2.Objetivos. Equipamentos para limpeza de gases. Câmara de Póscombustão. Reator de Gaseificação. Filtro seco

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Débora Franca Antunes
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Universidade Federal do Rio Grande do Sul (1)

Universidade de Caxias do Sul (2) Universidade Federal

Cleiton Bittencourt da Porciúncula (1) Prof. Dr.

1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul (1) Departamento de Engenharia Química DEQUI/UFRGS Universidade de Caxias do Sul (2) Universidade Federal do Rio de Janeiro COPPE/PEQ (3) Eng. M.Sc. Cleiton Bittencourt da Porciúncula (1) Prof. Dr. Nilson Romeu Marcilio (1) Prof. Dr. Marcelo Godinho (2) Prof. Dr. Argimiro Resende Secchi (3)

2 1.Introdução Particulados estão entre os contaminantes mais problemáticos em processos de gaseificação e combustão. Dentre estes particulados, destacam-se a cinza, o alcatrão e o carbono fixo. Problemas de incrustação e corrosão em equipamentos de processo (turbinas, trocadores de calor, geradores de vapor). Contaminação da atmosfera. Alternativa para remoção destes particulados: uso de filtros secos com diferentes elementos filtrantes (areia, pérolas de vidro, fibras cerâmicas, alumina e outros).

3 2.Objetivos Simulações fluidodinâmicas de filtro seco em dimensões de planta piloto de forma a avaliar o comportamento da perda de carga. Estado Estacionário; Regime Transiente. Construção do equipamento de bancada para avaliar parâmetros experimentais do leito filtrante (permeabilidade hidráulica). Reator de Gaseificação Câmara de Póscombustão Equipamentos para limpeza de gases Filtro seco

4 3.Modelagem matemática CFD Computational Fluid Dynamics ANSYS CFX 11.0 Equações de Navier-Stokes: Equação da continuidade: Equações do modelo de turbulência empregado (k-e)

5 3.Modelagem matemática Transporte de particulados Abordagem Lagrangeana Abordagem Euleriana

6 3.Modelagem matemática Lei de Darcy para escoamento em meios porosos Permeabilidade hidráulica

7 3.Modelagem matemática Equações de filtração à taxa constante Resistência específica da torta em função do tempo Permeabilidade hidráulica em função do tempo

4.Materiais e métodos Tabela 1 Principais parâmetros ajustados nas simulações de estado estacionário Simulação 3 Espessura do leito (mm) Permeabilidade (m 2 )

8 4.Materiais e métodos Tabela 1 Principais parâmetros ajustados nas simulações de estado estacionário Simulação 3 Espessura do leito (mm) Permeabilidade (m 2 ) Porosidade Diâmetro da partícula do leito (mm) , , , , mm misto leito de 2 4, ,4 2 mm 25 mm misto leito de 1 mm 3, ,3 1

9 4.Materiais e métodos Tabela 2 Abordagens adotadas nas simulações dinâmicas Abordagem Transporte de partículas e arraste (Lagrangeana) Transporte de fluido disperso agindo como partícula (Euleriana-Lagrangeana) Difusão e arraste (Euleriana) Princípio físico Segunda lei de Newton aplicada a cada partícula. Equação de transporte de material acoplada às equações de transporte de fluido, considerando força de arraste. Inclusão do coeficiente de difusão calculado a partir da equação de Stokes-Einstein (D=k B T/6πμa) para esferas rígidas. (D= m 2. s -1 )

4.Materiais e métodos Condições de operação - planta piloto Porosidade do meio filtrante: 0,4; Fator de forma (esfericidade) do meio filtrante: 0,75; Vazão de alimentação: 2000 kg.

10 4.Materiais e métodos Condições de operação - planta piloto Porosidade do meio filtrante: 0,4; Fator de forma (esfericidade) do meio filtrante: 0,75; Vazão de alimentação: 2000 kg. h -1 ; Espessura do leito: 50 e 100 mm; Diâmetro do material do leito filtrante (1 e 2 mm); Material particulado do filtro de bancada: pérolas de vidro de 2 mm de diâmetro Porosidade medida = 0,4 Massa específica do leito = 1686,6 kg. m -3 Massa específica do vidro = 2811 kg. m -3 Concentração de particulados na alimentação:100 mg. N -1 m -3 Massa específica do particulado: 200 kg. m -3 ; Temperatura de operação: 80 o C; Distribuição granulométrica normal do particulado alimentado: diâmetro mínimo: 0,96 mm; diâmetro máximo:15,4 mm; diâmetro médio: 5 mm; desvio padrão: 3,87 mm. Figura 1 - Filtro de bancada

Figura 4 - Vista lateral de filtro seco com espaçamento entre as calhas de 50 mm, sendo 25 mm

11 4.Materiais e métodos Figura 2 - Vista lateral de filtro seco com espaçamento entre as calhas de 100 mm Figura 3 - Vista lateral de filtro seco com espaçamento entre as calhas de 50 mm Figura 4 - Vista lateral de filtro seco com espaçamento entre as calhas de 50 mm, sendo 25 mm para cada leito: (lado esquerdo, diâmetro do leito = 2 mm), (lado direito, diâmetro do leito = 1 mm)

12 5.Resultados Tabela 3 - Resultados das simulações em estado estacionário Espessura do leito (mm) Perda de carga (mmh 2 O) , ,1 25 mm misto, 2 mm 39,2 25 mm misto, 1 mm 499,5 538,7 Permeabilidade estimada: 4, m 2 (2 mm) e 3, m 2 (1 mm) Permeabilidade experimental (filtro de bancada): 2, m 2

13 5.Resultados Tabela 4 - Resultados das simulações em regime transiente Lagrangeana Euleriana Euleriana- Lagrangeana Tempo (horas) Perda de carga (mm H 2 O) Perda de carga (mm H 2 O) Perda de carga (mm H 2 O) 0 43,3 43,2 43,2 1 57,7 57,6 57,6 2 72,0 71,9 71,9 3 86,5 86,3 86, ,9 100,7 100, ,3 115,1 115, ,7 129,4 129, ,1 143,8 143, ,5 158,2 158, ,8 172,5 172, ,3 186,9 186,9

14 5.Resultados Figura 5 - Linhas de corrente de gás em filtro de 100 mm

15 5.Resultados Figura 6 - Distribuição de pressão no filtro de 100 mm

16 6.Conclusões Para um tempo de operação de 10 horas, prevê-se um aumento de cerca de quatro vezes a perda de carga inicial para o filtro da planta piloto. A diminuição do diâmetro de partícula constituinte do leito contribui significativamente no aumento da perda de carga. A distribuição de linhas de corrente prevê um acúmulo de torta nas calhas em regiões imediatamente acima e abaixo do eixo central de alimentação.

17 Agradecimentos Rede Nacional de Carvão, CNPq. Ao professor Argimiro, pelo auxílio na parte da modelagem; Aos professores Celso Martins, Leonardo Masotti e Marcelo Godinho pela orientação quanto ao projeto do equipamento.

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