Considere a queima de carvão pulverizado (Carbono - 43%; Hidrogênio - 2,9%; Enxofre - 2,9%; Oxigênio - 3,4%, Nitrogênio - 0,8%, Umidade - 10,0%, Cinzas - 37%) numa unidade geradora de vapor de uma central termelétrica. Admitindo excesso de ar de 25 %, presença de 1,07 % de carbono não queimado no cinzeiro e umidade no ar de combustão de 0,013 kg / kg de ar seco, determine: (i) a razão AC teórica, (ii) o volume teórico de ar ( m^3 n ar / kg cb ), (iii) a massa de gases de combustão ( kg gas/kg cb), (iv) o volume teórico e real dos gases de combustão ( m^3 n gas / kg cb ), (v) o volume teórico dos gases de combustão em base seca, (vi) as frações mássicas e as frações molares dos gases de combustão.

Passo 1

Vamos trabalhar com 1 kg de carvão (cb) “base úmida” cuja composição em massa é
C 43 %, H 2,9 %, S 2,9 %, O 3,4 %, N 0,8 %, umidade 10 %, cinzas 37 %.
Admitimos ar seco como 23,3 % O2 e 76,7 % N2 em massa, volume molar dos gases padrão 22,414,m^3n/kmol, excesso de ar 25 %, carbono não queimado nas cinzas 1,07 % (em massa de carvão) e umidade no ar de combustão 0,013 kg H2O/kg de ar seco.
Conteúdo aplicado: balanço estequiométrico de combustão, conversão massa-mol, cálculo de volumes e frações de mistura.

Passo 2

(i) Cálculo do oxigênio estequiométrico e da razão ar combustível teórica.
Massas de elementos no carvão (por kg cb):
mC=0,43, mH=0,029, mS=0,029, mO=0,034, mN=0,008
Oxigênio necessário (kg O2) para combustão completa (sem perda):
!O2,req &=mC3212+mHcdot8+mScdot1-mO2 &=0,43cdot2,667+0,029cdot8+0,029-0,034/2 &=1,1467+0,232+0,029-0,017=1,3907 kg O2
Como o ar tem fração massiva de O2 igual a 0,233, a razão ar teórica ( ACteo) é
ACteo=O2,req0,233 = 1,39070,233=5,97kg ar/kg cb

Passo 3

(ii) Volume teórico de ar seco por kg de carvão.
Massa molar do ar médio
Mrm ar=0,233cdot32+0,767cdot28=28,84 kg/kmol
Moles de ar
nrm ar= 5,9728,84=0,207 kmol,
logo o volume teórico
Vrm ar,teo=nrm arcdot22,414 =0,207cdot22,414=4,64 m^3n ar/kg cb

Passo 4

(iv-teo) Volume teórico dos gases de combustão (inclui H2O da combustão e da umidade do carvão, mas sem excesso de ar nem umidade do ar).
Moles de produtos por kg cb:
&nCO2=mC12=0,43/12=0,03583 kmol, &nH2O,H=mH2=0,029/2=0,01450 kmol, &nH2O,um= 0,1018=0,00556 kmol, &nSO2=mS32=0,029/32=0,0009063 kmol, &nN2,ar=5,97cdot0,76728=0,1635 kmol, &nN2,cb=mN28=0,008/28=0,0002857 kmol
Total kmol gas teórico
nrm gas,teo =0,03583+0,01450+0,00556+0,0009063+0,1635+0,0002857 =0,22058 kmol
Volume teórico
Vrm gas,teo =0,22058cdot22,414=4,94 m^3n gas/kg cb

Passo 5

(v) Volume teórico seco (retirando toda H2O):
nrm gas,teo,seco =0,22058-(0,01450+0,00556)=0,20052 kmol,
Vrm gas,teo,seco =0,20052cdot22,414=4,49 m^3n seco/kg cb

Passo 6

(iii) Massa de gases de combustão com 25 % de excesso de ar e umidade no ar.
Ar seco real
ACrm real=5,97cdot1,25=7,462 kg ar seco
Umidade do ar
mH2O,ar=7,462cdot0,013=0,0970 kg
Cinzas sólidas (cinza + C não queimado)
mrm cinza=0,37+0,0107=0,3807 kg
Massa total de gases
mrm gas=(1+7,462+0,0970)-0,3807=8,1783 kg gas/kg cb

Passo 7

(iv-real) Volume real dos gases (com excesso de ar e umidade do ar).
Moles na condição real:
&nO2,ar=7,462cdot0,23332=0,05434 kmol, &nN2,ar=7,462cdot0,76728=0,2044 kmol, &nH2O,ar=0,097018=0,00539 kmol,
além de
,nCO2=0,03583, nH2O,H=0,01450, nH2O,um=0,00556, nSO2=0,0009063, nN2,cb=0,0002857
Total kmol real
nrm gas,real =0,05434+0,2044+0,00539+0,03583+0,01450+0,00556+0,0009063+0,0002857 =0,27776 kmol
Volume real
Vrm gas,real =0,27776cdot22,414=6,22 m^3n gas/kg cb

Passo 8

(vi) Fração mássica e molar dos gases reais.
Massas de cada componente (por kg cb):
&mCO2=0,03583cdot44=1,5767, &mH2O= (0,01450+0,00556+0,00539)cdot18=0,4582, &mSO2=0,0009063cdot64=0,0588, &mN2=(0,2044+0,0002857)cdot28=5,7310, &mO2=0,05434cdot32=1,7389,
total mrm gas=8,178.
Fração mássica omegai=mi/mrm gas:
omegaCO2=0,193, omegaH2O=0,056, omegaSO2=0,0072, omegaN2=0,701, omegaO2=0,043
Fração molar yi=ni/nrm gas,real:
yCO2=0,129, yH2O=0,092, ySO2=0,0033, yN2=0,737, yO2=0,039

Resposta

(i) ACrm teórico=5,97 kg ar/kg cbó
(ii) Vrm ar,teo=4,64 m^3n air/kg cb
(iii) mrm gases=8,18 kg gas/kg cb
(iv) Vrm gas,teo=4,94 m^3n/kg cb, Vrm gas,real=6,22 m^3n/kg cb
(v) Vrm gas,teo,seco=4,49 m^3n/kg cb
(vi) Frações mássicas reais
omegaCO2=0,193, omegaH2O=0,056, omegaSO2=0,0072, omegaN2=0,701, omegaO2=0,043;
frações molares reais
yCO2=0,129, yH2O=0,092, ySO2=0,0033, yN2=0,737, yO2=0,039

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