Simulação Numérica da Combustão de Carvão Pulverizado em Geradores de Vapor

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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.

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Resumo

1. Modelagem matemática

2. Estudo de caso

3. Malha e parâmetros da solução numérica

4. Resultados

5. Conclusões preliminares

6. Próximas etapas

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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:

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Modelagem Matemática

Devolatização 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.

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Modelagem Matemática

Uma 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

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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

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Estudo de Caso

Após 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%.

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Estudo de Caso

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Malha e Parâmetros da Solução

Malha 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

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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.

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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.

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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 Fuel, Promp e NO-Thermal.

A sequência de implementação adotada é a seguinte

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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.

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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.

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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.

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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/kg_produtos

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

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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.

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Resultados

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Resultados

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Resultados

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Resultados

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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/kg_produtos]

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/kg_produtos] 0,00744 0,01227 2,8x10-8 0,24363 0,66886 0,06779

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Caso 2: Combustão com excesso de ar de 30% - Radiação Térmica

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• 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.

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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.