Em muitos processos químicos, os fatores que geram falhas em filtro de mangas são originários de falta de controle térmico efetivo em fornos industriais, principalmente nos teores de oxigênio (figura 1).
A atual preocupação ecológica levou ao estabelecimento de normas ambientais rigorosas. Para otimizar a eficiência térmica das fornalhas é necessário minimizar o excesso de ar, assegurando ao mesmo tempo o cumprimento das normas ambientais. Neste artigo, mostramos a influência do excesso de ar na eficiência térmica e no nível de emissão de poluentes (CO, SOx, NOx) das fornalhas, a inter-relação  existente entre estes fatores e os passos necessários para a otimização do coeficiente de excesso de ar.  
 

O controle da poluição por particulados e o controle do rendimento térmico de fornalhas são normalmente realizados de forma independente pelos respectivos operadores. Assim, a inter-relação entre excesso de ar, rendimento térmico e emissão de poluentes, é mal compreendida e não é otimizada. O excesso de ar influencia tanto a eficiência térmica quanto o nível de emissão de poluentes (COx, SOx, NOx) das fornalhas (figura 2).   


Para realizar a combustão é necessária uma quantidade de ar estequiométrica, chamada ar teórico.
Entretanto, para assegurar a combustão completa é necessário um "excesso de ar" de modo a manter um teor suficiente de oxigênio até o final da chama, para superar as deficiências de mistura do queimador.
Os valores referentes ao excesso de ar, conforme o combustível e fornalha, são mostrados na tabela 1. 
O coeficiente de excesso de ar (α) é um modo de se expressar a relação ar/combustível, e é a razão entre a quantidade total de ar utilizada na combustão (Var) (kg/kg comb ou m3/kg comb) e a quantidade de ar estequiométrica (Vºar):
α =  Var / Vºar  (adm) (1)            
O valor de α pode ser calculado a partir da análise da composição volumétrica (%) dos produtos da combustão:                                          
α= % CO2 estequimétrico / %CO2 (2)
α = 20,9 / [20,9 – (%O2  - / %CO2)] (3)
O excesso de ar é fator determinante da eficiência da combustão, pois controla o volume, temperatura e entalpia dos produtos da combustão. Um grande excesso de ar é indesejável, por que diminui a temperatura da chama e aumenta as perdas de calor devido à entalpia dos gases efluentes (Q2), reduzindo a eficiência térmica, além de diminuir o comprimento da chama. Por outro lado, um baixo excesso de ar pode resultar em uma combustão incompleta e na formação de CO, gerar fuligem e fumaça, além de possibilitar  o acúmulo de combustível não queimado, causando risco de explosão.
O valor ótimo do excesso de ar é aquele onde estas duas influências estão em equilíbrio, suficientemente baixo, para minimizar a perda de calor Q2 sem produzir combustão incompleta. Assim, o valor ótimo depende da eficiência de combustão aceitável e dos limites de poluição impostos para NOx e CO. É obtido experimentalmente pela análise dos produtos da combustão, durante o ajuste do equipamento de combustão.   
Q2 = Vg.Cpg.Tg - Vºar.Cpar.Tar (kJ/kg comb)(4) onde Vg= volume (m3/kg CNTP); Cpg= calor específico e Tg= temperatura saída dos gases efluentes (ºC).


A eficiência da combustão (ηc) é definida por:
ηc= (Qdisp - Q2- Q3) / Qdisp (adm)  (5), onde Qdisp é a energia disponível para a combustão e Q3 é a perda de calor devido à combustão incompleta.
Q3= 126,4 Vgs . %CO (kJ/kg comb) (6), onde Vgs é o volume dos produtos da combustão secos (m3/kg CNTP). As perdas de calor devido à formação de H2 e CH4 são normalmente insignificantes e desprezadas. Na combustão de sólidos a perda de calor, devido ao combustível não queimado, também deve ser considerada.
A eficiência máxima é obtida pela minimização de Q2 + Q3 (figura 3). Estas perdas de energia são funções da composição e temperatura dos produtos da combustão, isto é, pelo excesso de ar na fornalha. Uma vez que as emissões são componentes dos produtos da combustão, a análise completa e a temperatura dos produtos são necessárias para determinar a eficiência da combustão e os níveis de emissão.
Geralmente, a eficiência da combustão depende mais do método operacional do que dos queimadores e equipamentos auxiliares. De fato, a eficiência do processo de combustão está intimamente ligada à precisão de ajuste do excesso de ar de combustão.


Cada poluente é controlado por uma determinada norma ambiental. Os limites especificados dependem de um esquema complicado em função do tipo de combustível, capacidade nominal e consumo anual.
Os limites de NOx admissíveis são apresentados para condições especificas de combustão. Muitas vezes é determinado pelas normas que o teor de O2 nos produtos da combustão deve ser inferior a 3% (base seca), e que o teor de emissões de CO não deve exceder 400 ppm. Assim, a norma é que qualquer teor de NOx medido (NOxReal), seja recalculado nas condições de referência (NOxref) (3% O2 em base seca):  
%NOxref = %NOxReal .18 / (21 –  %O2Real) (7)
Esta equação permite converter o teor de NOx nos produtos da combustão real para as condições de referência, em uma larga faixa de valores de O2. Quanto maior o teor de O2 nos produtos da combustão, mais diluídos serão os poluentes e menor o NOx medido.
Os óxidos de nitrogênio (NOx) são produzidos durante a combustão a partir do nitrogênio do ar (NOx térmico) ou do nitrogênio do combustível (NOx combustível). Em uma chama de difusão turbulenta, a produção de NOx é altamente dependente da composição do combustível e da relação ar/combustível, que, para os combustíveis líquidos é determinada pela mistura do spray combustível e o ar de combustão.
A temperatura e o teor de O2 e N2 nos produtos da combustão, são os principais fatores para a formação de NOx, e são controlados pelo excesso de ar. Assim, além da influência na eficiência, determina os níveis de emissão de NOx e CO.
Pequenos excessos de ar geram altas temperaturas de chama e baixos teores de O2 e N2, enquanto altos valores, o contrário. O teor de NOx atinge o máximo a um excesso de ar entre 1,05 e 1,30. Diminuindo o excesso de ar, o NOx diminui rapidamente porque os teores de O2 e N2, potenciais formadores de NOx, diminuem. Com o aumento do excesso de ar, o teor de NOx também diminui devido à redução da temperatura da chama. 
A relação típica entre o excesso de ar e a emissão de NOx e CO é apresentada na figura 4. As curvas de emissão de NOx e CO devem ser analisadas simultaneamente, pois a diminuição de um poluente pode levar ao aumento de formação de outro. Deve ser lembrado que, o teor de CO diminui rapidamente com o aumento do excesso de ar.
A diminuição das emissões de NOx é muitas vezes acompanhada de um aumento da emissão de particulados. Estas emissões de particulados consistem de fuligem (soot), que é produzida a partir dos constituintes em fase gasosa, cenosferas e coque, cuja produção é devida à natureza multicomponente do combustível, e das características de atomização.
Ao minimizar a emissão de NOx pela redução do excesso de ar, existe um aumento na produção de fuligem. Esta estequiometria local, controlada pela mistura turbulenta, determina a formação de NOx e de particulados nas chamas dos combustíveis líquidos.
A formação de SO2 depende do teor de enxofre do combustível e o SO3 é formado pela oxidação do SO2. A redução do excesso de ar diminui a quantidade de O2 disponível para a oxidação do SO2 em SO3, reduzindo a formação de H2SO4 nas partes frias da caldeira, conforme os mecanismos de formação:           
SO2  + ½ O2  -> SO3
SO3 + H2O -> H2SO4


Os impactos gerados pelo excesso de O2 em filtro de mangas, oriundos de fornos industriais ou da entrada de ar falso no filtro, causam ataque químico nos têxteis por oxidação, nitração e sulfonação.
O excesso de oxigênio que é filtrado pode atacar o elemento filtrante por oxidação, dependendo da temperatura de filtração. Por exemplo, mangas de Ryton (polifenilsulfeto) apresentam rasgos e furos em menos de um ano de operação contínua sob 18% em volume de oxigênio a 180ºC, devido à oxidação.
A geração do gás NO ocorrerá se houver a queima de combustível com temperatura do forno superior a 800ºC, permitindo a reação entre o nitrogênio e oxigênio. Quando a temperatura dos gases cai para menos de 250ºC ocorre à reação do NO com o oxigênio excessivo, gerando o dióxido de nitrogênio (NO2), que ataca as mangas filtrantes por nitração, principalmente nos seguintes tipos de materiais têxteis: Ryton (polifenilsulfeto), poliacrilonitrila homopolímero e poliacrilonitrila copolímero.
A queima de combustível contendo enxofre na sua composição resulta na oxidação do enxofre, formando o gás SO2, o qual reage com o oxigênio excessivo quando a temperatura cai abaixo de 300ºC, formando assim o gás SO3. Devido à ação de umidade presente em sistemas de filtração, que tem afinidade reativa com o SO3, ocorre a formação de H2SO4. Tanto o ácido sulfúrico formado, como o SO2 seco, atacam as mangas filtrantes por sulfonação, causando rasgos e furos, principalmente nos materiais de poliéster, poliacrilonitrila homopolímero, poliacrilonitrila copolímero e poliamida aromática (Nomex).       


A dificuldade da análise e do controle do processo de combustão real é devido ao fato que o coeficiente de excesso de ar afeta a eficiência e os níveis de emissão de maneiras diferentes e antagônicas. Assim, para simplificar, o efeito do coeficiente de excesso de ar está analisado em quatro faixas (A, B, C e D). As figuras 3 e 4 representam valores típicos de eficiência e níveis de emissão.
A combustão com excesso de ar inferior a α1 (faixa A) não é aceitável, porque o teor de CO nos produtos da combustão excede os limites. Com excesso de ar entre α1 e α2 (faixa B), tem-se uma combustão quase completa e um baixo α. Esta faixa é ideal devido às baixas emissões de CO e NOx, com alta eficiência da combustão.
Entretanto, para operar na faixa B é necessário ajustar os queimadores ou modificar radicalmente o processo de combustão. Na maioria das instalações de combustão, a faixa B só pode ser realizada com combustão em multiestágios, combustão sub-estequiométrica ou recirculação de gases.
Na faixa C, os níveis de emissão de NOx excedem os limites da norma e a operação só é possível com equipamentos de tratamento dos gases efluentes.
A eficiência da combustão é inferior à da faixa B, mas ainda é aceitável. Na faixa D, os níveis de emissão de CO e NOx encontram-se dentro dos limites, mas a eficiência é baixa.
Pela análise da figura 4, verifica-se que a operação deve ser realizada nas faixas B ou C. Entretanto, para operar nestas faixas, muitas vezes é necessário implementar modificações no processo ou instalar equipamentos de pós-combustão dos produtos. O balanço econômico (investimento/operação) vai determinar a instalação destes equipamentos, ou mesmo determinar a operação fora da região de eficiência ótima (faixa D). Certos sistemas de combustão comportam-se de modo diferente e algumas das faixas citadas podem não existir.
 

O controle da combustão (razão ar/combustível) não pode ser realizado através do controle da vazão de combustível, uma vez que a energia gerada pela caldeira (vazão de vapor) depende da quantidade de combustível introduzido. Assim, a única variável que pode ser regulada é a vazão de ar de combustão. 
Normalmente, a vazão de ar é regulada por um sistema de controle em malha aberta, em função da vazão de combustível, acionando diretamente o damper de ar ou o controle da vazão de ar. O controle em malha aberta estabelece uma relação ar/combustível fixa, insatisfatória em muitos casos (tabela 1). Demandas de carga variáveis e queima de combustíveis alternados, comuns nos processos industriais, modificam a relação ar/combustível ótima. A queima de misturas de combustíveis e de combustíveis com composição, temperatura, viscosidade e PCI variáveis, e temperatura do ar variável, requer reajustes freqüentes, tornando impraticável este controle. Assim, para assegurar a combustão completa, mesmo nas piores condições operacionais, é necessário um grande excesso de ar (20 a 30%).
Para otimizar o excesso de ar é necessário um controle de combustão mais preciso, que pode ser obtido por um sistema de controle em malha fechada (feedback). Isto é realizado a partir da análise de CO2, O2 e CO nos produtos da combustão na saída da fornalha (figura 5). 
O controle do processo de ar pode ser realizado a partir da análise do teor de CO2 (equação 2). Sua desvantagem é que o set-point deve ser ajustado para cada combustível e é muito mais caro que o analisador de O2. A não ser no caso de medidas descontínuas, manuais, realizadas por analisadores químicos.

Analisadores de O2 tem sido muito usados no controle da combustão, pois são de baixo custo, possuem tempo de resposta pequeno, pouca manutenção e medem diretamente o excesso de ar na chaminé. Sua principal desvantagem é que o set-point deve ser ajustado para cada combustível e taxa de combustão, pois o valor medido não depende unicamente da estequiometria da reação. O O2 presente nos produtos pode ser devido a utilização de queimadores inativos, portinholas abertas, infiltrações, etc. Assim, a infiltração de ar na fornalha pode inviabilizar o controle baseado na medição de O2. 
O controle baseado na medição de CO tem a vantagem do valor do set-point ser independente do tipo de combustível e da carga da caldeira. A formação do CO é devido a uma quantidade de ar insuficiente para completar a combustão. Se a combustão é completa, o nível de CO tende a zero. Uma vez que a mistura ar/combustível perfeita não é realizável, os níveis práticos de CO são para qualquer combustível ou combinação de combustíveis, a qualquer carga, entre 120 e 250 ppm (figura 6). Entretanto, o analisador deve medir até 1000 ppm para poder detectar transientes. Isto elimina a necessidade de se ajustar o valor do set-point em função das condições operacionais.
Além disso, como o teor de CO nos gases é pequeno em ppm, infiltrações ou registros mal regulados não interferem nos valores medidos, uma vez que a diluição é pequena. Outra vantagem é que o CO é um produto intermediário da combustão, tendo assim uma relação direta com o desenvolvimento da reação de combustão no fim da chama e emissão de particulados.
Entretanto, o teor de CO também não tem uma relação unívoca com o excesso de ar. Com queimadores em boas condições, as caldeiras a óleo começam a fumar entre 600 e 800 ppm. Queimadores sujos podem causar fumaça abaixo de 300 ppm. As caldeiras a gás podem exceder 2000 ppm antes da fumaça tornar-se perceptível. Com queimadores sujos ou uma mistura deficiente, o controle baseado no CO leva a um aumento de excesso de ar e uma diminuição da eficiência da combustão.
O medidor de CO pode ser utilizado para controlar o excesso de ar, mas é limitado à operação em regime permanente, pois pequenas variações de carga podem causar grandes variações do valor medido.
O controlador de CO deve ser desligado durante mudanças de carga e operações a baixa carga. Um controle mais eficaz é obtido usando o medidor de CO como ajuste fino do set-point do controlador de O2.
No caso de combustão de gases, onde a composição pode variar bastante, o esquema de feedback apresentado pode ser prejudicado pelo tempo morto entre a mudança na composição e a detecção da mudança resultante nos produtos da combustão. Durante o tempo morto, o excesso de ar não é ajustado, reduzindo a eficiência da combustão. Neste caso um controle feedforward é necessário, para produzir um ajuste da razão ar/combustível, antes que o efeito das perturbações na composição sejam sentidos na combustão. Os controles feedback e feedforward são então combinados na configuração de controle em cascata. para obter a melhor característica de ambos.



Os investimentos de capital nos equipamentos de controle de poluição do ar aumentam à medida que as leis se tornam mais rígidas. Nos Estados Unidos, por exemplo, os custos do controle do NOx e CO aumentaram 45% entre 2005 e 2008. Assim, é necessário encontrar meios criativos para controlar os custos e atingir a qualidade de ar requerida.
As normas de controle do ar da "Environmental Protection Agency - EPA", estabelecem cotas de emissões para termoelétricas (tipicamente 1 ton/ano). As instalações que emitirem abaixo da cota podem negociar este excesso com outras instalações. Acredita-se que esta nova regulamentação pode reduzir o custo do controle do SO2 em mais de 25%.   
O custo é um dos mais importantes critérios na escolha do dispositivo e técnica de controle. Para se reduzir a emissão de NOx podem ser utilizados os seguintes métodos: filtragem, precipitação eletrostática, lavagem dos gases, redução química, e controle e modificação na combustão (combustão em multiestágios, recirculação de gases e operação com baixo excesso de ar).
A redução do excesso de ar possui um efeito sobre a emissão de NOx, mas abaixo de certo limite (0,5%), a emissão de particulados aumenta consideravelmente. Felizmente, a formação de SOx e NOx produzida nestas condições já atingiu o mínimo, por razões termodinâmicas e de cinética química.
A combustão em multiestágios é a técnica mais efetiva para o controle de NOx térmico, uma vez que a sua formação depende principalmente da estequiometria local e não da temperatura da chama. A combustão em multiestágios pode ser obtida dividindo a câmara de combustão em várias zonas, ou com um queimador de mistura rica localizada. Os queimadores de baixo NOx controlam a relação ar/combustível inicial, criando uma chama rica que retarda a formação de NOx, diminuindo a sua emissão em mais de 50%. Injeções de ar secundário são necessárias para completar a combustão.
A adição de água ou recirculação dos gases também reduzem a formação de NOx térmico, devido a redução da temperatura, mas influenciam pouco na emissão de NOx combustível. Somente a combustão em multiestágios tem influência sobre a formação do NOx combustível, pois a formação do NOx combustível não é dependente da temperatura da chama.
A redução do preaquecimento de ar e a recirculação de gases têm influência somente no NOx térmico.
A combustão catalítica de hidrocarbonetos pode minimizar a formação de NOx. Sistemas catalíticos em desenvolvimento atualmente são capazes de reduzir a temperatura da chama de 1800ºC para 1300ºC, o que permitirá levar a emissão de NOx de 200 ppm para menos de 1 ppm. Otimizando o queimador e a câmara de combustão, as caldeiras atuais podem atingir rendimentos de 99,8%, com uma emissão de NOx e CO em cerca de 40 ppm.         
Conciliar o aumento dos custos de combustíveis com as normas ambientais é um trabalho de engenharia delicado. O preaquecimento do ar de combustão para aumentar a eficiência, dificulta a obtenção de baixos níveis de emissão de NOx (figura 7). Aumentando-se as superfícies de transferência de calor e a velocidade dos gases, num novo projeto de fornalha, pode resolver este problema. Os ganhos de eficiência viabilizam a instalação de queimadores com tecnologia de baixo NOx.

Novas tecnologias de transferência de calor podem aumentar a eficiência e reduzir as emissões. A maioria dos equipamentos em uso possuem projetos de mais de 30 anos. Estas construções são antiquadas e não se adaptam às necessidades dos processos atuais.
O excesso de ar influência tanto a eficiência térmica quanto o nível de emissão de poluentes (CO, SOx, NOx) das fornalhas. O seu controle precisa otimizar a eficiência térmica das fornalhas, assegurando ao mesmo tempo uma diminuição do nível de emissão de poluentes e o cumprimento das normas ambientais.
Em muitos casos, o controle do excesso de ar é a solução de melhor custo/benefício para a redução da emissão de poluentes e deve ser analisada prioritariamente em relação aos custos com elementos filtrantes.
O desenvolvimento tecnológico trouxe uma diminuição dos custos dos sensores de O2 e CO e dos controladores, tornando o seu emprego viável economicamente, mesmo em pequenas instalações de combustão.   

Engenheiro Químico, com especialização em Gestão Empresarial e Gestão Ambiental, mestrado em Engenharia de Materiais (não-tecidos), doutorando em Engenharia de Materiais (PUCRS). É responsável pela Engenharia da Renner Têxtil Ltda., atividade que integra as funções de engenharia de aplicação e assistência técnica. Luciano@rennertextil.com.br Skype: Luciano.rennertextil www.rennertextil.com.br