5.4 Dimensionamento do queimador
5.4.1 Retorno de chama
Como discutido na Revisão Bibliográfica o retorno de chama se caracteriza, segundo LE-
FEBVRE(2010), quando a frente de propagação de chama tem velocidade superior a velocidade
do escoamento. Visualmente o retorno de chama quando se considera um instantâneo da distri- buição de temperatura no canal de saída do combustível pode ser visto na Figura 5.7.
Figura 5.7: Contornos de temperatura estática [𝐾] para diferentes vazões mássicas de combus- tível [ ˙𝑚𝑡] diferenciando quando não há o fenômeno de retorno de chama, ˙𝑚𝑡 = 5.448𝑔/𝑠, em
comparação quando o retorno de chama ocorre, ˙𝑚𝑡 = 5𝑔/𝑠. Fonte: SHELIL(2009).
Para análise do retorno de chama foi considerada que a chama deveria ser capaz de se propagar ao longo da região cilíndrica anelar ao redor do ejetor de ar região cilíndrica. Neste caso a velocidade de propagação da mistura foi tomada como o menor valor apresentado nas simulações (≈ 3,5m/s), Figura 5.1, e a temperatura como a mais alta apresentada nos dados (275∘C), MARTINS (2013). Foram aplicadas várias concentrações e vazões de pirogás con-
siderando essas condições. Para utilizar a Equação 2.19 é necessário estimar a velocidade de propagação do hidrogênio nestas condições. Foi comparada o valor da estimativa da velocidade de propagação do hidrogênio entre a correlação proposta na Equação 2.21 e o valor da literatura admitindo-se como margem de segurança a velocidade de chama do hidrogênio em 11m/s.
ções do orifício de passagem do pirogás foi de: ≈ 1,5m/s. Para determinar a relação entre a velocidade laminar e turbulenta é necessário calcular os adimensionais para caracterizar o es- coamento turbulento. Essa análise passa a ser menos precisa pois para calcular o número de Reynolds turbulento (𝑅𝑒𝑇) é necessário estimar intensidade de turbulência e assim por diante.
Tabela 5.6: Resumo dos resultados da velocidade de chama turbulenta.
Autor e ano: Parâmetros: Validade: 𝑆𝑇 [m/s] [m/s] FlashBack?
Ballal, Lefebvre (1975) 𝑅𝑒𝑇(𝑙𝑡) VERDADEIRO 4,88 3,5 SIM
Gayed, Bradley (1977) 𝑅𝑒𝑇(𝑙𝑡) FALSO 6,61 3,5 -
Vinckier,Tiggelen (1968) 𝑅𝑒𝑇(𝑙𝑡) FALSO 3,42 3,5 -
Goupta etal (1981) 𝑅𝑒𝑇(𝑙𝑡) VERDADEIRO 3,04 3,5 NÃO
Ballal, Lefebvre (1974) 𝑣𝑟𝑚𝑠, 𝑙𝑡 VERDADEIRO 1,498 3,5 NÃO
Karlovitz etal (1951) 𝑣𝑟𝑚𝑠 VERDADEIRO 1,559 3,5 NÃO
Schelkin etal (1943) 𝑣𝑟𝑚𝑠 FALSO 1,496 3,5 -
As correlações de Ballal-Lefebvre (1975) e Gayed-Bradley apresentaram valores consi- deravelmente mais altos em comparação com as demais. Coincidentemente são as correlações nas quais o valor de Reynolds turbulento (𝑅𝑒𝑇) está na faixa inferior do seu critério de validade.
Foram desenvolvidas para faixas mais extensas de 𝑅𝑒𝑇 e valores mais elevados se comparados
com as demais.
O valor da escala de turbulência (𝑙𝑡) do qual 𝑅𝑒𝑇 é função (além das propriedades do
fluido) foi estimado como mais elevado por segurança, sendo contudo de difícil estimativa e medição experimental. A referência de softwares comerciais indica a utilização de 7% 1 do
valor da dimensão característica como estimativa. É uma estimativa muito grosseira mas que foi utilizada como referência.
Utilizando 𝑙𝑡 mais baixo, levando em conta a largura do espaço anular, as correlações
de Gayed-Bradley e Vinckier-Tiggelen não são mais válidas reduzindo o valor da velocidade turbulenta. Segundo a correlação de Ballal-Lefebvre, a velocidade continua alta em comparação com a velocidade do pirogás (1,5 vezes).
Nos casos em que as correlações se baseiam na flutuação axial da velocidade (𝑢′), exclu- sivamente, os valores de velocidade turbulenta foram substancialmente menores, ao menos pela metade. Em outra correlação de Ballal-Lefebvre que utiliza ambos parâmetros (𝑢′ e 𝑅𝑒𝑇) tem
valores consideravelmente mais baixos (aproximadamente pela metade). Muito provavelmente o valor estimado da escala de turbulência foi superestimado, contudo, valores mais baixos ainda indicam que haveria retorno de chama na maioria das correlações que usam 𝑅𝑒𝑇 como referên-
cia.
Relacionando as figuras de ajuste fino da geometria realizados em CFD a geometria in- termediária foi escolhida. A altura de fim dos ignitores, portanto, escolhida foi de 20mm abaixo da superfície superior da placa dos orifícios. De acordo com os critérios de projeto a geometria final tem as seguintes características:
∘ Retorno de chama: velocidades de escoamento da mistura superiores a 3,5𝑚/𝑠, como apresentado na Tabela 5.6 para a dimensão escolhida já seriam suficietnes para reduzir o risco de retorno de chama como visto na Figura 5.1b.
∘ Pressão de sucção: resultado intermediário apresentada para a pressão de sucção a mon- tante do queimador como mostra a Figura 5.2c;
∘ Zona de recirculação: mais próximo da intermediária em relação à zona recirculação, 5.3b.
As figuras a seguir apresentam o projeto final do queimador mostrando o desenho 2D e 3D em perspectiva na Figura 5.8 com algumas dimensões importantes e na Figura 5.9 um descritivo para fabricação com alguns detalhes do sistema de isolamento. Na Figura 5.9 em particular fica mais claro porque a placa de orifícios foi feita com uma espessura (e devidamente preenchida de material refratário) para evitar a troca de calor entre a pré câmara de combustão (ou câmara de mistura) da porção final da chaminé do forno.
Em ambos os desenhos ainda está dimensionada uma camisa de ajuste ao final da cha- miné do forno de carbonização. Também na Figura 5.9 é possível ver o detalhe da interface do queimador ao tubo de concreto no qual ele seria encaixado. Logo antes do teste foi decidido que o queimador seria instalado diretamente sobre a base da chaminé (capela) do forno para reduzir os riscos da estrutura do queimador.
Figura 5.8: Visão final do queimador. Com as principais dimensões, a esquerda, e visão em perspectiva, a direita. Neste desenho consta uma base circular para ser encaixada no topo da chaminé. Apesar de ter sido construída houve uma modificação e outra base foi feita para o ensaio.
Figura 5.9: Versão enviada para revisão do fabricante. Além das dimensões, detalhes de entrada de sistema de ignição e instrumentação, detalhe das mantas refratárias externamente à primeira parte (favorecer a troca térmica com o ar de injeção) e internamente na segunda parte (proteger a câmara das elevadas temperaturas). Nesta versão do projeto o sistema de distribuição de ar para a camisa de aquecimento era circular e não retangular como na versão final.
6
Resultados dos Testes do Queimador Protótipo
Nesse capítulo são apresentados os resultados detalhados de alguns testes realizados com o queimador, além da metodologia para avaliar o desempenho do sistema de ignição nas três posições utilizadas além de um resumo dos demais testes realizados. O detalhamento das infor- mações dos demais testes está apresentados no Apêndice D.
6.1 Teste inicial: 11-16 de dezembro de 2017, Gerdau Florestal, Minas Gerais
A Figura 6.1 mostra claramente como que no teste piloto houve uma grande alteração da vazão mássica de ar tentando encontrar a melhor razão de mistura entre pirogás e ar que possibi- litasse a queima durante o maior tempo possível. Nesse sentido o primeiro momento que chama a atenção está na elevação das temperaturas T3 e T4 (justamente os pontos de temperatura na câmara de combustão do queimador) no instante de "87 horas"de operação. Antes de 80 horas não havia nenhum evento interessante, como combustão ou varição da vazão mássica que não justificada pela manutenção da pressão de tiragem do forno.
80
84
88
92
96
100
104
108
112
Tempo desde ignição forno [horas]
0
150
300
450
600
750
900
1050
1200
Temperatura [ºC]
T3
T4
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Vazão de Ar injetado [kg/s]
Vazão mássica
Figura 6.1: Evolução da temperatura dos vários pontos de medição ao longo do teste.
tes leva a crer que houve um início de combustão mas que não foi mantido, provavelmente em função do seguido aumento na vazão de ar. Algumas horas depois, ≈ "90 horas"mesmo com a redução ainda mais brusca da vazão mássica não foi possível repetir a combustão o que talvez indicaria que talvez houvesse uma concentração de gases combustíveis no instante "87 horas"fosse superior ao instante "90 horas".
Posteriormente, próximo a "94 horas"houve um aumento brusco de temperaturas. Nesse caso pode se observar que o nível de temperatura do pirogás já estava muito mais próximo a 200∘C e que a combustão foi iniciada e mantida mesmo com alterações na vazão mássica do ventilador. Às 98 horas de operação do queimador a vazão do queimador foi alterada para testar se o queimador seria capaz de extinguir a chama em caso de emergência apenas com a varição do vazão mássica de ar. Com a redução brusca de temperaturas quando a vazão mássica de ar superou os 0,5 kg/s acredita que esse recurso possa ser utilizado em caso de emergência. Além disso, quando a vazão de ar no queimador foi reduzida novamente ao nível anterior ≈ 0,3 kg/s foi possível observar o aumento abruto de temperaturas novamente o que indicaria novamente a combustão no interior do queimador.
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Tempo desde ignição forno [horas]
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750
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1200
Temperatura [ºC]
T1
T2
T3
T4
T5
T6
Figura 6.2: Evolução da temperatura dos vários pontos de medição ao longo do teste. A seguir os gráficos com e evolução da pressão. A Figura 6.3 apresenta como as pressões P1 ou P3 chegaram no fundo de escala inferior, -100 Pa", para P1 no instante ≈ 20 horas e P3
≈ 8 horas. Valores (em módulo) muito diferentes de "O Pa"nível de pressão P4 que se desejava manter durante todo o teste.
80 84 88 92 96 100 104 108 112
Operação queimador [horas]
100 80 60 40 20 0 20 40
Pressão [Pa]
P1 P3 P4 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6Vazão mássica no período [kg/s]
Vazão mássica
Figura 6.3: Evolução da pressão em Pa dos vários pontos de medição ao longo do teste.
No caso da Figura 6.3 P5 se mantém em média em torno de ≈ 10 mBar enquanto que P2 ≈ 5 mBar. Com excessão de um pico em P5, instante 91 horas. Na Figura 6.3 os dados foram muito variáveis e/ou chegaram no fundo de escala de medição dificultando a análise de distribuição de pressão ao longo do queimador. Em relação a P1 (pressão logo antes do queimador), ponto de interesse para o teste apesar de uma grande oscilação próximo a "100 horas"(-60 a +40Pa) o valor máximo medido foi pouco superior a 20 Pa indicando que mesmo nos intervalos de combustão ("94-100 horas"e "102-112 horas") a pressão de sucção da chaminé não ficou muito maior do que os 20 Pa esperados para a tiragem natural da mesma chaminé.
A curva da Figura 6.3 está suavizada em relação às Figuras 6.1 e 6.2 como pode ser visto em relação a vazão mássica da Figura 6.1. A sensibilidade do transmissor de pressão é muito elevada e muito suscetível ao que parecem ser erros de medição, principalmente como visto na Figura 6.3.
Durante o teste o grande objetivo era manter as condições de operações normais do forno de produção de biorredutor. A combustão no queimador, inclusive, foi parada para testar os mecanismos de segurança em caso de uma emergência como foi realizado no instante "100 horas", com o súbito aumento da vazão mássica para checar se a chama seria extinta, Figura 6.1. No final do teste a vazão também foi sendo reduzida para estudar qual seria a mínima quantidade de ar insuflado capaz de sustentar a chama, como pode-se verificar na Figura 6.3. De acordo com os operadores do forno, como 120 horas é um período razoável para o fim da pirólise da madeira o teste se encerrou pouco depois das 115 horas de operação.
previsto no projeto. Um dos fatores que contribuíram para a manutenção da chama foi a alta temperatura de entrada do ar na câmara de combustão. O pre aquecimento do ar foi responsável por elevar a temperatura para valores próximos de 280∘C em alguns períodos ("96 a 98 horas"e "110 a 113 horas"Figura 6.2). Apesar de não poder ser confirmado neste teste espera-se que a capacidade do queimador de pré aquecer o ar de entrada em níveis de temperatura tão elevados seja uma das razão de ele poder ter operado, com combustão, com uma faixa tão extensa de vazão mássica. Como destacado por MA(2015) ,ilustrado na Figura 2.4, a temperatura tem um
impacto muito grande na faixa de inflamabilidade de uma mistura.
Outro quesito de projeto muito importante que foi estudado foi a manutenção da chama dentro do queimador sem que ela retornasse para o forno o que seria um grave problema de se- gurança e para o processo. Mesmo em períodos em que as temperaturas na pré câmara de com- bustão (câmara de mistura) ou na chaminé do queimador estavam maiores ou iguais a 1000∘C não foi detectado aumento substancial da temperatura dos gases na saída da capela durante o teste que indicassem presença de chama nesta região. Um quesito de projeto, a temperatura máxima dentro do queimador (T3 e T4) está dentro do esperado (<=1200∘C) com excessão de alguns períodos curtos próximos a "96 horas"de operação.
A Figura 6.4 mostra o queimador durante o dia, período em que havia queima dos gases. A chama é praticamente invisível e quase não se nota qualquer emissão pela chaminé do forno exceto pelo fato de que o para-raio ao fundo ficar “tremulando” em função da presença dos gases quentes de escape da combustão. Apesar da chama não ser visível pode ser observada como é diferente a emissão entre os dois fornos que estão em períodos próximos de operação. Por outro lado, à noite, como mostra a Figura 6.5 fica muito nítida a chama do queimador.
Figura 6.4: Foto da Equipe Unicamp (amarelo) em conjunto com a Equipe Gerdau fazendo visita ao queimador durante a combustão dos gases. Com termômetro optico podia-se verificar a alta temperatura dos gases de saída. Detalhe para o comparativo de emissões entre o queimador e o forno à esquerda (ambos com ≈ 3-4 dias de ignição).