Queimadores para gases de baixo poder calorífico

Como discutido em CHOMIAK et al. (1989) um das maiores dificuldades em quei- mar gases de baixo poder calorífico é o problema da estabilidade de chama. Vários autores, como TURNS (2012) e LEFEBVRE (2010) ou mesmo CHOMIAK (1989) discutem várias téc-

nicas para aumento da estabilidade de chama. Dentre as técnicas mais comuns está o uso de material refratário para acúmulo de energia, como na aplicação em queimadores porosos, bem como recirculação forçada de ar no interior do queimador e a recuperação ou regeneração de calor.

Queimadores recuperativos, principalmente em função do aumento do custo dos com- bustíveis, vem se tornando cada vez mais populares (WUENNING, 2008). Esses queimadores possuem ganho no aproveitamento energético do combustível porque são projetados para recu- perar o calor proveniente dos gases de exaustão pré-aquecendo o ar de entrada para a combus- tão (WUENNING, 2008).

No caso do uso de uma superfície refratária TURNS(2012) indica que a grande vantagem

está na criação de uma superfície praticamente adiabática assim que a chama se estabeleceu que continuamente irá trocar calor com a mistura ar-combustível. A regeneração de calor por sua vez também é uma técnica bem aplicada como discutido por CHOMIAK(1989). Na regeneração

Figura 2.18: Esquema de funcionamento de um queimador poroso mostrando parte de suas características de operação. Fonte: AL-HAMAMREet al.(2006) apud TRIMIS EDURST(1996)

(modificado).

parte da energia dos gases de exaustão é usada para pré aquecer a mistura ou o ar de combustão expandindo assim os limites de inflamabilidade.

Além da recuperação de calor a recirculação forçada de ar, seja pela presença de um corpo rombudo ou pelo efeito rotacional da entrada de ar forçado auxilia na mistura e aumenta a interação entre reagentes e produtos da combustão (COSTA E COELHO, 2012). Aplicação com recuperação de calor e alta recirculação são apresentadas por CHOMIAK(1989) como bem adaptadas para queima de gases de baixo poder calorífico.

Queimadores porosos

A utilização de queimadores porosos é uma alternativa interessante pela alta recuperação de calor que é proporcionada pela superfície sólida inerte aliada a estabilidade de chama pela transferência de calor mais efetiva (MUJEEBU et al., 2009). Ainda segundo MUJEEBU et al.

(2009) essas características fazem com que os queimadores porosos sejam uma ótima alternativa para queima de gases de baixo poder calorífico em função da instabilidade da composição e grande presença de inertes.

No trabalho de AL-HAMAMREet al.(2006) há inclusive uma aplicação para queima de gases de pirólise (considerados como 𝐻2, 𝐶𝑂, 𝐶𝐻4, 𝑁2 e 𝐶𝑂2). Assim como mostrado na

Figura 2.18 a presença de um meio poroso inerte tem um grande impacto na estabilização de chama. Como discutido em MUJEEBUet al.(2009) e AL-HAMAMREet al.(2006) a aplicabili- dade de tais queimadores só é possível para combustíveis gasosos.

A presença de condensáveis pode ser um problema na utilização de queimadores porosos, devido à possibilidade de entupimento dos poros na fase inicial da combustão por acúmulo de

Figura 2.19: Queimador de múltiplas entradas para mistura ar-combustível para aplicação com gás residual. Fonte: CHOMIAK(1989) (modificado).

alcatrão. Apesar do grande potencial de aplicação para gases de baixo poder calorífico a neces- sidade de pré tratamento do gás dificulta bastante a aplicabilidade em um primeiro momento em que não há todo um sistema de limpeza e aproveitamento dos condensáveis.

Queimadores com circulação induzida de ar ou rotação de ar (Swirl)

Exemplos de utilização da circulação forçada de ar dentro da câmara de combustão foi explorada por CHOMIAKet al.(1989) e apresentada no conceito da Figura 2.19. Na Figura 2.19

podem ser vistas várias entradas tangenciais para a mistura de ar e combustível em um quei- mador cilíndrico. Neste caso, a estabilização de chama se dá pela recirculação e consequente maior interação dos reagentes na câmara de combustão e a troca de calor radiativa com a parede aquecida.

No mesmo trabalho CHOMIAK et al.(1989) indica que o gás utilizado deve possuir pres- são suficiente para ser injetado no queimador. O trabalho de SYRED et al. (2004) apresenta resultados de queima de gases pobres e com baixa emissão de poluentes com queimadores com rotação de ar apesar de ser necessário utilização de chama piloto para combustíveis com menos de 1,5MJ/m3_{. De maneira geral apesar de bem promissora esta tecnologia depende de injeção}

de ar-combustível a uma certa pressão para garantir a rotação do ar e geometrias de construção e controle de operação um tanto complexas.

Combustão moderada (MILD)

O conceito de combustão moderada designa principalmente processos para redução de emissões como apresenta YUSAF et al. (2013) tendo como aplicações combustão sem chama (flameless oxidation/combustion), combustão com ar a altas temperaturas (HiTAC) e ainda com- bustão com ar continuamente estagiado (COSTAIR) como acrescenta AL-HALBOUNI et al.

Figura 2.20: Gráfico apresentando a temperatura de entrada dos reagentes versus a variação de temperatura na reação para vários modos de combustão. Fonte: CAVALIERE E DE JOANNON

(2004) (modificado).

(2006). Esta diferenciação é claramente vista no gráfico apresentado na Figura 2.20. ∘ Queimadores FLOX e COSTAIR

Segundo os trabalhos de CAVALIERE E DEJOANNON(2004) além de YUSAFet al.(2013) a combustão "moderada" é caracterizada pela alta temperatura dos reagentes e baixo ganho de temperatura no processo de combustão, podendo, como indica o nome de um dos tipos de quei- madores, atingir o regime de queima sem chama (FLOX). O maior ganho se daria, segundo CA-

VALIERE E DE JOANNON(2004), na conversão mais limpa de energia e redução da emissão de

poluentes ambos favorecidos pela faixa mais estreita de temperatura de reação que pode ser calibrada diferentemente do processo de combustão tradicional.

Dentre os dois tipos de queimadores apresentados são destacados os seguintes conceitos aplicados a queima de gases pobres e com redução de poluentes. A aplicação de tais tecnolo- gias de combustão é extensivamente discutidas em BIO-PRO (2007). Esses conceitos já foram melhor adaptados para aplicação de gás sujo e com baixa disponibilidade de pressão.

O queimador do tipo COSTAIR consiste de um tubo coaxial, sendo o ar de combustão injetado pelo tubo interno enquanto o gás combustível passa pelo tubo externo. A distribuição da mistura ar-combustível é feita continuamente pela presença de inúmeros furos na saída da tubulação do ar de entrada promovendo a mistura e estabilização da chama como apresentado na Figura 2.21. Um estudo experimental e a descrição da aplicação desta tecnologia é apresentado

Figura 2.21: Conceito de funcionamento do queimador de ar continuamente estagiado (COS- TAIR). Fonte: WANGet al.(2007) (modificado).

Uma variação do conceito de combustores COSTAIR é a configuração TPS BioSwirl apre- sentada na Figura 2.22. Essa variação consiste na injeção de ar estagiado por meio de furos no distribuidor de ar no interior da câmara de combustão para aumentar a estabilidade de chama e reduzir a emissão de, principalmente, NO𝑥(AL-HALBOUNIet al., 2007).

A tecnologia FLOX, por outro lado, se baseia na alta velocidade na injeção do combus- tível e/ou comburente gerando, segundo a literatura, uma combustão diluída. A Figura 2.23 apresenta um design simplificado de um queimador do tipo FLOX. Originalmente a tecnologia foi desenvolvida para reduzir a formação de NO𝑥 térmico em queimadores industriais usando

pré aquecimento de ar (WÜNNING, 2006).

Seu conceito de recirculação promove uma zona de reação estendida com menores con- centrações de oxigênio e temperaturas de pico menores e consequentemente redução na forma- ção de NO𝑥 (DANONet al., 2010).

As altas taxas de recirculação, por sua vez, abaixam as temperaturas de pico da reação a menos 1500∘𝐶, fator importante para o controle da formação de NO𝑥 térmico, principalmente

pela oxidação do nitrogênio do ar (AL-HALBOUNI et al., 2004). No mesmo estudo DANON

et al.(2010) também descrevem um estudo de aplicação de tal tecnologia, enquanto que em AL-

HALBOUNIet al.(2004), há uma comparação entre os dois tipos de queimadores, COSTAIR e

FLOX.

Os resultados das pesquisas apresentadas em BIO-PRO (2007) indicam que queimadores baseados na tecnologia FLOX foram capazes de trabalhar com gases de poder calorífico infe- rior tão baixos quanto 2,5 MJ/m3_{. Apresentando, ainda segundo o mesmo autor, uma grande}

melhoria em comparação às tecnologias de combustão existentes. Dentre as vantagens apresen- tadas, em comparação aos queimadores convencionais, estão a combustão completa, operação mais estável, maior eficiência e abatimento de emissões.

Figura 2.22: Otimização do conceito de queima COSTAIR para uso de gases de baixo poder calorífico. Fonte: AL-HALBOUNIet al.(2007) (modificado).

Figura 2.23: Conceito de funcionamento do queimador para regime de combustão sem chama (FLOX). Fonte: WANGet al.(2007) (modificado).

Figura 2.24: Otimização do conceito de queimador FLOX para uso de gases de baixo poder calorífico. Fonte: SCHUSTERet al.(2007).

Nesse estudo são apresentadas simulações de diferentes geometrias, com camisa de pre aqueci- mento de ar, anel de restrição com entrada de ar secundário como mostrado na Figura 2.24.

No caso de combustores do tipo COSTAIR a pesquisa em BIO-PRO (2007) apresenta que pode haver um controle maior da adição de ar ao gás combustível fazendo com que este se tornasse mais interessante para aplicações em que se busca minimizar as emissões de NO𝑥.

Segundo estudo apresentado em AL-HALBOUNI et al. (2007), a redução da emissão de NO𝑥

acontece devido à melhoria na estabilidade de chama durante os testes com gás de exaustão recirculado.

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Dimensionamento do Queimador

A seguir são abordados os critérios de projeto e dimensionamento do queimador. Inicial- mente o tipo de queimador selecionado é definido a partir da revisão da literatura baseado na geometria de queimadores FLOX. A partir de dados experimentais de ensaio realizado para ca- racterização das emissões do forno de produção de carvão vegetal os dados foram organizados em períodos específicos para análise do comportamento do gás de pirólise de biomassa (piro- gás). Posteriormente foram aplicadas as correlações para estimar o comportamento do queima- dor em função dos critérios de projeto: evitar o retorno de chama para o forno de carbonização, garantir que os níveis de pressão da chaminé se comportem o mais próximo possível dos níveis normais do processo e dimensionar o sistema de ignição e injeção de ar para os requisitos do projeto.

3.1 Seleção tipo de queimador

Nesta seção são apresentadas as justificativas para seleção do tipo de queimador para ser adaptado ao propósito deste trabalho.