Certo carvão apresenta a seguinte composição percentual em peso:
\% \boldsymbol{C} \% \boldsymbol{H} \% \boldsymbol{O} \% \boldsymbol{N} \% \mathbf{S} \% Umidade \% cinzas
68 4,2 8,5 1,3 2,0 - 16
(0,3 ponto) Por que é desejável operar um sistema de combustão com baixos níveis de excesso de ar seja na queima do carvão ou de qualquer outro combustível?

Passo 1

O enunciado dá a composição percentual em massa do carvão (peguei estes números do enunciado):
  • \%C=68\%, \%H=4{,}2\%, \%O=8{,}5\%, \%N=1{,}3\%, \%S=2{,}0\%, \%\text{cinzas}=16\%.
    A pergunta é: por que é desejável operar um sistema de combustão com baixos níveis de excesso de ar, seja na queima do carvão ou de qualquer outro combustível?
    Ou seja: explicar, didaticamente e passo a passo, as consequências de usar muito excesso de ar e por que se prefere um excesso baixo (mas suficiente) na prática.

Passo 2

Conceitos básicos (o que é ar estequiométrico e excesso de ar).
  • “Ar estequiométrico” é a quantidade de ar necessária para oxidar todo o combustível segundo as reações químicas completas (sem sobra de combustível nem de oxigênio).
  • “Excesso de ar” é a fração de ar adicional que se fornece além do ar estequiométrico, normalmente expressa em porcentagem:
\text{Excesso (\%)} = \frac{A - A_{st}}{A_{st}}\times 100\% ,
onde A é a massa de ar fornecida e A_{st} é a massa de ar estequiométrica.
  • É necessário fornecer um pouco de excesso de ar na prática para garantir que não fiquem regiões pobres em oxigênio (o que causaria CO, fuligem e queima incompleta). Mas “muito” excesso é ruim — é isso que vamos demonstrar e explicar.

Passo 3

Como se calcula, em linhas gerais, o ar estequiométrico (mini-aula com exemplo prático usando a composição dada).
Regra prática para massa de \mathrm{O_2} necessária por kg de combustível (unidades em kg):
  • para carbono: cada 12\\ \text{kg C} precisa de 32\\ \text{kg O}_2, logo \mathrm{O_2} por kg C é \tfrac{32}{12}\approx 2{,}6667 kg O _2/kg C;
  • para hidrogênio: cada 2\\ \text{kg H} consome 16\\ \text{kg O}_2 equivalente (metodologia direta), logo \mathrm{O_2} por kg H é 8 kg O _2/kg H;
  • para enxofre: cada 1\\ \text{kg S} precisa de 1 kg O _2 (S + O _2 → SO _2).
    Se o combustível já contém oxigênio ligado (massa m_O), essa O reduz a necessidade de O _2 externa: em massa, subtrai-se 0{,}5\cdot m_O (explicação: cada molécula \mathrm{O_2} tem 2 átomos de oxigênio, por isso o fator 0{,}5).
    Aplicando tudo para 1\\ \text{kg} do carvão dado (peguei as massas a partir das porcentagens):
m_C=0{,}68\\ \text{kg},\quad m_H=0{,}042\\ \text{kg},\quad m_S=0{,}02\\ \text{kg},\quad m_O=0{,}085\\ \text{kg}.
Então a \mathrm{O_2} estequiométrica necessária por kg de combustível é
m_{O_2,st}=2{,}6667\cdot m_C + 8\cdot m_H + 1\cdot m_S - 0{,}5\cdot m_O.
Substituindo:
m_{O_2,st}=2{,}6667\cdot0{,}68 + 8\cdot0{,}042 + 1\cdot0{,}02 - 0{,}5\cdot0{,}085 \approx 2{,}127\\ \text{kg O}_2/\text{kg combustível}.í
Para saber a massa de ar correspondente, usa-se a fração em massa de \mathrm{O_2} no ar (aprox. 23{,}3\% em massa). Assim
A_{st} \approx \frac{m_{O_2,st}}{0{,}233}\approx \frac{2{,}127}{0{,}233}\approx 9{,}13\\ \text{kg ar}/\text{kg combustível}.í
Comentário didático: esses cálculos mostram que a massa de ar necessária já é grande; qualquer porcentagem de excesso aumenta significativamente a massa total de gases que precisam ser aquecidos e evacuados.

Passo 4

Por que excesso de ar gera perdas térmicas — explicação física e fórmula simples.
  • Cada quilograma extra de ar que entra precisa ser aquecido desde a temperatura de entrada ( T_{in}) até a temperatura dos gases de saída ( T_{g}). Essa energia é perdida, pois sai pela chaminé; a perda é aproximadamente proporcional à massa de ar excedente:
Q_{\text{perda, ar}} \approx m_{\text{ar,excesso}}\cdot c_p\cdot (T_g - T_{in}),
onde c_p é o calor específico do gás.
  • Além disso, se houver água na combustão (umidade do combustível ou hidrogênio formando vapor), parte do calor é gasta em vaporizar água (perda de calor latente), e mais ar excessivo significa mais massa de vapor a aquecer e mais perda.
  • Conclusão direta: aumentar o excesso de ar aumenta linearmente (para primeira aproximação) as perdas por aquecimento do ar extra e pelo maior volume de gases nas mesmas condições, reduzindo a eficiência térmica do sistema.

Passo 5

Consequências práticas de usar excesso de ar muito alto ou muito baixo (lista com explicações):
  • Excesso de ar muito alto (muito maior que o necessário):
    • aumenta perdas térmicas (aquecimento do ar extra) → diminui eficiência e consumo específico de combustível;
    • aumenta o fluxo de gases de exaustão → maiores perdas por convecção e radiação da chaminé, maior energia para ventiladores/sopradores;
    • maior volume de gás significa também maior transporte de partículas/évaporações e possível desgaste mecânico;
    • pode favorecer a oxidação do azoto combustível em NOx em certas condições (há dois efeitos concorrentes: mais ar tende a reduzir temperatura local, o que reduz NOx térmico, mas mais oxigênio disponível e condições oxidantes podem aumentar conversão de N-fixo do combustível para NOx) — portanto operação otimizada é importante para controlar emissões.
  • Excesso de ar muito baixo (insuficiente):
    • combustão incompleta: formação de monóxido de carbono \mathrm{CO}, hidrocarbonetos não queimados e fuligem (soot), perda direta de poder calorífico útil;
    • acúmulo de carvão não queimado e incrustações (problemas de funcionamento e manutenção);
    • riscos de gases tóxicos e perigo de operação (segurança).
  • Por isso existe um compromisso: suficiente excesso para garantir queima completa nas zonas de chama, mas o menor possível para limitar perdas térmicas.

Passo 6

Números práticos e recomendação (orientação para prova/implantação).
  • Na prática, para combustíveis sólidos como carvão pulverizado, costuma-se trabalhar com excesso de ar relativamente baixo, típico entre 5\% e 20\% dependendo do tipo de fornalha, mistura de combustível, sistema de pulverização/oxigenação e exigências de emissão.
  • O objetivo operacional é ajustar o excesso para o ponto em que a CO na saída esteja próximo de zero (ou dentro do limite aceitável) enquanto a perda por excesso de ar seja mínima. Em terminais de medição se usa O _2 nos gases de saída e CO para balancear: O _2 residual muito alto indica excesso de ar desnecessário; CO detectável indica falta de ar em regiões da chama.

Passo 7

Resumo final em linguagem prática e motivadora (tipo “o que levar para a prova”):
  • Baixos níveis de excesso de ar são desejáveis porque minimizam as perdas térmicas associadas a aquecer e transportar ar e gases em excesso, aumentam a eficiência térmica do equipamento e reduzem consumo de combustível e trabalho dos ventiladores.
  • Mas deve existir um pequeno excesso suficiente para evitar combustão incompleta (CO, fuligem) e problemas operacionais. Portanto a prática é: ajustar para o menor excesso que assegure combustão completa e emissões/segurança aceitáveis.

Resposta

Porque o excesso de ar aumenta a massa de gás que precisa ser aquecida e evacuada, elevando perdas térmicas (aquecimento do ar e vaporização da água), o consumo do sistema e o volume de gases de exação; por outro lado, deve haver um pequeno excesso suficiente para evitar combustão incompleta (CO, fuligem) — portanto opera‑se com baixo excesso de ar para maximizar a eficiência térmica enquanto se garante queima completa.

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