Combustão

As chamas causadas como resultado de um combustível em combustão (queima)

O equipamento de redução da poluição atmosférica fornece controle de combustão para processos industriais.

Combustão, ou queima, é uma reação química redox exotérmica de alta temperatura entre um combustível (o redutor) e um oxidante, geralmente oxigênio atmosférico, que produz oxidação, muitas vezes produtos gasosos, em uma mistura denominada fumaça. A combustão nem sempre resulta em fogo, porque uma chama só é visível quando as substâncias em combustão vaporizam, mas quando isso acontece, a chama é um indicador característico da reação. Embora a energia de ativação deva ser superada para iniciar a combustão (por exemplo, usando um fósforo aceso para acender o fogo), o calor de uma chama pode fornecer energia suficiente para tornar a reação autossustentável.

A combustão é muitas vezes uma sequência complicada de reações radicais elementares. Combustíveis sólidos, como madeira e carvão, primeiro passam por pirólise endotérmica para produzir combustíveis gasosos cuja combustão fornece o calor necessário para produzir mais deles. A combustão geralmente é quente o suficiente para produzir luz incandescente na forma de incandescência ou chama. Um exemplo simples pode ser visto na combustão de hidrogênio e oxigênio em vapor d'água, uma reação que é comumente usada para abastecer motores de foguetes. Essa reação libera 242 kJ/mol de calor e reduz a entalpia de acordo (em temperatura e pressão constantes):

${displaystyle {ce {2H_{2}(g){+}O_{2}(g)rightarrow 2H_{2}Ouparrow }}}$

A combustão não catalisada no ar requer temperaturas relativamente altas. A combustão completa é estequiométrica em relação ao combustível, onde não há combustível remanescente e, idealmente, nenhum oxidante residual. Termodinamicamente, o equilíbrio químico da combustão no ar é predominantemente do lado dos produtos. No entanto, a combustão completa é quase impossível de ser alcançada, pois o equilíbrio químico não é necessariamente atingido, ou pode conter produtos não queimados como monóxido de carbono, hidrogênio e até mesmo carbono (fuligem ou cinzas). Assim, a fumaça produzida é geralmente tóxica e contém produtos não queimados ou parcialmente oxidados. Qualquer combustão em altas temperaturas no ar atmosférico, que é 78% de nitrogênio, também criará pequenas quantidades de vários óxidos de nitrogênio, comumente referidos como NOx, uma vez que a combustão do nitrogênio é termodinamicamente favorecida em altas, mas não em baixas temperaturas. Como a queima raramente é limpa, a limpeza do gás combustível ou conversores catalíticos podem ser exigidos por lei.

Os incêndios ocorrem naturalmente, iniciados por raios ou por produtos vulcânicos. A combustão (fogo) foi a primeira reação química controlada descoberta pelo ser humano, na forma de fogueiras e fogueiras, e continua sendo o principal método de produção de energia para a humanidade. Normalmente, o combustível é carbono, hidrocarbonetos ou misturas mais complicadas, como madeira, que contém hidrocarbonetos parcialmente oxidados. A energia térmica produzida a partir da combustão quer de combustíveis fósseis como o carvão ou o petróleo, quer de combustíveis renováveis como a lenha, é aproveitada para diversas utilizações como a cozedura, produção de eletricidade ou aquecimento industrial ou doméstico. A combustão também é atualmente a única reação usada para alimentar foguetes. A combustão também é usada para destruir (incinerar) resíduos, tanto perigosos quanto não perigosos.

Os oxidantes para combustão têm alto potencial de oxidação e incluem oxigênio atmosférico ou puro, cloro, flúor, trifluoreto de cloro, óxido nitroso e ácido nítrico. Por exemplo, o hidrogênio queima em cloro para formar cloreto de hidrogênio com a liberação de calor e luz característicos da combustão. Embora geralmente não catalisada, a combustão pode ser catalisada por platina ou vanádio, como no processo de contato.

Tipos

Completo e incompleto

Completo

A combustão do metano, um hidrocarbonetos.

Na combustão completa, o reagente queima em oxigênio e produz um número limitado de produtos. Quando um hidrocarboneto queima em oxigênio, a reação produzirá principalmente dióxido de carbono e água. Quando os elementos são queimados, os produtos são principalmente os óxidos mais comuns. O carbono produzirá dióxido de carbono, o enxofre produzirá dióxido de enxofre e o ferro produzirá óxido de ferro (III). O nitrogênio não é considerado uma substância combustível quando o oxigênio é o oxidante. Ainda assim, pequenas quantidades de vários óxidos de nitrogênio (comumente designados como espécies de NOx) se formam quando o ar é o oxidante.

A combustão não é necessariamente favorável ao grau máximo de oxidação e pode ser dependente da temperatura. Por exemplo, o trióxido de enxofre não é produzido quantitativamente pela combustão do enxofre. NENHUM_x espécies aparecem em quantidades significativas acima de cerca de 2.800 °F (1.540 °C), e mais é produzido em temperaturas mais altas. A quantidade de NO_x também é função do excesso de oxigênio.

Na maioria das aplicações industriais e em incêndios, o ar é a fonte de oxigênio (O^{< /sup>
₂}). No ar, cada mol de oxigênio é misturado com aproximadamente 3,71 mol de nitrogênio. O nitrogênio não participa da combustão, mas em altas temperaturas, algum nitrogênio será convertido em NOx (principalmente NO, com quantidades muito menores de NO2). Por outro lado, quando não há oxigênio suficiente para queimar o combustível completamente, algum carbono do combustível é convertido em monóxido de carbono e alguns dos hidrogênios permanecem sem reagir. Um conjunto completo de equações para a combustão de um hidrocarboneto no ar, portanto, requer um cálculo adicional para a distribuição de oxigênio entre o carbono e o hidrogênio no combustível.

A quantidade de ar necessária para que ocorra a combustão completa é conhecida como ar puro. No entanto, na prática, o ar utilizado é 2-3 vezes maior do que o ar puro.

Incompleto

A combustão incompleta ocorrerá quando não houver oxigênio suficiente para permitir que o combustível reaja completamente para produzir dióxido de carbono e água. Também acontece quando a combustão é extinta por um dissipador de calor, como uma superfície sólida ou um corta-chamas. Como no caso da combustão completa, a água é produzida pela combustão incompleta; no entanto, carbono e monóxido de carbono são produzidos em vez de dióxido de carbono.

Para a maioria dos combustíveis, como óleo diesel, carvão ou madeira, a pirólise ocorre antes da combustão. Na combustão incompleta, os produtos da pirólise permanecem não queimados e contaminam a fumaça com partículas e gases nocivos. Compostos parcialmente oxidados também são uma preocupação; a oxidação parcial do etanol pode produzir acetaldeído nocivo, e o carbono pode produzir monóxido de carbono tóxico.

Os projetos de dispositivos de combustão podem melhorar a qualidade da combustão, como queimadores e motores de combustão interna. Outras melhorias podem ser alcançadas por meio de dispositivos de pós-combustão catalíticos (como conversores catalíticos) ou pelo simples retorno parcial dos gases de exaustão ao processo de combustão. Tais dispositivos são exigidos pela legislação ambiental para carros na maioria dos países. Eles podem ser necessários para permitir que grandes dispositivos de combustão, como usinas termelétricas, atinjam os padrões legais de emissão.

O grau de combustão pode ser medido e analisado com equipamento de teste. Empreiteiros de HVAC, bombeiros e engenheiros usam analisadores de combustão para testar a eficiência de um queimador durante o processo de combustão. Além disso, a eficiência de um motor de combustão interna pode ser medida dessa maneira, e alguns estados e municípios dos EUA usam a análise de combustão para definir e avaliar a eficiência dos veículos nas estradas atualmente.

O monóxido de carbono é um dos produtos da combustão incompleta. A formação de monóxido de carbono produz menos calor do que a formação de dióxido de carbono, de modo que a combustão completa é muito preferida, especialmente porque o monóxido de carbono é um gás venenoso. Quando respirado, o monóxido de carbono toma o lugar do oxigênio e se combina com parte da hemoglobina no sangue, tornando-o incapaz de transportar oxigênio.

Problemas associados à combustão incompleta

Problemas ambientais

Esses óxidos se combinam com água e oxigênio na atmosfera, criando ácido nítrico e ácido sulfúrico, que retornam à superfície da Terra como deposição ácida, ou "chuva ácida". A deposição ácida prejudica os organismos aquáticos e mata as árvores. Devido à formação de certos nutrientes menos disponíveis para as plantas, como cálcio e fósforo, reduz a produtividade do ecossistema e das fazendas. Um problema adicional associado aos óxidos de nitrogênio é que eles, juntamente com os poluentes de hidrocarbonetos, contribuem para a formação de ozônio ao nível do solo, um componente importante do smog.

Problemas de saúde humana

Respirar monóxido de carbono causa dor de cabeça, tontura, vômito e náusea. Se os níveis de monóxido de carbono forem altos o suficiente, os humanos ficam inconscientes ou morrem. A exposição a níveis moderados e altos de monóxido de carbono por longos períodos está positivamente correlacionada com o risco de doença cardíaca. As pessoas que sobrevivem ao envenenamento grave por monóxido de carbono podem sofrer problemas de saúde a longo prazo. O monóxido de carbono do ar é absorvido nos pulmões, que então se liga à hemoglobina nos glóbulos vermelhos humanos. Isso reduziria a capacidade dos glóbulos vermelhos de transportar oxigênio por todo o corpo.

Sem chamas

Smoldering é a forma de combustão lenta, de baixa temperatura e sem chama, sustentada pelo calor gerado quando o oxigênio ataca diretamente a superfície de um combustível de fase condensada. É uma reação de combustão tipicamente incompleta. Os materiais sólidos que podem sustentar uma reação de combustão lenta incluem carvão, celulose, madeira, algodão, tabaco, turfa, húmus, espumas sintéticas, polímeros carbonizados (incluindo espuma de poliuretano) e poeira. Exemplos comuns de fenômenos de combustão lenta são o início de incêndios residenciais em móveis estofados por fontes de calor fracas (por exemplo, um cigarro, um fio em curto-circuito) e a combustão persistente de biomassa atrás das frentes de fogo de incêndios florestais.

Rápido

A combustão rápida é uma forma de combustão, também conhecida como incêndio, na qual grandes quantidades de calor e energia luminosa são liberadas, o que geralmente resulta em chamas. Isso é usado em uma forma de maquinaria, como motores de combustão interna e em armas termobáricas. Essa combustão é freqüentemente chamada de combustão rápida, embora para um motor de combustão interna isso seja impreciso. Um motor de combustão interna nominalmente opera em uma queima rápida controlada. Quando a mistura ar-combustível em um motor de combustão interna explode, isso é conhecido como detonação.

Espontâneo

A combustão espontânea é um tipo de combustão que ocorre por autoaquecimento (aumento da temperatura devido a reações internas exotérmicas), seguido de descontrole térmico (autoaquecimento que acelera rapidamente a altas temperaturas) e, finalmente, ignição. Por exemplo, o fósforo se auto-inflama à temperatura ambiente sem a aplicação de calor. Os materiais orgânicos submetidos à compostagem bacteriana podem gerar calor suficiente para atingir o ponto de combustão.

Turbulento

A combustão resultando em uma chama turbulenta é a mais utilizada para aplicações industriais (por exemplo, turbinas a gás, motores a gasolina, etc.) porque a turbulência ajuda no processo de mistura entre o combustível e o oxidante.

Microgravidade

Imagem composta em tons de cinza colorido dos quadros individuais de um vídeo de uma gota de combustível retroiluminado que queima em microgravidade.

O termo 'micro' gravidade refere-se a um estado gravitacional que é 'baixo' (ou seja, 'micro' no sentido de 'pequeno' e não necessariamente um milionésimo da gravidade normal da Terra) de modo que a influência da flutuabilidade nos processos físicos pode ser considerada pequena em relação a outros processos de fluxo que estariam presentes na gravidade normal. Em tal ambiente, a dinâmica de transporte térmico e de fluxo pode se comportar de maneira bastante diferente do que em condições normais de gravidade (por exemplo, a chama de uma vela assume a forma de uma esfera). A pesquisa de combustão em microgravidade contribui para a compreensão de uma ampla variedade de aspectos que são relevantes tanto para o ambiente de uma espaçonave (por exemplo, dinâmica de incêndio relevante para a segurança da tripulação na Estação Espacial Internacional) quanto para condições terrestres (baseadas na Terra) (por exemplo, gotículas dinâmica de combustão para auxiliar no desenvolvimento de novas misturas de combustível para combustão aprimorada, processos de fabricação de materiais, gerenciamento térmico de sistemas eletrônicos, dinâmica de ebulição de fluxo multifásico e muitos outros).

Microcombustão

Processos de combustão que ocorrem em volumes muito pequenos são considerados microcombustão. A alta relação superfície-volume aumenta a perda de calor específica. A distância de extinção desempenha um papel vital na estabilização da chama em tais câmaras de combustão.

Equações químicas

Combustão estequiométrica de um hidrocarboneto em oxigênio

Geralmente, a equação química para combustão estequiométrica de um hidrocarboneto em oxigênio é:

${displaystyle {displaystyle {C_{mathit} (x) Não. {z}}O2-> {x}}CO2{}+{frac {y}}{2}}H2O}}}$

Onde? $Não. - Sim. Não.$.

Por exemplo, a queima estequiométrica de propano em oxigênio é:

${displaystyle {ce {{underset {propane atop (fuel)}{C3H8}}+{underset {oxygen}{5O2}}->{underset {carbono dióxido}{3CO2}}+{underset {water}{4H2O}}}}$

Combustão estequiométrica de um hidrocarboneto no ar

Se a combustão estequiométrica ocorre usando ar como fonte de oxigênio, o nitrogênio presente no ar (Atmosfera da Terra) pode ser adicionado à equação (embora não reaja) para mostrar a composição estequiométrica do combustível no ar e a composição do gás de combustão resultante. Observe que tratar todos os componentes não-oxigênio no ar como nitrogênio fornece um 'nitrogênio' para oxigênio de 3,77, ou seja, (100% - O2%) / O2% onde O2% é 20,95% vol:

$Não. {C}} {H}}_{y}+z{ce {O2}}+3.77z{ce {N2 ->}} x{ce {CO2}}+{frac Não. (H2O)+3.77z Não.$

Onde? $Não. - Sim. Não.$.

Por exemplo, a combustão stoichiometric de propano ($(C3H8}}}$) no ar é:

${displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle { {combustível}{C3H8}}+{underset {oxygen}{5O2}}+{underset (nitrogênio){18.87 (N2}}) {->{underset {carbon dióxido}{3CO2}}+{underset {water}{4H2O}}+{underset (nitrogênio){18.87 (N2}}}$

A composição estequiométrica do propano no ar é 1 / (1 + 5 + 18,87) = 4,02% vol.

A reação de combustão estequiométrica para C_αH_βO_γ no ar:

${displaystyle {displaystyle {C_{mathit} Não. }}H_{mathit - Sim. Não. }}+left(alpha) - Sim. }{4}}. }{2}}right)left({ce {O_{2}}}+3.77 {N_{2}}}rightright)longrightarrow alpha {ce {CO_{2}}}+{frac {{2}} {H_{2}O}}+3.77left(alpha - Sim. }{4}}. }{2}}right) {N_{2}}}$

A reação de combustão estequiométrica para C_αH_βO_γS_δ:

${displaystyle {displaystyle {C_{mathit} Não. }}H_{mathit - Sim. Não. }}S_{mathit (em inglês) }}+left(alpha) - Sim. }{4}}. }{2}}+delta right)left({ce {O_{2}}}+3.77 {N_{2}}}rightright)longrightarrow alpha {ce {CO_{2}}}+{frac {{2}} {H_{2}O}}+delta (SO_{2}}}+3.77left(alpha) - Sim. }{4}}. }{2}}+delta right){ce {N_{2}}}}$

A reação de combustão estequiométrica para C_αH_βO_γN_δS_{ε< /sub>:}

${displaystyle {displaystyle {C_{mathit} Não. }}H_{mathit - Sim. Não. - Sim. Não. - Sim. }}+left(alpha) - Sim. }{4}}. }{2}}+epsilon right)left({ce {O_{2}}}+3.77 {N_{2}}}rightright)longrightarrow alpha {ce {CO_{2}}}+{frac {{2}} {H_{2}O}}+epsilon (SO_{2}}}+left(3.77left(alpha +{frac {beta }{4}}. }{2}}+epsilon right)+{frac }{2}}right) {N_{2}}}$

A reação de combustão estequiométrica para C_αH_βO_γF_δ:

${displaystyle {displaystyle {C_{mathit} Não. }}H_{mathit - Sim. Não.) F_BAR_ Não. }}+left(alpha) - Sim. - Não. }{4}}. }{2}}right)left({ce {O_{2}}}+3.77 {N_{2}}}rightright)longrightarrow alpha {ce {CO_{2}}}+{frac - Não. {{2}} {H_{2}O}}+delta (HF)+3.77left(alpha +{frac - Não. }{4}}. }{2}}right) {N_{2}}}$

Rastrear produtos de combustão

Várias outras substâncias começam a aparecer em quantidades significativas nos produtos de combustão quando a temperatura da chama está acima de 1600 K< /span>. Quando o excesso de ar é usado, o nitrogênio pode oxidar para NO e, em uma extensão muito menor, para NO2. Formas CO por desproporção de CO ₂ e H2 e OH formam-se por desproporção de H2O.

Por exemplo, quando 1 mol de propano é queimado com 28,6 mol de ar (120% da quantidade estequiométrica), os produtos da combustão contêm 3,3% O
₂. Em 1400 K, os produtos de combustão em equilíbrio contêm 0,03% NO e 0,002% OH. Em 1800 K, os produtos da combustão contêm 0,17% NO< /span>, 0,05% OH, 0,01% CO e 0,004% H
₂.

Os motores a diesel funcionam com excesso de oxigênio para queimar pequenas partículas que tendem a se formar com apenas uma quantidade estequiométrica de oxigênio, produzindo necessariamente emissões de óxido de nitrogênio. Tanto os Estados Unidos quanto a União Européia impõem limites para as emissões de óxido de nitrogênio dos veículos, o que exige o uso de conversores catalíticos especiais ou o tratamento do escapamento com ureia (consulte Fluido de escapamento de diesel).

Combustão incompleta de um hidrocarboneto em oxigênio

A combustão incompleta (parcial) de um hidrocarboneto com oxigênio produz uma mistura gasosa contendo principalmente CO
₂, CO, H2O e H
₂ . Tais misturas gasosas são comumente preparadas para uso como atmosferas protetoras para tratamento térmico de metais e para cementação gasosa. A equação de reação geral para a combustão incompleta de um mol de um hidrocarboneto em oxigênio é:

${displaystyle {displaystyle {{underset {fuel}{C_{mathit {x}}H_{mathit {y}}}}+{underset - Não. {z}}O2}}-> (carbono óxido) {a}}CO2}}+ (carbono monoxide) {b}}CO}}+ - Não. {c}}H2O}}+{underset {hydrogen}{{mathit (d) H2}}}$

Quando z cai abaixo de aproximadamente 50% do valor estequiométrico, o CH4 pode se tornar um importante produto de combustão; quando z cai abaixo de aproximadamente 35% do valor estequiométrico, o carbono elementar pode se tornar estável.

Os produtos da combustão incompleta podem ser calculados com a ajuda de um balanço de materiais, juntamente com a suposição de que os produtos da combustão atingem o equilíbrio. Por exemplo, na combustão de um mol de propano (C
₃H
₈) com quatro moles de O
₂, sete moles de gás de combustão são formados e z é 80% do valor estequiométrico. As três equações de equilíbrio elementar são:

• Carbono: $- Sim.$
• Hidrogénio: $- Sim.$
• Oxigênio: $- Sim.$

Essas três equações são insuficientes por si só para calcular a composição do gás de combustão. No entanto, na posição de equilíbrio, a reação de deslocamento água-gás fornece outra equação:

$(CO + H2O -> CO2 + H2}}}$; $Não. K_{eq}={frac {atimes d}{btimes c}}}$

Por exemplo, em 1200 K o valor de K_{eq< /sub>} é 0,728. Resolvendo, o gás de combustão consiste em 42,4% H2O, 29,0% CO_{2< /sub>, 14,7% H
2 e 13,9% CO. O carbono se torna uma fase estável em 1200 K e 1 atm pressão quando z é menor que 30% do valor estequiométrico, ponto em que os produtos da combustão contêm mais de 98% H
2 e CO e cerca de 0,5% CH
4.}

Substâncias ou materiais que sofrem combustão são chamados de combustíveis. Os exemplos mais comuns são o gás natural, propano, querosene, gasóleo, gasolina, carvão vegetal, carvão, madeira, etc.

Combustíveis líquidos

A combustão de um combustível líquido em uma atmosfera oxidante realmente acontece na fase gasosa. É o vapor que queima, não o líquido. Portanto, um líquido normalmente pega fogo apenas acima de uma certa temperatura: seu ponto de fulgor. O ponto de fulgor do combustível líquido é a temperatura mais baixa na qual ele pode formar uma mistura inflamável com o ar. É a temperatura mínima na qual há combustível evaporado suficiente no ar para iniciar a combustão.

Combustíveis gasosos

A combustão de combustíveis gasosos pode ocorrer através de um dos quatro tipos distintos de queima: chama de difusão, chama pré-misturada, frente de reação autoignitiva ou como uma detonação. O tipo de queima que realmente ocorre depende do grau em que o combustível e o oxidante são misturados antes do aquecimento: por exemplo, uma chama de difusão é formada se o combustível e o oxidante são separados inicialmente, enquanto uma chama pré-misturada é formada caso contrário. Da mesma forma, o tipo de queima também depende da pressão: uma detonação, por exemplo, é uma frente de reação auto-ignitiva acoplada a uma forte onda de choque que lhe confere seu característico pico de alta pressão e alta velocidade de detonação.

Combustíveis sólidos

Um esquema geral de combustão polimérica

O ato de combustão consiste em três fases relativamente distintas, mas sobrepostas:

• Fase de pré-aquecimento, quando o combustível não queimado é aquecido até seu ponto flash e então ponto de fogo. Os gases inflamáveis começam a ser evoluídos em um processo semelhante à destilação seca.
• Fase de destilação ou fase gasosa, quando a mistura de gases inflamáveis evoluídos com oxigênio é ignited. A energia é produzida sob a forma de calor e luz. As chamas são muitas vezes visíveis. A transferência de calor da combustão para o sólido mantém a evolução dos vapores inflamáveis.
• Fase de carvão ou fase sólida, quando a saída de gases inflamáveis do material é muito baixa para a presença persistente de chama e o combustível carbonizado não queima rapidamente e apenas brilha e mais tarde só smoulders.

Gerenciamento de combustão

O processo de aquecimento eficiente requer a recuperação da maior parte possível do calor de combustão de um combustível no material que está sendo processado. Existem muitos caminhos de perda na operação de um processo de aquecimento. Normalmente, a perda dominante é o calor sensível que sai com o gás residual (ou seja, o gás de combustão). A temperatura e a quantidade de gás residual indicam seu conteúdo de calor (entalpia), portanto, manter sua quantidade baixa minimiza a perda de calor.

Em uma fornalha perfeita, o fluxo de ar de combustão seria combinado com o fluxo de combustível para dar a cada molécula de combustível a quantidade exata de oxigênio necessária para causar uma combustão completa. No entanto, no mundo real, a combustão não ocorre de maneira perfeita. Combustível não queimado (geralmente CO e H
₂) descarregado do sistema representa uma perda de valor de aquecimento (bem como um risco de segurança). Como os combustíveis são indesejáveis no gás residual, enquanto a presença de oxigênio não reagido apresenta preocupações ambientais e de segurança mínimas, o primeiro princípio do gerenciamento da combustão é fornecer mais oxigênio do que o teoricamente necessário para garantir que todo o combustível queime. Para metano (CH
₄), por exemplo, são necessários pouco mais de duas moléculas de oxigênio.

O segundo princípio de gerenciamento de combustão, no entanto, é não usar muito oxigênio. A quantidade correta de oxigênio requer três tipos de medição: primeiro, controle ativo do fluxo de ar e combustível; em segundo lugar, medição de oxigênio do gás residual; e terceiro, medição de gases combustíveis. Para cada processo de aquecimento, existe uma condição ótima de perda mínima de calor do gás residual com níveis aceitáveis de concentração de combustíveis. Minimizar o excesso de oxigênio traz um benefício adicional: para uma determinada temperatura do gás, o nível de NOx é menor quando o excesso de oxigênio é mantido baixo.

A adesão a esses dois princípios é promovida fazendo balanços de material e calor no processo de combustão. O balanço de material relaciona diretamente a relação ar/combustível com a porcentagem de O< br/>₂ no gás de combustão. O balanço térmico relaciona o calor disponível para a carga com o calor líquido total produzido pela combustão do combustível. Balanços adicionais de material e calor podem ser feitos para quantificar a vantagem térmica de pré-aquecer o ar de combustão ou enriquecê-lo em oxigênio.

Mecanismo de reação

A combustão no oxigênio é uma reação em cadeia na qual muitos intermediários radicais distintos participam. A alta energia necessária para a iniciação é explicada pela estrutura incomum da molécula de dioxigênio. A configuração de menor energia da molécula de dioxigênio é um diradical estável e relativamente não reativo em um estado de spin tripleto. A ligação pode ser descrita com três pares de elétrons ligantes e dois elétrons antiligantes, com spins alinhados, de modo que a molécula tenha momento angular total diferente de zero. A maioria dos combustíveis, por outro lado, está em um estado singleto, com spins emparelhados e momento angular total zero. A interação entre os dois é quântica mecanicamente uma "transição proibida", ou seja, possível com uma probabilidade muito baixa. Para iniciar a combustão, é necessária energia para forçar o dioxigênio a um estado de spin-pareado, ou oxigênio singleto. Este intermediário é extremamente reativo. A energia é fornecida na forma de calor e a reação produz calor adicional, o que permite que ela continue.

Pensa-se que a combustão de hidrocarbonetos seja iniciada pela abstração do átomo de hidrogênio (não abstração de prótons) do combustível para o oxigênio, para dar um radical hidroperóxido (HOO). Isso reage ainda mais para dar hidroperóxidos, que se quebram para dar radicais hidroxila. Há uma grande variedade desses processos que produzem radicais combustíveis e radicais oxidantes. Espécies oxidantes incluem oxigênio singleto, hidroxila, oxigênio monoatômico e hidroperoxila. Esses intermediários têm vida curta e não podem ser isolados. No entanto, intermediários não radicais são estáveis e são produzidos em combustão incompleta. Um exemplo é o acetaldeído produzido na combustão do etanol. Um intermediário na combustão de carbono e hidrocarbonetos, o monóxido de carbono, é de especial importância por ser um gás venenoso, mas também economicamente útil para a produção de gás de síntese.

Combustíveis sólidos e líquidos pesados também passam por um grande número de reações de pirólise que fornecem combustíveis gasosos mais facilmente oxidáveis. Essas reações são endotérmicas e requerem entrada de energia constante das reações de combustão em andamento. A falta de oxigênio ou outras condições inadequadamente projetadas resultam na emissão desses produtos de pirólise nocivos e cancerígenos como uma fumaça negra e espessa.

A taxa de combustão é a quantidade de material que entra em combustão durante um período de tempo. Pode ser expresso em gramas por segundo (g/s) ou quilogramas por segundo (kg/s).

Descrições detalhadas dos processos de combustão, do ponto de vista da cinética química, requerem a formulação de grandes e intrincadas teias de reações elementares. Por exemplo, a combustão de combustíveis de hidrocarbonetos envolve tipicamente centenas de espécies químicas reagindo de acordo com milhares de reações.

A inclusão de tais mecanismos em solucionadores de fluxo computacional ainda representa uma tarefa bastante desafiadora principalmente em dois aspectos. Primeiro, o número de graus de liberdade (proporcional ao número de espécies químicas) pode ser dramaticamente grande; em segundo lugar, o termo fonte devido a reações introduz um número díspar de escalas de tempo que torna todo o sistema dinâmico rígido. Como resultado, a simulação numérica direta de fluxos reativos turbulentos com combustíveis pesados logo se torna intratável até mesmo para supercomputadores modernos.

Portanto, uma infinidade de metodologias foi concebida para reduzir a complexidade dos mecanismos de combustão sem recorrer a altos níveis de detalhe. Exemplos são fornecidos por:

• O Método de Redistribuição de Relaxamento (RRM)
• A abordagem de Manifold Intrínseco de Baixa Dimensão (ILDM) e outros desenvolvimentos
• O método de curva de pré-imagem de borda de equilíbrio constante.
• Algumas abordagens variações
• O método de perturbação Singular Computacional (CSP) e outros desenvolvimentos.
• A abordagem de Equilíbrio restrito controlado por taxa (RCCE) e Manifold de Equilíbrio Quasi (QEM).
• O G-Scheme.
• O Método de Grades Invariantes (MIG).

Modelagem cinética

A modelagem cinética pode ser explorada para compreensão dos mecanismos de reação de decomposição térmica na combustão de diferentes materiais usando, por exemplo, análise termogravimétrica.

Temperatura

Antoine Lavoisier conduzindo uma experiência relacionada à combustão gerada pela luz solar amplificada.

Assumindo condições de combustão perfeitas, como combustão completa sob condições adiabáticas (ou seja, sem perda ou ganho de calor), a temperatura de combustão adiabática pode ser determinada. A fórmula que fornece essa temperatura é baseada na primeira lei da termodinâmica e leva em consideração o fato de que o calor da combustão é usado inteiramente para aquecer o combustível, o ar de combustão ou oxigênio e os gases produzidos pela combustão (comumente chamados de gás de combustão).

No caso de combustíveis fósseis queimados no ar, a temperatura de combustão depende de todos os itens a seguir:

• o valor de aquecimento;
• o ar stoichiometric à relação de combustível $- Sim.$;
• a capacidade de calor específica de combustível e ar;
• as temperaturas de entrada de ar e combustível.

A temperatura de combustão adiabática (também conhecida como temperatura de chama adiabática) aumenta para valores de aquecimento mais altos e temperaturas de entrada de ar e combustível e para razões de ar estequiométricas próximas a um.

Mais comumente, as temperaturas de combustão adiabática para carvão são de cerca de 2.200 °C (3.992 °F) (para ar de entrada e combustível a temperaturas ambientais e para ${displaystyle lambda =1.0}$), cerca de 2,150 °C (3,902 °F) para óleo e 2.000 °C (3,632 °F) para gás natural.

Em aquecedores industriais, geradores de vapor de usinas elétricas e grandes turbinas a gás, a maneira mais comum de expressar o uso de mais do que o ar de combustão estequiométrico é porcentagem de excesso de ar de combustão. Por exemplo, um excesso de ar de combustão de 15% significa que está sendo usado 15% a mais do que o ar estequiométrico necessário.

Instabilidades

Instabilidades de combustão são tipicamente oscilações violentas de pressão em uma câmara de combustão. Essas oscilações de pressão podem chegar a 180 dB, e a exposição prolongada a essas pressões cíclicas e cargas térmicas reduz a vida útil dos componentes do motor. Em foguetes, como o F1 usado no programa Saturno V, as instabilidades levaram a danos maciços à câmara de combustão e aos componentes circundantes. Este problema foi resolvido redesenhando o injetor de combustível. Em motores a jato líquido, o tamanho e a distribuição das gotas podem ser usados para atenuar as instabilidades. Instabilidades de combustão são uma grande preocupação em motores de turbina a gás terrestres por causa de NO_x< /span> emissões. A tendência é rodar pobre, uma razão de equivalência menor que 1, para reduzir a temperatura de combustão e assim reduzir o NO_x emissões; no entanto, operar a combustão pobre a torna muito suscetível à instabilidade da combustão.

O Critério de Rayleigh é a base para a análise da instabilidade da combustão termoacústica e é avaliado usando o Índice de Rayleigh ao longo de um ciclo de instabilidade

${displaystyle G(x)={frac {1}{T}}int _{T}q'(x,t)p'(x,t)dt}$

onde q' é a perturbação da taxa de liberação de calor e p' é a flutuação da pressão. Quando as oscilações de liberação de calor estão em fase com as oscilações de pressão, o índice de Rayleigh é positivo e a magnitude da instabilidade termoacústica é maximizada. Por outro lado, se o índice de Rayleigh for negativo, ocorre o amortecimento termoacústico. O Critério de Rayleigh implica que a instabilidade termoacústica pode ser controlada de forma otimizada por ter oscilações de liberação de calor 180 graus fora de fase com oscilações de pressão na mesma frequência. Isso minimiza o índice de Rayleigh.