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A geração de calor através da combustão é o resultado da transformação parcial da energia química contida nas ligações entre os átomos que constituem as moléculas dos combustíveis em calor, por meio de sua oxidação, ou seja, combustão.

Nesta tese, a alternativa proposta à eletrotermia é sua conversão por gases combustíveis, principalmente devido às suas características ambientalmente amigáveis quando comparados com os óleos combustíveis e com os carvões minerais.

De acordo com Lackner, Winter, e Agarwal, (2010, volume 3, pág. 237, tradução nossa), um combustível gasoso para ser considerado como combustível industrial deve apresentar as seguintes características:

 disponibilidade local  qualidade mínima  custo viável  entrega assegurada.

A principal característica técnica de um gás combustível é seu poder calorífico enquanto que, sob o aspecto econômico, seria seu preço específico expresso em reais por determinada quantidade de calor como, por exemplo, reais por megacaloria ou, internacionalmente, como dólares norte-americanos por milhão de BTU. Para se determinar o custo específico de combustíveis é necessário conhecer o poder calorífico do gás e seu preço.

O poder calorífico pode ser superior ou inferior. A definição de poder calorífico superior (PCS) apresenta algumas diferenças sutis, segundo a filosofia de cada autor. Bartok (1991) define o PCS na situação em que, além do calor normalmente liberado pelos produtos gasosos da combustão, o calor latente de condensação do vapor d’água contido nos produtos da combustão foi também absorvido pelo processo térmico onde o gás foi aplicado. Nesta definição faltou citar a liberação do calor sensível da água condensada e a necessidade de uma temperatura de referência. E Bartok (1991) define ainda o poder calorífico inferior (PCI) no caso onde o calor latente de condensação do vapor d’água não foi aproveitado, ou seja, trata- se do valor do PCS menos este calor latente, também não considerando o calor sensível da água condensada até a temperatura de referência.

Reed (1986) explica mais criteriosamente o sentido do PCS, como sendo o calor total liberado quando uma mistura perfeita de combustível e ar (o autor se refere à mistura nas proporções estequiométricas), originalmente a 60°F (15,5°C) entra em ignição e os produtos da combustão completa são então resfriados de forma a retornarem aos 60°F, o que inclui o calor liberado pela condensação do vapor d’água presente nos produtos da combustão e o calor sensível da água condensada até a temperatura de referência. E a definição de PCI por Reed (1986) é semelhante à de Bartok (1991), sendo o igual ao PCS menos o calor latente de condensação do vapor d’água presente nos produtos da combustão. Em ambas as definições do PCI não se faz referência ao calor sensível da água condensada até a temperatura de referência.

As definições mais completas seriam associar os conceitos de Pritchard (1977) e Her Majesty’s Stationery Office (1969). Assim, o PCS seria o calor liberado por uma quantidade

unitária do gás combustível através da combustão completa em condição isotérmica e isobárica a 1 atmosfera absoluta e na temperatura de referência, onde todo o carbono foi convertido em CO2 , o hidrogênio em H20, o enxofre em SO2, o nitrogênio não formou

nenhum óxido e o vapor d’água formado na combustão foi condensado e retornou à temperatura de referência. A definição de temperatura e pressão de referência na condição standard (stp) varia significativamente na literatura mundial, de acordo com a norma ou a entidade, sendo encontradas temperaturas de 0ºC, 15°C, 20°C e 25ºC, bem como 59°F, 60°F e 70°F e pressões atmosféricas de 100 kPa, 101,3 kPa, 101,325 kPa, 14,503 psi, 14,696 psi, 14,73 psi e 29,92 in Hg. Portanto, nada parece menos standard do que a condição standard de temperatura e pressão, a qual necessita sempre ser por esta razão explicitamente definida. Na indústria mundial de petróleo e gás considerou-se tradicionalmente a condição standard como 60°F e 14,696 psi, que corresponderia no sistema métrico a 15,6ºC e 101,325 kPa. No Brasil, as condições de referência estabelecidas pela ANP para o gás natural são a temperatura de 20°C, mais adequada ao país, e a pressão atmosférica de 1 atm (101,325 kPa).

E, por sua vez, o PCI seria calculado subtraindo-se do PCS do gás combustível o calor latente de condensação do vapor d’água e o calor sensível da água presente nos produtos da combustão da quantidade unitária do gás combustível, incluindo-se o eventual teor de umidade originalmente presente no gás, considerando-se as condições de referência.

As diferenças percentuais entre o PCS e o PCI dos combustíveis em geral e, em particular, dos gases combustíveis, varia em função da quantidade de água gerada na combustão, a qual é diretamente proporcional ao teor de hidrogênio contido no combustível, desconsiderando-se eventual teor de umidade. Assim, a diferença máxima ocorre quando o gás combustível é o hidrogênio puro, onde o PCI é igual a 84,26% do PCS conforme indicado pela Tabela 1. Tabela 1 – Relação entre PCI e PCS dos gases combustíveis

HIDROGÊNIO PCS PCI Relação PCI-PCS (% massa) (kcal/m³)* (kcal/m³)* (%)

Hidrogênio 2 100,0 2.843 2.403 84,52 Metano 16 25,0 8.854 7.976 90,08 Etano 30 20,0 15.515 14.189 91,45 Propano 44 18,2 22.075 20.322 92,06 Butano 58 17,2 28.627 26.418 92,28 Monóxido de carbono 28 0,0 2.813 2.813 100,00

Fonte: elaboração própria a partir dos dados de Perry e Green (1984) * a 1 atm, 20°C

E, quando o gás combustível não possui hidrogênio, como o monóxido de carbono puro, o PCS e o PCI são iguais. Isto permite concluir que, para todos os combustíveis, o PCI estará compreendido entre 84,26% e 100% do PCS.

A Tabela 1 mostra ainda o relacionamento entre PCI e PCS de alguns gases combustíveis, onde se confirma que quanto maior o teor de hidrogênio do combustível, maior a diferença entre o PCI e o PCS.

Com respeito à escolha do poder calorífico, superior ou inferior, para a realização de cálculos energéticos e econômicos, devem ser considerados:

 Em quase a totalidade dos processos, onde não há condensação do vapor d’água presente nos produtos da combustão no equipamento térmico, a escolha do PCI é, sem dúvida, a mais recomendável.

 A utilização do PCS deveria ser considerada apenas em casos excepcionais, nos processos como combustão submersa e aquecedores de condensação, onde pelo menos parte do vapor d’água presente nos produtos da combustão condensa, cedendo seu calor latente para o equipamento térmico.

Sob o ponto de vista comercial, algumas empresas preferem informar apenas o poder calorífico que torna seu combustível mais competitivo na comparação com seus concorrentes. Por exemplo, se compararmos o metano com o propano, considerando:

 o PCS, 1 m³ de metano equivale a 0,4011 m³ de propano;  o PCI, 1 m³ de metano equivale a 0,3925 m³ de propano.

Assim, para uma empresa de gás natural existe uma vantagem aparente da ordem de 2% na comparação com GLP quando se utiliza o PCS. De forma análoga, também existem ganhos na comparação do gás natural com os óleos combustíveis, os quais são ainda mais significativos do que os valores estimados para o GLP, pois os óleos apresentam teores de hidrogênio ainda mais baixos. Quanto mais pesado for o óleo combustível, apresentando cadeias moleculares maiores, menor será o teor de hidrogênio no combustível e maior seria a vantagem aparente do gás natural nas comparações através do PCS.

Nesta tese serão considerados os seguintes poderes caloríficos inferiores, de acordo com o MME (2013b):

 tonelada equivalente de petróleo (tep): 10.000.000 kcal

 tonelada de GLP: 11.100.000 kcal

 10³ m³ de GN seco (a 20°C, 1 atm): 8.800.000 kcal