principalmente para economia de energia;
• Queimador de oxigênio principalmente para substituir parte da energia elétrica;
• Injeção de pó de carbono em escória de espuma, principalmente para melhorar a eficiência dos arcos elétricos e a qualidade do metal;
• Lança de oxigênio principalmente para espumação de escória e refino de aço;
• Aplicação de queimadores de oxicombustão para melhorar a eficiência, assim como nos processos de pré-aquecimento da panela ou do tarugo no forno de laminação.

Métodos de análise e controle de combustão são necessários para uma operação mais eficiente com custos operacionais mais baixos e, ao mesmo tempo, cumprir as regulamentações ambientais.

A análise de combustão ajuda a reduzir os custos de combustível, minimizar as emissões de gases de combustão e atender aos requisitos regulamentares.

A análise de CO, CO₂e O₂ nos gases de combustão nos permite verificar oportunidades de melhoria, ajustando a taxa de combustão.

O principal desafio tecnológico relacionado à combustão é a descarbonização através da redução das emissões de CO2. Por este motivo, indústrias como a siderurgia, o vidro e o cimento estão trabalhando na inovação tecnológica para reduzir as emissões.

O H₂ poderia ser um caminho viável e eficiente para a descarbonização. Poderão surgir diversas outras opções, independentes ou combinadas com o H₂, como a energia elétrica e o uso de biogás ou gás natural. Todas essas energias podem operar com oxicombustão para maior eficácia, com recuperação de calor e, em última instância, com captura de Carbono (CCS).