Além do OPP, o óleo diesel (OD) é utilizado como combustível de comparação, assim como a mistura entre eles em diferentes proporções volumétricas. Óleo pirolítico de pneus de baixo enxofre (OPPBE) foi considerado, adicionalmente, no estudo teórico, cujas propriedades foram obtidas da literatura (AYDIN; CUMALI, 2012), com o objetivo de comparar as emissões de SO2 com as emitidas pelo OPP e OD, assim como de suas misturas. O modelo apresentado leva em conta uma mistura perfeita entre o vapor de combustível líquido e o oxidante, obtendo assim uma queima homogênea.
6.1.1 Fórmula química do combustível
O modelo teve por base os dados da composição elementar dos combustíveis considerados: OPP, OPPBE e OD. O OPP foi obtido de uma doação feita pela empresa POLIMIX. A composição elementar do OPP, bem como as suas propriedades, foi obtida no trabalho de Coronado (2015) e no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Os resultados desta caracterização são apresentados na Tabela 6.1.
Tabela 6.1 - Composição e algumas propriedades do óleo pirolítico de pneus (OPP).
Dados experimentais Óleo pirolítico
de pneus
Método
Carbono (% em massa) * 87,10 CHNS/O Analyzer
Hidrogênio (% em massa) * 9,65 CHNS/O Analyzer
Nitrogênio (% em massa) * 0,60 CHNS/O Analyzer
Enxofre (% em massa) * 0,89 CHNS/O Analyzer
Oxigênio (% em massa) * 1,76 Por diferença
Massa específica [kg/m3] * 920,70 ABNT NBR 14065
Viscosidade cinemática [cSt] ** 3,88 ABNT NBR 10441
Poder Calorífico Superior [MJ/kg] ** 42,04 ASTM D5468 / ASTM D240
* Coronado (2015)
** Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
As informações da composição elementar do OPPBE e OD foram obtidas da literatura, tendo sido adotados os dados de Williams et al. (1998) para o OD, e os de Aydin e Cumali (2012) para o OPPBE. A Tabela 6.2 apresenta a composição elementar para o OPPBE e OD, enquanto a Tabela 6.3 algumas propriedades físicas dos mesmos.
Tabela 6.2 - Composição elementar do OPPBE e OD
Elemento (% massa) OPPBEb ODa
Carbono 87,47 87.10
Hidrogênio 10,14 12.6
Nitrogênio 1,19 0.05
Oxigênio 0,98 0.05
Enxofre 0,22 0.20
Fonte: William et al., (1998)a e Aydin e Cumali (2012)b
Tabela 6.3 - Propriedades físicas do OPPBE e do OD
Propriedades OPPb ODa
Massa específica (20℃, g/cm3) 0.934 0.78 Viscosidade cinemática (40 ℃, mm2/s) 3.7 3.3
Número de cetano 48 -
Ponto de fulgor (℃) 54 75
Poder calorífico superior (MJ/kg) 43.57 46.0 Fonte: William et al., (1998)a e Aydin e Cumali (2012)b
Da composição elementar é estimada uma fórmula empírica para a molécula do OPP, OPPBE e OD na forma , similar à empregada por Kayadelen e Ust (2013), sendo o número de mols da espécie química elementar j (C, H, O, N e S) na molécula de combustível, a qual é calculada pela equação (6.1)
(6.1)
Sendo calculado o número de mols das espécies químicas elementares com referência a um mol de carbono ( presente na molécula de combustível. A massa molecular da molécula de combustível é calculada pela equação (6.2).
6.1.2 Entalpia de formação
Para o estudo da combustão dos combustíveis de interesse, o conhecimento da entalpia de formação dos combustíveis é importante, porque permite calcular a energia liberada na queima dos mesmos. A entalpia de formação do OPP, OPPBS e OD não é conhecida, assim, uma estimativa de seu valor é determinada a partir da definição do poder calorifico superior, o qual é um dado conhecido. Segundo Carvalho e McQuay (2007), para um combustível com presença de enxofre em sua composição elementar, a entalpia de formação é calculada considerando que o carbono, hidrogênio e enxofre todo do combustível é convertido para CO2, H2O e SO2.
A reação estequiométrica da combustão completa de uma molécula de combustível com ar como oxidante é apresentada na reação (6.3).
(6.3) Com e representando a quantidade de oxigênio estequiométrico e a razão entre o número de mols de nitrogênio e o número de mols de oxigênio presentes no ar, respetivamente. Da reação estequiométrica (6.3), essas quantidades são calculadas pelas equações (6.4) e (6.5).
(6.4)
(6.5)
A entalpia de formação no estado padrão é calculada pela equação (6.6), a partir das quantidades das espécies químicas presentes na reação estequiométrica (6.3).
( ̅ )
( ̅ ) ( ̅ ) ( ̅ ) (6.6) Os dados do poder calorífico superior são fornecidos das Tabelas 6.1 e 6.3. Porém, como as unidades estão expressas em MJ/kg e os valores da entalpia, segundo a equação empírica de ajuste apresentada no APÊNDICE I, são expressos em unidades molares, o poder calorífico
superior é multiplicado pela massa molecular do combustível correspondente, a qual é calculada a partir da equação (6.2), para homogeneizar a equação (6.6).
6.1.3 Produtos obtidos no processo de combustão
A fórmula química empírica empregada no estudo da combustão do OPP, OPPBE e do OD, por possuírem enxofre (S) em sua composição, considera-se que todo o S contido no combustível se oxida a SO2 (CARVALHO; LACAVA, 2008). Assim, nos produtos da combustão é considerada apenas a presença de SO2, juntamente com 11 espécies químicas: CO2, CO, H2O, H2, H, OH, O, O2, NO, N2 e N, como foi considerado por Rakoupolos (1994). Outros trabalhos de modelos de equilíbrio químico dos produtos de combustão consideraram 10 (KAYADELEN e UST, 2013; RASHIDI, 1998) e 13 espécies químicas (RASHIDI, 1998), respectivamente. Em (RASHIDI, 1998) as duas espécies adicionais foram o N2O e NO2, mas no presente modelo de equilíbrio químico, essas espécies químicas foram desprezíveis, pois a quantidade de NO é muito maior que as anteriores (CARVALHO e McQUAY, 2007).
A reação global de combustão do OPP, OPPBE e OD com as doze espécies químicas presentes nos produtos é representada de forma geral, como:
(6.7)
A reação global apresentada acima é modificada para o caso da mistura do OPP com OD, sendo substituído o mol de combustível com fórmula pela fórmula apresentada na equação (6.8).
( ) ( ) (6.8)
Com a seguinte condição
(6.9)
Os cálculos das concentrações das espécies químicas dos produtos em equilíbrio foram feitos para uma faixa de razão de equivalência (Ф) entre 0,6 e 1,4, com a finalidade de simular condições de combustão pobre e rica, e assim predizer o comportamento da formação das espécies químicas envolvidas na reação global de combustão (6.7).
O método da minimização de energia livre de Gibbs aplicado nos produtos da combustão do OPP, OPBE e OD, considerou uma reação de combustão adiabática, desenvolvida a uma pressão constante (correspondente ao estado padrão), a qual é típica em câmaras de combustão de turbinas a gás (MENDIBURU, 2012). O modelo considerou 19 variáveis correspondentes ao número de mols das 12 espécies químicas nos produtos, o número total de mols dos produtos (nT), a temperatura de chama adiabática (Tad), e os 5 multiplicadores de Lagrange (vinculados às 5 espécies elementares: C, H, O, N e S), introduzidos na solução do modelo de equilíbrio pelo método de minimização da energia livre de Gibbs da mistura dos produtos. As 19 equações necessárias para dar solução ao modelo de equilíbrio químico proposto são fornecidas pelas equações (5.6), (5.8a) e (5.9), as quais constituem um sistema de equações não lineares. O sistema de equações não lineares foi resolvido empregando-se uma função incorporada “fsolve” do software matemático MATLAB.
6.2 RESULTADOS DO ESTUDO TEÓRICO DA COMBUSTÃO DO ÓLEO PIROLÍTICO