Fundamentos Sobre Gases Combustíveis - Parte final

TABELA 5. Temperaturas Adiabáticas de Chama, em ºC

GÁS a 20ºC

COMBURENTE a 20ºC

	Ar (ºC)	Oxigênio (ºC)
Metano	1957	2810
Etano	1960	-
Propano	1980	2820
Butano	1970	-
Hidrogênio	2045	2660

Temperatura Mínima de Auto-Ignição

A temperatura mínima de auto-ignição é uma temperatura limite, a partir da qual uma mistura de um gás combustível e um comburente se inflamam espontaneamente, quer dizer, sem a presença de uma chama piloto ou centelha.

TABELA 6. Temperaturas Mínimas de Auto-Ignição na Pressão Atmosférica, em ºC

GÁS	COMBURENTE

	Ar (ºC)	Oxigênio (ºC)
Metano	580	555
Etano	515	-
Propano	480	470
Butano	420	285
Monóxido de carbono	630	-
Hidrogênio	570	560
Acetileno	305	296

Essa temperatura é muito importante para o estabelecimento das condições de proteção contra a falta de chama no interior de câmaras de combustão. As normas da ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – estabelecem a temperatura de 750ºC nas superfícies internas da câmara de trabalho como fronteira entre os processos de baixa e alta temperatura. Nos processos acima de 750ºC, estando garantida a auto-ignição da mistura ar-gás com alguma margem de segurança, as exigências aos sistemas de proteção contra falta de chama são menos intensas.

Campo de Inflamabilidade

O campo de inflamabilidade define a faixa de proporções onde uma mistura gás-comburente se inflamará quando submetida a uma condição de ignição. O campo de inflamabilidade também é chamado de campo de explosividade. A ocorrência de uma inflamação ou de uma explosão dependerá do grau de confinamento da mistura inflamável e sua capacidade de aliviar a expansão dos gases gerada pela combustão.

A Tabela 7 indica a percentagem do combustível na mistura, em base volumétrica, estando ambos na temperatura de 20ºC e na pressão atmosférica.

TABELA 7. Campos de Inflamabilidade

GÁS	COMBURENTE

Ar

Oxigênio

Limites >>	Inf. (%)	Sup. (%)	Inf. (%)	Sup. (%)
Metano	5,0	15,0	5,0	60,0
Etano	3,0	12,4	3,0	66,0
Eteno (etileno)	2,7	36,0	2,9	80,0
Propano	2,8	9,5	2,3	45,0
Propeno (propileno)	2,0	11,1	2,1	52,8
Butano	1,8	8,4	1,8	40,0
Monóxido de carbono	12,0	75,0	-	-
Hidrogênio	4,0	75,0	4,0	94,0
Acetileno	2,2	80 / 85(*)	2,8	93,0

(*)Valores apresentam divergência em diferentes literaturas.

Abaixo do limite inferior de inflamabilidade a mistura é chamada pobre (em combustível) e não se inflama. Acima do limite superior de inflamabilidade a mistura é chamada rica e, também, não se inflama.

Velocidades de Chama

A determinação da velocidade de chama de uma mistura gás-comburente, também chamada de velocidade de ignição, é um processo experimental e os valores encontrados dependem das condições do teste e dos métodos de medição.

Portanto, os valores indicados na Tabela 8 podem apresentar divergências, de acordo com a literatura consultada.

TABELA 8. Velocidades de Chama

GÁS	COMBURENTE

	Ar	Oxigênio
	(m/seg)	(m/seg)
Metano	0,4	3,9
Propano	0,45 / 0,5	3,3 / 3,9
Butano	0,35	3,3
Acetileno	1,46	7,6
Hidrogênio	2,66	14,35

A Tabela 8 mostra que os gases combustíveis podem ser divididos em dois grupos: gases de baixa velocidade (como o GLP e o gás natural) e gases de alta velocidade (como o acetileno e o hidrogênio). Também podemos constatar que as velocidades de chama aumentam significativamente na queima com oxigênio puro.

A velocidade de chama é uma característica muito importante para o projeto dos bocais dos queimadores. Enquanto as velocidades de saída das misturas ar-gás ou oxigênio-gás nos bocais tendem a expulsar a chama para fora do queimador, a velocidade da chama se desloca no sentido contrário, dirigindo-se ao bocal do queimador. Enquanto houver equilíbrio entre estas velocidades, a chama se manterá estável, definindo assim a faixa de potências de cada queimador.

O projeto dos bocais dos queimadores inclui dispositivos para manter a chama estável em uma ampla faixa de potências e respectivas velocidades de saída das misturas ar-gás e oxigênio-gás.

Combustão

A queima dos gases combustíveis pode ser feita com ar atmosférico ou com oxigênio puro. A constituição aproximada do ar atmosférico é a seguinte:

1. Em volume, 20,8% O₂ e 79,2% N₂

2. Em massa, 23% O₂ e 77% N₂

 

TABELA 9. Combustão Estequiométrica dos Gases com Ar Atmosférico

GÁS	Ar de combustão	Produtos da Combustão
	(Nm³ ar / Nm³ gás)	(Nm³ p.c. / Nm³ gás)
Monóxido de carbono	2,40	2,90
Metano	9,62	10,62
Acetileno	12,02	12,52
Eteno (etileno)	14,42	15,42
Etano	16,83	18,33
Propeno (propileno)	21,36	23,13
Propano	24,04	26,04
Buteno	28,85	30,85
Butano	31,25	33,75
Hidrogênio	2,40	2,90

TABELA 10. Combustão Estequiométrica dos Gases com Oxigênio Puro

GÁS	O2 de combustão	Produtos da Combustão
	(Nm³ O2 / Nm³ gás)	(Nm³ p.c. / Nm³ gás)
Monóxido de carbono	0,50	1,00
Metano	2,00	3,00
Acetileno	2,50	3,00
Eteno (etileno)	3,00	4,00
Etano	3,50	5,00
Propeno (propileno)	4,50	6,00
Propano	5,00	7,00
Buteno	6,00	8,00
Butano	6,50	9,00
Hidrogênio	0,50	1,00

Os valores indicados pelas Tabelas 9 e 10 referem-se à combustão estequiométrica. Na prática, os valores podem ser diferentes dos indicados nas tabelas, de acordo com os objetivos das aplicações dos gases combustíveis.

Principais Tipos de Chama

Chama Fuliginosa

Normalmente utilizada para depositar fuligem em uma superfície, com as finalidades de desmoldagem ou lubrificação.

O gás queima sem ar de pré-mistura, apenas arrastando o ar ambiente ao redor da chama, ou então com uma pré-mistura em proporções mínimas com ar ou com oxigênio.

Chama Redutora

É a chama que tem por objetivo a combustão incompleta do gás, com a presença de monóxido de carbono (preferencialmente) e/ou hidrogênio nos produtos da combustão, gerando uma atmosfera protetora contra a oxidação.

Este tipo de combustão é também chamado de combustão sub-estequiométrica, pois a proporção de comburente é inferior aos valores indicados nas Tabelas 9 e 10.

Chama Ligeiramente Oxidante

É uma chama praticamente neutra, onde o teor de oxigênio nos produtos da combustão é baixo, da ordem de 1 a 2%, para garantir a queima total do gás (embora sempre exista a presença de traços de CO, da ordem de ppm). Para atingir este objetivo, o excesso de ar de combustão deve ser da ordem de 5 a 10% acima das proporções estequiométricas indicadas na Tabela 9.

Sob o ponto de vista de economia de combustível, esta é a forma mais eficaz de se queimar um gás com a finalidade de geração de calor.

Chama Oxidante

Algumas aplicações exigem uma atmosfera oxidante, como no caso de incineração e outras aplicações onde se necessite garantir a queima do material a incinerar ou a não-redução de óxidos metálicos.

As chamas oxidantes exigem o fornecimento de ar ou oxigênio em proporções superiores aos valores indicados nas Tabelas 9 e 10. Por exemplo, para se obter uma atmosfera com 7% de oxigênio, gerada por produtos da combustão, é necessário praticar um excesso de ar de combustão da ordem de 50% acima dos valores indicados na Tabela 9.

Geração de Ar Quente

Esta aplicação resume-se em queimar um gás combustível e diluir a temperatura dos produtos da combustão com uma grande quantidade de ar, a fim de se produzir ar quente, geralmente para processos de secagem. Deve-se tomar o cuidado para efetuar esta diluição após a queima total do combustível, evitando-se o "congelamento" da chama, ou seja, a paralisação da reação de combustão por baixa temperatura. Este fenômeno da extinção da chama introduziria produtos da combustão incompleta no ar quente, além de aumentar desnecessariamente o consumo do gás.

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Vantagens do Uso de Gases Combustíveis

1. Permitir o contato direto dos produtos da combustão do gás com a carga a aquecer, o que, com combustíveis líquidos, só seria possível através de tubos radiantes ou muflas. A grande vantagem é a redução do consumo de energia obtida com o uso de um gás combustível, sem tubos radiantes nem muflas.

2. Conformação das mais diversas formas de chama, adequando-as com precisão aos processos e aumentando a eficiência da transmissão de calor.

3. Facilidade de ignição, mesmo com a câmara de combustão fria.

4. Possibilitar regulagens finas nas temperaturas de processos.

5. Reduzir o custo de manutenção das tubulações de distribuição e seus acessórios, do sistema de controle de potência, bloqueio de segurança, medição, dos queimadores e da instrumentação.

6. Dispensar os sistemas de aquecimento e bombeio de óleos combustíveis pesados.

7. Praticar baixo nível de excesso de ar de combustão, otimizando o uso da energia e reduzindo a formação de óxidos de nitrogênio (NOx).

8. Não contaminar o meio ambiente e prejudicar o desempenho e a vida útil dos equipamentos com fuligem, óxidos de enxofre, vanádio, sódio, aldeídos, chumbo etc., como ocorre com combustíveis líquidos.

9. Gerar menos gás carbônico por caloria queimada, contribuindo de uma forma menos acentuada para o efeito estufa.