Encontro de Energia no Meio Rural - Substituição do óleo diesel por álcool etílico hidratado na queima direta, uma comparação

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An. 6. Enc. Energ. Meio Rural 2006

Substituição do óleo diesel por álcool etílico hidratado na queima direta, uma comparação

Edgar Paz Pérez^I; João Andrade de Carvalho Jr.^II; Luiz Roberto Carrocci^III

^IFaculdade de Engenharia de Guaratinguetá FEG - UNESP; Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333 - CEP 12516-410- Guaratinguetá, SP Brasil; Tel: (012) 31232800. E-mail: edgarpaz@feg.unesp.br
^IIFaculdade de Engenharia de Guaratinguetá FEG - UNESP; Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333 - CEP 12516-410- Guaratinguetá, SP Brasil; Tel: (012) 31232838. E-mail: joao@feg.unesp.br
^IIIFaculdade de Engenharia de Guaratinguetá FEG - UNESP; Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333 - CEP 12516-410- Guaratinguetá, SP Brasil; Tel: (012) 31232836. E-mail: carrocci@feg.unesp.br

RESUMO

Este artigo apresenta um estudo sobre a substituição do óleo diesel por álcool combustível na queima direta. O estudo comparativo se concentra principalmente nas propriedades físico-químicas dos combustíveis, na termodinâmica da combustão e na atomização e formação de poluentes. Os resultados mostram que o álcool etílico hidratado se apresenta como um substituto interessante do óleo diesel, sobre tudo pelos seus benéficos na combustão e na formação de poluentes. Não obstante, deve-se observar que na substituição alguns cuidados devem ser tomados para prevenir perdas por evaporação, riscos de incêndios e danificação dos materiais por corrosão.

Palavras chave: Álcool etílico, óleo diesel, bio-combustível, combustão, combustíveis.

ABSTRACT

This article presents a study of the substitution of diesel fuel by ethyl alcohol in direct burning. The investigation is concentrated in the physical-chemical properties of the fuels, the combustion thermodynamics, the atomization, and the pollutants formation. Results show that hydrated ethyl alcohol can be an attractive alternative for diesel fuel, mainly by the benefits in the combustion process and the pollutants formation. Nevertheless, care must be taken in the substitution to prevent losses by evaporation, fire risks and material damage by corrosion.

1. Introdução

Desde a criação do PROALCOOL, a utilização do álcool etílico hidratado combustível (AEHC) na queima direta nas indústrias tem sido desalentada pelo seu baixo poder calorífico e maior custo, relativo aos óleos combustíveis, os quais são os mais utilizados. Nas últimas décadas, o aumento do preço do petróleo, somado à redução do preço do álcool, tem diminuído essa diferença de preços, principalmente com relação ao óleo diesel.

Essa diferença de preços pode ser diminuída na medida em que se ditem políticas adequadas por parte de governo como: normas de regulamentação do mercado de combustíveis, investimentos em pesquisa e incentivo à produção (aumento da oferta). O Brasil tem a capacidade para incrementar ainda mais a produção do álcool combustível. O PROALCOOL foi projetado para que o Brasil tenha uma capacidade instalada de produção de 16 bilhões de litros por ano; hoje são produzidos 10,4 bilhões de litros por ano, significando que 35% da indústria canavieira que foi projetada inicialmente está esperando para ser reativada. Além disso, a plantação de cana de açúcar representa uma pequena porção das terras cultiváveis do país. No ano 2001, a área com cana de açúcar representou 10,8% da área cultivada no Brasil, a qual equivale a menos de 1% das terras cultiváveis.

O diesel é utilizado principalmente em motores de combustão interna de navios e veículos pesados. Na queima direta é usado em menor escala, sobretudo em sistemas onde se precisa um combustível limpo, por exemplo, em sistemas de secagem. A produção brasileira de óleo diesel não satisfaz a sua demanda, precisando-se importar grandes quantidades desse combustível, convertendo-se no derivado do petróleo com maior volume de importações.

2. Propriedades físico-químicas e de mistura

2.1. Viscosidade

A viscosidade cinemática do óleo diesel, a 300 K, é aproximadamente o dobro do álcool etílico: (3,707 e 1,78 cSt, respectivamente). A menor viscosidade do AEHC diminui o diâmetro médio de gotas na atomização. Com isso, obtém-se uma melhor mistura entre os reagentes e, em conseqüência, uma maior eficiência da combustão.

Nos queimadores que utilizam óleo diesel, a lubrificação do sistema de injeção se realiza pelo próprio combustível e as bombas para impulsioná-lo são rotativas de deslocamento positivo. Devido à sua baixa viscosidade, o AEHC não pode ser impulsionado por essas bombas, nem utilizado como lubrificante. Portanto, não pode ser utilizado diretamente sem prévias modificações do sistema de bombeamento de combustível e de lubrificação do queimador.

2.2 Volatilidade

A volatilidade tem muita importância na queima de um combustível liquido, O seu incremento aumenta o rendimento da combustão, diminui as emissões de CO, UHC, e particulados. Por outro lado, uma maior volatilidade significa maiores riscos de perdas por evaporação, de incêndios e menor luminosidade da chama. A volatilidade de um combustível pode ser avaliada a partir do conhecimento de seu intervalo de destilação, pressão de vapor e ponto de fulgor.

Na Figura 1, observa-se que, na mesma temperatura, a pressão de vapor do álcool é superior à pressão de vapor do óleo diesel e essa diferença é mais marcante conforme a temperatura aumenta. Isso significa que o álcool é mais volátil, sendo isso favorável para uma melhor combustão. O álcool hidratado na pressão atmosférica evapora a 78 °C, enquanto o óleo diesel, por ser uma mistura de hidrocarbonetos, vaporiza no intervalo de 177 a 337° C.

O ponto de fulgor é a mínima temperatura na qual o combustível desprende suficiente vapor para formar uma mistura inflamável com ar. Na Tabela 1, observa-se que essa variável é 13 °C para o etanol e 64 °C para o diesel. Isso significa que o álcool pode queimar antes que o diesel; na temperatura ambiente o etanol já forma uma mistura inflamável.

2.3. Limites de inflamabilidade

Na Tabela 1, também são apresentados os limites de inflamabilidade do etanol e do óleo diesel. Nela se aprecia que a faixa de valores para o etanol é ampla, maior que do diesel e da gasolina. Essa amplitude de valores nos diz que o álcool etílico pode formar uma mistura inflamável numa ampla faixa de valores, mas por outro lado aumenta as perdas por evaporação e os riscos de incêndios.

Por outro lado o diesel tem um valor bem baixo do seu limite inferior de inflamabilidade (0,6%) o que significa que com uma quantidade pequena de combustível no ar ele já forma uma mistura inflamável, mas por ser ele não volátil precisa ser aquecido (ate 64 °C) para alcançar esta condição. Pode se observar também que a sua faixa de inflamabilidade é pequena.

3. Termodinâmica dos combustíveis

Foram feitos cálculos termodinâmicos dos combustíveis em estudo, como razão ar/combustível, quantidade emitida dos produtos da combustão e temperatura de chama adiabática. Foi considerado nos cálculos combustão completa, teor alcoólico do AEHC de 93° INPM e as fórmulas químicas do diesel e do etanol sendo respectivamente CH_1,81 e C₂H₅OH. Os resultados são apresentados na Tabela 2.

Da Tabela 2, pode-se observar que o poder calorífico do álcool é aproximadamente 60% do poder calorífico do óleo diesel; no entanto, a relação ar/combustível em massa do álcool é aproximadamente 58% o do óleo diesel, o que faz com que a quantidade de ar por unidade de energia necessária para a combustão do álcool seja ligeiramente menor que a correspondente do óleo diesel (94,7%). Também se observa na tabela que as temperaturas de chama adiabática dos dois combustíveis são aproximadamente as mesmas (álcool 97,7% do diesel). Sendo o valor desses dois parâmetros muito próximos na queima de ambos combustíveis para se liberar a mesma quantidade de energia, o volume dos gases produtos da combustão é aproximadamente o mesmo em ambos os casos, trazendo como conseqüência que o tempo de residência e o nível de turbulência dentro da câmara de combustão serão quase os mesmos com a queima de álcool e com a de óleo diesel. O fato de a temperatura da chama, o volume de gases, o tempo de residência e a turbulência dos gases serem aproximadamente os mesmos na queima de ambos combustíveis significa que essas variáveis por si não alterarão os valores das emissões de cada um dos produtos da combustão quando for feita a substituição de etanol por diesel.

Da Tabela 2 também se pode observar que a quantidade de CO₂ produzido pela queima do óleo diesel é ligeiramente superior (5,4%) à quantidade produzida pelo álcool etílico hidratado. Nela também se observa que a quantidade máxima de SO₂ emitida pela queima de AEHC é quase desprezível (0,54gr/Gcal) comparada com as quantidades média e máxima emitidas pelo diesel (437 e 696 gr/Gcal).

4. Atomização

Neste item realiza-se uma comparação teórica entre os valores dos diâmetros médios das gotas de diesel e de álcool etílico hidratado, produzidos em atomizadores Y-Jet. Os atomizadores Y-Jet são muito utilizados para nebulizar combustíveis líquidos na indústria. Ele é apresentado na Figura 2. Para fazer a comparação foram calculados atomizadores (um de diesel e três de álcool) seguindo a metodologia proposta por (LACAVA, 2000). A vazão mássica de diesel no projeto foi de 5 g/s. Dado que o poder calorífico do AEHC é 59 % do correspondente do diesel, para liberar a mesma potência, a vazão mássica do AEHC foi 8,45 g/s. Posteriormente, o diâmetro médio das gotas do spray D_m (também conhecido como MMD) produzido pelos atomizadores, foi calculado com a equação de Wigg (MULLINGER e CHIGIER, 1974):

onde D_m é o diâmetro mediano de massa [μm], ν é a viscosidade cinemática do combustível [cSt], w é a vazão mássica do combustível [g/s], A é a vazão mássica do ar de atomização [g/s], h é o raio da câmara de mistura [cm], σ é a tensão superficial do combustível [dina/cm], e ρ_at é a massa especifica do ar de atomização [g/cm³.

Os resultados são apresentados na Tabela 3. Os cálculos de projetos dos atomizadores e do diâmetro médio da gota foram repetidos variando a relação ar de atomização/combustível e os resultados são apresentados na Figura 3.

Na Figura 3, pode-se observar que o diâmetro médio das gotas produzido pelos atomizadores de álcool é menor em todos os casos do produzido no atomizador com diesel. Também se pode observar que no caso 2 se obtém o menor diâmetro da gota, seguido pelo caso 1 e finalmente pelo caso 3. Os resultados são melhor entendidos analisando a Tabela 3.

No caso 1 (atomizador com medidas diferentes do atomizador de diesel), a diminuição se deve exclusivamente ao fato que a viscosidade cinemática do diesel é maior que a do AEHC. No caso 2 (atomizador com as mesmas medidas do atomizador de diesel) a diminuição também se deve ao aumento do fluxo mássico de combustível mantendo-se constante a temperatura e o diâmetro do conduto de ar, originando o incremento da pressão e, em conseqüência, da massa especifica do ar de atomização, a qual segundo a equação de Wigg, traz como resultado a diminuição do MMD. Também se pode observar um acréscimo na pressão de injeção de combustível. No caso 3, a diminuição do MMD é menor que a obtida nos casos anteriores, e isto se deve ao fato da massa especifica do ar de atomização aumentar, mas a sua velocidade diminuir consideravelmente, sendo que esta tem maior influência sobre o MMD.

Resumindo, o caso 2 se apresenta como melhor alternativa. Como este atomizador tem as mesmas medidas do atomizador do diesel, podemos concluir que um atomizador de diesel produz um spray mais fino funcionando com álcool, desde que se mantenham os valores recomendados do número de Mach e da temperatura de estagnação do ar (Ma = 1 e T₀ = 300K), e se mude a pressão de estagnação do ar e a de injeção do combustível.

5. Comportamento da chama e emissão de poluentes

Segundo a teoria de combustão proposta por (SUZUKI and CHIU, 1971), os líquidos podem queimar como chamas de gota e de grupo. Sprays diluídos, de combustíveis não voláteis, e de gotas liquidas grandes, permitem o ingresso suficiente de oxigênio na região central do spray para que a mistura reagente se encontre entre os limites de inflamabilidade, formado assim chamas em torno de uma única gota. Dada a ampla variação de tamanhos, direção e velocidades das gotas, o spray com este tipo de queima apresenta irregularidade na mistura reagente, aparecendo zonas ricas e outras pobres em combustível. Nas zonas ricas se forma a fuligem e o material particulado, o qual dá à chama sua característica cor amarela. Essas zonas também são favoráveis para a formação de ciano-compostos que reagem para formar o NO através do mecanismo imediato (WILLIAMS, 1990).

Na combustão de grupo, o spray queima formando chamas ao redor de nuvens de gotas. Em chamas de sprays densos, combustíveis voláteis, e diâmetros pequenos das gotas, a quantidade de vapor de combustível pode ser tão alta que impede o ingresso de oxigênio necessário para formar uma mistura inflamável na região central do spray; sendo assim a chama se forma na região periférica onde há quantidade suficiente de oxigênio. Essas chamas são homogêneas, similares às chamas de difusão gasosa, portanto não formam fuligem nem material particulado e tem uma cor característica azul. Devido à queima deste combustível não formar partículas sólidas, sua chama é pouco radiante, dando origem a um aumento de temperatura da chama e à formação do NO_x pelo mecanismo térmico.

Dada a alta volatilidade do AEHC, sua boa atomização e maior densidade do seu spray (precisa maior quantidade de combustível pelo seu baixo poder calorífico), é de se esperar que queime como grupo. Os trabalhos experimentais de (MACHIROUTO, 2001) e de (LENÇO, 2004) confirmam essa hipótese. Eles observaram nos seus trabalhos que a chama de álcool é uma chama azul sem a presença de fuligem e com baixa intensidade da radiação. MACHIROUTO caracterizou a chama de etanol como uma combustão interna de grupo.

É conhecido que o óleo diesel tem baixa volatilidade. Espera-se então que a sua queima seja do tipo de gota. AIZAWA, et al. (1996), KADOTA, et al. (1998) e KOSAKA et al. (2001) investigaram os processos de formação de fuligem em chamas de diesel, com sprays produzidos em atomizadores de pressão. Eles encontraram quantidades consideráveis de fuligem na queima desse combustível, o qual é uma indicação de uma combustão tipo gota.

6. Poluição

O álcool etílico hidratado se apresenta como um interessante combustível alternativo ao óleo diesel para reduzir as emissões de poluentes. Isso porque o etanol contém oxigênio na sua molécula, é um combustível extremamente volátil, que queima como grupo e porque o AEHC contem água na sua composição (7% em massa). Essas características são geralmente favoráveis para uma boa combustão. Nesse sentido, muitos trabalhos de pesquisa estão investigando os efeitos na formação de poluentes, pela adição de etanol, água ou ambos na queima de diesel. Tem sido amplamente mostrado que quando é adicionado o etanol ao diesel, o principal benefício é a redução de fuligem e material particulado, seguido pela diminuição de CO. No caso dos óxidos de nitrogênio, alguns pesquisadores reportam uma diminuição na formação desse poluente com essa adição; no entanto, outros reportam seu aumento. AJAV et al. (1999) mostraram que como a porcentagem de etanol na mistura com diesel é incrementada, a temperatura de saída de gases e as emissões de CO e NO_x foram reduzidas. SUPPES (2000) analisa os resultados experimentais de diferentes autores concluindo que se pode falar efetivamente de uma redução do material particulado quando se adiciona etanol ao diesel. Mas não se pode concluir o mesmo para o NO_x, dado que uns pesquisadores reportam aumento de sua emissão e outros sua diminuição. XING-CAI et al. (2004) mostram uma redução de material particulado e NO_x utilizando misturas diesel/etanol. A redução destes particulados também é destacada na revisão bibliográfica feita por HANSEN et al. (2005).

Por sua parte, é comprovado que a adição de água ao óleo diesel contribui para a redução das emissões do NO_x, material particulado e CO. WILLIAMS (1990) mostra que a formação de material particulado num spray pode ser minimizada pela adição de pequenas quantidades de água (5 a 15% em massa) ao combustível na forma de uma emulsão. KADOTA, et al. (1998) observaram que a intensidade dos picos de formação de fuligem formados nos sprays de óleo diesel diminui com a adição de metanol, etanol (anidro) ou água. Segundo LENÇO (2004), uma técnica usada para controlar a emissão de NO_x é a injeção de 5 a 10 % de água na forma liquida ou de vapor, na zona de combustão da câmara. Isso contribui para a redução da temperatura de combustão e, dessa maneira, do NO_x térmico. LING e PAN (2001) encontraram redução na emissão de CO e NO_x em motores marinhos a diesel utilizando emulsões água/diesel (A/D). LING e WANG (2004) mostraram que as emissões desses poluentes diminuem ainda mais quando são utilizadas emulsões trifásicas A/D/A ou D/A/D.

Com respeito ao CO₂ deve-se ter em conta que o carbono presente no etanol foi retirado da atmosfera (na forma CO₂) pela cana de açúcar durante sua etapa de crescimento. Portanto do balanço geral da matriz energética do álcool, este combustível não adiciona CO₂ na atmosfera. Se substituir diesel, ou outro combustível derivado de petróleo por álcool, o ganho em diminuição da emissão de CO₂ será igual ao total produzido pelo combustível substituído.

No item 3 foram analisados os valores das emissões de SO₂ pela combustão de etanol combustível e óleo diesel. Foi observado que a quantidade emitida desse poluente pelo AEHC é quase desprezível, 0,54 g/Gcal. Pela sua parte o diesel emite em media 437 g/Gcal, uma quantidade não desprezível, mas menor que 2000 g/Gcal, limites máximo permitidos pelo CONAMA em unidade de combustão com potência menor ou igual a 70 MW e estabelecidos em áreas a serem preservadas atmosfericamente.

7. Corrosão

O óleo diesel não é corrosivo, portanto não apresenta o problema de ataque sobre materiais. No entanto, o etanol é conhecido como uma substancia corrosiva. Isso se deve a impurezas iônicas (principalmente acido acético, íons de cloreto e sulfato), à polaridade da molécula de etanol e ao conteúdo de água. Tem sido reportado que o álcool etílico também ataca a borracha.

8. Conclusões

O álcool ético hidratado apresenta-se como um interessante combustível alternativo ao óleo diesel, na queima direta. Isso pelos seguintes motivos:

É possível utilizar o mesmo atomizador de diesel para o álcool, com uma considerável melhora na atomização e por conseguinte na eficiência da combustão. é importante observa que esta substituição só pode ser alcançada com uma regulação na pressão de injeção de combustível.
É possível utilizar a mesma câmara de combustão sem alterar a turbulência e o tempo de residência dos gases na câmara, isso graças a que a temperatura e o volumem dos gases, não apresentam variação significativa quando realizada a substituição dos combustíveis.
Com a queima de álcool etílico não se adiciona efetivamente dióxido de carbono para a atmosfera, dado que a cana, matéria prima do etanol absorve as moléculas de CO₂ do ambiente. É esperada também uma redução dos poluentes: fuligem, e material particulado em geral, CO, UHC e SO₂.

É importante observar, não obstante, que para realizar uma substituição satisfatória de diesel por etanol deve-se cuidar dos seguintes aspectos:

O sistema de lubrificação e de injeção de combustível deve ser modificado, visto que, o etanol não apresenta a viscosidade suficiente para ser utilizado como lubrificante e para ser bobeado pela bomba de combustível.
Devem ser tomadas medidas de segurança para evitar perdas por evaporação e risco de incêndios. Principalmente nos tanques de estocagem.
A ação corrosiva do etanol deve ser reduzida, seja pela adição de aditivos inibidores,ou pela substituição de materiais por outros mais nobres que não sejam atacados pelo álcool.

Referências

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