ANÁLISE EM CFD DO PROCESSO DE COMBUSTÃO DE CARVÃO NUMA CALDEIRA AQUATUBULAR: DEFEITOS DE FUNCIONAMENTO

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1 ANÁLISE EM CFD DO PROCESSO DE COMBUSTÃO DE CARVÃO NUMA CALDEIRA AQUATUBULAR: DEFEITOS DE FUNCIONAMENTO Luís F. Dondoni, Pedro L. Bellani, Eduardo M. Nadaletti, Leandro L. Felipetto, Maria L. S. Indrusiak Arthur B. Beskow & Cristiano V. da Silva Departamento de Engenharias e Ciência da Computação

2 Equipe do LABSIM Prof. Cristiano V. da Silva, Ac. Luís F. Dondoni Ac. Pedro L. Bellani Ac. Eduardo M. Nadaletti Ac. Leandro L. Felipetto Prof. Arthur B. Beskow Univ. Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões URI. Av. Sete de Setembro, 1621, , Erechim, RS Brasil. Profa. Maria Luiza Sperb Indrusiak, Escola Politécnica da Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS. Av. Unisinos, n. 950, CEP , São Leopoldo RS Brasil.

3 Introdução Usinas termelétricas são largamente utilizadas em todo o mundo para atender a demanda de energia elétrica. No Brasil existem poucas destas usinas, apesar das grandes reservas de carvão presentes na região sul, fato este associado à má fama que se estabeleceu sobre a queima de carvão no processo. No entanto, novas tecnologias disponíveis em equipamentos modernos já difundidos no mundo podem garantir uma minimização do impacto ambiental causado, e reverter este rótulo e desmistificar o uso do carvão como fonte de energia, trazendo muitos empregos e riquezas para a região sul do Brasil.

4 Introdução Entretanto, as emissões decorrentes dos processos de combustão do carvão devem ser mais bem avaliadas e a eficiência do processo de queima do carvão deve ser sempre melhorada, tornando-o de fato uma alternativa razoável para integrar a matriz de energia elétrica do Brasil. Para tal, a dinâmica dos fluidos computacional se apresenta como uma ferramenta viável no desenvolvimento de estudos sobre os fenômenos que ocorrem na combustão em caldeiras de usinas termelétricas.

5 Objetivos O propósito do presente estudo é o de analisar a condição de operação de um gerador de vapor de paredes d água de uma central termelétrica a carvão pulverizado onde o selo d água no fundo deste gerador apresenta vazamento de ar (ar adicional a temperatura ambiente entrando na caldeira) em comparação com a situação normal de operação. Dois modelos de radiação também foram adotados para predizer o efeito da dependência do comprimento de onda da fase gasosa: o modelo de gás cinza e o modelo de soma ponderada de gases cinza - WSGG (Weight Sum of Gray Gases), o qual usa os mesmos coeficientes de Taylor e Foster (1974).

6 Objetivos Primeira etapa: Simulação do caso base (Caso A condições normais de operação) a fim de validar o modelo de combustão implementado no software aqui utilizado, o Ansys CFX v Segunda etapa: Simulação da condição com vazamento de ar Caso B. Terceira etapa: Simulação de um caso hipotético, Caso C, onde as mesmas quantidades de ar do vazamento no selo do gerador de vapor (Caso B) foram introduzidas nas entradas primária e secundária do ar de combustão deste equipamento (retirando o vazamento, mas mantendo a mesma quantidade de ar total do Caso B).

7 Departamento de Engenharia e Ciência da Computação 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: Para a oxidação do metano considera-se duas etapas globais :

8 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 e, pelo modelo de Arrhenius. A partir do modelo de Eddy-Breakup ou

9 Conservação de quantidade de movimento onde e Conservação de energia (Le=1) onde e o termo fonte de radiação térmica, descrito pelo modelo Discrete Transfer Radiation Model (DTRM), é Sendo que o termo fonte de reações químicas é modelado por

10 Formação de poluentes - NOx A formação de NOx modelada através dos mecanismos thermal-no, prompt-no e fuel-no. Considera-se que para o nitrogênio do combustível a reação ocorra de forma instantânea para formar o HCN, o qual reage a partir das taxas finitas utilizando-se o mesmo modelo anterior, Eddy-Breakup-Arrhenius. Espectro de absosrção dos gases de combustão: Gás Cinza e WSGG Dois modelos para prever o comportamento do espectro de absorção dos gases de combustão na transferência de calor por radiação térmica são avaliados: gás cinza que considera o espectro homogêneo e constante em todo o domínio par a fase gasosa; modelo da soma ponderada de gases cinzas WSGG considera homogêneo, porém variável com a temperatura, o espectro de emissão e absorção da fase gasosa no processo adota-se os coeficientes de Taylor e Foster. OBS. Partículas de carvão e cinzas leves são modeladas como corpos negros.

11 Método Numérico Os campos de propriedades dentro da caldeira (velocidade, temperatura, pressões, concentrações, etc.) foram numericamente determinados com a utilização do software comercial Ansys CFX 12.1, o qual é baseado no método dos volumes finitos (Patankar, 1980). A power law foi selecionada para avaliar os fluxos na superfície do volume de controle e a função up-wind foi prescrita para o esquema de interpolação. O acoplamento velocidade-pressão foi resolvido pelo algoritmo SIMPLE (Patankar, 1980). Como as equações de conservação são não-lineares, fatores de relaxação foram utilizados para todas as equações de conservação e modelos adicionais.

12 Modelo físico Central Termelétrica de 160 MWe A caldeira do gerador de vapor possui oito queimadores tangenciais em dois níveis com quatro unidades.

13 Condições de contorno Caso A - Condições normais de operação conforme dados de projeto: Entrada: As vazões mássicas de ar de combustão primário e secundário e para o carvão pulverizado, foram definidas como sendo 79,5 kg/s, 100 kg/s e 50 kg/s, respectivamente, sem inclinação dos queimadores. As temperaturas para o ar primário e carvão, e ar secundário, foram definidas como 542 K e 600 K, respectivamente. O tamanho das partículas de carvão pulverizado, tipo CE 3100, foi modelado por uma distribuição probabilística e limitado entre 50 μm e 200 μm. Saída: foi estabelecido como saída do volume de controle modelado a passagem para o gás de combustão na parede lateral, próximo ao topo da caldeira, logo acima do trocador de calor ECO2, onde a pressão estática foi atribuída como sendo igual a -400 Pa. Para o modelo de radiação térmica foi considerada a temperatura local para o cálculo do coeficiente de absorção. Paredes: Temperatura de saturação prescrita.

14 Condições de contorno Caso B - Condições de operação com vazamento (falha): Entrada: as vazões mássicas de ar primário e secundário, bem como do o carvão pulverizado foram definidas como 60 kg/s, 96 kg/s e 44 kg/s, respectivamente, com os queimadores a um ângulo de inclinação para baixo de 15º, de acordo com os dados operacionais fornecidos pela equipe da usina. As temperaturas para o ar primário e carvão, e ar secundário foram definidas como sendo 542 K e 600 K, respectivamente. Foi adotada a mesma distribuição paramétrica de tamanho de partícula do carvão pulverizado do caso A. A entrada de ar pelo selo d água (condição de falha na operação) foi estimada pela equipe da usina como sendo de 30 kg/s, sendo atribuída como condição de contorno na parte inferior da caldeira em estudo. A temperatura deste ar foi definida como 313 K. Saída: na superfície de saída, similar ao caso A, a pressão estática foi definida como -116 Pa devido à entrada de ar na parte inferior da caldeira. Paredes: Temperatura de saturação prescrita.

15 Condições de contorno Caso C Situação hipotética de operação: Entrada: neste caso, uma situação hipotética foi considerada para as condições de entrada. Aqui, o vazamento de ar do caso B, 30 kg/s, é agora somado com o ar de combustão que entra pelos queimadores. Assim, as vazões mássicas de ar primário, secundário e de carvão pulverizado foram definidas como 71,7 kg/s, 114,3 kg/s e 44 kg/s, respectivamente, com os queimadores a um ângulo de inclinação para baixo de 15º. As temperaturas do ar primário e do carvão, e a temperatura do ar secundário foram definidas como 542 K e 600 K, respectivamente. Saída: na superfície de saída, similar aos casos A e B, a pressão estática foi definida como -400 Pa. Novamente, foi considerada a temperatura local para calcular a radiação térmica. Paredes: Temperatura de saturação prescrita.

16 Malha computacional Malha constituída por aproximadamente elementos divididos entre tetraédricos no interior e prismáticos nas paredes.

17 Resultados: Validação Principais parâmetros de controle usados para comparar e validar os resultados. Taxa de transferência de calor [kw/m 2 ] Temperatura dos gases na saída [ o C] %O 2 %CO 2 CH 4 (ppm) CO (ppm) NO x (ppm) Caso A Dados experimentais ,5 13, Caso A Gás cinza sem NO-Fuel ,4 20,8-0,7 8,53 Caso A Gás cinza com NO-Fuel ,2 21,9 0, Caso A - WSGGM Coeficientes de Taylor e Foster (1974) ,2 22,0 0, Caso B Gás cinza com NO-Fuel ,5 20,8 0,06 1, Caso B - WSGGM Coeficientes de Taylor e Foster (1974) ,5 20,8 0,06 0,8 156 Caso C Gás cinza com NO-Fuel ,3 21 0,06 1, Caso C - WSGGM Coeficientes de Taylor e Foster ,3 21 0,06 0, Dados obtidos em Silva e outros (2010).

18 Resultados (a) (a) Campo de temperatura em um plano vertical transversal no interior da caldeira para o caso A: modelo de gás cinza WSGG. (b) Campo de radiação incidente em um plano vertical transversal no interior da caldeira para o caso A: modelo de gás cinza; WSGG. (b)

19 Resultados (a) Linhas de corrente do escoamento vindo do vazamento no selo d água para o caso B; A escala das linhas de corrente representa a temperatura. Detalhes à esquerda, para o nível superior de queimadores: (b) fração mássica de N2; (c) fração mássica de HCN; (d) fração mássica de O2; (e) Campo de temperaturas. Detalhes a direita, para o nível inferior de queimadores: (f) fração mássica de N2; (g) fração mássica de HCN; (h) fração mássica de O2; (i) campo de temperaturas.

20 Resultados Linhas de corrente do escoamento partindo dos queimadores em um dos cantos: (a) caso B; (b) caso C.

21 Resultados Fluxo de calor nas paredes: (a) caso B; (b) caso C.

22 Resultados Fração mássica de NOx em alguns planos transversais horizontais(a) caso B; (b) caso C.

23 Conclusão Os campos de temperatura e velocidade estão em concordância com o comportamento esperado da câmara de combustão analisada. O vazamento criou um escoamento ascendente distinto no centro da caldeira, seguindo o eixo vertical. Os resultados reforçam o papel conjunto do nitrogênio do combustível, temperatura e turbulência nos mecanismos de formação do NOx. A simulação da produção do NOx por meio de três mecanismos (thermal, fuel e prompt) aponta a influência da alta temperatura e da concentração de oxigênio em associação com o nitrogênio do combustível no processo, principalmente para o mecanismo NO-fuel. O código mostra boa sensibilidade a variações nas condições de entrada e de contorno.

24 Agradecimentos

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