Por Que Controlar a Combustão?

A busca pela eficiência energética e pela redução de custos operacionais é uma constante na indústria. Em processos que dependem de geração de calor, como em fornos e caldeiras, o controle da combustão é um fator crítico que impacta diretamente a rentabilidade e a sustentabilidade ambiental. A queima de óleos combustíveis pesados, como o BPF, apresenta desafios específicos que, quando superados, podem levar a economias consideráveis. Este artigo, baseado em princípios técnicos de controle de combustão, explora como otimizar a queima de óleo BPF em queimadores industriais através da análise de gases e outros parâmetros vitais.

A necessidade de controlar a combustão vai além da simples observação visual. Uma chama com fumaça escura e fuliginosa é um sinal claro de queima incompleta e, consequentemente, de desperdício de combustível. No entanto, mesmo quando os gases de exaustão estão transparentes, ainda podem existir ineficiências significativas, como um excesso de ar elevado que rouba calor do sistema.

Um operador, por mais experiente que seja, não consegue distinguir visualmente a diferença entre um excesso de ar de 30% e um de 80%. Por isso, a única maneira segura e eficaz de gerenciar o processo é através da medição e do monitoramento de um conjunto de parâmetros que refletem diretamente a qualidade da queima.

A Combustão Ideal: O Equilíbrio Estequiométrico

A combustão é uma reação química entre um combustível e um comburente (geralmente o oxigênio do ar). A reação estequiométrica é aquela em que a quantidade de oxigênio é exatamente a necessária para queimar completamente todos os elementos combustíveis.

Na prática industrial, é quase impossível operar continuamente em condições estequiométricas. Por isso, trabalha-se com um excesso de ar, garantindo que todo o combustível seja queimado. O desafio é encontrar o ponto ótimo: ar em excesso garante a queima completa, mas em demasia aumenta as perdas de calor pela chaminé, pois o nitrogênio e o oxigênio excedente são aquecidos e descartados sem realizar trabalho útil.

CO₂ vs Excesso de Ar

Neste gráfico duplo relaciona o excesso de ar com os teores de O₂ e CO₂ nos gases de combustão para diferentes combustíveis (gás natural, óleo combustível e carvão mineral):

• À esquerda, vemos que o teor de O₂ aumenta com o excesso de ar.
• À direita, observamos que o teor de CO₂ diminui conforme aumenta o excesso de ar.

Esse comportamento reforça a importância de um ajuste fino da combustão para alcançar o equilíbrio entre eficiência energética e controle de emissões.

Parâmetros-Chave na Análise da Combustão de Óleo Pesado

Para alcançar uma queima eficiente, diversos gases e condições devem ser monitorados na chaminé. Os principais são:

1. Dióxido de Carbono (CO₂): É um produto direto da boa combustão. Em teoria, quanto maior o teor de CO₂, melhor a queima. Para óleos pesados, o valor máximo teórico de CO₂ é de aproximadamente 15,8%, com uma faixa de ajuste ideal em operação entre 11,5% e 14,5%. No entanto, a medição isolada de CO₂ pode ser enganosa, pois um mesmo valor pode ser obtido tanto com falta quanto com excesso de ar, como ilustra o gráfico abaixo.
2. Relação entre CO₂, Excesso de Ar e Falta de Ar Fonte: Adaptado do material fornecido, página 5.
3. Oxigênio (O₂): A medição de O₂ é fundamental para determinar o excesso de ar real. Quanto menor o teor de O₂ residual nos gases de exaustão (sem gerar CO), mais eficiente é a combustão. Valores ideais de O₂ para queima de óleo geralmente se situam entre 1,5% e 5,5%.
4. Monóxido de Carbono (CO): A presença de CO é um indicador direto de queima incompleta, significando que o combustível não foi totalmente convertido em energia. Em uma combustão bem regulada para óleos, os níveis de CO devem ser baixíssimos, idealmente abaixo de 30 ppm (partes por milhão).
5. Fuligem (Material Particulado): A fuligem é carbono não queimado que se deposita nas superfícies de troca de calor, agindo como um isolante térmico e reduzindo drasticamente a eficiência. Além disso, é um poluente atmosférico. O “Smoke Test” (Teste de Fumaça) é usado para medir o índice de fuligem em uma escala padronizada (escala Bacharach, de 0 a 9). Para uma operação eficiente, o índice de fuligem não deve ultrapassar o nível 3 ou 4 da escala. O impacto da fuligem no consumo é significativo, como mostra o gráfico a seguir: Efeito da Fuligem no Consumo de Óleo.
6. Temperatura dos Gases: A temperatura na chaminé indica a quantidade de calor que está sendo desperdiçada. Para caldeiras flamotubulares, a temperatura ideal deve situar-se entre 200°C e 250°C. Temperaturas mais altas podem ser causadas por excesso de ar, tubos sujos de fuligem ou incrustações no lado da água.

Efeito da Fuligem no Consumo de Óleo BPF

Aqui está o gráfico que ilustra como o acúmulo de fuligem nas superfícies de troca de calor pode aumentar significativamente o consumo de óleo BPF.

Guia Prático para Redução de Fuligem e Otimização

A fuligem excessiva é um dos problemas mais comuns e prejudiciais. Suas causas podem ser agrupadas em:

• Relação Ar/Combustível: Consumo de combustível elevado sem o correspondente aumento de ar.
• Pulverização Defeituosa: Problemas no bico injetor, pressão inadequada, viscosidade incorreta do óleo ou presença de água.
• Mistura Ar/Óleo Inadequada: Defeitos no sistema de ar primário ou refratários danificados.
• Tiragem Inadequada: Pressão negativa insuficiente ou excessiva na fornalha, afetando o fluxo de ar.

Relação Entre CO₂, Excesso De Ar E Falta De Ar

Este gráfico demonstra como um mesmo valor de CO₂ pode representar tanto falta quanto excesso de ar, evidenciando que a medição isolada de CO₂ pode ser ambígua. Isso reforça a importância de análises complementares com O₂, CO e temperatura para ajustes precisos de combustão.

Para manter o sistema operando com máxima eficiência, é crucial:

• Manutenção Regular: Limpeza periódica de filtros, bicos injetores e tubos da caldeira.
• Controle da Viscosidade: Aferição de termostatos e controle rigoroso da temperatura de aquecimento do óleo para garantir a atomização correta.
• Regulagem da Combustão: Ajustar periodicamente a queima com base nas medições de gases (CO₂, O₂, CO) e fuligem, padronizando a operação.

Relação entre o Índice de Fuligem e o Resíduo Sólido

Este gráfico ilustra a correlação direta entre o índice de fuligem (escala Bacharach) e o resíduo sólido emitido em mg/m³. Quanto maior o número na escala, maior a emissão de partículas, o que indica uma combustão ineficiente e maior impacto ambiental.

Conclusão

A otimização da queima de óleo BPF em queimadores industriais é um processo técnico que exige mais do que a intuição. É uma ciência que se baseia na medição precisa e no controle contínuo de parâmetros críticos. Ao utilizar analisadores de gases para monitorar CO₂, O₂ e CO, e ferramentas como o teste de fumaça para controlar a fuligem, as indústrias podem não apenas reduzir significativamente o consumo de combustível e os custos de manutenção, mas também minimizar seu impacto ambiental. O investimento em instrumentação e treinamento se traduz diretamente em maior eficiência, confiabilidade e lucratividade para a operação.

Referências

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ASTM D2156-09(2018): Standard Test Method for Smoke Density in Flue Gases from Burning Distillate Fuels. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2018.

BAUKAL JR., Charles E. (Ed.). Industrial burners handbook. Boca Raton: CRC Press, 2003.

BAUKAL JR., Charles E. (Ed.). The John Zink Hamworthy combustion handbook: Volume 1: Fundamentals. 2. ed. Boca Raton: CRC Press, 2012.

CONFOR INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO LTDA. Controle da Combustão pela Análise dos Gases. São Paulo: Confor, [s.d.]. *

CUNHA, Martin G. L. da. Manual de caldeiras: geração e uso do vapor. Rio de Janeiro: LTC, 2011.

STEPANOFF, S. D. Combustão industrial e geração de vapor. São Paulo: Edgard Blücher, 1980.

*Nota sobre a referência da Confor: Como o manual não apresenta data de publicação, utilizamos a abreviação [s.d.] (sem data), conforme a norma ABNT NBR 6023.