Saiba o que é uma Combustão completa e incompleta

No ramo industrial, as reações de combustão são bastante recorrentes, sendo também muito importantes do ponto de vista econômico. A combustão é caracterizada por ser uma reação química entre um combustível e um comburente (geralmente O2), sendo obtido calor, além de subprodutos. 

Nesse processo, podemos ter reação completa e incompleta. Essa variação irá depender da quantidade de oxigênio disponível no processo de entalpia de combustão. Mas você sabia que a combustão estequiométrica, apesar de desejável, não existe? Por isso, devemos sempre buscar a combustão chamada otimizada.

Saiba mais sobre as reações de combustão industrial, suas principais diferenças, além das estratégias para tornar o processo de combustão mais eficiente, fazendo com que, naturalmente, a caldeira seja eficiente!

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Reação de combustão: o desejo é a conversão energética completa do combustível!

Em qualquer processo de combustão o que mais se deseja é a conversão energética completa do combustível. Como consequência, isso tende a maximizar a eficiência do equipamento (caldeiras, por exemplo). 

Na prática, a conversão energética do combustível é a conversão do Carbono (C) e do Hidrogênio (H), respectivamente, em CO2 (Dióxido de Carbono) e H2O (Vapor de água). 

Para que isso ocorra, a reação de combustão exige a junção de três partes.

Combustível: Podem ser sólidos (carvão, madeira, papel e variados tipos de biomassa), líquidos (gasolina, etanol e óleo diesel) e gasosos (gás butano, gás metano);

Comburente: Oxigênio ou qualquer material gasoso que contenha oxigênio, caso do ar. Na atmosfera, por exemplo, a concentração de oxigênio é de 21% de mol/mol. 

Energia (calor): Para que a reação de combustão se inicie há a necessidade de uma fonte de ignição, como uma faísca. Depois se inicia, a energia liberada na forma de calor providencia a energia necessária para que a reação continue até que todo o combustível ou todo o comburente tornem-se escassos.

Abaixo está uma esquematização, conhecida como triângulo de fogo, que representa de uma melhor forma o processo de combustão. Veja:

combustão completa e incompleta | COONTROL

Vale lembrar também que, quando não há quantidade suficiente de comburente (O₂) para completar a combustão, ocorrerá o que chamamos de combustão incompleta, como será melhor entendido a seguir.

 

Combustão completa e incompleta: Entenda as diferenças

Como vimos, em qualquer processo, a combustão pode ser completa ou incompleta. As diferenças entre essas reações de combustão são relativamente simples.

Na combustão completa, o carbono (combustível utilizado) irá reagir totalmente com o oxigênio disponível, liberando dióxido de carbono (gás carbônico – CO₂), além de água (H₂O).

A combustão incompleta, por sua vez, é a fase intermediária onde isso acontece, ou seja, é a formação de hidrocarbonetos, de CO (Monóxido de carbono) e até de C, conhecido como fuligem. Geralmente ocorre pela presença de oxigênio não suficiente.

Dessa forma, na combustão incompleta ocorre a reação do carbono com oxigênio, formando CO. Mas para que a combustão seja completa, deve ocorrer a reação desse CO com CO2

Isso mostra que para que a reação de combustão seja completa, há a necessidade de passagem pela combustão incompleta, mesmo que seja temporária.

Além disso, a combustão incompleta apresenta uma chama mais amarela e heterogênea, além de gerar fuligem (fumaça preta) devido à presença de carbono. Já a presença de chamas azuis e homogêneas indicam que a combustão foi completa.

A reação de combustão incompleta também tende a apresentar menor aproveitamento do combustível, por consequência o rendimento do motor tende a diminuir, reduzindo a eficiência da indústria na sua geração energética.

 

Reação de combustão otimizada. Como conseguir?

O desejo de todas as indústrias que precisam de reações de combustão para seus processos é atingir a chamada combustão perfeita, onde ao fim do processo de queima do combustível a quantidade de O2 é zero, ou seja, sem nada de excesso de ar, representando a conversão completa do carbono em CO2.

A combustão perfeita é também conhecida como a combustão estequiométrica, ou seja, sem excesso de ar e com COe (CO equivalente – soma dos hidrocarbonetos e do CO) igual a 0 ppm. Neste caso a emissão de COe será máxima.

Porém, existe combustão com O2 igual a ZERO ou com CO2 máximo? A resposta é: Não, pelo menos em condições reais!

Não existe porque quanto mais a reação se aproxima da estequiometria, maior é a tendência de emissão de COe (Combustão incompleta) e isto significa combustível sem queimar, além de perda de eficiência da combustão.

Então, o que é o ideal? Como conseguir uma reação de combustão mais próxima da perfeição? O ideal é sempre buscar uma reação de combustão que seja a mais otimizada possível

Na combustão otimizada há o menor nível de excesso de ar (menor nível de O2) e maior nível de CO2 possível. Mas isso ocorre desde que a combustão incompleta não seja elevada, ou seja, as emissões de CO ou HC não estejam acima da permitida pela legislação ambiental, que geralmente é de 500 a 1000 ppm.

 

É preciso medir e controlar os gases para melhor eficiência de combustão

Por tudo que vimos aqui fica claro que é impossível atingir uma reação de combustão 100% completa, mas é plenamente possível fazer com que ela seja otimizada, principalmente quanto ao aspecto econômico.

Vimos também que a eficiência da caldeira é afetada tanto pelo excesso de ar (medida pelo nível de CO₂) quanto pela emissão em excesso de COe, ou seja, o empresário literalmente vê o dinheiro saindo pela chaminé, tanto de uma forma quanto de outra!

Como resolver isso então? O ideal é o uso de equipamentos para medição e controle de O2 + COe. Veja como isso funciona:

Esse controle normalmente é feito com o conceito de SET-POINT fixo. Ou seja, existe um valor “alvo” de oxigênio (excesso de ar) que o SET-POINT tentará buscar. Nisto, o ventilador de ar irá aumentar e/ou diminuir a velocidade buscando sempre o “alvo”.

Confira a figura 1 abaixo apresentada, extraída do catálogo do nosso Analisador de O2 + CO2, modelo COONTROL-100.  

combustão

 

A linha azul representa o comportamento do CO2 de uma caldeira sem nenhum tipo de controle de gases. A linha laranja representa o CO2 de uma caldeira com controle de CO2 ou com controle de O2. As linhas tracejadas representam a variação normal do CO2 da caldeira durante o funcionamento da malha de controle.

Já as caldeiras com controle de O2 + COe, operam com o conceito de malha de controle com dois elementos, o Oxigênio e o COe. Neste caso o SET-POINT de oxigênio não é fixo e sim remoto. 

Ele irá variar para mais ou para menos a depender da emissão de CO + HC. Ou seja, o COe é que determina o nível de SET-POINT do oxigênio. E isso faz toda a diferença. 

Na prática, caldeiras com este tipo de controle conseguem operar com níveis de oxigênio bem menores do que as anteriores. E isto naturalmente exerce impacto na eficiência da caldeira. 

A figura 2, retirada do catálogo do modelo COONTROL-200 explica melhor isso:

Figura 2 - Gráfico de Controle de O2 + CO

Neste gráfico as cores das linhas representam as mesmas situações do gráfico anterior, porém agora, com a demonstração do SET-POINT remoto.

Neste caso o SET-POINT varia de acordo com o nível de COe. Sempre tentando manter o nível de até 500 ppm. Note o ganho de eficiência que isto pode trazer no eixo vertical (eixo y) do lado direito.

É importante ressaltar que o que faz com que a eficiência aumente é principalmente o aumento do nível de CO2 da combustão, e não necessariamente a redução de emissão de COe. 

Dessa forma, essas variáveis, aliadas ao uso da automação para total controle dos gases que saem da chaminé, possibilitam que a indústria consiga obter a máxima otimização da combustão, trazendo benefícios na maior produção de energia e ganhos econômicos elevados.

Portanto, dispor de equipamentos medidores de gases da combustão significa conseguir otimizar todo o processo de queima e combustão, com redução no consumo de combustíveis e maior eficiência.

Aproveite este artigo e veja qual é a verdadeira importância do CO₂ no processo de combustão.

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