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Simulação Numérica da Combustão
de Carvão Pulverizado em Geradores
de Vapor
Rede PD&I de Carvão Mineral MCT – CNPq
Grupo 20 - URI - E.I.M.
Coordenador do Grupo 20: Prof. Dr. Cristiano Vitorino da Silva
Equipe Grupo 20: Prof. MSc. Arthur Bortolin Beskow
Luís Carlos Lazzari, Acad. de E.I.M.
Aline Ziemniczak, Acad. de E.I.M.
Abril, 2010.
Resumo
1. Modelagem matemática
2. Estudo de caso
3. Malha e parâmetros da solução numérica
4. Resultados
5. Conclusões preliminares
6. Próximas etapas
7. Artigos pulicados pelo grupo do LABSIM 2009/2010
Modelagem Matemática
Considera-se que o processo de combustão ocorra em taxas finitas, assumindo que
a devolatização do carvão ocorra em duas etapas produzindo CH4 e CO:
sendo que a oxidação do metano ocorre em duas etapas globais da seguinte forma:
Modelagem MatemáticaDevolatização e queima do carvão
A devolatização do carvão é modelada através de dois mecanismos conforme
mostrado anteriormente. Considera-se que as partículas de carvão bruto inicialmente
passem por um processo de devolatização, seguido pela queima do carbono residual,
resultando as cinzas como resíduos sólidos no processo. Assim,
onde a taxa de produção de voláteis é dada por
e a taxa de produção de carbono residual,
sendo que os coeficiente de reações químicas globais, k1 e k2, , considerando o
equilíbrio químico, são obtidos por taxas finitas de Arrhenius.
Modelagem MatemáticaUma modelagem Lagrangiana/Euleriana é usada para modelar o escoamento de
partículas de carvão e gases, considerando-se o regime permanente.
As equações médias de Reynolds são utilizadas para a solução do escoamento
reativo, assumindo o modelo k-ω para representar a turbulência do escoamento.
Conservação de massa
Conservação de espécies químicas
onde
onde a formação ou destruição de espécies
químicas é
pelo modelo de Arrhenius.
A partir do modelo de Eddy-Breakup
ou
Pela combinação dos modelos E-A, o valor final das espécies químicas é obtida a
partir da taxa mínima de cada um, onde o menor valor calculado então, é
e
Modelagem Matemática
Conservação de energia
Conservação de quantidade de movimento
onde
e o termo fonte de radiação térmica, descrito pelo modelo Discrete Transfer
Radiation Model (DTRM), é
onde e
Sendo que o termo fonte de reações químicas é modelado por
Estudo de CasoApós convênio firmado entre a Usina Termelétrica de Charqueadas/Tractebel e a
URI Campus de Erechim, adotam-se os dados geométricos e de operação para um
dos geradores de vapor dessa unidade.
Geometria adotada
•A caldeira do gerador de vapor possui
oito queimadores frontais em duas
linhas de quatro unidades, com vazão
mássica total de carvão igual a 21.500
kg/h a uma temperatura média de
100°C. A produção de vapor
superaquecido é de 65.000 kg/h.
•A caldeira trabalha cerca de 30% do ar
de combustão para o ar primário
(~100ºC) e 70% para o ar secundário
(~550K).
•Nessas condições a unidade é capaz de
produzir aproximadamente 15,25 MWe.
• O carvão a ser usado inicialmente nas
simulações é o CE 3100, com uma
umidade de 16,47%.
Estudo de Caso
Composição do carvão beneficiado tipo CE 3100.
Malha e Parâmetros da SoluçãoMalha usada para as simulações iniciais
•A malha adotada inicialmente foi construída no ICEM CFD possuindo cerca de
1,8x106 elementos (figura abaixo) e apresenta refinamentos nas regiões dos jatos de
combustível e de ar (detalhe) a fim de melhor captar os fenômenos da combustão.
• Alguns estudos de escoamento com ar frio foram realizados a fim de se testar
simplificações e critérios de convergência da solução.
Superaquecedores
Extração de cinza leve
Malha usada para as simulações atuais
• Em função de problemas
relacionados ao tamanho da malha e
com relação ao tamanho da
geometria, passou-se a adota-se uma
malha mais refinada na região da
câmara de combustão, a qual
apresenta cerca de 3,6x106 elementos
(figura abaixo). Consideram-se
ainda os mesmos refinamentos nas
regiões dos jatos de combustível e de
ar como anteriormente, e também
sobre algumas paredes onde ocorrem
descolamentos de camadas limite.
• Esses estudos foram realizados a
fim de se buscar melhores critérios
de convergência da solução.
Malha e Parâmetros da Solução
Condições de contorno
• Paredes: adota-se a condição de impermeabilidade para s espécies químicas e não
deslizamento para as velocidades. Considera-se que a temperatura seja prescrita em
552 K, temperatura equivalente a de saturação da água na pressão de operação do G.V.
• Saída: adota-se a condição de outlet com uma pressão relativa de -400 kPa.
• Entrada de ar primário: adota-se a condição de inlet com uma vazão mássica total
de carvão de 6 kg/s, somada a vazão de ar primário que é de 4,5 kg/s. A temperatura
de entrada dessa mistura é de 373 K. A região de entrada desse ar corresponde a uma
região circular que fica envolvida pela região anular de insuflamento do ar secundário.
• Entrada de ar Secundário: adota-se a condição de inlet com uma vazão mássica
total de 15 kg/s, considerando um excesso de ar na saída de cerca de 30%. A
temperatura de entrada é de 550 K. A região de entrada desse ar corresponde a uma
região anular que envolve a entra de ar primário e carvão.
• Superaquecedores: Assume-se que esta região seja uma matriz porosa, permeável ao
escoamento de carão e cinzas (topo da caldeira). Cada superaquecedor apresenta uma
determinada perda de carga para o escoamento de gases produto e um termo fonte
térmico para extrair a energia absorvida pelo vapor superaquecido no interior dos tubos
dos trocadores de calor.
Malha e Parâmetros da Solução
Condições iniciais
• A cada implementação de um novo modelo, usa-se como campo inicial o resultado
obtido com a simulação anterior.
1. Conservação de quantidade movimento e modelo de turbulência, considerando ar
puro.
2. Conservação de energia, considerando ar puro e aquecido
3. Conservação de espécies químicas para uma mistura de gases. Considera-se um
gás composto por metano, monóxido de carbono e ar úmido.
4. Modelos de reações químicas simplificadas para formação de uma campo inicial
com chama (Eddy-Breakup).
5. Modelo completo de reações globais considerando a cinética química e queima
instantânea devido a dissipação de vórtices (EddyBreakup + Arrhenius)
6. Devolatização e queima de carvão
7. Modelo de transferência de calor por radiação - DTRM – Discret Transfer
Radiation Model, assumindo gás cinza para o espectro de radiação e meio
isotópico par o espalhamento.
8. Modelos de NOx considerando os mecanismos de NO-Fuel, NO-Promp e NO-
Thermal.
A sequência de implementação adotada é a seguinte
Malha e Parâmetros da Solução
Método numérico
• A solução das equações diferenciais baseia-se no MÉTODO DOS VOLUMES FINITOS
desenvolvido por Patankar (1980) e o software usado nas simulações é o Ansys CFX v.11.
• O ACOPLAMENTO entre a PRESSÃO E A VELOCIDADE é realizado através do
SIMPLE – Semi Implicit Linked Equations . Para os termos advectivos o esquema de
interpolação usado é o Upwind.
• Devido a alta NÃO LINEARIDADE da solução e ao ALTO ACOPLAMENTO entre as
propriedades SUBRELAXAÇÕES são usadas para todas as equações e modelos de
fechamento da solução. São usados valores de 0,1 para a conservação de energia, massa,
quantidade de movimento, espécies químicas, fontes dessas equações. Para as reações
das partículas de carvão considera-se uma subrelaxação de 0,01.
• O tempo físico para a solução da formulação, considerando queima de partículas de
carvão e radiação térmica, é de cerca de 20 dias. Para tal, usam-se computadores com
processadores Core 2 Quad, com 16 Gb de RAM, adquiridos com recursos desse projeto.
• O critério de convergência utilizado é o RMS - Root Mean Square. Os valores
alcançados para a solução ficam da ordem de 10-4, indicando uma solução razoável para
o problema conforme indicado em Ansys CFX, 2004.
Malha e Parâmetros da Solução
Caso 1: Combustão em nível estequiométrico
Resultados
• Para este estudo de caso usa-se uma vazão total de ar, estimada via cálculos de
estequiometria, em cerca de 11 kg/s. Considera-se que 30% dessa vazão destina-se ao
ar primário para a queima e arrasto do combustível, sendo o complemento, 70%, para
o ar secundário. Ambas as vazões são distribuídas igualmente entre os oito
queimadores.
• A vazão total de combustível usada é de 6 kg/s. Os demais dados de entrada e
condições de contorno são os mesmos já apresentados anteriormente.
Caso 2: Combustão com excesso de ar de 30%
• Para este estudo de caso estima-se uma vazão total de ar em cerca de 15 kg/s.
Considera-se novamente que 30% dessa vazão destina-se ao ar primário para a
queima e arrasto do combustível, sendo o complemento, 70%, para o ar secundário.
Ambas as vazões são distribuídas igualmente entre os oito queimadores.
• A vazão total de combustível usada é de 6 kg/s. Os demais dados de entrada e
condições de contorno são os mesmos já apresentados anteriormente e usados no
Caso 1.
Caso 1: Combustão em nível estequiométrico
Resultados
• A seguir são apresentados alguns resultados de campos de temperaturas, de
concentrações, linhas de corrente e vetores velocidade obtidos com as simulações.
Considera-se um plano vertical sobre um dos queimadores para a representação
desses resultados.
Caso 1: Combustão em nível estequiométrico
Resultados
Caso 1: Combustão em nível estequiométrico
Resultados
Caso 1: Combustão em nível estequiométrico
Resultados
Caso 1: Combustão em nível estequiométrico
Resultados
Caso 1: Combustão em nível estequiométrico
Resultados
Caso 1: Combustão em nível estequiométrico: CONCLUSÕES PRELIMINARES
Resultados
• Avaliando dados mostrados nesse relatório, e também dados globais, como os
mostrados na Tab. 1 a seguir, verifica-se que:
Espécies Químicas kg/kgprodutos
Fração Mássica de CH4 0,00744
Fração Mássica de CO 0,01227
Fração Mássica de O2 2,8x10-8
Fração Mássica de CO2 0,24363
Fração Mássica de N2 0,66886
Fração Mássica de H2O 0,06779
Tabela 1 - Dados globais na região de saída da caldeira.
• As velocidades de injeção dos jatos ficam muito altas, não resultando num tempo
suficiente de residência do combustível na região de chama, resultando em combustão
incompleta das partículas.
• Como esperado, a quantidade de oxigênio injetada nos jatos não foi suficiente para
realizar a combustão completa do carvão, já que restaram frações de CH4 e CO,
produtos de devolatização do carvão, na saída da caldeira, e que, como dito acima,
também não queima completamente. Conforme se verifica na Tab. 1, resta
pouquíssimo oxigênio não reagido na saída da caldeira, confirmando isso.
Caso 2: Combustão com excesso de ar de 30%
Resultados
• A seguir são apresentados alguns dados de campos de temperaturas, de
concentrações, linhas de corrente e vetores velocidade obtidos com as simulações.
Considera-se o memso plano vertical sobre uma dos queimadores para a
representação dos resultados.
Caso 2 Caso 1
Caso 2: Combustão com excesso de ar de 30%
Resultados
Caso 2 Caso 1
Caso 2: Combustão com excesso de ar de 30%
Resultados
Caso 2 Caso 1
Caso 2: Combustão com excesso de ar de 30%
Resultados
Caso 2 Caso 1
Caso 2: Combustão com excesso de ar de 30%
Resultados
Caso 2 Caso 1
Caso 2: Combustão com excesso de ar de 30%
Resultados
Caso 2: Combustão em nível estequiométrico: CONCLUSÕES PRELIMINARES
Resultados
• Avaliando dados mostrados nesse relatório, e também dados globais, como os
mostrados na Tab. 2 a seguir, verifica-se que:
Espécies Químicas CASO 2 [kg/kgprodutos]
Fração Mássica de CH4 0,00235
Fração Mássica de CO 0,00424
Fração Mássica de O2 0,00089
Fração Mássica de CO2 0,24531
Fração Mássica de N2 0,68066
Fração Mássica de H2O 0,06654
Tabela 2 - Dados globais na região de saída da caldeira.
• Verifica-se que mesmo com excesso de ar de 30 usado para o caso 2, ainda resta
combustível não queimado junto aos gases de saída, indicando ineficiência no
processo de combustão.
• Baseado nos resultados obtidos, mesmo que qualitativamente, é possível constatar
que a câmara de combustão desse gerador de vapor não apresenta dimensões
adequadas para a carga térmica usada. A configuração do escoamento mostra que
mesmo usando um excesso de ar, o tempo de residência das partículas de carvão na
zona de chama não é suficiente para a queima completa do carvão e voláteis. Repare
que ainda existe o choque das particulas contra a parte posterior da câmara.
CASO 1 [kg/kgprodutos]
0,00744
0,01227
2,8x10-8
0,24363
0,66886
0,06779
Caso 2: Combustão com excesso de ar de 30% - Radiação Térmica
Resultados
• Implementação da modelagem para determinação da formação de NOx.
• Implementação das forças de empuxo.
• Validação da modelagem perante dados experimentais a serem obtidos junto a
unidade de geração de vapor da Usina de Charqueadas.
• Solução da modelagem para outros tipos de carvão beneficiado.
• Elaboração de artigos considerando principais resultados obtidos para submissão:
-Encit 2010 – Encontro nacional de ciências térmicas.
-Periódico Nacional e/ou Internacional.
Próximas etapas
Artigos publicados no período
• INDRUSIAK, M. L. S. ; BESKOW, A. B. ; da SILVA, C. V. . Thermal Power Plant Boiler Misoperation - Case
Study Using CFD. In: 4th European Combustion Meeting, 2009, Vienna. 4th European Combustion
Meeting, 2009.
• da SILVA, C. V. ; BESKOW, A. B. ; INDRUSIAK, M. L. S. ; MARCILIO, N. R. ; GODINHO, M. . Design of a
combustion chamber to burn leather residuals gasification gas. In: International Conference on
Efficiency, Cost, Optimization Simulation and Environmental Impact of Energy Systems - ECOS. Foz do
Iguaçú, 2009.
• da SILVA, C. V. ; BESKOW, A. B. ; INDRUSIAK, M. L. S. ; MARCILIO, N. R. ; GODINHO, M. . Numerical
simulation of combustion process of leather residuals gasification gas. In:, 20th International Congress
of Mechanical Engineering - COBEM. Gramado, 2009..
Bibliografia e Artigos Publicados pelo Grupo do LABSIM no Período 2009/2010
Bibliografia
PATANKAR, S., Numerical heat transfer and fluid flow. New York: Hemisphere,
1980.
ANSYS INC. User´s Guide - Solver Theory, 2004.
Artigos aceitos para publicação
• da SILVA, C. V. ; BESKOW, A. B. ; INDRUSIAK, M. L. S. . CFD analysis of the pulverized coal combustion
processes in a 160 MWe tangentially-fired-boiler of a thermal power plant. Journal of the Brazilian
Society of Mechanical Sciences and Engineering (Impresso), 2010.