DE TECNOLOGIAS AMBIENTAIS E ENERGÉTICAS (CETAE)

Transcrição

1 COMBUSTÃO DE SPRAYS Laiete Soto Messias Laboratório de Energia Térmica, Motores, Combustíveis e Emissões CENTRO DE TECNOLOGIAS AMBIENTAIS E ENERGÉTICAS (CETAE)

2 TÓPICOS 1. Introdução 2. Queimadores industriais de líquidos 3. Caracterização de sprays 4. Experiências do IPT na área 5. Propostas para trabalhos futuros

3 CHAMAS INDUSTRIAIS DE COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS TROCAS DE CALOR COLISÃO DE GOTAS (COALESCÊNCIA) COMBUSTÃO DE GOTAS COQUE (CENOSFERAS) COMBURENTE COMBUSTÍVEL FORMAÇÃO DO SPRAY (NEBULIZAÇÃO) MISTURA POR TURBULÊNCIA E DIFUSÃO RECIRCULAÇÕES PRODUTOS NA FASE GASOSA PRODUTOS DE COMBUSTÃO COMBURENTE QUEIMADOR VAPORIZAÇÃO REAÇÕES EM FASE GASOSA FULIGEM CÂMARA DE COMBUSTÃO Ambientes confinados (câmaras de combustão de caldeiras, fornos, geradores de gases quentes) Combustíveis residuais: óleos combustíveis deriv. de petróleo, alcatrões, óleos de origem animal ( sebo )

4 ÓLEOS COMBUSTÍVEIS NACIONAIS Viscosidade mais elevadas Teores elevados de asfaltenos e contaminantes (N, V, N i ) Controle de emissões atmosféricas (material particulado, SO x e NO x )

5 QUEIMADOR TÍPICO DE CALDEIRAS INDUSTRIAIS Ar terciário Lança nebulizadora de óleo Ar secundário Defletor do ar terciário Bocal nebulizador Ar primário Registro de ar secundário Registro de ar terciário "Swiler" do ar primário Bloco refratário porca de aperto bocal nebulizador cabeçote da lança óleo vapor tubo interno (óleo)

6 MODELO FÍSICO DE DESINTEGRAÇÃO DO LÍQUIDO EM GOTAS Formação de ondas na película Fragmentação e formação de ligamentos Fragmentação de ligamentos em gotas

7 BOCAIS NEBULIZADORES INDUSTRIAIS ÓLEO VAPOR ÓLEO ENTRADA DO ÓLEO ENTRADA DO VAPOR ORIFÍCIO DE DESCARGA Líquido Gotas pequenas Desintegração do filme líquido em ligamentos e grandes gotas Ar/Vapor pressão de líquido Região A Colisão direta Região B Arraste de gotas e deposição Região C Desintegração do filme de líquido Y-Jet Região D Névoa de gotas "Spray"

8 Bocal câmara de mistura Modelo físico de GRAZIADIO RUPTURA DOS LIGAMENTOS COM FORMAÇÃO DE GOTAS GRANDES GOTAS PEQUENAS NO CENTRO DO JATO AR / VAPOR GOTAS GRANDES NA PERIFERIA DO JATO LÍQUIDO IMPACTO NA PAREDE DE LIGAMENTOS E GOTAS GRANDES Gás Filme de líquido junto às paredes internas do bocal AR / VAPOR GOTAS MUITO PEQUENAS FORMADAS NAS CRISTAS DAS ONDAS Orifício de descarga Desintegração do filme de líquido Névoa de gotas "Spray" GOTAS MUITO PEQUENAS FORMADAS NA INTERFACE GÁS- LÍQUIDO RECIRCULAÇÃO E DEPOSIÇÃO DE GOTAS Gotas pequenas Desintegração do filme líquido em ligamentos e grandes gotas

9 BOCAIS NEBULIZADORES INDUSTRIAIS Óleo Vapor Ar Ar Câmara de mistura de pequeno volume

10 BOCAIS NEBULIZADORES INDUSTRIAIS Vapor Vapor Óleo Vapor Tubo de óleo Misturador Óleo-Vapor Bocal de descarga Câmara de mistura de grande volume

11 Características gerais de um spray NEBULIZAÇÃO COALESCÊNCIA VAPORIZAÇÃO Película Ligamentos Gotas Instabilidades Fluxo de ar Arraste de ar Ângulo do spray Ângulo equivalente do spray Bocal de Nebulização por pressão Recirculação de ar Fronteira do spray

12 CARACTERIZAÇÃO DE SPRAYS Diâmetro médio de gota: SMD ( Sauter Mean Diameter ) SMD= N i= 1 n d i 3 i N i= 1 n d i 2 i SMD : diâmetro médio de gota (µm); n: n o de gotas; e, d: diâmetro de gota (µm) Distribuição de diâmetro de gota (frequência ou acumulativa) = D D ( V,0.9) D ( V,0.5) ( V,0.1) = SPAN (fator de espalhamento); D (v,0.1) = Diâmetro de gota abaixo do qual se acumulam 10 % do volume das gotas do spray; D (v,0.5) = Diâmetro de gota abaixo do qual se acumulam 50 % do volume das gotas do spray; D (v,0.9) = Diâmetro de gota abaixo do qual se acumulam 90 % do volume das gotas do spray; Distribuição espacial das gotas na seção transversal do spray Ângulo do spray

13 REPRESENTAÇÃO TÍPICA DE DISTRIBUIÇÃO DE DIÂMETRO DE GOTAS Função distribuição F(D) Número Volume Diâmetro médio de gota (média aritmética) = 76,61 µm SMD = 109,2 µm Distribuição acumulada em volume e número [%] Diâmetro de gota [µm]

14 ESTAÇÃO DE AVALIAÇÃO DE SPRAYS DO IPT

15 ESTAÇÃO DE AVALIAÇÃO DE SPRAYS DO IPT Distribuição de líquido na seção transversal do spray (Partenador) 0,5 BOCAL NEBULIZADOR COM FLUIDO AUXILIAR Vazão de óleo: 75 kg/h; visc. 20 cst Fração em volume 0,4 0,3 0,2 0,1 Ar neb. / Óleo = 0,3 Ar neb. / Óleo = 0,5 Ar neb. / Óleo = 0,75 Ar neb. / Óleo = 1,0 Ar neb. / Óleo = 1, Distância do eixo do bocal [mm]

16 12 11 Vazão de óleo=720 kg/h Vazão de óleo=480 kg/h Vazão de óleo=240 kg/h BOCAL "Y JET" 29 x 70 o Viscosidade 100 SSU (21cSt) 10 D(3,2)=30 micron D(3,2)=40 micron D(3,2)=50 micron 9 D(3,2)=60 micron D(3,2)=80 micron CURVA CARACTERÍSTICA DE UM BOCAL NEBULIZADOR Pressão do óleo (bar) Dif. pressão=+1,5 bar Dif. Pressão =+1,5 bar Pressão do fluido de nebulização (bar)

17 MODELOS EMPÍRICOS PARA PREVISÃO DE DIÂMETRO DE GOTAS Expressão genérica proposta por Lefebvre para bocais com fluido auxiliar SMD D B α [ ] + β 1 AW BZ 1 + = eb RAL Número de Weber calculado no bocal: W e B V = 2 r, a D σ Bρ a, v l SMD = diâmetro de gota D B = diâmetro do orifício de descarga do bocal; A,B, α e β = parâmetros dependentes à geometria do bocal; RAL = razão mássica ar(vapor)/líquido; V r,a = velocidade relativa ar(vapor)-líq no ponto de mistura; ρ a,v = peso específico do ar(vapor); ρ l = peso específico do ar(vapor); σ l =tensão superficial do líquido; Número de Ohnersorge calculado no bocal: Z B = l µ 2 L σ D B ρ L

18 COMPARAÇÃO Y-JET X Câmara de mistura "Y-Jet " X CÂMARA DE MISTURA m c =1800 kg/h D( V,0.9) D = D ( V,0.5) ( V,0.1) D(v,0.9)m [micron] Y-Jet CÂMARA DE MISTURA ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 RAL [kg ar/kg óleo]

19 COMPARAÇÃO Y-JET X Câmara de mistura 4 "Y-Jet " X CÂMARA DE MISTURA 3 Y-Jet CÂMARA DE MISTURA = D D ( V,0.9) D ( V,0.5) ( V,0.1) Fator de espalhamento SMD m [micron]

20 COMPARAÇÃO Y-JET X Câmara de mistura BOCAL "Y-Jet" viscosidade do óleo: 39 cst BOCAL CÂMARA DE MISTURA viscosidade do óleo: 39 cst mc = 600 kg/h Pressão do óleo (Pc) [bar] mc = 600 kg/h mc = 1200 kg/h mc = 1800 kg/h SMDm = 30 micron SMDm = 40 micron SMDm = 60 micron SMDm = 80 micron SMDm = 100 micron Pa-Pc = 1,0 bar Pa-Pc = 2,0 bar D C B Pressão do óleo (Pc) [bar] F mc = 1200 kg/h mc = 1800 kg/h SMDm = 20 micron SMDm = 30 micron SMDm = 40 micron SMDm = 60 micron SMDm = 80 micron SMDm = 100 micron Pa-Pc = 1,0 bar Pa-Pc = 2,0 bar E D C B L A 5 0 E F K J G H I K J I H G Pressão do ar (P a ) [bar] Pressão do ar (P a ) [bar]

21 PROJETO E REDIMENSINAMENTO DE BOCAIS NEBULIZADORES Caso real: Caldeira Aquatubular 27 t/h Configurações dos bocais originais e protótipos utilizados: a - vapor; b - óleo: A lança nebulizadora; B porca de fixação; C bocal original; D bocal modificado

22 REDIMENSIONAMENTO DE BOCAL TIPO Y-JET 120 Diâmetro médio de gota - D (3,2) Bocal original Bocal IPT Y ,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 kg vapor/kg óleo

23 INFLUÊNCIA DA QUALIDADE DE NEBULIZAÇÃO NA EFICIÊNCIA DE CALDEIRA TESTES DE CAMPO: MEDIÇÃO DE EMISSÕES ATMOSFÉRICAS 100 Concentração de CO [ppm] Bocal original Bocal IP T Y9-40; condição 1 Bocal IP T Y9-40; condição ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Concentração de O 2 [% base seca]

24 INFLUÊNCIA DA QUALIDADE DE NEBULIZAÇÃO NA EFICIÊNCIA DE CALDEIRA TESTES DE CAMPO: MEDIÇÃO DE EMISSÕES ATMOSFÉRICAS Concentração de NO X [ppm] Bocal original Bocal IPT Y9-40; condição 1 Bocal IPT Y9-40; condição ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Concentração de O 2 [% base seca]

25 INFLUÊNCIA DA QUALIDADE DE NEBULIZAÇÃO NAS EMISSÕES ATMOSFÉRICAS TESTES DE CAMPO: MEDIÇÃO DE EMISSÕES ATMOSFÉRICAS 300 Bocal original Bocal novo; condição 2 Bocal novo; condição 1 Conce ntração de mate rial particulado [mg/nm 3 ] Núm ero da Coleta

26 INFLUÊNCIA DO FLUIDO DE NEBULIZAÇÃO NA EFICIÊNCIA E NAS EMISSÕES Teor de CO e NO x [ppm] Bocal Y- Jet 29 X 70 o m o =220 kg/h; visc.=100 SSU; P ar -P óleo =1,5 bar CO; neb. a ar NOx; neb. a ar CO; neb. a vapor NOx; neb. a vapor Teor de O 2 [%]

27 PROJETO E REDIMENSINAMENTO DE BOCAIS NEBULIZADORES BOCAL QUEIMADOR DE FORNO DE CALCINAÇÃO SWIRLER sem swirler CO (ppm; 0% O2) com swirler Vazão de óleo (l/min)

28 Propostas para o desenvolvimento de trabalhos na área de sprays NEBULIZAÇÃO Investigação de expressões genéricas para previsão de diâmetro de gotas aplicáveis aos bocais nebulizadores para óleos combustíveis. Tratamento dos adimensionais para estudos em escala ( scale-up ). Aprimoramento e validação de modelos de desintegração de películas, com a determinação da fração de gotas formadas a partir desse mecanismo de formação; Desenvolvimento de bocais nebulizadores para utilização de gás combustível como fluido de nebulização.

29 Propostas para o desenvolvimento de trabalhos na área de sprays EVAPORAÇÃO E COMBUSTÃO DE GOTAS Investigar alternativas para a redução de emissões de NO x, resolvendo a concorrência normalmente existente entre MP e CO com o NO x Influência do ângulo entre os orifícios de descarga e o eixo do bocal (PDPA, técnicas de visualização laser sheet ); Influência da geometria do swiler na qualidade de nebulização (PDPA; PLIF, outros?); Utilização de gás combustível como fluido de nebulização. Investigação dos mecanismos de evaporação e combustão de gotas considerando a formação de cenosferas quando se utiliza líquidos ultraviscosos.

30 Propostas para o desenvolvimento de trabalhos na área de sprays AR DE COMBUSTÃO AR SECUNDÁRIO AR PRIMÁRIO ÓLEO ÓLEO SWILER

31 OBRIGADO PELA ATENÇÃO Laiete Soto Messias