Licor preto e mistura de gases para a combustão

A fase contínua na qual ocorrem as reações homogêneas de combustão é definida como uma mistura contendo todas as espécies envolvidas: CH4, CO,

CO2, H2O, O2, H2 e N2. Apesar de se tratar de uma simulação em regime

permanente, para resolver a combustão, é necessário informar a composição inicial das corentes de alimentação de ar, dos voláteis liberados pelas partículas e dos gases liberados pelo leito carbonizado. A Tabela 4.18 ilustra as composições de cada entrada de fase gasosa para compor o material Mistura no domínio ao início da simulação. A fração mássica de N2 é definida como o

restante para fechar o total de 1 no somatório da composição final. A composição química da alimentação em Voláteis é a mesma descrita por Marklund e Gebart

Tabela 4.18: Frações mássicas do material Mistura utilizadas nas condições de contorno para a simulação da combustão da caldeira de recuperação. Componente Domínio (inicial) Ares 1°, 2° e 3° Voláteis Leito

CH4 0,000 0,000 0,250 0,000

CO 0,010 0,000 0,530 0,889

CO2 0,010 0,000 0,110 0,111

H2O 0,010 0,000 0,000 0,000

O2 0,232 0,232 0,000 0,000

A Tabela 4.19 mostra as propriedades utilizadas para fase particulada licor calculadas para a temperatura de referência de 250°C e teor de sólidos de 0,75 de acordo com Adams et al. (1997).

Tabela 4.19: Propriedades físicas para a fase dispersa licor usada na simulação da caldeira de recuperação.

Propriedade Valor Massa molar 166,67 kg/kmol

Densidade 1506,27 kg/m3 Capacidade calorífica 2924,118 J/K.mol

4.10.4. Escoamento da fase particulada

O escoamento da fase particulada se dá através de acoplamento via dupla cuja solução é obtida por abordagem euler-lagrange em que as trajetórias das partículas são calculadas a cada 10 iterações da solução da fase contínua em que são consideradas turbulência, combustão e radiação. Os dados necessários para a representação do escoamento da fase dispersa são descritos na Tabela 4.20.

Tabela 4.20: Especificações da simulação para o arraste de particulados por acoplamento em via única da caldeira de recuperação.

Acoplamento em via

dupla Estado físico _{Quant. de partículas} Líquido (gotas) _90.000 Vel. relativa de injeção 0 m/s

Modelo Ishii Zuber Densidade de referência 1,2 kg/m3

Coef. de tensão superficial 4,66.10-2 _N/m

Distr. Rosin-

Rammler Diâmetro médio_n 2 mm _2,45

Foram inseridas 90.000 gotas sem velocidade relativa na injeção da corrente de gases da condição de contorno Injetores. O coeficiente de tensão superficial foi obtido de Adams et al. (1997) e os parâmetros para a distribuição Rosin- Rammler estão entre os valores avaliados em Bergroth et al. (2010).

4.10.5. Visualização dos resultados

A estratégia de visualização dos perfis de velocidade, temperatura e composição na caldeira de recuperação deste trabalho é similar à apresentada por Hupa et al. (2004a). A Figura 4.13 mostra os planos utilizados na visualização dos perfis e a Tabela 4.21 apresenta a localização de cada plano. Os planos nomeados com a primeira letra “H” referem-se aos planos horizontais e suas respectivas localizações são em relação ao assoalho da fornalha. Os demais planos com a primeira letra “V” referem-se aos planos verticais.

Figura 4.13: Planos horizontais e vertical usados na visualização dos resultados.

Tabela 4.21: Descrição das localizações dos planos utilizados na visualização dos perfis de velocidade dos gases na caldeira de recuperação.

Plano Localização Região

H2 5,4 m de altura Acima do segundo nível de alimentação do ar secundário

H3A 12 m de altura Logo após o primeiro nível de alimentação do ar terciário H3B 15,8 m de altura Logo após o segundo nível de

alimentação do ar terciário V1 6 m da parede direita Corte longitudinal do domínio simulado

entre duas portas entrelaçadas de ar2 e ar3 perpendicular às duas portas de

injetores

Visto que a alimentação do ar primário ocorre igualmente nas quatro paredes da fornalha e suas portas de alimentação estão bem próximas à superfície do leito carbonizado, espera-se uma entrada de gás na fornalha da caldeira com um grau de turbulência médio. Portanto, não há a necessidade de visualizar o perfil do escoamento entre os ares primário e secundário. O arranjo das portas de entrada

do ar secundário deve, entre seus principais objetivos, promover a mistura dos gases de combustão. Dessa forma fica evidenciada a necessidade de se observar o escoamento e os perfis de temperatura logo após a entrada do ar secundário. O plano H2 é representativo no que se diz respeito a visualizar as influências do ar secundário no escoamento dos gases na fornalha. Já os dois níveis de ar terciário estão distantes um do outro, portanto há a necessidade em se definir os planos H3A e H3B, localizados logo acima de cada nível. O plano HN é utilizado para obter o comportamento do escoamento na entrada da zona de troca térmica por convecção da caldeira. Por esta região apresentar a maior redução de área no interior do equipamento, é esperado que haja um aumento de velocidade na direção ascendente, promovendo uma redução, não necessariamente proporcional, nas outras direções o que resulta em um comportamento menos turbulento e mais direcionado devido à seu caráter predominantemente bidirecional resultante. De fato, para algumas análises do escoamento no equipamento, tal região é de grande importância no que se diz respeito aos perfis de velocidade e na influência que estes exercem no comportamento das recirculações na região dos superaquecedores. Como as portas de entrada dos ares secundário e terciário são entrelaçadas, o plano V1 fica posicionado e entre portas opostas de entrada do ares primário e terciário e perpendicular a 2 portas de entradas opostas de injetores de licor. Assim é esperado obter informações das influências de um ar vindo de uma parede em relação ao outro introduzido na parede oposta e da evolução da liberação dos voláteis a partir de inserção do licor na fornalha.

Como se trata de um trabalho envolvendo escoamento bifásico, há necessidade da visualização das trajetórias do licor. No entanto, visualizar todas as 90.000 partículas simuladas numa mesma imagem impossibilita observar qualquer tendência ou comportamento das mesmas. Foi definida a visualização de 90 trajetórias representativas das gotas de licor escolhidas aleatoriamente saindo do subdomínio Injetores.

Para obter uma observação tridimensional dos perfis de velocidade, temperatura e concentração são usadas renderizações de volume, séries de planos semitransparentes em cada uma das três direções cartesianas com faixas de

valores definidas representadas pelo espectro de cores dos perfis gerados em planos. Quaisquer valores abaixo dessa faixa são considerados transparentes e os valores acima são opacos vermelhos. Essa visualização permite a observação espacial da variável de interesse com uma noção de profundidade. Por ser semi- transparente, também é possível a visualização das partículas em conjunto na mesma figura proporcionando a observação de uma tendência de dependência entre as partículas e alguma variável da fase contínua.

Outra forma de visualização utilizada neste trabalho são as iso-superfícies. Tratam-se de superfícies, cujos pontos que a compõem tem em comum o mesmo valor para uma determinada variável de interesse. A Figura 4.14 ilustra um exemplo do uso de iso-superfícies na visualização de dois valores da componente horizontal da velocidade (u) no interior da caldeira.

Figura 4.14: Iso-superfícies representativas dos componentes horizontais da velocidade dos gases na caldeira.

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