A porcentagem de excesso de ar é calculada com base na necessidade teórica líquida de oxigênio para a combustão completa, mesmo quando o processo real produz monóxido de carbono ou combustível não queimado. Primeiro, calcule o oxigênio necessário para oxidar todo o carbono do combustível a CO₂, o hidrogênio a H₂O e o enxofre a SO₂. Em seguida, subtraia o oxigênio já ligado quimicamente ao combustível, compare a necessidade líquida resultante com o oxigênio fornecido pelo ar e expresse a diferença como uma porcentagem da necessidade líquida.

Conclusão principal: A combustão incompleta altera a composição real dos gases de combustão, mas não altera a base de combustão teórica usada para definir o excesso de ar. Para combustíveis que contêm oxigênio ligado, subtraia o oxigênio do combustível da demanda de oxigênio para a combustão completa antes de calcular o excesso de ar.

Estabelecendo a Necessidade Teórica de Oxigênio

Use a combustão completa como base de cálculo

A necessidade teórica de oxigênio pressupõe a oxidação completa do combustível:

O carbono transforma-se em CO₂.
O hidrogênio transforma-se em H₂O.
O enxofre transforma-se em SO₂.

Essa base permanece fixa mesmo que a planta-piloto produza CO, fuligem ou hidrocarbonetos não queimados.

Calcule o oxigênio a partir da composição do combustível

Para um combustível que contém carbono, hidrogênio, enxofre e oxigênio, a necessidade estequiométrica de oxigênio pode ser escrita em base mássica como:

[ m_{O_2,\ teórico}

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

onde (m_C), (m_H) e (m_S) são as massas de carbono, hidrogênio e enxofre no combustível.

Os coeficientes resultam das reações de combustão completa:

[ C + O_2 \rightarrow CO_2 ]

[ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O ]

[ S + O_2 \rightarrow SO_2 ]

Considere o oxigênio já presente no combustível

Se o combustível contiver compostos oxigenados, parte do oxigênio necessário é fornecida internamente pelo combustível, e não pelo ar.

Portanto, o oxigênio líquido necessário proveniente do ar é:

[ m_{O_2,\ líquido}

m_{O_2,\ teórico}

m_{O,\ combustível}\left(\frac{32}{16}\right) ]

ou, de forma mais simples, quando (m_{O,\ combustível}) é expresso como a massa de oxigênio elementar:

[ m_{O_2,\ líquido}

m_{O_2,\ teórico}

m_{O,\ combustível} ]

A segunda forma é válida porque a massa dos átomos de oxigênio é conservada, independentemente de esse oxigênio entrar como oxigênio ligado ao combustível ou como oxigênio molecular proveniente do ar.

Para um combustível com frações mássicas de (C), (H), (S) e (O), a forma comum baseada na análise elementar é:

[ m_{O_2,\ líquido}

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

m_O ]

O resultado deve ser baseado em uma base de quantidade consistente, como quilogramas de combustível ou quilomoles de combustível.

Calculando a Porcentagem de Excesso de Ar

Calcule o oxigênio fornecido pelo ar

Se a alimentação de ar for conhecida, calcule o oxigênio que entra com o ar:

[ m_{O_2,\ entrada}

y_{O_2,\ ar}m_{\text{ar}} ]

onde (y_{O_2,\ ar}) é a fração mássica de oxigênio no ar.

Para o ar seco, o teor de oxigênio é normalmente representado como aproximadamente 21% molar de oxigênio. Ao usar unidades de massa, a fração mássica de oxigênio correspondente é aproximadamente 0,233. A base do ar deve permanecer consistente com o cálculo do oxigênio teórico.

Aplique a equação do excesso de ar

A porcentagem de excesso de ar é:

[ %,\text{excesso de ar}

\frac{ m_{O_2,\ entrada}

m_{O_2,\ líquido} }{ m_{O_2,\ líquido} } \times 100 ]

Como o ar e o oxigênio são proporcionais para uma composição fixa do ar, o mesmo resultado pode ser expresso usando quantidades de ar:

[ %,\text{excesso de ar}

\frac{ m_{\text{ar, real}}

m_{\text{ar, teórico}} }{ m_{\text{ar, teórico}} } \times 100 ]

O ar teórico é o ar necessário para fornecer (m_{O_2,\ líquido}).

Interprete o resultado corretamente

Um valor igual a zero representa o ar teórico: ar exatamente suficiente para a combustão completa com base na estequiometria definida.

Um valor positivo indica excesso de ar. Um valor negativo indica deficiência de ar, que normalmente está associada à presença de CO, fuligem ou combustível não queimado.

Por Que a Combustão Incompleta Não Redefine o Excesso de Ar

O CO é um produto real, não uma nova base teórica

Quando o carbono forma CO em vez de CO₂, o oxigênio efetivamente consumido é menor que o oxigênio necessário para a combustão completa.

Entretanto, a porcentagem de excesso de ar destina-se a medir quanto ar foi fornecido em relação à quantidade necessária para a oxidação completa. Recalcular a necessidade teórica usando o CO efetivamente formado subestimaria a deficiência ou o excesso de ar em relação ao resultado de combustão desejado.

O combustível não queimado deve ser tratado como resultado do balanço real

Hidrocarbonetos residuais, fuligem ou carbono não queimado afetam os balanços reais de massa e energia.

Eles devem ser incluídos ao reconciliar as correntes de entrada e saída medidas, mas não substituem a necessidade estequiométrica de combustão completa usada na definição do excesso de ar.

Separe o excesso de ar da eficiência da combustão

O excesso de ar descreve o fornecimento de ar em relação à demanda estequiométrica.

A eficiência da combustão também depende do monóxido de carbono, dos hidrocarbonetos não queimados, da fuligem, da conversão do combustível, das perdas de calor e de outras condições operacionais. Uma unidade pode receber excesso de ar e ainda apresentar combustão incompleta devido à mistura deficiente, ao tempo de residência insuficiente, à baixa temperatura ou às limitações do queimador.

Usando a Análise dos Gases de Combustão em uma Planta-Piloto

Meça o oxigênio nos gases de combustão secos

Os analisadores de gases de combustão secos normalmente medem O₂, CO₂, CO e, às vezes, SO₂ e hidrocarbonetos.

A concentração medida de oxigênio pode ser usada para estimar o excesso de ar quando a composição do combustível e os produtos da combustão são conhecidos, mas o cálculo deve considerar a diluição, a remoção de umidade, os vazamentos e a base seca ou úmida escolhida.

Use balanços de massa para validar o resultado

Um cálculo confiável em uma planta-piloto compara:

A composição do combustível e a vazão de alimentação de ar.
O oxigênio teórico necessário para a combustão completa.
A composição medida dos gases de combustão.
O carbono não queimado, o combustível não queimado e outras correntes de saída.

Essa comparação identifica erros do analisador, vazamentos de ar, correções incorretas de umidade e bases de vazão inconsistentes.

Não confunda oxigênio residual com excesso de ar

O O₂ residual na chaminé geralmente indica que entrou mais oxigênio do que a quantidade consumida.

Ele não é automaticamente igual à porcentagem de excesso de ar, porque os gases de combustão também contêm nitrogênio, CO₂, vapor de água, CO e potencialmente combustível não queimado. O resultado de oxigênio deve ser interpretado por meio do balanço geral da combustão.

Entendendo os Compromissos Operacionais

Ar insuficiente

A deficiência de ar pode produzir CO, fuligem, hidrocarbonetos não queimados e menor liberação de calor.

Ela também cria preocupações de segurança e ambientais, pois o CO é tóxico e o combustível não queimado pode se acumular em equipamentos a jusante ou sistemas de exaustão.

Ar em excesso

O excesso de ar aumenta a quantidade de nitrogênio e oxigênio não utilizado aquecida pelo processo de combustão.

Esse gás adicional transporta calor sensível para fora da unidade, reduzindo a eficiência térmica e potencialmente diminuindo a temperatura da chama. O excesso de ar também pode influenciar a formação de NOₓ, portanto o ponto operacional ideal não é necessariamente a maior vazão de ar possível.

Bases de cálculo inconsistentes

Um erro comum é comparar o oxigênio teórico baseado em massa com a vazão molar de ar, ou comparar uma análise de gases de combustão em base úmida com cálculos em base seca.

Use uma única base consistente em todo o cálculo e declare claramente se as vazões e composições são medidas em base úmida ou seca.

Vazamentos de ar e limitações do analisador

O ar falso que entra através de vazamentos pode aumentar o oxigênio medido na chaminé sem fazer parte da alimentação de ar de combustão pretendida.

Além disso, a mistura incompleta, a condensação na linha de amostragem, os erros de calibração do analisador e a operação instável da planta-piloto podem fazer com que as estimativas baseadas nos gases de combustão sejam diferentes dos cálculos baseados na alimentação.

Fazendo a Escolha Certa para Seu Objetivo

Use a abordagem a seguir de acordo com o objetivo do cálculo na planta-piloto:

Se seu foco principal for o projeto estequiométrico: Calcule a demanda de oxigênio para a combustão completa, subtraia o oxigênio ligado ao combustível, converta a necessidade líquida em ar teórico e compare-a com a alimentação de ar real.
Se seu foco principal for diagnosticar a combustão incompleta: Mantenha a base teórica de combustão completa e, em seguida, quantifique separadamente o CO, o combustível não queimado, a fuligem e o carbono residual usando as composições medidas na saída.
Se seu foco principal for validar os dados da planta-piloto: Compare o resultado do excesso de ar baseado na alimentação com um balanço de massa dos gases de combustão secos e investigue as discrepâncias por meio de verificações de vazamentos de ar, umidade e analisadores.
Se seu foco principal for a eficiência térmica: Evite tratar o excesso de ar como um objetivo operacional isolado; identifique a menor vazão de ar que alcance uma completude de combustão e um desempenho de emissões aceitáveis.

Um cálculo de excesso de ar defensável sempre usa o oxigênio líquido necessário para a combustão completa, independentemente dos produtos incompletos observados durante a operação real.

Tabela de Resumo:

Elemento do cálculo	Princípio fundamental	Observação prática
Oxigênio teórico	Oxidar o carbono a CO₂, o hidrogênio a H₂O e o enxofre a SO₂	Usar a combustão completa como base de referência
Oxigênio ligado ao combustível	Subtrair o oxigênio já presente no combustível	Aplicar uma base mássica ou molar consistente
Demanda líquida de oxigênio	Oxigênio teórico menos oxigênio ligado ao combustível	Este é o oxigênio necessário proveniente do ar
Excesso de ar	`(Ar real - Ar teórico) / Ar teórico × 100`	Valores positivos indicam excesso de ar; valores negativos indicam deficiência
Combustão incompleta	Tratar CO, fuligem e combustível não queimado como resultados reais na saída	Não redefinir a necessidade teórica de oxigênio
Validação dos gases de combustão	Comparar dados de O₂ seco, CO₂, CO, umidade e vazão	Verificar vazamentos de ar, erros de amostragem e inconsistências de base

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