A composição dos gases de combustão e o excesso de ar são avaliados combinando a análise de gases com balanços materiais e elementares em torno da unidade de combustão. Numa instalação piloto, os operadores medem normalmente as concentrações de gases de combustão secos de CO₂, O₂, CO, SO₂ e N₂ utilizando um aparelho de Orsat ou analisadores de gás contínuos. Em seguida, calculam o requisito teórico de oxigénio a partir da composição do combustível e comparam-no com o oxigénio real fornecido no ar de combustão.

Conclusão principal: A análise dos gases de combustão indica quanto oxigénio resta após a combustão, enquanto os dados de fluxo de combustível e ar estabelecem o requisito teórico. Comparar o ar real fornecido com o ar estequiométrico, e verificar o resultado com a composição medida dos gases de combustão, fornece a percentagem de excesso de ar e verifica o balanço material da combustão.

Estabelecer a Base de Combustão

Definir a Composição do Combustível

A análise começa com a composição do combustível seco ou tal como é fornecido. O balanço deve identificar carbono, hidrogénio, enxofre, oxigénio já ligado no combustível, humidade, cinzas e qualquer azoto ou outros constituintes relevantes.

Para combustíveis gasosos, a composição pode ser expressa como frações molares de metano, etano, hidrogénio, monóxido de carbono, dióxido de carbono e outros componentes. Para combustíveis sólidos ou líquidos, a análise elementar é habitualmente expressa como percentagens em massa de carbono, hidrogénio, oxigénio, enxofre, azoto, cinzas e humidade.

Selecionar uma Base Consistente

Um cálculo é realizado com base numa definição, como 100 kmol de combustível, 100 kg de carvão ou um período de operação medido da instalação piloto. Todas as quantidades de combustível, ar, gases de combustão e resíduos devem utilizar a mesma base.

A análise também distingue entre gases de combustão húmidos, que incluem vapor de água, e gases de combustão secos, dos quais a água foi removida. A maioria dos resultados de Orsat e de gases de chaminé são reportados numa base seca.

Calcular o Requisito Teórico de Oxigénio

Aplicar a Estequiometria de Combustão Completa

O requisito teórico de oxigénio é calculado para a oxidação completa até aos estados de oxidação mais elevados esperados:

O carbono é convertido em CO₂.
O hidrogénio é convertido em H₂O.
O enxofre é convertido em SO₂.

Para um combustível contendo carbono elementar, hidrogénio, enxofre e oxigénio, o oxigénio líquido necessário é habitualmente escrito numa base de massa como:

[ n_{O_2,\text{líquido}}

n_C+\frac{n_H}{4}+n_S-\frac{n_O}{2} ]

Aqui, (n_C), (n_H), (n_S) e (n_O) são as quantidades de carbono, hidrogénio, enxofre e oxigénio ligado ao combustível expressas em unidades atómicas consistentes.

O oxigénio ligado ao combustível é subtraído porque contribui para a oxidação. O requisito teórico baseia-se na combustão completa, pelo que o monóxido de carbono medido ou o combustível não queimado não redefinem o requisito teórico de oxigénio.

Converter o Requisito de Oxigénio em Ar Estequiométrico

Para o ar seco comum, o oxigénio é aproximadamente 21% em volume, ou fração molar, com o azoto a constituir a maior parte do restante. Portanto:

[ n_{\text{ar,estequiométrico}}

\frac{n_{O_2,\text{estequiométrico}}}{y_{O_2,\text{ar}}} ]

Utilizar a composição real apropriada do ar é importante quando a instalação piloto utiliza ar enriquecido com oxigénio, gases de combustão reciclados, ar humidificado ou outro oxidante.

Medir a Composição dos Gases de Combustão

Utilizar Análise de Orsat ou Instrumental

Um analisador de Orsat tradicional mede os constituintes dos gases de combustão secos absorvendo seletivamente dióxido de carbono, oxigénio e, por vezes, monóxido de carbono. O azoto é habitualmente obtido por diferença:

[ y_{N_2}

1-y_{CO_2}-y_{O_2}-y_{CO}-y_{\text{outro}} ]

As instalações piloto modernas utilizam frequentemente analisadores contínuos baseados em técnicas como a medição paramagnética de oxigénio, medição por infravermelhos de dióxido de carbono e monóxido de carbono, ou medição por ultravioleta de dióxido de enxofre.

Reportar a Base e as Condições de Amostragem

Um resultado de gases de combustão deve indicar se as concentrações estão numa base seca ou húmida, se são frações volumétricas ou molares, e a temperatura e pressão de amostragem. As linhas de amostragem podem exigir filtração, arrefecimento, controlo de condensação e correção de humidade.

Uma amostragem deficiente pode produzir resultados enganadores. Água condensada, fugas, carga de partículas, sensibilidade cruzada do analisador ou um local de amostragem não representativo podem distorcer a composição aparente do gás.

Interpretar os Principais Componentes

O CO₂ indica a oxidação do carbono e é útil para verificar o balanço de carbono. Uma concentração baixa de CO₂ pode resultar de um elevado excesso de ar, combustão incompleta, diluição do combustível ou carbono não representado no gás amostrado.

O O₂ representa o oxigénio que resta após as reações de combustão. É o indicador de gases de combustão mais utilizado para controlar o excesso de ar, mas deve ser interpretado em conjunto com as medições de CO e combustível não queimado.

O CO e os hidrocarbonetos residuais indicam combustão incompleta. A sua presença pode resultar de ar insuficiente, mistura deficiente de combustível-ar, tempo de residência inadequado, temperatura baixa ou operação instável do queimador.

O SO₂ está relacionado principalmente com a conversão de enxofre e ajuda a avaliar os balanços de enxofre e o tratamento de gases ácidos a jusante. O azoto é maioritariamente transportado pelo ar de combustão, embora o azoto ligado ao combustível e a formação de óxidos de azoto possam exigir análises adicionais.

Determinar a Percentagem de Excesso de Ar

Calculá-la a partir de Dados de Fluxo de Ar

Se a alimentação real de ar for medida, a percentagem de excesso de ar é:

[ %\text{ excesso de ar}

\frac{n_{\text{ar,real}}-n_{\text{ar,estequiométrico}}} {n_{\text{ar,estequiométrico}}} \times 100 ]

Equivalentemente, utilizando o oxigénio fornecido pelo ar:

[ %\text{ excesso de ar}

\frac{n_{O_2,\text{real}}-n_{O_2,\text{estequiométrico}}} {n_{O_2,\text{estequiométrico}}} \times 100 ]

O coeficiente de excesso de ar é:

[ \lambda

\frac{n_{\text{ar,real}}}{n_{\text{ar,estequiométrico}}}

1+\frac{%\text{ excesso de ar}}{100} ]

Assim, 15% de excesso de ar corresponde a (\lambda=1,15).

Estimá-la a partir do Oxigénio nos Gases de Combustão Secos

Para uma combustão completa com ar comum e oxigénio negligenciável no combustível, uma aproximação comum baseada no oxigénio dos gases de combustão secos é:

[ %\text{ excesso de ar} \approx \frac{y_{O_2,\text{seco}}} {0,21-y_{O_2,\text{seco}}} \times 100 ]

Esta relação assume que o oxigénio medido é o principal indicador de oxidante em excesso e que a composição do ar é conhecida.

A aproximação torna-se menos fiável quando estão presentes monóxido de carbono, combustível não queimado, enriquecimento de oxigénio, fugas de ar, recirculação de gases de combustão ou oxigénio ligado ao combustível significativo.

Verificação Cruzada com um Balanço Material Completo

O procedimento de instalação piloto mais robusto compara duas estimativas independentes:

Calcular o ar teórico a partir da análise elementar do combustível.
Calcular o ar real a partir do fluxo de ar medido.
Analisar os gases de combustão secos.
Reconstruir a corrente de saída utilizando balanços de carbono, hidrogénio, enxofre, oxigénio e azoto.
Comparar as composições calculadas e medidas.

A concordância apoia a validade dos dados operacionais. Uma discrepância substancial pode indicar erro do analisador, infiltração de ar, composição imprecisa do combustível, resíduo sólido não medido ou combustão incompleta.

Compreender os Compromissos

Pouco Ar Causa Combustão Incompleta

Operar abaixo do requisito de ar estequiométrico pode produzir CO, fuligem, fumo, hidrogénio, metano ou outros hidrocarbonetos não queimados. Também reduz o calor recuperável porque parte da energia química do combustível permanece no escape ou resíduo.

As leituras baixas de oxigénio por si só não provam uma operação eficiente. Um gás de combustão com baixo teor de O₂ acompanhado de CO elevado pode indicar deficiência de oxigénio ou mistura deficiente.

Demasiado Ar Reduz a Eficiência Térmica

O excesso de ar ajuda a promover a combustão completa, mas também aumenta o volume de azoto e oxigénio não utilizado aquecido pela fornalha. Estes gases saem pela chaminé e retiram calor sensível do processo.

O ar excessivo pode, portanto, reduzir a eficiência térmica, aumentar os requisitos de ventiladores e condutas, e diluir as concentrações de poluentes. O ponto de operação apropriado é o nível de excesso de ar mais baixo que mantém uma combustão estável e completa e satisfaz os requisitos de segurança e emissões.

Fugas de Ar Podem Corromper o Cálculo

O ar que entra através de vedações da fornalha, portas de inspeção, juntas de condutas ou pontos de amostragem aumenta o oxigénio medido nos gases de combustão sem representar necessariamente o ar de combustão fornecido ao queimador. Isto pode fazer com que o excesso de ar calculado pareça superior ao que a configuração do queimador sugere.

Os balanços das instalações piloto devem, portanto, distinguir entre ar de combustão e ar de diluição não controlado sempre que possível.

A Humidade e o Ponto de Orvalho Devem Ser Considerados

A humidade do combustível e a água formada a partir da combustão do hidrogénio aparecem nos gases de combustão húmidos, mas estão ausentes nos resultados secos de Orsat. Esta distinção é importante ao converter concentrações medidas em taxas de fluxo total ou ao realizar um balanço de oxigénio.

Os gases de combustão também devem permanecer acima do seu ponto de orvalho de água ou ácido relevante no equipamento de recuperação de calor, a menos que a condensação seja gerida intencionalmente. Combustíveis que contêm enxofre podem criar condensado ácido e riscos de corrosão quando os óxidos de enxofre e a água condensam juntos.

Como Aplicar Isto à Sua Instalação Piloto

O método apropriado depende do objetivo da experiência e da instrumentação disponível.

Se o seu foco principal é a eficiência da combustão: Meça O₂, CO₂ e CO secos continuamente, calcule o ar teórico a partir da composição do combustível e opere com o excesso de ar mínimo que mantenha o CO e o combustível não queimado aceitavelmente baixos.
Se o seu foco principal é a verificação do balanço material: Utilize uma base de combustível fixa, meça as taxas de fluxo de ar e de gases de combustão, analise o gás seco e feche os balanços de carbono, hidrogénio, enxofre, oxigénio e azoto.
Se o seu foco principal é o controlo do queimador ou da fornalha: Utilize o O₂ dos gases de combustão como indicador de controlo, mas valide-o com o CO, fugas de ar, fluxo de combustível e calibração periódica do analisador.
Se o seu foco principal são emissões ou tratamento de exaustão: Rastreie CO₂, CO, SO₂, oxigénio, humidade e poluentes relevantes numa base seca ou húmida claramente declarada antes de dimensionar ou avaliar lavadores e outros equipamentos de tratamento.

Uma avaliação fiável do excesso de ar requer tanto uma medição precisa dos gases de combustão como um balanço de combustão estequiometricamente consistente.

Tabela de Resumo:

Área de Avaliação	Método Chave	Principais Considerações
Base de combustível	Analisar carbono, hidrogénio, enxofre, oxigénio, humidade e cinzas	Utilizar uma base de massa ou molar consistente
Oxigénio teórico	Aplicar estequiometria de combustão completa	Subtrair o oxigénio ligado ao combustível
Ar estequiométrico	Dividir a procura de oxigénio pela fração de oxigénio do ar	Ajustar para ar enriquecido, humidificado ou reciclado
Análise de gases de combustão	Medir O₂, CO₂, CO, SO₂ e N₂ secos	Declarar base seca ou húmida e condições de amostragem
Excesso de ar a partir de dados de fluxo	Comparar ar real com ar estequiométrico	% excesso de ar = (ar real - ar estequiométrico) / ar estequiométrico x 100
Excesso de ar a partir de O₂	Utilizar concentração de oxigénio nos gases de combustão secos	Aproximação: O₂ / (0,21 - O₂) x 100
Verificação de balanço	Reconciliar carbono, hidrogénio, enxofre, oxigénio e azoto	Verificar fugas, erro do analisador, humidade e combustível não queimado
Compromisso operacional	Minimizar excesso de ar mantendo a combustão completa	Monitorizar O₂ em conjunto com CO e hidrocarbonetos não queimados

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