andré bergel

7/25/2019 Andr Bergel

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ANDR BERGEL

ESTUDO DOS MECANISMOS DE FORMAO DE POLUENTESATMOSFRICOS E SIMULAO COMPUTACIONAL DA COMBUSTO DE

METANO EM CALDEIRAS AQUATUBULARES

Monografia apresentada ao Departa-mento de Engenharia Mecnica da Es-cola de Engenharia da UniversidadeFederal do Rio Grande do Sul, comoparte dos requisitos para obteno dodiploma de Engenheiro Mecnico.

Orientador: Prof. Dr. Francis Henrique Ramos Frana

Porto Alegre2007


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II

Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Mecnica

ESTUDO DOS MECANISMOS DE FORMAO DE POLUENTES ATMOSFRICOS ESIMULAO COMPUTACIONAL DA COMBUSTO DE METANO EM CALDEIRAS

AQUATUBULARES

ESTA MONOGRAFIA FOI JULGADA ADEQUADA COMO PARTE DOSREQUISITOS PARA A OBTENO DO DIPLOMA DE

ENGENHEIRO MECNICOAPROVADA EM SUA FORMA FINAL PELA BANCA EXAMINADORA DO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

Prof. Dr. Gilberto Dias da CunhaCoordenador do Curso de Engenharia Mecnica

BANCA EXAMINADORA:

Prof. Dr. PAULO SMITH SCHNEIDERUFRGS / DEMEC

Prof. Dra. FLVIA S. F. ZINANIUFRGS / DEMEC

Prof. Dr. DARCI LUIZ SAVICKI

UFRGS / DEMEC

Porto Alegre2007


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de modo especial, meus pais que sempre me incentivaram e me de-ram a fora necessria para seguir em frente, e aos meus amigos quesempre me trouxeram sorrisos e um companheirismo sem igual, e es-taro para sempre guardados no meu corao por suas aes, palavrasde conforto e sentimentos compartilhados.


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IV

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar agradeo a Deus, que iluminou minha vida at o presente dia, e que memanter sempre no caminho certo enquanto eu acreditar nele.

...ao meu orientador, Prof. Dr. Francis Henrique Ramos Frana que sempre esteve prontopara solucionar minhas dvidas e indicar o caminho certo a seguir.

...aos meus paisMarli e Afonsoque, apesar das dificuldades enfrentadas, sempre incentivarammeus estudos.

... Liga, meus grandes amigos da faculdade que me fizeram esquecer tristezas, me abriramsorrisos de alegria e me mostraram um companheirismo que jamais ser esquecido.

...aos membros do GESTE, que solucionaram muitas dvidas e ajudaram na elaborao dosresultados.

...ao CESUP, por fornecer os equipamentos necessrios simulao e pelo esforo em mant-los funcionando.

...aos funcionrios da Usina Termeltrica de Charqueadas, de propriedade da Tractebel Ener-gia S.A., pela ajuda constante no estudo de caso e, principalmente, pela colaborao na solu-o de dvidas pertinentes ao estudo.

...as pessoas que duvidaram de mim, pois me deram uma fora maior para seguir em frente edemonstrar que sempre poderei mais, basta acreditar.

...e a todas as pessoas que amei e que no puderam ser citadas aqui por qualquer motivo.


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V

No pode haver felicidadequando as coisas nas quais acreditamos

so diferentes das que fazemos.

Freya Stark


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BERGEL, A. Estudo dos Mecanismos de Formao de Poluentes Atmosfricos e Simula-o Computacional da Combusto de Metano em Caldeiras Aquatubulares. 2007. 25f.Monografia (Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Mecnica) Departamento deEngenharia Mecnica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2007.

RESUMO

O presente trabalho tem por objetivo a apresentao dos mecanismos de formao de poluen-tes atmosfricos na queima de combustveis hidrocarbonetos. feito um estudo dos modelosempregados por softwares comerciais para a simulao da queima destes combustveis e daformao de poluentes. So apresentados os modelos de combusto (Eddy Dissipation), deturbulncia (-) e de radiao (P1), junto com as equaes que regem os modelos, e suassimplificaes. Tambm feito um estudo de caso, comparando os resultados de simulaesfeitas para uma caldeira operando com gs natural (metano) e os observados em uma caldeiraqueimando carvo mineral pulverizado, pertencente Usina Termeltrica de Charqueadas.Conclui-se que a simulao computacional, utilizando os modelos propostos, apresentou uma

boa aproximao dos resultados, mesmo no podendo ser comparados diretamente com a rea-lidade da caldeira estudada, e que os mecanismos propostos na literatura para a formao dospoluentes apresentam uma boa aproximao dos resultados observados na prtica. As diver-gncias entre os modelos simulados, um caso adiabtico, e um caso com temperatura prescritanas paredes, simulando os tubos de passagem de vapor, ocorreram como o esperado, forman-do uma maior quantidade de NOXTrmico no caso adiabtico, quando a temperatura da cha-ma maior, e a mesma quantidade de NOXRpido nos dois casos, pois o modelo de formaodeste poluente leva em considerao, principalmente, o combustvel utilizado.

PALAVRAS-CHAVE: Poluentes Atmosfricos, xidos de Nitrognio, xidos de Enxofre,ANSYS CFX, Simulaes Computacionais, Combusto, Caldeiras Aquatubulares.


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BERGEL, A.Study of the Formation Mechanisms of Atmospheric Pollutants and Com-puter Simulation of Methane Combustion on Water Tube Boilers . 2007. 25f. Monografia(Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Mecnica) Departamento de EngenhariaMecnica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2007.

ABSTRACT

This work aims to show the mechanisms of atmospheric pollutants formation in the hydrocar-bon fuel burning. A study about the models applied by commercial softwares for the simula-tion of burning such fuels and the pollutants formation is also made. The models for combus-tion (Eddy Dissipation), turbulence ( - ) and radiation (P1) are presented, along with theequations governing the models, and their simplifications. A case study is also carried out,comparing the results of simulations made for a boiler operating with natural gas (methane)and observed in a boiler burning coal sprayed, belonging to Usina Termeltrica de Char-queadas. It is concluded that the computer simulation, using the models proposed, presented aconsiderable closeness to the results, although they can not be compared directly to reality,and that the mechanisms proposed in literature for pollutants formation are reasonably close

to the results observed in practice. The differences between the models simulated, an adiabaticcase and a case with temperature prescribed in the walls, simulating the pipes of passage ofsteam, occurred as expected, forming a greater amount of Thermal NOXin the adiabatic case,when the temperature of the flame is greater, and the same amount of Prompt NOX in the twocases, because the pollutant formation model of this takes into account, in particular, the fuelused.

KEYWORDS: Atmospherical Pollutants, Nitrogen Oxides, Sulfur Oxides, ANSYS CFX,Computer Simulations, Combustion, Water Tube Boilers.


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VIII

SUMRIO

1. INTRODUO 1

2. DESENVOLVIMENTO 1

2.1. Reviso Bibliogrfica 1

2.2. Apresentao do Problema 2

2.2.1. Mecanismos de Formao de Poluentes 2

2.2.1.1. Monxido de Carbono (CO) 2

2.2.1.2. xidos de Nitrognio (NOX) 3

2.2.1.3. xidos de Enxofre (SOX) 5

2.2.2. Modelos de Combusto, Turbulncia e Radiao utilizados no CFX 6

2.2.2.1. Modelo de Combusto Eddy Dissipation 6

2.2.2.2. Modelo de Turbulncia - 8

2.2.2.3. Modelo de Radiao P1 8

2.2.3. Dados a respeito das simulaes 9

3. RESULTADOS E ANLISES 10

3.1. Campo de Velocidades e Temperaturas Iniciais 10

3.2. Queima de Metano 11

4. CONCLUSES 15

REFERNCIAS

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA


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1

1. INTRODUO

Com a recente preocupao dos rgos ambientais, governos e empresas, na reduo dapoluio causada por atividades humanas, tm-se buscado maiores eficincias e menores e-misses de poluentes, assim como tem sido incentivada a pesquisa e desenvolvimento de no-

vas tecnologias.Na gerao de energia eltrica, a mais nobre forma de energia, atravs de usinas terme-ltricas, pode-se obter valores de eficincia de converso de energia trmica em eltrica daordem de at 37% na queima convencional de carvo pulverizado, Lora, 2004, e de cerca de49% utilizando IGCC (Integrated Gaseification Combined Cycle), Lora, 2004, que consiste nagaseificao do carvo atravs de reaes qumicas, o que gera um gs muito mais limpoquanto presena de enxofre e materiais inertes (cinzas).

Este trabalho se destina ao estudo dos modelos matemticos envolvidos na simulaocomputacional atravs de softwares comerciais e dos modelos propostos por autores para aformao de poluentes e seu controle. Os mecanismos de formao de poluentes estudadosso os de formao de xidos de nitrognio, xidos de enxofre e monxido de carbono. Tam-bm possui como objetivo simular computacionalmente o comportamento da queima de me-

tano em uma caldeira aquatubular, pertencente Usina Termeltrica de Charqueadas, e de-terminar a formao de alguns dos poluentes estudados.

2. DESENVOLVIMENTO

2.1. Reviso bibliogrfica

Muitos estudos j foram feitos a respeito da emisso de NOX, SOXe CO em caldeiraspertencentes a usinas termeltricas. Silva et al, 2007, mostra resultados interessantes no cam-po de formao de NOXem uma caldeira de queima tangencial, onde comparou resultados dasimulao com medies feitas em caldeiras da indstria. Os resultados, embora paream dis-tantes, podem ser fruto do problema de medies destas grandezas, podendo ser devidos,tambm, a problemas na especificao das condies de contorno.

Pinheiro e Valle, 1995, fala sobre a otimizao do excesso de ar e sua influncia naformao de NOX, SOXe CO, explicitando que, mais importante que o fator geomtrico, aquantidade de excesso de ar utilizado na queima que provoca uma maior ou menor emissodestes poluentes. Ele afirma que a emisso de NOX incrementada com o aumento do excessode ar, at cerca de 30%, ao passo que a emisso de CO diminui rapidamente com o aumentodo excesso de ar. Tambm afirma que a reduo do excesso de ar reduz a formao de H 2SO4nas partes frias da caldeira, evitando a corroso desta, pois reduz a quantidade de SO3dispo-nvel para oxidao.

Em medies realizadas pela empresa Tractebel Energia S.A. (General Electric, 2007),

pode-se notar que variaes no excesso de ar causaram fortes variaes na emisso de NOXeCO. Na Figura 1 podem ser verificados os valores medidos e uma curva de interpolao, aqual foi obtida utilizando-se o mtodo das Diferenas Finitas Dividas. Neste grfico pode-senotar a dependncia inversa das emisses variando-se a quantidade de excesso de ar utilizado.


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2

Figura 1: Medies das emisses e grfico interpolado. (Fonte: GE, 2007).

2.2. Apresentao do problema

O trabalho consiste no estudo de modelos de formao de poluentes atmosfricos e nasimulao numrica de caldeiras aquatubulares, utilizando metano como combustvel. Estacaldeira opera originalmente com carvo mineral pulverizado e tem capacidade nominal, de

produo de vapor, de 67 t/h, que corresponde capacidade na qual ela foi simulada compu-tacionalmente.

Aqui ser dada uma breve explicao dos mecanismos de formao, e controle, dos po-luentes e dos modelos envolvidos na simulao computacional, de turbulncia, radiao ecombusto, sendo, em seguida, apresentados dados a respeito das condies de contorno utili-zadas e informaes a respeito das etapas envolvidas na simulao.

2.2.1. Mecanismos de formao de poluentes

2.2.1.1. Monxido de Carbono (CO)

Este um gs inodoro e sem cor, formado na combusto incompleta de material carb-

nico. um gs altamente txico, pois reage com a hemoglobina das hemceas do sangue for-mando carboxihemoglobina, que incapacita a hemoglobina de capturar o oxignio do ar erealizar a troca oxignio gs carbnico dentro dos pulmes.

As reaes que do origem ao CO so as seguintes:

COOC + 2*2

1 (1)

22 HCOOHC ++ (2)

22 *21

OCOCO + (3)

OHCOHCO 222 ++

(4)

A concentrao destes gases de combusto depende principalmente da temperatura dosgases e do excesso de ar utilizado na queima. Baixos excessos de ar produzem altos teores deCO para uma dada temperatura.

A etapa mais lenta do processo de combusto a converso do CO em CO2na zona deps-chama. A velocidade desta reao dada, segundo Dryer e Classman, por:

( )[ ] [ ] [ ] )(2

1

24

1

24

1202,20

exp****10*4 TOHOCOdt

COd = [mol*cm-3*s-1] (5)


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3

Integrando-se esta equao, obtm-se a concentrao de CO nos gases de combusto emfuno do tempo t, desde que a concentrao inicial seja conhecida. Em cmaras de combus-to os teores de CO variam da ordem de mais de 15 ppm at 0,3 ppm.

2.2.1.2. xidos de Nitrognio (NOX)

Os xidos de nitrognio, denominados genericamente por NOX, so os seguintes: NO,NO2, N2O, N2O4, NO3, N2O6, N3O4e N2O7. Os ltimos quatro xidos so instveis e decom-pem-se em NO e O2.

Estes xidos so formados na queima do combustvel, a partir do nitrognio do ar usadona queima, do nitrognio contido eventualmente no combustvel, e por um mecanismo deformao que no pode ser explicado pelos modelos anteriores, denominado NOX Rpido.Assim, mesmo combustveis sem compostos nitrogenados apresentam a formao de NOX.

As principais reaes de formao dos xidos de nitrognio so:

NOON *222 + (6)

22*21

NOONO + (7)

ONON 222 *2

1+ (8)

A Equao 6 define a chamada rota trmica de formao de NOXe ocorre em condiesde altas temperaturas. Na Figura 2 mostrada a concentrao de NOX em funo da tempera-tura de reao, a partir de dados de Daniels, 1955, e Faith, 1956. Em temperaturas abaixo de2000F, a reao de formao de ordem zero, entre 2000-2500F a reao de ordem dois eordem zero ao mesmo tempo, acima de 2500F a reao de segunda ordem somente.

Figura 2: Concentrao de NOXtrmico em funo da temperatura de reao.(Fonte: Gas Engineers Handbook, 1965).

O mecanismo de formao do NOXtrmico, proposto por Zeldovich, como segue:

OO *22 (9a)

NNONO ++ 2 (9b)

ONOON ++ 2 (9c)

NOON *222 + (9d)

A reao controladora da velocidade da reao a 9b. Este o mecanismo utilizadopelo software CFX 11 para o clculo do NOXtrmico formado pela combusto.


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4

O outro mecanismo de formao de NOX devido aos compostos nitrogenados presen-tes no combustvel. Este mecanismo somente utilizado na queima de carvo, que possuinitrognio em sua composio. Este nitrognio pode ser convertido em NOXou N2durante aqueima. Normalmente, menos de 50% do nitrognio orgnico convertido em xidos. A Fi-gura 3, abaixo, mostra a influncia do teor de nitrognio, no combustvel, na quantidade de

emisses totais. Pode-se notar que o metano (gs natural) no possui nitrognio em sua com-posio, por isso est localizado na origem do grfico, no canto inferior esquerdo.

Figura 3: Distribuio do NOXtrmico e do NOXoriundo do combustvel.(Fonte: NEI International Combustion Ltd.).

Um terceiro mecanismo de formao de NOX o chamado NOXRpido, que prevaleceem temperaturas abaixo de 1800K, nas quais o mecanismo de Zeldovich no pode explicar agrande quantidade de NOXformado em to baixas temperaturas.

O CFX 11 supe que ele seja formado a partir da reao do nitrognio molecular com ocombustvel hidrocarboneto, segundo as equaes abaixo.

NHCNNCH ++ 2 (10)...2 ++ NOOHCN (11)

O mecanismo muito complexo, entretanto De Soette, ver Petters e Weber, 1991, pro-ps uma razo de formao nica para descrever o NOXgerado pelo mecanismo de Fenimore.

[ ] [ ] [ ]2

3

22

1

2,

=

WFUELNOkWS promptNOpromptNO (12)

= T

T

promptprompt

promptA

Ak

,

exp (13)

Onde: WNOe Wso as massas molares do NO e da mistura do combustvel com o ar, eAprompt o coeficiente de Arrhenius e depende do combustvel. No caso de metano, os valoresso:Aprompt=6,410

6[s-1], e TA,prompt=36510 [K].Os inconvenientes dos xidos de nitrognio presentes na atmosfera so muitos. A for-

mao de cido ntrico (HNO3) a partir de NO2, que, juntamente com o cido sulfrico, causaproblemas de corroso de materiais, alm de provocarem as chuvas cidas, destruindo flores-tas e tornando lagos to cidos que impede a vida de peixes. A presena de N2O em altas ca-madas da atmosfera provoca sua reao com o oznio, prejudicando esta camada protetora daTerra contra os raios ultravioletas. O NO2em baixas camadas da atmosfera tem efeito oposto:


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ao receber radiao ultravioleta, forma oznio, que pode reagir com hidrocarbonetos e formarcompostos poluentes fotoqumicos, levando a formao de neblinas secas poludas (smog).Estes xidos tambm podem ser metabolizados pelo corpo, formando nitrosaminas, Sax,1984, as quais so cancergenas do crebro, rins, bexiga, fgado, esfago, estmago, lngua eseios nasais, Seinfeld, 1978.

2.2.1.3. xidos de Enxofre (SOX)

O enxofre um dos piores poluentes existentes, devido corroso que causa, forma-o de chuvas cidas e aos problemas respiratrios que causa a populao. Est presente nocombustvel nas seguintes formas: mercaptans, sulfetos, dissulfetos, tiofenos, polissulfetos egases sulfdricos. No carvo mineral aparece associado como pirita ou seus derivados.

Com a combusto, o enxofre rapidamente convertido em SO2, que pode ser lanado naatmosfera ou ser transformado em SO3, atravs da ao cataltica do pentxido de vandio,presente nas cinzas resultantes da combusto do carvo mineral. O SO3, ao encontrar a gua,resultante da combusto do hidrognio ou a gua contida na atmosfera, reage formando cidosulfrico, da seguinte forma:

32252*

2

1SOOSO

OV + (14)

4223 SOHOHSO + (15)

Na faixa de temperaturas de 1000K a 2000K o valor da constante de equilbrio K dadapor log K= 5014/(T-4,755), sendo as concentraes expressas em bar. A concentrao de SO3ser tanto maior quanto maior for o excesso de ar utilizado na queima, outra razo pela qualse procura reduzir sua quantidade nos novos queimadores de alta eficincia disponveis nomercado. Geralmente o teor de SO3nos gases de combusto de 0,2 a 3% do total dos xidosproduzidos e raramente ultrapassa o valor de 50 ppm.

O teor de SO2presente nos gases de combusto (em ppm) dado por 510 (% de enxo-fre no combustvel), fornecendo valores de emisso variando entre 200 e 2800 ppm em volu-me, para o caso de carvo. Como no presente trabalho as simulaes tratam da queima demetano, que no possui enxofre na sua composio, no so consideradas as equaes deformao de poluentes contendo este material.

De uma forma prtica, a Figura 4 utilizada para determinar o ponto de orvalho doscombustveis, dado que ser determinante da temperatura mnima a ser mantida nos metaisdos tubos, de forma a ser evitada a condensao de cido no interior dos equipamentos (for-nos, caldeiras, pr-aquecedores de ar, etc).

Figura 4: Pontos de orvalho do H2SO4nos gases de combusto. (Fonte: Davies et al, 1981).


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A Figura 5 mostra os efeitos perniciosos sade humana, de animais e de plantas, devi-do aos vrios graus de concentrao e tempo de exposio. Analisando esta figura, pode-seinferir os efeitos dos xidos de enxofre sade das populaes expostas a tais poluentes.

Figura 5: Efeitos sobre a sade humana para diferentes concentraes e tempos de exposio.(Fonte: Seinfeld, 1978).

2.2.2. Modelos de Combusto, Turbulncia e Radiao utilizados no CFX 11

2.2.2.1. Modelo de Combusto Eddy Dissipation

O modelo de combusto utilizado foi o Eddy Dissipation, um modelo baseado no prin-cpio de que a reao qumica ocorra mais rapidamente que os fenmenos de transporte en-

volvido, ou seja, quando os reagentes se misturam em nvel molecular, os produtos so for-mados instantaneamente, sem as muitas reaes intermedirias. Ele resolve as equaes detransporte dos elementos qumicos ativos.

A equao de transporte de um componenteIcom frao mssica YI:

( ) ( )* ** j II IIe ff I

j j j

u YY YS

t x x x

+ = + (16)

onde SI devido reao qumica envolvendo o componente Ie pode ser calculada pela se-guinte frmula:

( ) kk

k

kIkIII RvvWS **1

=

= (17)

onde WI a massa molar do componente, kI o coeficiente estequiomtrico para o compo-nenteIna reao k, as aspas significam que trata-se do coeficiente no lado direito (aspas sim-ples) e esquerdo (aspas duplas) da reao,Rk a taxa elementar de realizao da reao k, queaqui calculado atravs do modelo escolhido, e este diz que a razo com que a reao ocorre diretamente proporcional ao tempo necessrio para que os reagentes se misturem em nvelmolecular. Quando o escoamento turbulento, esta mistura determinada pelas propriedades


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dos turbilhes, e a sua taxa de mistura proporcional energia cintica turbulenta, , e a suadissipao, .

Este conceito de controle da reao aplicado em muitos problemas. No modelo EddyDissipation, a taxa de realizao da reao k calculada pela menor de duas expresses, aprimeira limita os reagentes e a segunda limita os produtos:

=

kI

kv

IAR

][min**

(18)

=

P

IkI

P

I

kWv

WI

BAR*

*][***

(19)

Nessas equaes, I a concentrao molar do componente e Psignifica que todos osprodutos so levados em conta durante o somatrio.

Estas so as principais equaes resolvidas pelo modelo Eddy Dissipation, porm ele

tambm leva em conta modelos de extino de chama, baseado no tempo caracterstico doescoamento e da reao qumica. Tambm podem ser implementados modelos de formao deNOX, que um dos focos principais deste trabalho, fuligem e outros componentes.

2.2.2.1. Modelo de Turbulncia -

Turbulncia a flutuao aleatria de presses, direes e velocidades dos fluidos aolongo do tempo. Este processo complexo, tridimensional e transiente. Este fenmeno ocorrepara altos nmeros de Reynolds, dado por:

dV**Re =

(20)

Este nmero adimensional uma caracterstica do escoamento, que relaciona os efeitosdas foras inerciais e viscosas.

As equaes de Navier-Stokes descrevem o comportamento de escoamentos turbulen-tos, porm, devido enorme variedade de escalas de comprimento e velocidades gerados nes-tes, s vezes menores que o prprio volume de controle calculado, so comumente utilizadosmodelos de duas equaes. Nestes modelos as escalas de comprimento e velocidade so re-solvidas utilizando equaes de transporte separadas, da o nome modelos de duas equaes.

O modelo -faz uma hiptese de difuso no gradiente, para relacionar as tenses deReynolds velocidade mdia e viscosidade turbulenta. A viscosidade turbulenta definidacomo o produto da velocidade turbulenta e a escala de comprimento turbulenta. As equaes

de conservao de energia cintica, , e sua dissipao, , so dadas abaixo:

( ) ( )

+

+=

+

P

yv

xu t .*.****

rr

(21)

( ) ( )

2

,2,1 ***.*.**** CPCy

vx

u t +

+=

+

rr

(22)


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8

onde C1, e C2, so constantes empricas do modelo de turbulncia, e representam osrespectivos nmeros de Prandtl da energia cintica turbulenta e sua dissipao, e Pka produ-o ou dissipao de energia cintica turbulenta, definida como:

+

+

+

+

=

2222

*2*2*2* r

v

r

v

x

v

r

u

x

uP t

(23)

2.2.2.3. Modelo de Radiao P1

Existem duas caractersticas da radiao que tornam complicada a sua implementaocomputacional, a sua natureza espectral e direcional.

A natureza espectral da radiao faz com que a maioria dos corpos reais no absorva to-da a radiao que lhes incidida, pois ela possui vrios comprimentos de onda e direes.Duas idealizaes so feitas neste sentido, a de corpo negro e a de corpo cinzento. Um corponegro aquele que absorve toda a radiao incidente, no importando o comprimento de onda

e nem a direo. O corpo cinzento uma idealizao mais real, nele os valores da absortivi-dade espectral, , e da emissividade espectral, , so independentes do comprimento de ondaao longo das regies espectrais de irradiao e de emisso. Definem-se absortividade e emis-sividade como a razo entre a radiao absorvida ou emitida pela superfcie e a radiao ab-sorvida ou emitida pelo corpo negro a mesma temperatura.

A segunda caracterstica fundamental da radiao, sua natureza direcional, distribui deforma no-linear a radiao emitida e refletida. Aqui a idealizao fica por conta da suposiode superfcie difusa, ou seja, que emite a mesma intensidade de radiao em todas as direes.

A equao de transferncia de radiao espectral uma equao integro-diferencial deprimeira ordem paraIvem uma direo s, e escrita como:

( )( ) ( ) ( ) Sdsssrdl

KTvIKsrIKK

ds

srdI

v

sv

bavvsvav

v++++=

*,4),(,)(,

4 (24)

onde:v freqnciar vetor posios vetor direos distnciaKa coeficiente de absoroKs coeficiente de espalhamento

Ib intensidade de emisso do corpo negroIv intensidade de radiao dependente da posio, r, e da direo, s.

T temperatura local absoluta ngulo slido funo espalhamentoS termo fonte de intensidade de radiaoCada modelo de radiao prope aproximaes para as dependncias direcional e espec-

tral, dando a possibilidade de clculos mais rpidos ou mais refinados, dependendo da influ-ncia que a radiao ter no fenmeno ou da necessidade de resultados mais reais.

O modelo P1, tambm chamado de aproximao diferencial, uma simplificao daequao de transporte de radiao. Ele assume que a intensidade de radiao isotrpica, ou


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seja, independente da direo ou posio no espao. Este modelo considera que, para qualquerdireo, a mesma intensidade de radiao emitida.

2.2.3. Dados a respeito das Simulaes

As simulaes contemplaram a queima de metano e o estudo da recirculao de gasesno interior da caldeira. Esta possui oito queimadores de queima frontal, distribudos em duasfileiras de quatro queimadores. A geometria original previa a mistura do ar primrio com osecundrio atravs de dois ciclones opostos. A atual promove um ciclone no ar secundrio euma reduo na passagem de ar no primrio, atravs da colocao de um cone na passagemdo ar primrio. A Figura 6 mostra detalhes geomtricos do queimador original e do queimadoratual, que foi a geometria de queimador utilizada na simulao.

Figura 6: Geometria original e atual dos queimadores. (Fonte: ICEM CFD 11).

A entrada do metano ocorre na parte central do queimador e, logo aps, ocorre a suamistura com o ar, previamente aquecido, e sua combusto.

O desenho da caldeira, realizado no software de simulao, mostrado na Figura 7,abaixo, juntamente com uma renderizao da caldeira e equipamentos do ciclo trmico, taiscomo: tubos de aquecimento da gua, tubulao de passagem do vapor, superaquecedores,

economizadores, tanque de armazenamento de vapor, etc, os quais no foram simulados.Os oito queimadores so mostrados no desenho criado para a simulao, pois na rende-rizao feita pela empresa eles foram ignorados. A entrada de ar e combustvel feita atravsdestes, e a sada de ar ocorre logo aps os ltimos tubos do aquecedor regenerativo. Os conesque aparecem abaixo dos tubos intermedirios, superaquecedores, bem acima na caldeira, soas tremonhas, acumuladores de cinza leve, que so abertos de tempos em tempos para a suaretirada. Logo abaixo da sada da caldeira, temos a segunda tremonha, com a mesma finalida-de. Aps a sada dos gases da caldeira, estes so direcionados aos precipitadores eletrostti-cos, responsveis pela retirada do restante das cinzas presentes nos gases de combusto.

Figura 7: Geometria da caldeira. (Fontes: ICEM CFD e Arquivos da UTCH).


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Para a obteno dos resultados, foram feitas diversas simulaes, visando a convergn-cia de cada um dos campos, a saber: velocidades, temperaturas e combusto de gs metanopara dois casos, adiabtico e com temperatura prescrita na cmara de combusto. Os camposde velocidade e temperatura inicial foram obtidos apenas para que se tivesse uma condioinicial no-nula no caso da combusto de metano, reduzindo o tempo de simulao destes,

artifcio muito utilizado em simulaes que necessitam de maior esforo computacional.Como condio de parede, simplificando o desenho dos tubos e a exigncia de um refi-namento na malha, foi definida a temperatura prescrita de 274C na cmara de combusto,que corresponde temperatura de vaporizao da gua na presso de 60 kgf/cm2, que apresso com que o vapor superaquecido deixa a caldeira. Foi simulada a entrada de gs, emquantidade suficiente para fornecer a mesma energia que queimada na caldeira original, queutiliza carvo mineral. Este clculo foi feito atravs do PCI e PCS do carvo e do gs, queresultou na entrada de 1,3 kg/s de CH4e 17,4 kg/s de ar, no gerador de vapor.

O critrio utilizado em todos foi de 10 -3, considerado razovel para a simulao decombusto de combusto de metano. No seria vantajoso, em termos de esforo computacio-nal, estabelecer critrios to baixos quanto 10-6, utilizado por Silva et al, 2007, j que a malhautilizada no permite isto, visto que o refinamento baixo em certas partes, pois o maior inte-

resse observar o campo de formao de NOX, que ocorre nas adjacncias dos queimadores.

3. RESULTADOS E ANLISES

As simulaes foram realizadas em vrias etapas, porm no foram obtidos resultadossatisfatrios e condizentes com a realidade quando se simulou a queima de carvo, e estesresultados no sero discutidos. A seguir so mostrados os resultados obtidos para os campossimulados, condies de contorno, comentrios e concluses.

3.1. Campo de velocidades e temperaturas iniciais

O campo de velocidades define o arraste das partculas de carvo e sua mistura com o arde combusto, fator este que muito importante nos mecanismos de formao de poluentesestudados.

Visando a gerao de campos de velocidades j em regime de funcionamento, foramfeitas simulaes com um timescale alto, visando uma rpida obteno de campos pratica-mente estacionrios, ou seja, perto dos obtidos quando a caldeira encontra-se em operaoplena. O timescale o termo que indica o passo de tempo que ser incrementado durante cadaiterao, ou seja, indica a quantidade de combustvel e oxidante entrando no domnio. Quantomenor for o valor do timescale, menor ser o efeito da turbulncia nos resultados, ou seja,melhor ser a convergncia, porm, um avano inicial alto, ou seja, um timescalemaior doque o recomendado, necessrio para a partida da caldeira e obteno de um campo estabili-

zado sem tantas iteraes e esforo computacional.Foram feitas 1000 iteraes com um timescalede 0.1s. Aps, visando testar a influnciada malha nos resultados, foi reduzido consideravelmente o valor do timescale, tentando-sereduzir a variao dos resultados e obter a convergncia, porm, devido malha pouco refi-nada em certos pontos, este resultado no reduziu abaixo de 4,5x10 -4, para a conservao demomento em U. Apesar disso, a conservao de massa chegou a valores abaixo de 10-6. Nocaso do campo de temperaturas, foram obtidos valores menores que 2x10-4para os resduos daenergia, resultado que pode ser considerado bom. Na Figura 8 mostram-se os grficos de con-vergncia para massa e momentos, e para a transferncia de calor, destas simulaes:


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Figura 8: Grficos de convergncia de a) massa e momentos e b) energia. (Fonte: CFX 11)

A Figura 9 apresenta o campo de velocidades e temperaturas obtido na simulao:

Figura 9: Campo de a) velocidades e b) temperaturas iniciais. (Fonte: CFX 11).

Observando-se esta figura, nota-se a alterao do caminho do ar circulante, que causaruma elevao da chama devido recirculao dos gases na parte inferior da caldeira. Comoaqui s temos ar aquecido, espera-se que, quando ocorra a combusto de gs natural no interi-or da caldeira, ocorra um gradiente mais elevado de velocidades e temperaturas, devido r-pida expanso dos gases, caracterstica dos altos gradientes de temperatura da combusto.

3.2. Queima de metano

A queima de metano apresentou maiores problemas de convergncia, devido instabili-dade da combusto, causando intensos gradientes de temperatura e velocidade.

Estes resultados foram simulados para dois casos. Um com paredes adiabticas, visandoo teste das condies de contorno e a obteno de um campo de temperaturas mais prximoda realidade, em relao ao anterior. O outro caso envolve a definio de uma temperaturaprescrita nas paredes da cmara de combusto, simulando a troca de fase que ocorre dentrodos tubos de aquecimento de gua, e uma reduo do nmero de elementos da malha, paraque as simulaes fossem realizadas mais rapidamente. Esta mudana, porm, causou certainstabilidade nos resultados, necessitando de uma reduo no timescale, nas ltimas iteraes,para que os resduos estabilizassem.

O primeiro item a ser analisado o grfico de convergncia para a combusto. Este gr-fico mostrou valores razoveis de convergncia para a conservao de massa, obtendo-se re-


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sduos menores que 10-3, para a conservao de massa e momentos, em ambos os casos, comose pode ver na Figura 10:

Figura 10: Grficos de valores residuais para os casos a) adiabtico e b) com temperaturaprescrita nas paredes. (Fonte: CFX 11).

No primeiro grfico, como no havia a exigncia de convergncia final, pois ele serviriaapenas como campo inicial do caso posterior, a simulao possuiu um timescalefixo de 0,05s,por 2200 iteraes. O segundo caso, como j possua um campo inicial prximo das condi-es finais, foi simulado com timescaleinicial de 0,1s nas primeiras 750 iteraes. Aps, re-duziu-se o valor do timescalepara 0,001s, por 100 iteraes, o que deixou todos os grficoscom, praticamente, nenhuma variao nos valores residuais, indicando, com isso, que umareduo nestes valores somente ser possvel com um refinamento de malha e maiores esfor-os computacionais por iterao.

O pico no segundo caso se deve a alterao de uma das condies de contorno que, nocaso, era a temperatura de entrada do ar, junto com uma alterao no timescale, provocandoesta anomalia.

So mostrados os vetores velocidade, Figura 11, para o caso com temperatura prescritanas paredes e o campo inicial utilizado para a simulao da combusto. Nota-se a rpida ex-panso dos gases durante a queima, resultado do rpido aquecimento destes, e uma recircula-o dentro da cmara, quando comparado com o campo de velocidades inicial. As velocidadestambm so maiores e nos mostram a influncia da temperatura no escoamento dos gases.

Figura 11: vetores velocidade para a) a combusto de metano e b) campo inicial utilizado paraa simulao da combusto. (Fonte: CFX 11).


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A maior densidade dos gases no campo inicial, assim como sua velocidade inferior aoencontrado na combusto, mostra que a recirculao possui maior influncia na direo doescoamento deste. Nos vetores velocidade, do campo obtido na combusto, nota-se quase ne-nhuma deflexo nos gases da chama, elevando-a pouco acima da horizontal.

A Figura 12 nos mostra o campo de temperaturas para ambos os casos, mostrando o

quanto variaram os resultados, devido condio de contorno de temperatura prescrita nasparedes da cmara de combusto.Nota-se que, no primeiro caso, a temperatura dos gases se manteve constante at a sua

sada da caldeira, o que condiz com o esperado, pois, sendo as paredes adiabticas e no ha-vendo fontes ou sorvedouros de energia, no haveria resfriamento. No segundo caso, nota-se aalta temperatura na cmara de combusto e seu progressivo resfriamento at a sada para achamin, chegando nesta a, aproximadamente, 550C, o que corresponde a pouco mais de90C acima da temperatura, medida pela empresa, dos gases de combusto da caldeira realcom queima de carvo. Este fato pode ser explicado pela opo de no simular os bancos detubos pertencentes aos superaquecedorese aquecedores regenerativos, que trocam calor logoaps a cmara de combusto, resfriando os gases ainda mais.

Nota-se uma linha, levemente azul, encobrindo as paredes da cmara de combusto no

segundo caso, ela decorrente da condio de contorno de temperatura prescrita nestas pare-des, e ilustra uma falta de refinamento na malha, pois mostra que esta condio, aplicada aosvolumes em contatos com estas superfcies, est influenciando nas condies prximas a pa-rede. Pode-se notar que, com as temperaturas obtidas nesta simulao, a formao de H2SO4nos equipamentos, responsvel por corroso de materiais metlicos, no ocorreria.

Figura 12: Campo de temperaturas para os casos a) adiabtico e b) com temperatura prescritanas paredes. (Fonte: CFX 11).

A temperatura maior da chama no primeiro caso mostra a temperatura adiabtica dechama, que a mxima temperatura alcanada pela chama do metano quando no ocorre trocade calor, por radiao principalmente, com o meio externo. Quando o metano e o ar de com-busto so admitidos 20C esta temperatura de 1960C, segundo a literatura, porm, nestecaso em que o combustvel e o ar so admitidos em temperaturas mais elevadas, esperava-semaiores valores, o que se pode observar atravs da Figura 12.

A Figura 13 mostra a razo de reao molar de formao do NOXRpido, que substitui,no caso de combusto de metano, o NOXproveniente do combustvel, que uma caractersti-ca prpria da queima de carvo e leo. Foi dada ateno especial aos queimadores, pois nes-te que ocorrem as reaes e onde existem os maiores gradientes, no restante da geometriano h a formao de NOX.


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Observando-se este figura, pode-se notar que no h praticamente diferena entre aformao de NOXRpido para os dois casos, pois os critrios de formao deste componentedependem basicamente do combustvel utilizado, e no tanto das condies de contorno pres-critas.

Figura 13: Campo de formao de NOXRpido para os casos a) adiabtico e b) com tempera-tura prescrita nas paredes. (Fonte: CFX 11).

A Figura 14 mostra a razo de reao molar de formao do NOXTrmico, fortementedependente da temperatura da chama. Como se pode ver, o NOXTrmico formado pratica-mente na zona da chama e, como explicado anteriormente, varia conforme a temperatura des-ta. No caso adiabtico, pode-se notar a maior formao deste componente, pois atinge maiorestemperaturas quando no ocorre perda de calor por radiao.

Figura 14: Campo de formao de NOXTrmico para os casos a) adiabtico e b) com tempe-ratura prescrita nas paredes. (Fonte: CFX 11).

Analisando-se as emisses na sada dos gases, utilizando-se ferramentas de clculo daconcentrao mssica de componentes, obteve-se que a caldeira adiabtica produz mais NOX,por haver a formao de uma maior quantidade de NOXTrmico. Os clculos acusam emis-ses de 0,35g/m3para o caso adiabtico e 0,28g/m3para o caso de temperatura prescrita.

No CFX no foi possvel descobrir a formao de CO, pois este modelo no foi imple-mentado nas equaes calculadas, o que fez com que qualquer reao de formao do CO


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fosse apenas ignorada. Isto causou a formao de CO2, resultando em emisses maiores que onormalmente observado nestas caldeiras. A simulao resultou em emisses de CO2de 15%.

4. CONCLUSES

Conclui-se que a simulao da combusto em softwares de CFD (Computational FluidDynamics) um processo extremamente complexo, necessitando de especificaes corretasdas condies de contorno e parmetros de convergncia, alm de necessitar de um refina-mento maior na malha, pois estas foram simuladas com menor quantidade de elementos que aapresentada aqui, o que causou erros considerveis e problemas de overflow, que um sinto-ma de uma progressiva divergncia nos resultados do mtodo numrico empregado.

Tambm foram estudados modelos, utilizados em softwares comerciais, para combus-to, turbulncia e radiao. Estes modelos podem ser implementados para uso em uma grandevariedade de casos, e podem ser usados para predizer o comportamento da combusto e daformao de poluentes em geradores de vapor.

A simulao teve como principal objetivo a comparao de resultados para o campo de

temperaturas. Estes foram considerados muito prximos da realidade, mesmo no tendo sidorealizada a queima de carvo na caldeira em estudo ou, sequer, a comparao dos resultadosobtidos, para as emisses, com medies realizadas por empresas.

Ocorreram diversos problemas quanto simulao da queima de carvo, tais como:overflowem diversas situaes e temperaturas absurdas encontradas no interior da caldeira.Como uma continuao deste trabalho, prope-se o estudo dos parmetros de combusto decarvo e a determinao das condies de contorno necessrias para uma simulao fiel fsica do problema.


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