Os balanços de massa e os requisitos de excesso de ar são avaliados combinando a estequiometria da reação com as composições medidas da alimentação e dos gases de combustão. Em uma planta-piloto de tratamento térmico, os operadores determinam primeiro a composição elementar do combustível e dos resíduos, depois calculam o oxigênio teórico necessário para a oxidação completa. A análise dos gases de combustão secos, medindo tipicamente O₂, CO₂, CO e, por vezes, SO₂, HCl e hidrocarbonetos, é usada para verificar o balanço, calcular o excesso de ar, avaliar a completude da combustão e dimensionar o tratamento de gases a jusante.

O cálculo central compara o oxigênio fornecido pelo ar com o oxigênio líquido necessário para oxidar o carbono, hidrogênio, enxofre e outros elementos combustíveis aos seus produtos pretendidos. Resultados confiáveis exigem uma base de cálculo definida, medições consistentes de gases úmidos ou secos e balanços de componentes ou elementos em toda a planta-piloto.

Estabelecendo a Base do Balanço de Massa

Defina o Limite do Processo

O limite do balanço envolve normalmente a câmara de combustão, incluindo a alimentação de resíduos, combustível primário, ar de combustão, cinzas ou resíduos e gases de combustão.

Para operação em estado estacionário, assume-se que a acumulação é zero:

[ \text{Entrada total}=\text{Saída total} ]

Um diagrama de fluxo do processo deve identificar cada corrente que atravessa o limite, incluindo combustível auxiliar, ar enriquecido com oxigênio, água de resfriamento, licor de lavagem e resíduos sólidos.

Escolha uma Base de Cálculo

Uma base prática pode ser uma hora de operação, um lote de resíduos ou uma massa fixa de resíduos, como 100 kg.

A base deve ser aplicada de forma consistente às taxas de alimentação, medições de gás, quantidades de resíduos e requisitos de oxigênio calculados.

Caracterize a Alimentação

O combustível e os resíduos são analisados quanto a carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre, cloro, umidade, cinzas e outros constituintes relevantes.

Para resíduos orgânicos perigosos, como PCBs, o cloro é especialmente importante porque a conversão completa pode produzir HCl quando há hidrogênio suficiente, ou outros produtos contendo cloro quando as condições de reação e a composição da alimentação diferem.

Calculando o Oxigênio Teórico

Escreva as Reações de Combustão Completa

Para os principais elementos combustíveis, os produtos de combustão completa pretendidos são geralmente:

[ \mathrm{C \rightarrow CO_2} ]

[ \mathrm{H \rightarrow H_2O} ]

[ \mathrm{S \rightarrow SO_2} ]

Para um combustível genérico contendo carbono, hidrogênio, oxigênio e enxofre, o requisito de oxigênio teórico é calculado a partir do inventário elementar.

Uma expressão baseada em massa comumente usada é:

[ m_{\mathrm{O_2,teórico}}

\frac{32}{12}m_C + 8m_H + m_S

m_O ]

onde as massas elementares são expressas em unidades consistentes. O oxigênio já ligado no combustível é subtraído porque contribui para a oxidação e, portanto, reduz o oxigênio que deve entrar com o ar.

Considere o Resíduo e o Combustível Auxiliar Juntos

O requisito de oxigênio deve incluir material combustível tanto do resíduo quanto do combustível auxiliar.

Por exemplo, o hexano pode ser usado como combustível primário enquanto o resíduo contribui com carbono, hidrogênio e cloro adicionais. A demanda total de oxigênio teórico baseia-se na alimentação elementar combinada, não apenas no combustível auxiliar.

Trate a Combustão Incompleta como um Resultado de Desempenho

O requisito de oxigênio teórico é definido para a oxidação completa aos produtos finais selecionados. CO medido, fuligem, hidrocarbonetos não queimados ou carbono residual indicam conversão incompleta, mas não redefinem o requisito de oxigênio teórico.

Essas espécies são, em vez disso, usadas para avaliar o desempenho da combustão e identificar se a mistura, temperatura, tempo de residência ou distribuição de ar são inadequados.

Determinando o Requisito de Ar

Calcule o Ar Teórico

O ar seco é comumente aproximado como contendo aproximadamente 20,99% mol de O₂ e 78,03% mol de N₂, com pequenas quantidades de argônio, dióxido de carbono e gases traço.

Assim, o requisito de ar teórico é:

[ n_{\mathrm{ar,teórico}}

\frac{n_{\mathrm{O_2,teórico}}}{0,2099} ]

Se for usado ar enriquecido com oxigênio, a fração molar real de oxigênio da alimentação deve substituir 0,2099 neste cálculo.

Calcule a Entrada Real de Oxigênio

O oxigênio que entra com o ar é determinado a partir do fluxo de ar e sua composição:

[ n_{\mathrm{O_2,entrada}}

y_{\mathrm{O_2,ar}}n_{\mathrm{ar,entrada}} ]

Para uma corrente de ar, a entrada correspondente de nitrogênio também é calculada:

[ n_{\mathrm{N_2,entrada}}

y_{\mathrm{N_2,ar}}n_{\mathrm{ar,entrada}} ]

O nitrogênio é útil como componente de balanço porque normalmente passa pela zona de combustão praticamente inalterado, exceto por pequenos efeitos associados ao combustível contendo nitrogênio ou à formação térmica de NOₓ.

Calcule a Porcentagem de Excesso de Ar

A definição padrão é:

[ \%\text{ excesso de ar}

\frac{n_{\mathrm{ar,real}}-n_{\mathrm{ar,teórico}}} {n_{\mathrm{ar,teórico}}} \times 100 ]

Equivalentemente, usando oxigênio:

[ \%\text{ excesso de ar}

\frac{n_{\mathrm{O_2,entrada}}-n_{\mathrm{O_2,necessário}}} {n_{\mathrm{O_2,necessário}}} \times 100 ]

Aqui, (n_{\mathrm{O_2,necessário}}) é o oxigênio líquido necessário do ar, após contabilizar o oxigênio já presente no combustível ou resíduo.

Usando a Análise de Gases de Combustão para Verificar o Balanço

Meça em uma Base Seca Consistente

Analisadores Orsat ou analisadores de gás instrumentais fornecem comumente concentrações de gases de combustão secos de O₂, CO₂, CO e, por vezes, SO₂.

O vapor de água é removido ou excluído de uma análise seca, portanto, as quantidades de gás calculadas também devem usar uma base seca. Comparar medições secas com cálculos teóricos úmidos cria erros sistemáticos.

Use Frações Molares e a Lei de Dalton

Se um analisador de gás relata frações molares, a pressão parcial de cada componente é:

[ p_i=y_iP ]

onde (y_i) é a fração molar do componente e (P) é a pressão total.

A concentração de O₂ medida indica quanto oxigênio permanece após a combustão. Um O₂ residual alto geralmente corresponde a um maior excesso de ar, enquanto um O₂ muito baixo pode indicar deficiência de oxigênio, desde que a medição seja confiável e a infiltração de ar tenha sido excluída.

Aplique Balanços de Carbono e Nitrogênio

Um balanço de carbono compara o carbono que entra no combustível e resíduo com o carbono que sai como:

CO₂
CO
Hidrocarbonetos não queimados
Fuligem ou carbono não queimado em resíduo sólido

Um balanço de nitrogênio compara o nitrogênio que entra no ar e combustível com o nitrogênio nos gases de combustão secos e produtos contendo nitrogênio.

Esses balanços ajudam a identificar vazamentos, infiltração de ar, erros de analisador, produtos não medidos ou caracterização imprecisa da alimentação.

Inferir o Fluxo de Ar Quando a Medição Direta Não for Confiável

Medições de fluxo de gás a alta temperatura podem ser difíceis e propensas a erros. Em muitas plantas-piloto, a entrada de ar e a produção total de gases de combustão são inferidas a partir de balanços elementares usando alimentação de combustível medida, composição de resíduos, dados de resíduos e análise de gases de combustão secos.

Este método indireto é particularmente útil quando o gás de combustão está quente, corrosivo, carregado de partículas ou com composição variável.

Avaliando o Desempenho de Combustão e Tratamento

Distinga Combustão Completa e Incompleta

A combustão completa produz principalmente CO₂ e H₂O a partir de material carbonáceo e contendo hidrogênio.

CO, fuligem, hidrocarbonetos não queimados e carbono combustível residual indicam combustão incompleta. Sua presença deve ser relatada separadamente do cálculo de excesso de ar, porque o excesso de oxigênio por si só não garante a destruição completa se a temperatura, turbulência ou tempo de residência forem insuficientes.

Conecte o Balanço ao Desempenho Térmico

O excesso de ar afeta tanto o desempenho ambiental quanto a eficiência energética.

Muito pouco ar pode causar combustão incompleta, fuligem, formação de CO e operação instável. Muito ar aumenta o volume de gás que deve ser aquecido e exaurido, aumentando a perda de calor sensível e potencialmente reduzindo a eficiência térmica.

Use Balanços de Cloro para Controle de Gases Ácidos

Para resíduos clorados, o balanço de cloro ajuda a estimar a produção de HCl e apoia o projeto de um lavador de gases ácidos.

O balanço deve contabilizar o cloro no resíduo, HCl nos gases de combustão, cloro retido nos sólidos e quaisquer outros produtos contendo cloro medidos ou esperados.

Compreendendo os Trade-offs

Excesso de Ar Não é o Mesmo que Destruição Completa

Um valor alto de excesso de ar pode melhorar a disponibilidade de oxigênio, mas não pode compensar a temperatura de combustão inadequada, mistura deficiente ou tempo de residência insuficiente.

O desempenho da destruição térmica deve, portanto, ser avaliado usando temperatura, tempo de residência, condições de mistura, CO, hidrocarbonetos não queimados e, quando aplicável, medições de eficiência de destruição e remoção.

O Oxigênio nos Gases de Combustão Pode Ser Enganoso

O O₂ residual pode ser aumentado por vazamento de ar para dentro do forno ou sistema de amostragem. Se a infiltração não for identificada, o excesso de ar calculado será superestimado.

A calibração do analisador, testes de vazamento, condicionamento da linha de amostragem e correção para diluição são essenciais para resultados significativos.

Ar Enriquecido com Oxigênio Requer Cálculos Revisados

O uso de ar enriquecido com oxigênio altera a relação entre o fluxo de oxigênio e o fluxo total de gás. Aplicar o conteúdo padrão de 20,99% de oxigênio do ar seco a uma alimentação enriquecida subestimará ou representará erroneamente o requisito real de ar.

A concentração de oxigênio medida ou especificada da corrente de enriquecimento deve ser usada em seu lugar.

As Bases de Medição Devem Coincidir

A composição do combustível pode ser relatada em uma base "como recebido", a composição do resíduo em uma base seca e os gases de combustão em uma base seca e corrigida pelo oxigênio.

Essas bases não podem ser combinadas diretamente. Umidade, cinzas, oxigênio no combustível, enriquecimento de oxigênio e diluição devem ser reconciliados antes de calcular balanços de massa ou emissões.

Fazendo a Escolha Certa para o Seu Objetivo

O método de avaliação correto depende do que a planta-piloto pretende demonstrar:

Se o seu foco principal é a estequiometria da combustão: Determine a alimentação elementar combinada, calcule os requisitos de oxigênio teórico e líquido e compare-os com o oxigênio fornecido pelo combustível e ar.
Se o seu foco principal é o controle de excesso de ar: Use a análise de O₂ em gases de combustão secos calibrada juntamente com a composição da alimentação de ar e verifique o resultado com balanços de nitrogênio e carbono.
Se o seu foco principal é o desempenho de destruição: Avalie CO, hidrocarbonetos não queimados, fuligem, temperatura, tempo de residência e mistura, além da porcentagem de excesso de ar calculada.
Se o seu foco principal é o projeto de tratamento de emissões: Complete balanços de carbono, cloro, enxofre e partículas para estimar CO₂, HCl, SO₂, cinzas e carga do lavador.
Se o seu foco principal é a qualidade dos dados da planta-piloto: Reconcilie todas as correntes em uma base e use balanços elementares indiretos para verificar medidores de vazão, analisadores, vazamentos e saídas não medidas.

Uma avaliação defensável de planta-piloto vincula cálculos estequiométricos, composição medida dos gases de combustão, condições operacionais e requisitos de controle de emissões em um balanço de massa consistente.

Tabela Resumo:

Área de Avaliação	Entradas Principais	Resultado Principal
Balanço de massa	Dados de alimentação, combustível, ar, resíduo e gases de combustão	Balanço de massa entrada-saída verificado
Oxigênio teórico	Carbono, hidrogênio, enxofre e oxigênio na alimentação	Requisito de O₂ para combustão completa
Excesso de ar	Entrada real de ar ou O₂ versus demanda teórica	Porcentagem de excesso de ar
Verificação de gases de combustão	Dados de O₂, CO₂, CO, SO₂ secos e nitrogênio	Validação da combustão e medição
Desempenho de destruição	CO, hidrocarbonetos, fuligem, temperatura e tempo de residência	Avaliação da completude da combustão
Tratamento de emissões	Balanços de cloro, enxofre, carbono, cinzas e partículas	Carga do lavador e requisitos de tratamento
Qualidade dos dados	Bases consistentes úmido/seco e como recebido/seco	Resultados de planta-piloto defensáveis

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