Na grande maioria dos casos de combustão, o comburente utilizado é o oxigênio existente no ar atmosférico, cuja composição volumétrica é: 78.09% nitrogênio; 20.94% oxigênio; 0.93% argônio; 0.03% gás carbônico; e o restante traços de gases raros [1]. Portanto, para se aproveitar o oxigênio do ar introduz-se na combustão 79.06% de gases não comburentes ou inertes. Ainda assim, considerando ar como uma matéria prima disponível, há viabilidade em utilizá-lo como comburente. Dependendo das exigências dos queimadores, há o custo inerente à alimentação do ar como energia para acionamento de ventiladores e de compressores.
Outra possibilidade é o enriquecimento da atmosfera de combustão com oxigênio; na medida em que um volume de oxigênio puro seja acrescentado, podem-se reduzir os cinco volumes de ar que contem um volume de oxigênio. O resultado desse enriquecimento com oxigênio é a redução do volume de gases inertes, os quais constituem apenas uma carga adicional a ser aquecida. Assim, a chama pode atingir temperaturas de chama mais elevadas, aumentando a eficiência de combustão e a produtividade do processo.
Uma opção mais radical seria a utilização de apenas oxigênio em substituição total ao ar de combustão. Desta forma, a chama pode atingir temperaturas muito mais elevadas do que nas opções anteriores, culminando em significativos aumentos das eficiências de combustão e da produtividade. Porém a viabilidade econômica geralmente só se verifica em processos de altas temperaturas como fusão de vidro e de metais, preaquecimento para forjamento e laminação, calcinação e outras.
O fornecimento de oxigênio para combustão em processos industriais pode ser feito sob duas modalidades: a compra de oxigênio líquido de empresas produtoras de gases do ar; ou, então, a produção própria através de plantas conhecidas como PSA – Pressure Swing Adsorption e VPSA – Vacuum Pressure Swing Adsorption, que fazem uma filtragem molecular do ar retendo as moléculas de nitrogênio. Embora existam plantas que atinjam teores mais elevados, as PSAs e VPSAs convencionais produzem oxigênio com teores entre 92 e 95%, suficientes para atingir os objetivos, com um custo satisfatório tanto em CAPEX como em OPEX.
No enriquecimento do ar de combustão, o oxigênio é diluído na corrente do ar de combustão elevando sua concentração de 20,9 para 24-25%, podendo em casos extremos atingir valores próximos a 30%. Nesta faixa de enriquecimento não é necessária a utilização de queimadores especiais. Outra forma de enriquecimento do ar é a lança subchama, onde o oxigênio é insuflado diretamente na chama através de uma lança externa ao queimador, geralmente posicionada entre a chama e a carga a aquecer, prática essa muito empregada em fornos rotativos de calcinação.
Já no caso da oxi-queima, todo o ar de combustão é substituído por oxigênio, o que exige queimadores especiais, refrigerados a água ou de corpo cerâmico para suportar as elevadas temperaturas desenvolvidas pela chama, da ordem de 2.700°C na condição adiabática com gás natural e GLP, e de 2.800°C com óleos combustíveis. Os resultados do uso do oxigênio estão representados na Fig. 1, para o caso de óleo combustível pesado onde a temperatura dos produtos da combustão deixem de trocar calor com o processo a 1.000°C e o comburente esteja a 25°C. Note-se: na medida em que o teor de oxigênio no comburente se eleve de 21 a 100%, a vazão dos produtos da combustão cai drasticamente devido à redução do teor de nitrogênio no comburente, associado à economia de combustível. Resultados análogos ocorrem com os demais derivados de petróleo como o gás natural e o GLP. Além disso, o uso de oxigênio na combustão costuma aumentar a produtividade dos processos térmicos de aquecimento e fusão, devido a uma mais intensa troca de calor entre a chama e a carga. Essa oportunidade deve sempre ser analisada quando se procura aperfeiçoar processos térmicos industriais de alta temperatura.
Referências
- L’AIR LIQUIDE Division Scientifique, Gas Encyclopaedia, Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 2002, Page 61.
- CÖRNER DA COSTA, F., Perspectivas da incineração de resíduos de serviços de saúde com o uso de atmosferas ricas em oxigênio, dissertação de mestrado, Instituto Mauá de Tecnologia, São Caetano do Sul – SP, 2007, pág. 62.
