comb capitulo 5

Combustão em Turbinas a GásCap. 5 - Formação e Controle de Poluentes

Carlos Alberto Gurgel VerasLaboratório de Energia e Ambiente

Departamento de Engenharia Mecânica – UnB

http://allgreen.com/site/images/stories/power_plant_emissions.jpg

http://static.guim.co.uk/sys-images/Arts/Arts_/Pictures/2007/02/13/jet460.jpg

Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB

• Introdução

• Ciclo Brayton – Processo de Combustão

• Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios

• Formação de Poluentes – Mecanismos Principais

• Tecnologias para Redução de Emissões

• Aplicação da Tecnologia – Câmara DLN (LEA-UnB)

Organização

Introdução

Turbinas a Gás - Aplicações Principais

Aeronáuticas

• Turbo-jatos;• Turbo-fans;• APU – Auxiliary Power Unit;• Turbo-hélices;• Helicópteros.

Introdução

Estacionárias

• Geração local;• Geração distribuída;• Planta de biogás;• Transmissão de gás natural;• Bombeamento de líquido e óleo;• Armazenagem e extração de gás;• Transporte (propulsão marítima, terrestre)• Compressão de CO2 (processos industriais, etc).

Introdução

Estacionárias

Introdução

Estacionárias

Introdução

Poluentes Principais

Introdução

Emissão de Poluentes - Aeronáuticas

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Emissões Estimadas em 2002:

492 MtCO2

2,06 MtNOx

Produção por massa (kg) de combustível:

3,15 kgCO2/kg1,26 kgH2O/kg5 a 25 gNO2/kg1 a 10 gCO/kg1,0 gSO2/kg

Estimativas para 2025 IPCC (Kahn, 2007) apontam consumo de combustível 2,1 vezes maior que em 2002.

Introdução

Emissão de Poluentes - EstacionáriasDados para 2002:

14% da energia elétrica gerada nos EEUU tiveram origem em Ciclos Combinados e Turbinas a Gás (Boyce, 2002).

Estimativas para 2020: 43%Combustível – preferencialmente gás natural

Novas tecnologias:

IGCC – Integrated Gasification Combined CycleEstimativa para 2015 – 135 GW

BIGCC – Biomass Integrated...

Microturbinas (Brasil?) 10 a 1000 kW

Gas Turbine Handbook - NETL

Ciclo Brayton – Processo de Combustão

Ciclo Ideal e Eficiência

(ideal)

Ciclo Básico e Eficiência

www.emeraldinsight.com/fig/1270800305001.png

Materiais

www.msm.cam.ac.uk/.../coatings/index.html

Materiais

www.me.umn.edu/labs/tcht/measurements/scan2.gif

Materiais

Requerimentos para o combustor

Consumo de Combustível

Potência = 60 MWRazão de pressão = 20Eficiência Isentrópica do Compressor = 87%Eficiência Isentrópica da Turbina = 92%

TA= 815 °C TB= 1200 °CPCI = 44 MJ/kgA/F= 15/1

Limites de flamabilidade

1≈φ

Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios

Turbinas Aeronáuticas

ICAO Env. Report 2007

Implementação do padrão CAEP ( Committee on Aviation Environmental Protection)1981 estabelecido1986 efetivado

ICAO/CAEP

Limites atuais Anexo 16 vol. II (1995)Motores com empuxo superior a 26,7 kNLimites em g/kN, aplicável a turbojatos e turbofans

HC < 19,6 g/kNCO < 118,0 g/kNNOx < 32+1,6π00 g/kN (π00 → razão de pressão)SN < 83,6(F00)-0,274 (motor 50 kN, SN=30)

ICAO/CAEP

Níveis de Emissões (Padrão ICAO)

Qualidade do Ar

Emissões Globais

Emissões GlobaisRastros de Condensação (CONTRAILS)

http://en.wikipedia.org/wiki/Contrail

Efeito no balanço de energia do planeta (radiação térmica)

Emissões Globais

Não existe no momento padrão para emissões globais. Previsto para os próximos 10 a 20 anos

Turbinas Estacionárias

Limites para os EEUU – corrigido para 15% O2, base seca

Turbinas Estacionárias

Formação de Poluentes – Mecanismos Principais

Emissões de CO

Equilíbrio químico

∞→rtt /

)/( skgmreag&

Turbinas a gás????

Emissões de CO

T=1013 KT=2226 KT=1479 K

Queima Pobre Queima Rica)/(

FA est=φ

5,0=φ 0,1=φ 0,3=φ

Equilíbrio químico

Emissões de CO

Equilíbrio químico adiabática

1500 K

Emissões de CO

CFD + Cinética Química Global

Emissões de CO

5,15,0yx )/)(/()00345,0exp(86]HC [g/kg CO PPPVVTTm ecpzpzar Δ−−= &

effpzpze DmV λρ/55,0 20=

Volume para evaporação do combustível

Volume da câmara de combustão

Zona Primária

Correlação Empírica

Emissões de CO

CFD + Cadeia de Reatores + mecanismos detalhados

Emissões de CO

CódigoCHEMKIN

Estrutura do escoamento simplificadaCinética Química Detalhada

Oxidação do CO – mecanismo cinético

OCOOCO 22 +→+ Reação lenta, mas inicia o processo…

OOHOH 2 +→+

OHOHOHO 2 +→+

HCOOHCO 2 +→+Oxidação do CO + Propagação da cadeia

Vapor d água fornece H

Propagação da cadeia

Emissões

HOHHO 2 +→+ Hidrogênio como fonte de H

HOHHOH 22 +→+

OHCOHOCO 22 +→+ Outra rota de oxidação do CO, porém menos importante que a com OH

Este mecanismo deve ser incluído no presente (oxid. CO)22 OH −

Oxidação do CO – mecanismo cinético

Emissões de NOx

N2 do ar

NO + HO2 ↔ NO2 + OHTemperaturas relativamente baixas< 1500 K

NO2 + H ↔ NO + OH

NO2 + O ↔ NO + O2

Emissões de NOx

NNONO 2 +→+ Propagação de cadeia

ONOON 2 +→+

HNOOHN +→+ Outra rota – mecanismo estendido

Propagação de cadeia

Mecanismo Térmico - Zeldovich

Fonte de Nitrogênio é o ar atmosférico

Emissões de NOx

Mecanismo Térmico - ZeldovichInfluência do Tempo e Temperatura

Emissões de NOx

Mecanismo Térmico - Zeldovich

Influência do Tempo e Razão de Equivalência

Marcante influência de ø

Influência do tempo para øelevado

Emissões de NOx

Mecanismo Térmico - ZeldovichInfluência da Razão de Equivalência (ø)

Emissões de NOx

Mecanismo do Óxido Nitroso (intermediário)

MONMNO 22 +→++

NONOONO 2 +→+

NHNOONH 2 +→+ Relevante em sistema de pré-mistura e pobres

8,0<φRelevante em queimas a altas pressões (turbinas a gás)

Emissões de NOx

Mecanismo do NO imediato - Fenimore

NHCNNCH 2 +→+

HNCOOHCN +→+

NCNNC 2 +→+ Combustão de hidrocarbonetos

NO surge em intervalos de tempo inferiores aos previstos pelo mecanismo térmico

Formação de compostos nitrogenados HCN e CN

Relevante em baixas temperaturas

Relevante em regiões de queima ricas

CONHHNCO +→+

2HNHNH +→+

HNOOHN +→+0,1>φ

Emissões de NOx Parâmetros Cinéticos

Emissões de NOx

Estimativas

Mesmos procedimentos para as predições do CO

Emissões de NOx

Correlação Empírica

pzarstc TmTVP &/)01,0exp(109]HC [g/kg NO 25,18yxx

−×=

Emissões de SOxUHCPM

Atomização (UHC)Resfriamento (UHC)Semelhança com COAtomização (PM)

SOx – baixo nível de enxofre nos combustíveis usuais ou pré-tratamento (gaseificação)

Tecnologias para Redução de Emissões

Métodos de Controle

Injeção de Água

Definição operacional do regime de queima

Queima Pobre

Queima Estagiada

Queima Convencional

Queima em Regimes Distintos

Combustor Catalítico

Estabilização na Superfície

DLN - GE

DLN - LEA

DLN - GE

DLN - LEA

Bancada - LEA

Resultados - Emissões

Tecnologias para Redução de EmissõesNova Câmara

Tecnologias para Redução de EmissõesNova Câmara na Bancada

Tecnologias para Redução de EmissõesNova Câmara Emissões

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